五軸數(shù)控加工中刀具干涉處理的特征投影法

　　隨著現(xiàn)代工業(yè)中零件復(fù)雜曲面設(shè)計(jì)的增加为惧，五軸加工在數(shù)控加工中所占比重將愈來愈大拉盘。由于五軸數(shù)控加工加入了兩個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度劲徙，增加了數(shù)控加工運(yùn)動(dòng)模擬計(jì)算和刀具干涉檢查的難度窘燎，特別是在加工形狀極其復(fù)雜的零件表面時(shí)，更是如此秘挥。因此昂待，為了確保五軸數(shù)控機(jī)床進(jìn)行高效率和高質(zhì)量的切削加工，開發(fā)五軸加工刀具軌跡生成及其干涉檢查的軟件將成為研究者面臨的重大課題功缤。

　　筆者提出了一種適用于五軸數(shù)控加工刀具干涉處理的特征投影法呜唁，即將加工曲面離散成一系列曲面特征點(diǎn)，是否發(fā)生刀具干涉可由特征點(diǎn)是否進(jìn)入刀具表面內(nèi)部來判斷斜劳。同時(shí)將加工曲面和刀具表面投影到一個(gè)特定平面上导盅，僅將包絡(luò)刀具投影圖形的曲面區(qū)域內(nèi)的特征檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行干涉檢查，提高干涉檢測(cè)的效率揍瑟。

　　1 干涉檢查方法

　　1) 坐標(biāo)系及坐標(biāo)變換 五軸環(huán)行刀NC加工的局部坐標(biāo)系L表示為XL軸白翻、YL軸和ZL軸，YL軸總是指向該刀觸點(diǎn)(Cutter Contact Points绢片，簡稱CC點(diǎn))OL的走刀方向f嘁字，ZL軸指向曲面外法線方向n，而XL軸則由YL軸和ZL軸的右手法則確定杉畜。刀具一般繞XL軸由ZL軸向YL軸方向旋轉(zhuǎn)一個(gè)導(dǎo)前角(后跟角)a纪蜒，和繞ZL軸旋轉(zhuǎn)一個(gè)又一個(gè)側(cè)偏角b。另外此叠，在刀位點(diǎn)(Cutter LocationPoints纯续，簡稱CL點(diǎn))OT處還可定義刀具坐標(biāo)系T(XT，YT灭袁，ZT)猬错，其中YT軸指向CL點(diǎn)和CC點(diǎn)連線方向，ZT軸為刀軸矢量方向茸歧，XT軸是由YT軸和ZT軸的右手法則確定的方向倦炒，坐標(biāo)原點(diǎn)位于刀具中心點(diǎn)(即CL點(diǎn))OT。為了簡化干涉檢查晶会，以形狀較為規(guī)則的刀具表面作為基準(zhǔn)進(jìn)行干涉檢測(cè)毁兼，加工曲面經(jīng)過離散后以一組特征點(diǎn)的形式來表示曲面形狀，這些特征點(diǎn)的原始數(shù)據(jù)均在世界坐標(biāo)系W中表示禀瓜，因此首先必須將特征點(diǎn)數(shù)據(jù)從世界坐標(biāo)系W(OW-XW坝跃，YW，ZW)變換到局部坐標(biāo)系L(OL-XL丹仅，YL鹅昭，ZL)，再由局部坐標(biāo)系L變換到刀具坐標(biāo)系T(OT-XT贺壮，YT束湃，ZT)中來表示。

　　2) 干涉檢查方法

　　如果刀具和動(dòng)力頭已選定大愁，則刀具系(刀具和動(dòng)力頭)的尺寸即為已知袖共，刀具系與加工曲面是否發(fā)生干涉，可由判別特征點(diǎn)P是否進(jìn)入刀具表面內(nèi)部來確定兜飒。

　　為環(huán)形刀加工時(shí)刀具系與加工曲面的位置關(guān)系幻林，在刀具坐標(biāo)系中，設(shè)特征點(diǎn)P的坐標(biāo)為PI(Xpt音念，Ypt沪饺，Zpt)，根據(jù)刀具系的不同組合部分闷愤，將特征點(diǎn)P的坐標(biāo)值Zpt分為4段進(jìn)行判別整葡，具體情況如下：

　　a. 當(dāng)特征點(diǎn)P 處于u1 段范圍內(nèi)，則不會(huì)發(fā)生干涉讥脐。

　　b. 當(dāng)特征點(diǎn)P 處于u2范圍內(nèi)遭居，有兩種情況，將圓環(huán)體分成兩部分：小圓柱部分P1和圓環(huán)部分P2旬渠。當(dāng)特征點(diǎn)涉入圓柱部分P1時(shí)俱萍，發(fā)生刀具干涉端壳，即滿足式中R 表示刀具半徑，R1 表示環(huán)行刀的圓環(huán)半徑枪蘑。 當(dāng)特征點(diǎn)涉入圓環(huán)部分P2時(shí)损谦，也發(fā)生刀具干涉，即滿足式中若特征點(diǎn)P 沒有進(jìn)入P1和P2部分咆上，則不發(fā)生刀具干涉祝遗。

　　<P><FONT face=宋體 style='font-size:13px'>    c. 當(dāng)特征點(diǎn)P處于u3段范圍內(nèi)，則當(dāng)特征點(diǎn)P至ZT軸之間的距離小于刀具半徑時(shí)准贯，發(fā)生刀具干涉说拾，即滿足否則，不發(fā)生刀具干涉掘防。

　　d. 當(dāng)特征點(diǎn)P 處于u4 段范圍內(nèi)蝗广，情況同3，只要把式(3)中刀具半徑R換成動(dòng)力頭半徑d/2來進(jìn)行判別即可嗤渔。 把與刀具系發(fā)生干涉的曲面特征點(diǎn)稱為干涉點(diǎn)涡似，按上述方法檢測(cè)出所有的干涉點(diǎn)，并計(jì)算各干涉點(diǎn)徑向方向上的干涉量薯湾，然后采用適當(dāng)?shù)姆绞絹硐缮妗?

　　3) 檢查的特征投影法

　　將刀具系和曲面特征點(diǎn)投影到一個(gè)二維的平面(投影平面)上怨怒，在二維投影平面上取合理的間距對(duì)加工曲面進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)劃分，分割成一系列正方形线满。當(dāng)正方形完全被投影刀具系輪廓覆蓋時(shí)榴痢，記為完全正方形，在該區(qū)域內(nèi)的曲面特征點(diǎn)有可能與刀具系發(fā)生干涉同诫；當(dāng)正方形完全沒有被投影刀具系輪廓相交時(shí)粤策，記為非正方形，不可能與刀具系發(fā)生干涉误窖；當(dāng)正方形部分被投影刀具系輪廓覆蓋時(shí)叮盘，記為部分正方形。為了進(jìn)一步減少特征點(diǎn)的檢查數(shù)目霹俺，對(duì)部分正方形作一次四叉樹分割處理柔吼，刪除非正方形，將可能發(fā)生干涉的特征點(diǎn)按區(qū)域順序丙唧，重新編制檢測(cè)文件愈魏，然后進(jìn)行坐標(biāo)變換和干涉檢查。

　　減少干涉檢測(cè)區(qū)域的網(wǎng)格劃分法

　　2 干涉消除方式

　　1) 旋轉(zhuǎn)刀軸方式

　　在一個(gè)刀位點(diǎn)處想际，曲面特征點(diǎn)于刀具系發(fā)生干涉的有m個(gè)培漏，綜合考慮m個(gè)干涉點(diǎn)的干涉情況，可找到一個(gè)消除干涉的最佳方向胡本，以便最有效地消除刀具干涉牌柄。為此畸悬，引入了“干涉消除平面”的新概念，把m個(gè)干涉點(diǎn)處的曲面法矢量投影到刀具坐標(biāo)系T的XTYT平面上酌涮，設(shè)干涉點(diǎn)處的曲面法矢量在XTYT平面上的投影為nxyi(i=1冶侮，2，…丑炒，m)，干涉點(diǎn)在XTYT平面上的干涉分量為Dt(i=1措铸，2芬阀，…，m)废含。

　　干涉消除矢量I則干涉消除矢量I可由下式求出

　　(4)由式(4)求出干涉消除矢量I(Sx讽渐，Sy，Sz)之后锰玩，再由干涉消除矢量I和ZT軸構(gòu)成干涉消除平面揭斥。設(shè)由軸ZT和消除矢量I的叉乘矢量為K，在平行于“干涉消除平面”的平面上計(jì)算刀具繞K軸向I傾斜多大的干涉消除角度d能剛好消除刀具干涉辣胚，如圖5所示眶衙。設(shè)將干涉點(diǎn)Pi(i=1，2柠横，…窃款，m)排除在刀具系表面之外所需要的最小角度為di(i=1，2牍氛，…晨继，m)，則干涉消除角度d是所有角度di的最大值

　　(5)要把干涉點(diǎn)Pi排除在刀具系之外搬俊，干涉點(diǎn)Pi固定不動(dòng)紊扬，刀具系繞K 軸向I方向旋轉(zhuǎn)，等價(jià)于干涉點(diǎn)Pi相對(duì)于刀具系和刀具坐標(biāo)系在平行干涉消除平面IOTZT的平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)di角度唉擂，下面以環(huán)形刀為例加以分析餐屎。

　　環(huán)形刀加工時(shí)刀具系的旋轉(zhuǎn)軸經(jīng)過消除平面IOTZT與刀具圓環(huán)面的交圓弧中心點(diǎn)O1，并平行于矢量K楔敌，過干涉點(diǎn)Pi啤挎，平行于消除平面IOTZT作一截平面，截平面與刀具圓環(huán)面的交線為4次曲線卵凑，與圓柱面的交線為兩直線庆聘。

　　環(huán)形刀的刀軸旋轉(zhuǎn)分兩種情況，當(dāng)干涉點(diǎn)Pi落入環(huán)形刀圓柱體內(nèi)淋话，旋轉(zhuǎn)角度di為∠PiOPi’商寝，計(jì)算公式為

　　(6) 而角度d1計(jì)算如下

　　(7) 當(dāng)時(shí)筝便，點(diǎn)Pi在旋轉(zhuǎn)過程中與圓柱表面截線相交，d2的計(jì)算公式為

　　(8) 當(dāng)點(diǎn)Pi在旋轉(zhuǎn)過程中不與圓柱截線相交時(shí)愁淀，則點(diǎn)Pi’可能與圓環(huán)截面4次曲線或刀具底平面截線相交匆力。與圓環(huán)截面4次曲線相交時(shí)，角度d2的計(jì)算較復(fù)雜曙椎，為了簡化計(jì)算龟些，對(duì)旋轉(zhuǎn)角度作保守處理。這時(shí)卤诗，計(jì)算出的角度d2要比實(shí)際角度大棘扯，但對(duì)于刀具干涉處理沒有影響。保守處理點(diǎn)Pi’均旋轉(zhuǎn)到與刀具底平面相交事晶，這時(shí)角度d2等于

　　(9) 當(dāng)干涉點(diǎn)Pi落入環(huán)形刀圓環(huán)體內(nèi)肤币，同樣對(duì)旋轉(zhuǎn)角度作保守處理，點(diǎn)Pi’均旋轉(zhuǎn)到與刀具底平面相交峰裁，旋轉(zhuǎn)角度di為∠PiOPi’夏哭，計(jì)算公式同式(6) (10)

　　(11) 當(dāng)式(11)中的分母小于分子時(shí)，點(diǎn)Pi’在旋轉(zhuǎn)過程中不能與刀具底平面相交献联，這時(shí)不能通過旋轉(zhuǎn)刀軸方式來消除干涉竖配，但這種情況可能性極小。 　同理可處理動(dòng)力頭圓柱體內(nèi)的干涉點(diǎn)酱固。

　　雖然刀具系可通過向I方向旋轉(zhuǎn)d角度來消除干涉點(diǎn)械念，但刀具系在旋轉(zhuǎn)過程中有可能再與其他曲面特征點(diǎn)發(fā)生干涉。因此刀具系旋轉(zhuǎn)后运悲，必須計(jì)算新的刀軸矢量龄减，并重新建立新的刀具坐標(biāo)系，再進(jìn)行與曲面的干涉檢查班眯。當(dāng)干涉現(xiàn)象不能通過旋轉(zhuǎn)刀軸方式消除時(shí)希停，則采用沿刀軸方向的抬刀方式來消除。
2) 抬刀方式采用沿刀軸方向抬刀方式消除干涉時(shí)署隘，應(yīng)計(jì)算沿ZT方向的抬刀量宠能。對(duì)于m個(gè)干涉點(diǎn)Pi(i=1，2磁餐，…棵薛，m)，計(jì)算每個(gè)干涉點(diǎn)排除的抬刀量Dzi(i=1瞪殖，2抗该，…，m)，并同樣取其中最大量為刀具抬刀量Dz庙曹。

　　為環(huán)形刀加工時(shí)抬刀量的計(jì)算师赂，有兩種情況。當(dāng)干涉點(diǎn)Pi落入半徑為(R-R1)的刀具圓柱體S1內(nèi)時(shí)班痹，刀具向上抬刀镶悟，干涉點(diǎn)最后與刀具底平面相交，其抬刀量計(jì)算為

　　(12) 當(dāng)干涉點(diǎn)Pi落于半徑差為R1的圓環(huán)體S2內(nèi)時(shí)蔚抖，抬刀時(shí)干涉點(diǎn)與刀刃圓弧面相交辙哪，其抬刀量為

　　3 算法實(shí)現(xiàn)

　　1) 確定曲面的CC點(diǎn)，法矢量n和走刀矢量f孔尸，計(jì)算刀具的CL點(diǎn)初祠，建立相應(yīng)的坐標(biāo)系，計(jì)算初始刀軸矢量Ti(i=1鳄橘，2，…芒炼，n);

　　2) 對(duì)于一個(gè)刀位點(diǎn)瘫怜，選擇一個(gè)特定平面，將刀具系與加工曲面投影到該平面上本刽；

　　3) 在投影平面上對(duì)加工曲面進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)劃分鲸湃，得一系列正方形區(qū)域。用標(biāo)記符Tag 表示正方形的性質(zhì)子寓，Tag=1時(shí)暗挑，為完全正方形，接收斜友；Tag=2時(shí)炸裆，為非正方形，丟棄鲜屏；Tag=3時(shí)烹看，為部分正方形，需要作一次四叉樹分割洛史，丟棄非正方形郭宪；

　　4) 將分割后得到的完全正方形和部分正方形區(qū)域內(nèi)的曲面特征點(diǎn)按區(qū)域順序排列，重新編制成檢測(cè)文件枕详，并將這些特征點(diǎn)Pi從世界坐標(biāo)系W向刀具坐標(biāo)系T進(jìn)行坐標(biāo)變換息扶；

　　5) 在刀具坐標(biāo)系T中，將特征點(diǎn)Pi(xipp弹扩，yip纫脚，zipp)的坐標(biāo)值進(jìn)行分段，判斷點(diǎn)是否落入刀具系表面內(nèi)，若落入則發(fā)生干涉犹耻，轉(zhuǎn)下一步财军；若不發(fā)生干涉，轉(zhuǎn)10春探；

　　6) 需采用抬刀方式消除干涉欧移，轉(zhuǎn)9；其他情況采用旋轉(zhuǎn)刀軸方式來消除干涉辑皿，轉(zhuǎn)下一步时簸；

　　7) 確定干涉消除平面，計(jì)算消除干涉的旋轉(zhuǎn)角度di赖晶；

　　8) 計(jì)算新的刀軸矢量Ti’律适，確定新的刀具坐標(biāo)T’，重復(fù)步驟4和5確定旋轉(zhuǎn)刀軸方式是否能消除干涉遏插。若能消除捂贿，則轉(zhuǎn)入10；若不能消除胳嘲，則轉(zhuǎn)入下一步厂僧；

　　9) 刀軸方向的抬刀量Dzi，用抬刀方式消除干涉了牛，并記錄該刀位點(diǎn)的序號(hào)颜屠，以便走刀后作補(bǔ)充加工；

　　10) 判斷是否是最后一個(gè)刀位點(diǎn)鹰祸，若不是則取下一個(gè)刀位點(diǎn)甫窟，轉(zhuǎn)入2；

　　11) 輸出檢測(cè)結(jié)果蛙婴，結(jié)束粗井。

　　4 結(jié)論

　　該干涉處理方法是針對(duì)于五軸端銑數(shù)控加工的情況提出來的，并從干涉處理方法和減少檢測(cè)區(qū)域兩個(gè)方面來簡化干涉的處理過程疤草。提出了以刀具系表面為檢測(cè)基準(zhǔn)础甜，并將加工曲面離散成一組曲面特征點(diǎn)，這樣一個(gè)復(fù)雜的三維空間中的刀具干涉檢查問題就簡化為一個(gè)簡單的平面計(jì)算問題孩板。同時(shí)怨拍，為了更有效地消除刀具干涉，根據(jù)干涉情況確定了一個(gè)消除干涉的干涉消除平面蛆删。另外灰蒋，通過將刀具系與曲面特征點(diǎn)投影到一個(gè)特定的平面上，并對(duì)投影平面進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)劃分捅悦，刪除一些無關(guān)的檢測(cè)區(qū)域萍捌，可大大縮短計(jì)算時(shí)間丈揖。這種方法可用于處理球頭刀、平底刀和環(huán)形刀加工時(shí)的啃切干涉和碰撞干涉逗耕，算法穩(wěn)定旁咙、便于實(shí)現(xiàn)。

聲明：本網(wǎng)站所收集的部分公開資料來源于互聯(lián)網(wǎng)摘肤，轉(zhuǎn)載的目的在于傳遞更多信息及用于網(wǎng)絡(luò)分享椿疗，并不代表本站贊同其觀點(diǎn)和對(duì)其真實(shí)性負(fù)責(zé)，也不構(gòu)成任何其他建議糠悼。本站部分作品是由網(wǎng)友自主投稿和發(fā)布届榄、編輯整理上傳，對(duì)此類作品本站僅提供交流平臺(tái)，不為其版權(quán)負(fù)責(zé)。如果您發(fā)現(xiàn)網(wǎng)站上所用視頻带斑、圖片、文字如涉及作品版權(quán)問題班缰，請(qǐng)第一時(shí)間告知，我們將根據(jù)您提供的證明材料確認(rèn)版權(quán)并按國家標(biāo)準(zhǔn)支付稿酬或立即刪除內(nèi)容悼枢，以保證您的權(quán)益鲁捏！聯(lián)系電話：010-58612588 或 Email:editor@mmsonline.com.cn。