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五轴加工全局干涉检查及其避免

2018/2/2    来源:互联网    作者:李万军  赵东标  牛敏  刘凯      
关键字:五轴加工  复杂曲面  全局干涉  最小二乘法  数控系统  
基于坐标系变换原理进行五轴数控加工刀具全局干涉检测, 将曲面检测点变换到刀具局部坐标系中,通过判断曲面点是否落到刀具半径范围内来判断是否为干涉点, 大大降低了计算量, 提高了数控加工效率。对干涉点通过最小二乘法确立最小包容区域以及刀具姿态最优偏转轴及偏转角。为了防止在偏转过程中产生新的干涉, 确立了刀具姿态有效区域, 使得偏转角度能够避免刀具干涉且在有效区域内。通过实例验证了所提方法的可行性和有效性。

0 引言

    复杂曲面和自由曲面已被广泛应用于汽车、航空、船舶、模具等制造工业领域。随着计算机辅助设计( Computer Aided Design,CAD) /计算机辅助制造( Computer Aided Manufacturing ,CAM) 和计算机数字控制( Computer Numerical Cont rol,CNC)技术的发展,五轴数控加工已经被证明是一种高效高精度的加工方法。五轴数控加工使曲面加工具有更大的灵活性、更高的效率和更好的加工质量,然而刀具方向的不断变化,增加了刀具干涉检查的难度,尤其是形状极其复杂的曲面。要充分体现五轴数控加工的优势,必须解决刀位干涉问题。

    全局干涉主要指在加工过程中,刀具整体与件、夹具、机床床身等部件发生的碰撞现象,国内外学者对此进行了大量研究。刀具加工全局干涉检测算法主要有层次包围盒法、包围盒法与八叉树结合的干涉搜索算法、投影法、能量法和凸包法等Lee提出采用两步法进行全局干涉检查,首先利用自由参数曲面自身的凸包性粗略判断刀具全局干涉,当通过自由曲面的凸包性不能够成功地检测出干涉区域时,再在刀具接触点有效区域范围内搜索判断干涉。钟建琳依据斜立方体凸包法粗检刀具方向与斜立方体凸包之间是否存在干涉,若不存在,则该刀具方向可行; 若存在,则需要进一步的详细检测来判断该空间自由曲面与刀具方向是否存在干涉。杨勇生利用特征投影原理对刀具干涉进行处理,将待检测的曲面点投影到刀具体上,按其投影点与刀具体之间的关系确定是否存在干涉。蔡永林提出一种求解曲面到刀具极值距离的方法,该方法将曲面上的点投影到刀轴上,求出曲面到刀轴的最小距离,从而判断刀具的全局干涉问题。以上算法需要求交计算及其距离判断,计算量较大,效率相对较低。

    本文针对参考文献中的刀具轨迹生成算法,对刀具全局干涉避免进行研究,通过三维空间坐标系变换原理将加工曲面坐标系与刀具局部坐标系进行变换,并确定刀具姿态有效活动区域,通过判断复杂曲面上的检测点在刀具接触点轨迹处刀具坐标系中的位置来确定是否干涉,不需要进行复杂的求交或者距离计算,与其他算法相比,该方法大大减少了计算量,提高了数控加工的整体效率。对所有的干涉检测点在有效切削区域内进行调整,能够避免调整刀具姿态时出现二次干涉现象。

1 刀具姿态有效区域的确定

    在五轴数控加工复杂曲面过程中,由于曲面曲率分布的不规则性,刀具位于曲面上的每一个刀触点都有一个有效摆动区域。当刀具姿态按其刀触法矢量方向进行走刀加工时,可能出现全局干涉象,需要刀具偏转一定角度以避免出现全局干涉。因此为了防止在偏转过程中出现新的干涉现象,需要防止刀具超出有效摆动区域。

    为了确定刀具在当前刀触点的有效摆动区域范围,首先将曲面离散成一系列网格点,网格划分采用文献中的网格形成方法。如果通过每一刀具接触点与所有的网格点所进行的距离计算来判断全局干涉,则计算量很大,因此将网格点相对于刀具接触点进行三维平移变换。

    设刀具接触点Pc 在空间坐标系的坐标为( Tx ,Ty ,Tz ) ,网格点的坐标为( x,y,z ) ,则网格点坐标相对于刀具接触点进行平移的变换矩阵为

    1

    复杂曲面五轴加工过程中,使用最多的三种刀具如图1所示,它们在计算有效摆动区域时的区别不大,本文以球头刀为研究对象。为了缩减判断刀具有效摆动区域的计算量,对满足式(2) 的网格点进行分析,确立一个存在干涉的可能区域,如图2所示。

    2

    式中Lt为刀具头总体长度。式(2) 没有考虑平移变换后z’值的影响,主要是考虑了刀具在加工过程中最大可能的干涉区域,避免遗漏干涉点。

    3

    确立可能存在全局干涉的区域后,对区域内的数据点进行计算,如图3所示。给定一个刀具接触点Pc ,存在左临界接触点Pa和右临界接触点Pb ,有Pc点与Pa点确立的向量Vca和Pc点与Pb点立的向量Vcb得到的一个夹角A,角度A为刀具在前行无全局干涉的活动范围,在此范围内不存在全局干涉,超出此范围肯定存在全局干涉。针对所区域内的所有行寻找左右接触点,连接所有的临界接触点形成刀具的有效变化姿态区域,如图4所示。

    4

责任编辑:张纯子
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