新五轴数控加工中刀具干涉

1、优选文档优选文档PAGEPAGE8优选文档PAGE五轴数控加工中刀具干涉随着现代工业中零件复杂曲面设计的增加，五轴加工在数控加工中所占比重将愈来愈大。由于五轴数控加工加入了两个旋转自由度，增加了数控加工运动模拟计算和刀具干涉检查的难度，特别是在加工形状极其复杂的零件表面时，更是这样。因此，为了保证五轴数控机床进行高效率和高质量的切削加工，开发五轴加工刀具轨迹生成及其干涉检查的软件将成为研究者面对的重要课题。笔者提出了一种适用于五轴数控加工刀具干涉办理的特色投影法，立刻加工曲面失散成一系列曲面特色点，可否发生刀具干涉可由特色点可否进入刀具表面内部来判断。同时将加工曲面和刀具表面投影到一个特定平面

2、上，仅将包络刀具投影图形的曲面地域内的特色检测点进行干涉检查，提高干涉检测的效率。干涉检查方法坐标系及坐标变换五轴环行刀NC加工的局部坐标系L表示为XL轴、YL轴和ZL轴，YL轴总是指向该刀触点(CutterContactPoints，简称CC点)OL的走刀方向f，ZL轴指向曲面外法线方向n，而XL轴则由YL轴和ZL轴的右手法规确定。刀具一般绕XL轴由ZL轴向YL轴方向旋转一个导前角(后跟角)a，和绕ZL轴旋转一个又一个侧偏角b。别的，在刀位点(CutterLocationPoints，简称CL点)OT处还可定义刀具坐标系T(XT，YT，ZT)，其中YT轴指向CL点和CC点连线方向，ZT轴为刀

3、轴矢量方向，XT轴是由YT轴和ZT轴的右手法规确定的方向，坐标原点位于刀具中心点(即CL点)OT。为了简化干涉检查，以形状较为规则的刀具表面作为基准进行干涉检测，加工曲面经过错散后以一组特色点的形式来表示曲面形状，这些特色点的原始数据均在世界坐标系W中表示，因此第一必定将特色点数据从世界坐标系W(OW-XW，YW，ZW)变换到局部坐标系L(OL-XL，YL，ZL)，再由局部坐标系L变换到刀具坐标系T(OT-XT，YT，ZT)中来表示。干涉检查方法若是刀具和动力头已选定，则刀具系(刀具和动力头)的尺寸即为已知，刀具系与加工曲面可否发生干涉，可由鉴识特色点P可否进入刀具表面内部来确定。为环形刀加工

4、时刀具系与加工曲面的地址关系，在刀具坐标系中，设特色点P的坐标为PI(Xpt，Ypt，Zpt)，依照刀具系的不同样组合部分，将特色点P的坐标值Zpt分为4段进行鉴识，详尽情况以下：a.当特色点P处于u1段范围内，则不会发生干涉。b.当特色点P处于u2范围内，有两种情况，将圆环体分成两部分：小圆柱部分P1和圆环部分P2。当特色点涉入圆柱部分P1时，发生刀具干涉，即满足式中R表示刀具半径，R1表示环行刀的圆环半径。当特色点涉入圆环部分P2时，也发生刀具干涉，即满足式中若特色点P没有进入P1和P2部分，则不发生刀具干涉。c.当特色点P处于u3段范围内，则当特色点P至ZT轴之间的距离小于刀具半径时，发

5、生刀具干涉，即满足否则，不发生刀具干涉。d.当特色点P处于u4段范围内，情况同3，只要把式(3)中刀具半径R换成动力头半径d/2来进行鉴识即可。把与刀具系发生干涉的曲面特色点称为干涉点，按上述方法检测出所有的干涉点，并计算各干涉点径向方向上的干涉量，尔后采用适当的方式来除掉干涉。检查的特色投影法将刀具系和曲面特色点投影到一个二维的平面(投影平面)上，在二维投影平面上取合理的间距对加工曲面进行网络划分，切割成一系列正方形。如图3所示，当正方形完好被投影刀具系轮廓覆盖时，记为完好正方形，在该地域内的曲面特色点有可能与刀具系发生干涉；当正方形完好没有被投影刀具系轮廓订交时，记为非正方形，不能能与刀具

6、系发生干涉；当正方形部分被投影刀具系轮廓覆盖时，记为部分正方形。为了进一步减少特色点的检查数目，对部分正方形作一次四叉树切割办理，删除非正方形，将可能发生干涉的特色点按地域顺序，重新编制检测文件，尔后进行坐标变换和干涉检查。图3减少干涉检测地域的网格划分法干涉除掉方式1)旋刀方式在一个刀位点，曲面特色点于刀具系生干涉的有m个，合考m个干涉点的干涉情况，可找到一个除掉干涉的最正确方向，以便最有效地除掉刀具干涉。此，引入了“干涉除掉平面”的新看法，把m个干涉点的曲面法矢量投影到刀具坐系T的XTYT平面上，干涉点的曲面法矢量在XTYT平面上的投影nxyi(i=1，2，m)，干涉点在XTYT平面上的干

7、涉重量Dt(i=1，2，m)。干涉除掉矢量I可由下式求出(4)由式(4)求出干涉除掉矢量I(Sx，Sy，Sz)此后，再由干涉除掉矢量I和ZT构成干涉除掉平面。由ZT和除掉矢量I的叉乘矢量K，在平行于“干涉除掉平面”的平面上算刀具K向I斜多大的干涉除掉角度d能好除掉刀具干涉，如5所示。将干涉点Pi(i=1，2，m)消除在刀具系表面之外所需要的最小角度di(i=1，2，m)，干涉除掉角度d是所有角度di的最大(5)要把干涉点Pi消除在刀具系之外，干涉点Pi固定不，刀具系K向I方向旋，等价于干涉点Pi相于刀具系和刀具坐系在平行干涉除掉平面IOTZT的平面内di角度，下面以形刀例加以解析。形刀加工刀具

8、系的旋除掉平面IOTZT与刀具面的交弧中心点O1，并平行于矢量K，干涉点Pi，平行于除掉平面IOTZT作一截平面，截平面与刀具面的交4次曲，与圆柱面的交线为两直线。环形刀的刀轴旋转分两种情况，当干涉点Pi落入环形刀圆柱体内，旋转角度di为PiOPi，而角度d1计算当时，点Pi在旋转过程中与圆柱表面截线订交，d2的计算公式为(8)当点Pi在旋转过程中不与圆柱截线订交时，则点Pi可能与圆环截面4次曲线或刀具底平面截线订交。与圆环截面4次曲线订交时，角度d2的计算较复杂，为了简化计算，对旋转角度作保守办理。这时，计算出的角度d2要比实质角度大，但对于刀具干涉办理没有影响。保守办理点Pi均旋转到与刀具

9、底平面订交，这时角度d2等于当干涉点Pi落入环形刀圆环体内，同样对旋转角度作保守处理，点Pi均旋转到与刀具底平面订交，旋转角度di为PiOPi，计算公式同式(6)，其中角度d1和d2的计算以下(10)当式(11)中的分母小于分子时，点Pi在旋转过程中不能够与刀具底平面订交，这时不能够经过旋转刀轴方式来除掉干涉，但这种情况可能性极小。同理可办理动力头圆柱体内的干涉点。诚然刀具系可经过向I方向旋转d角度来除掉干涉点，但刀具系在旋转过程中有可能再与其他曲面特色点发生干涉。因此刀具系旋转后，必定计算新的刀轴矢量，并重新建立新的刀具坐标系，再进行与曲面的干涉。当干涉象不能够通旋刀方式除掉，采用沿刀方向的

10、抬刀方式来除掉。抬刀方式采用沿刀方向抬刀方式除掉干涉，算沿ZT方向的抬刀量。于m个干涉点Pi(i=1，2，m)，算每个干涉点消除的抬刀量Dzi(i=1，2，m)，并同取其中最大量刀具抬刀量Dz。形刀加工抬刀量的算，有两种情况。当干涉点Pi落入半径(R-R1)的刀具柱体S1内，刀具向上抬刀，干涉点最后与刀具底平面订交，其抬刀量算当干涉点Pi落于半径差R1的体S2内，抬刀干涉点与刀刃弧面订交，其抬刀量(13)算法确定曲面的CC点，法矢量n和走刀矢量f，算刀具的CL点，建立相的坐系，算初始刀矢量Ti(i=1，2，n);于一个刀位点，一个特定平面，将刀具系与加工曲面投影到平面上；在投影平面上加工曲面行

11、网划分，得一系列正方形区域。用符Tag表示正方形的性，Tag=1，完好正方形，接收；Tag=2，非正方形，弃；Tag=3，部分正方形，需要作一次四叉切割，弃非正方形；将切割后获取的完好正方形和部分正方形地域内的曲面特色点按地域序次排列，重新编制成检测文件，并将这些特色点Pi从世界坐标系W向刀具坐标系T进行坐标变换；在刀具坐标系T中，将特色点Pi(xipp，yip，zipp)的坐标值进行分段，判断点可否落入刀具系表面内，若落入则发生干涉，转下一步；若不发生干涉，转10；需采用抬刀方式除掉干涉，转9；其他情况采用旋转刀轴方式来除掉干涉，转下一步；确定干涉除掉平面，计算除掉干涉的旋转角度di；计算新的刀轴矢量Ti，确定新的刀具坐标T，重复步骤4和5确定旋转刀轴方式可否能除掉干涉。若能除掉，则转入10；若不能够除掉，则转入下一步；刀轴方向的抬刀量Dzi，用抬刀方式除掉干涉，并记录该刀位点的序号，以便走刀后作补充加工；判断是否是最后一个刀位点，若不是则取下一个刀位点，转入2；输出检测结果，结束。结论该干涉办理方法是针对于五轴端铣数控加工的情况提出来的，并从干涉办理方法和减少检测地域两个方面来简化干涉的办理过程。提出了以刀具系表面为检测基准，并将加工曲面失散成一组曲面