刀具轨迹控制范文

2024-08-11

刀具轨迹控制范文（精选4篇）

刀具轨迹控制第1篇

五轴联动数控加工由于比三轴数控加工增加了两个旋转自由度,在干涉处理上具有更大的灵活性,能获得更好的加工精度,因而更适用于复杂曲面的高速高精密加工[1]。线性插补是现有数控系统中最基本的轨迹控制算法。在线性插补中,各运动轴的运动被分为若干等分,直接计算插补点。该插补算法实现简单,且在三轴数控加工中取得了良好的加工效果。但由于五轴联动数控机床两个旋转轴的存在,使得在五轴联动数控机床上采用线性插补获得的刀具轨迹并非期望平面上的线性轨迹,而是空间较复杂的非线性曲线,即产生了非线性误差[2]。这种误差是五轴联动数控加工误差产生的直接原因,且易造成刀具与工件间的碰撞和干涉。

针对此问题,国内外研究者从不同的角度提出了各种各样的解决方法。袁哲俊等[3]提出了刀具切触点偏置法,虽然该方法可有效地消除数控加工过程中的过切或欠切,但不能确保改变后的误差在数控系统给定的误差范围内,从而无法满足数控加工精度的要求。Takeuchi等[4]提出的线性加密法是目前五轴联动数控加工中应用最普遍的方法,该方法对所有插补段进行线性分割,加密走刀,进而减小因走刀步长过大而引起的非线性误差,但该方法在密化加工程序的同时会造成加工数据量过大,影响数控系统的译码和插补能力,从而极大降低了数控加工效率。此外,上述方法单纯从减小加工误差的角度进行考虑,均无法保证加工过程中的刀轴矢量在期望平面内,不可避免地产生大幅刀轴矢量变化(这种大幅刀轴矢量变化容易导致机床转台转动角速度超出数控系统的允许范围),从而无法应用于实际加工。

基于以上分析,本文提出一种基于刀轴矢量插补的五轴刀具轨迹控制算法。该算法可保证加工过程中的刀轴矢量始终位于首末向量所决定的平面,因而可减小非线性误差,并且通过对刀轴矢量控制过程中产生的中间指令点进行NUBRS曲线拟合和插补,可有效地减小刀具轨迹控制过程中的数据存储量。

1 非线性误差产生的机理

五轴联动数控加工中所特有的非线性误差是因刀具旋转所产生的非线性运动轨迹与期望轨迹间的不一致性所致。如图1所示,Ps、Us和Pe、Ue分别为工件坐标系下期望直线首末点的位置和刀轴矢量坐标,对其进行后置处理后可得到机床坐标系下对应坐标(Xs,Ys, Zs, As, Cs)和(Xe,Ye, Ze, Ae, Ce),生成如下程序段[5]:

N0100…XXsYYsZZsAAsCCs

N0110 G01 XXeYYeZZeAAeCCe

将上述程序段输入到数控系统线性插补模块后,由下式进行插补计算[6]:

$[\begin{matrix} X (u) \\ Y (u) \\ Ζ (u) \\ A (u) \\ C (u) \end{matrix}] = (1 - u) [\begin{matrix} X_{s} \\ Y_{s} \\ Ζ_{s} \\ A_{s} \\ C_{s} \end{matrix}] + u [\begin{matrix} X_{e} \\ Y_{e} \\ Ζ_{e} \\ A_{e} \\ C_{e} \end{matrix}] 0 \leq u \leq 1 (1)$

如图2所示,对式(1)确定的轨迹进行实际加工时,不能保证刀轴矢量在首末向量确定的平面内,且实际刀尖点轨迹并非期望直线,而是空间较复杂的非线性曲线,从而产生非线性误差。

2 理想轨迹插补算法

为避免上述刀具旋转方法带来的非线性误差问题,本文提出理想轨迹插补算法。算法结构如图3所示,该算法包括4个功能模块:刀具轨迹规划模块、坐标系转换模块、中间指令点拟合模块和实时插补模块。其中,刀具轨迹规划模块是本算法的核心。该模块采用一种新型的刀轴矢量插补算法——大圆弧插补法,在首末刀轴矢量U0、U1确定的局部旋转坐标系中计算加工过程中的刀轴矢量。与传统的线性插补算法相比,大圆弧插补法能够满足以下条件:①加工过程中的刀轴矢量在首末刀轴矢量确定的平面内;②首末端点处的刀轴矢量坐标分别为U0、U1;③加工过程中的刀轴矢量与首向量间角度呈线性变化。从而可保证加工过程中的刀轴矢量始终位于首末向量所决定的平面,进而减小非线性误差,提高加工精度。

2.1 刀具轨迹规划模块

2.1.1 刀具轨迹规划模块的功能

五轴联动数控机床加工任意空间曲线时首先需要解决两个问题——如何控制刀尖点轨迹和如何获得对应的刀轴矢量。刀具轨迹规划模块通过对刀位文件中两相邻刀尖点的位置和刀轴矢量分别进行处理,得到工件坐标系下中间点的刀尖点位置和刀轴矢量值,从而解决刀尖点轨迹和对应刀轴矢量的控制问题。

2.1.2 刀具轨迹规划模块的实现

设(P0,U0)和(P1,U1)为两相邻的刀位数据,刀尖点从位置P0(X0,Y0,Z0)到P1(X1,Y1,Z1)的运动过程由线性插补来完成:

$\begin{array}{l} X_{i} = (1 - u_{i}) X_{0} + u_{i} X_{1} \\ Y_{i} = (1 - u_{i}) Y_{0} + u_{i} Y_{1} \\ Ζ_{i} = (1 - u_{i}) Ζ_{0} + u_{i} Ζ_{1} \\ u_{i} = \frac{i}{n} i = 0, 1, \dots, n \end{array}} (2)$

要保证加工过程中的刀轴矢量始终在设定的平面内,可在U0、U1确定的平面上对刀轴矢量进行插补,插补过程中每个刀尖点所对应的刀轴矢量可用该刀轴矢量与U0所成的角度唯一表示。为此,可根据下式建立局部旋转坐标系U0-V-N(图4):

$V = \frac{U_{0} \times U_{1}}{| U_{0} \times U_{1} |} (3)$

$Ν = \frac{V \times U_{0}}{| V \times U_{0} |} (4)$

为保证刀轴矢量只在U0、U1所在平面即U0-N平面上变化,可将插补过程中的刀轴矢量o(ϕi)表示为

o(ϕi)=sinϕiN+cosϕiU0 (5)

其中,ϕi为任意刀轴矢量o(ϕi)与首向量U0间的夹角,它可表示为路径参数ui的多项式:

$ϕ_{i} = ϕ (u_{i}) = \sum_{j = 0}^{Ν} a_{j} u_{i}^{j} 0 \leq u_{i} \leq 1 (6)$

为使首末向量分别在ui=0和ui=1时取得,ϕi需满足:

${\begin{cases} ϕ (0) = 0 \\ ϕ (1) = ϕ_{e} = \arccos \frac{U_{0} \cdot U_{1}}{∥ U_{0} ∥ \cdot ∥ U_{1} ∥} \end{cases} (7)$

由于加工过程中的刀轴矢量与首向量间的角度呈线性变化,我们令ϕ(ui)= ϕeui,从而可确定刀轴矢量插补方程为

$\begin{array}{l} o (ϕ_{i}) = \sin (ϕ_{e} u_{i}) Ν + \cos (ϕ_{e} u_{i}) U_{0} \\ u_{i} = \frac{i}{n} i = 0, 1, \dots, n \end{array}} (8)$

根据式(2)、式(8)计算具体u值对应的点值Wi(Xi,Yi,Zi,Uxi,Uyi,Uzi),可得到对两相邻刀位数据(P0,U0)和(P1,U1)进行插补所对应的工件坐标系下的点集W(X,Y,Z,Ux,Uy,Uz)。

2.2 坐标系转换模块

2.2.1 坐标系转换模块的功能

在刀位文件中,刀具的空间位置由工件坐标系下的刀尖点坐标和对应的刀轴矢量表示。然而,在实际数控机床加工中,刀具的空间位置由机床坐标系下的刀尖点坐标和旋转角度表示。因而,在解决了刀具姿态控制问题之后,我们要面临刀具空间位置由工件坐标系到机床坐标系的坐标转换问题。坐标系转换模块针对具体机床结构,建立相应机床运动学方程,完成两个坐标系间的转换。

2.2.2 坐标系转换模块的实现

本算法的坐标系转换模块针对双转台型五轴机床建立机床运动学方程,完成刀具空间位置由工件坐标系下坐标点集W(X,Y,Z,Ux,Uy,Uz)到机床坐标系下对应的坐标点集M(Mx,My,Mz,A,C)的转换。该类型机床的运动坐标系建立过程如图5所示[7],其中Owxwywzw为与工件固联的刀具坐标系,其原点设在工件中心点上; Otxtytzt为与刀具固联的刀具坐标系,其原点设在刀具中心点上; Omxmymzm为与定轴A′固联的坐标系,其原点Om在工件坐标系的位置矢量记为rm(mx,my,mz)。

建立各运动坐标系后,利用下式确定工件坐标系下任意点Wi(Xi,Yi,Zi,Uxi,Uyi,Uzi)在机床坐标系下的对应值Mi(Mxi,Myi,Mzi,Ai,Ci):

$\begin{array}{l} Μ_{x i} = (X_{i} - m_{x}) c o s C_{i} - (Y_{i} - m_{y}) s i n C_{i} + m_{x} \\ Μ_{y i} = (X_{i} - m_{x}) c o s A_{i} s i n C_{i} - (Y_{i} - m_{y}) \cdot \\ c o s A_{i} c o s C_{i} - (Ζ_{i} - m_{z}) s i n A_{i} + m_{y} \\ Μ_{z i} = (X_{i} - m_{x}) s i n A_{i} s i n C_{i} + (Y_{i} - m_{y}) \cdot \\ s i n A_{i} s i n C_{i} + (Ζ_{i} - m_{z}) c o s A_{i} + m_{z} \end{array}} (9)$

其中,Ai、Ci为工件坐标系下刀轴矢量(Uxi,Uyi,Uzi)对应的机床坐标系下的旋转角度,其值可由下式确定:

$\begin{array}{l} A_{i} = k_{A} \arccos (U_{z i}) k_{A} = 1, - 1 \\ C_{i} = \arctan \frac{U_{x i}}{U_{y i}} - k_{C} π k_{C} = 0, 1 \end{array}} (10)$

对式(10)使用复合函数求导的链式法则可得到A轴的角速度和角加速度的表达式:

$\begin{array}{l} \frac{d A_{i}}{d t} = \frac{d A_{i}}{d U_{z i}} U^{'}_{z i} \\ \frac{d^{2} A_{i}}{d t^{2}} = \frac{d^{2} A_{i}}{d U_{z i}^{2}} U^{'}_{z i} + \frac{d A_{i}}{d U_{z i}} U^{″}_{z i} \end{array}} (11)$

C轴计算公式与式(11)类似。由式(8)可知,Uxi、Uyi、Uzi在u∈[0,1]时是二阶连续的,因而可以保证使用本算法进行加工时各旋转轴角速度、角加速度连续。

2.3 中间指令点拟合模块

2.3.1 中间指令点拟合模块的功能

对于坐标系转换模块输出的点集M(Mx,My,Mz,A,C)形成的刀具轨迹,若直接使用直线段对其进行逼近,不仅会增加数控系统的存储量,而且破坏原曲线的连续性,导致插补过程中速度和加速度不连续。为避免上述问题,本文采用NURBS曲线拟合方法对点集M(Mx,My,Mz,A,C)进行处理。

NURBS曲线C(u)的表达式为[8]

$C (u) = \sum_{i = 0}^{n} Ν_{i, k} (u) w_{i} Ρ_{i} / (\sum_{i = 0}^{n} Ν_{i, k} (u) Ρ_{i}) (12)$

其中,Pi为控制点坐标,wi为权值,基函数Ni,k(u)如下式定义:

$\begin{array}{l} Ν_{i, 0} (u) = {\begin{cases} 1 u_{i} \leq u \leq u_{i + 1} \\ 0 其他 \end{cases} \\ Ν_{i, k} (u) = \frac{u - u_{i}}{u_{i + k - 1} - u_{i}} Ν_{i, k - 1} (u) + \\ \frac{u_{i + k} - u}{u_{i + k} - u_{i + 1}} Ν_{i + 1, k - 1} (u) \end{array}} (13)$

式中,(ui,ui+1,…,ui+k)为节点向量;u为曲线参数。

由式(12)、式(13)可知,NURBS曲线由权值、节点向量和控制点决定[9],为简化运算,本算法中所有权值默认为1。因而,指定点拟合模块的主要功能为确定经过机床坐标系下点集M(Mx,My,Mz,A,C)的NURBS曲线的节点向量和控制点坐标。

2.3.2 中间指令点拟合模块的实现

2.3.2.1 参数选择与节点向量生成

在对中间指令点进行拟合前,首先需要对其参数化,以确保每个中间指令点都有与之对应的参数值。为使每个中间指令点所对应的参数值能反映中间指令点构成线段的折拐情况,本文采用Lee等提出的向心参数化方法来确定参数ti和节点向量U=(0,0,…,0,u1,…,un-k,1,1,…1)[10]:

$\begin{array}{l} t_{0} = 0 \\ t_{i} = t_{i - 1} + \frac{| Μ_{i} - Μ_{i - 1} |^{1 / 2}}{\sum_{j = 1}^{n} | Μ_{j} - Μ_{j - 1} |^{1 / 2}} i = 1, 2, \dots, n - 1 \\ t_{n} = 1 \end{array}} (14)$

$u_{j + p} = \frac{1}{p} \sum_{i = j}^{j + p - 1} t_{i} j = 1, 2, \dots, n - p (15)$

2.3.2.2 控制点生成

在确定了中间指令点对应的参数值和节点向量后,要使拟合后的曲线经过点集M(Mx,My,Mz,A,C)中的各点,需要满足下式:

$Μ_{k} = C (t_{k}) = \sum_{i = 0}^{n} Ν_{i, p} (t_{k}) Ρ_{i} (16)$

即

$[\begin{matrix} Ν_{0, p} (t_{0}) & Ν_{1, p} (t_{0}) & \dots & Ν_{n, p} (t_{0}) \\ Ν_{0, p} (t_{1}) & Ν_{1, p} (t_{1}) & \dots & Ν_{n, p} (t_{1}) \\ ⋮ & ⋮ & ⋮ \\ Ν_{0, p} (t_{n}) & Ν_{1, p} (t_{n}) & \dots & Ν_{n, p} (t_{n}) \end{matrix}] [\begin{matrix} Ρ_{0} \\ Ρ_{1} \\ ⋮ \\ Ρ_{n} \end{matrix}] = [\begin{matrix} Μ_{0} \\ Μ_{1} \\ ⋮ \\ Μ_{n} \end{matrix}] (17)$

其中,Mi(Mxi,Myi,Mzi,Ai,Ci)为机床坐标系下点坐标。将式(15)得到的节点向量值代入式(13),便可确定基函数Ni,k(u)。通过解式(17)确定的线性方程组,可得到控制点Pi=[Pi1Pi2Pi3Pi4Pi5]。

2.4 实时插补模块

2.4.1 实时插补模块的功能

实时插补模块在考虑机床加工最大允许轴速度的情况下,确定每一插补周期插补点所对应的参数值,从而在拟合而成的NURBS曲线上计算输出下一插补点处(X,Y,Z,A,C)点值,进而得到每一插补时刻三个线性轴的坐标和两个旋转轴的转动量。

2.4.2 实时插补模块的实现

对于拟合而成的NURBS曲线C(u),本文采用二阶Taylor展开式方法近似计算第i个插补周期插补点所对应的参数值ui,此时ui的计算公式可写为[11]

$\begin{array}{l} u_{i} = u_{i - 1} + \frac{v_{i - 1} Τ}{| C^{'} (u_{i - 1}) |} + \frac{Τ^{2}}{2} (\frac{a_{i - 1}}{2 | C^{'} (u_{i - 1}) |} - \\ \frac{v_{i - 1}^{2} | C^{'} (u_{i - 1}) | | C^{″} (u_{i - 1}) |}{2 | C^{'} (u_{i - 1}) |^{2}}) (18) \end{array}$

式中,ui-1为第i-1个插补周期插补点所对应的参数值;T为数控系统插补周期;vi-1和ai-1分别为第i-1个插补周期规划好的加工速度和加速度;C′(ui-1)和C″(ui-1)分别为C(u)在ui-1处的一阶、二阶导矢量,可通过式(12)计算。

将加工速度和加速度的表达式[12]代入式(18),便可计算出当前插补周期插补点所对应的参数值,将计算出的参数值代入C(u)的表达式(式(12))即可得到当前周期的插补点。

3 实例计算与结果分析

为验证本算法的正确性,首先在MATLAB环境下对表1所示刀位文件中两相邻刀位数据的加工轨迹进行仿真验证。

图6为直接将以上CL信息转至机床坐标系下,使用线性插补算法得到的效果图。由图6可以看到,刀尖轨迹为一条曲线,且不能保证加工过程中的刀轴矢量始终在首末刀轴矢量决定的平面上。因此使用该算法加工出的轨迹既不在期望平面上,更不是所需要的直线。

1.刀轴末端曲线 2.刀尖轨迹曲线 3.各插补点处刀具矢量

图7为使用本算法得到的加工效果图。由图7可以看到,刀尖点轨迹始终在首末点确定的直线上,刀轴矢量在首末刀轴矢量确定的平面上,加工过程中的刀轴矢量较图6变化平稳。图8a和图8b分别为采用本文算法和线性插补算法时获得的轮廓误差曲线图,通过对比两图可看出,本算法产生的刀尖点轨迹误差远小于线性插补算法。

1.刀轴末端曲线 2.刀尖轨迹曲线 3.各插补点处刀具矢量

(a)本算法 (b)线性插补算法

为进一步验证本文算法的有效性,将本文算法实现于中国科学院沈阳计算技术研究所自主研发的NC-110五轴数控系统中,该系统采用Celeron 650 MHz处理器,DDR 512MB内存和RTlinux实时操作系统。在插补周期T=2ms、编程进给速度F=4000mm/min、线性轴最大加速度almax=1000mm/s2、旋转轴最大加速度armax=1000mm/s2、最大轮廓误差ecmax=0.03mm的条件下,分别采用本文算法和线性插补算法对图9所示叶轮的一个叶片进行了实际加工,并在相同条件下对两种算法的加工精度进行了对比和分析。

图10所示为使用本文算法得到的刀尖轨迹仿真图,为便于清楚地看出轮廓误差的变化,本文对其中的一条刀尖轨迹曲线进行了轮廓误差分析,如图中曲线1所示。图11a和图11b分别为采用本文算法和线性插补算法时获得的轮廓误差曲线图。通过对比两图可以发现,使用本文算法对该曲线进行加工时,轮廓误差可控制0.022mm以内,满足数控系统设置的最大轮廓误差要求。与线性插补算法相比,本文算法显著提高了加工精度。图12为采用本文算法加工出的叶轮,与图9所示的叶轮模型吻合,从而在实际应用中验证了本文提出算法的正确性。

4 结语

目前已有的五轴数控加工系统多简单地采用对线性轴进行插补、对旋转轴进行跟随的方式来实现对刀具轨迹的控制,这种方式容易导致非线性误差及刀具与工件间的碰撞和干涉等问题。本文提出了一种基于刀轴矢量插补的五轴刀具轨迹控制算法,并对该算法的四个功能模块的具体功能原理及其实现过程进行了详细分析,最后,通过仿真和实际加工对该算法的有效性和实用性进行了验证。实验结果表明,该算法有效地提高了刀具路径插补点的精确度和刀具旋转运动的平滑性,相对于线性插补有了很大的改良。

摘要：已有的五轴联动数控加工系统往往忽略刀轴矢量插补问题,只是简单地通过对线性轴进行插补、对旋转轴进行跟随的方式来实现刀具轨迹的控制,导致产生非线性误差和刀具碰撞与干涉等问题。为此,提出一种基于刀轴矢量插补的刀具轨迹控制算法。该算法采用大圆弧插补法对加工过程中的刀轴矢量进行控制,同时采用NURBS曲线拟合方法对控制过程中产生的中间点进行处理,并通过对拟合而成的NURBS曲线进行插补来实时计算各运动轴的位置。该算法不仅能够有效地提高五轴联动数控加工的精度,而且可以有效减小数据存储量。仿真和实际加工验证了算法的有效性和实用性,证明算法具有轨迹过渡平稳、非线性误差小的特点。

关键词：五轴数控加工,刀具轨迹控制,大圆弧插补,NURBS曲线拟合

参考文献

[1]张莹,张定华,吴宝海,等.复杂曲面环形刀五轴加工的自适应刀轴适量优化方法[J].中国机械工程,2008,19(8):945-948.

[2]Wang Y Z,Liu Y,Han Z Y,et al.Integration of a5-axis Spline Interpolation Controller in an Open CNC System[J].Chinese Journal of Aeronautics,2009,22(2):218-224.

[3]袁哲俊,刘雄伟,刘华明.五坐标端铣数控加工计算理论分析[J].机械工程学报,1993,29(1)31-37.

[4]Takeuchi Y,Idemura T.5-Axis Control Machining and Grinding Based on Solid Model[J].Annals of the CIRP,1991,40(1):455-458.

[5]石宏,蔡光起,李景奎.混联机床五轴联动加工时刀摆的非线性误差分析与控制[J].中国机械工程,2008,19(6):675-677,682.

[6]Wu Guangkuan,Xi Guang,Fan Hongzhou,et al.High Accuracy NURBS Interpolation for Five-axis Machine of Table-rotating/Spindle-tilting Type[J].Journal of Xi’an Jiao Tong University,2007,19(2):149-153,158.

[7]Makhanov S S,Anotaipaiboon W.Advanced Numerical Methods to Opti mize Cutting Operations of Five-axis Milling Machines[M].Berlin:Springer,2005.

[8]Li Yuyao,Wang Yuhan,Feng Jingchun,et al.TheResearch of Dual NURBS Curves Interpolation Algorithm for High-speed Five-axis[J].Intelligent Robotics and Applications,2008,5315(2):983-992.

[9]Piegl L,Tiller W.The NURBS Book[M].Berlin:Springer,1997.

[10]Peigl L.On NURBS:a Survey[J].IEEE CG&A,1991,11(1):55-71.

[11]李建刚,张婷华,李泽湘,等.一种完善的自适应NURBS曲线插补算法[J].中国机械工程,2008,19(9):1095-1102.

刀具轨迹控制第2篇

关键词：模具高速加工,刀具,刀具轨迹

1. 前言

随着生产的发展和产品更新换代速度的加快, 对模具的生产和制造提出了越来越高的要求, 因此常规加工存在的问题就显露出来了。目前, 数控高速切削加工作为模具制造中最为重要的一项制造技术, 是集高效、优质、低耗于一体的先进制造技术。在常规切削加工备受困扰的一系列问题通过高速切削加工的应用得到了解决。

与传统的电加工与机加工相比较而言, 模具高速加工具有下列特点及优越性:

(1) 产品质量好:高速加工中小量快进, 使切削力减少, 工件表面残蚀应力非常小, 工件的热变形小;由于切削力的降低, 转速的提高使切削系统的工作频率远离机床的低阶固有频率, 因而加工过程中平稳无冲击。因此零件的加工精度高, 表面质量好。

(2) 生产效率高:高速加工中心和高速铣床加工模具可以在工件一次装夹中完成粗、精加工, 切削速度高, 加工本身的效率比电加工高出好几倍, 它既节省了做电极的耗时与大量的手工研磨、抛光的时间, 又容易实现自动化加工。

尤为可贵的是, 在高速加工中横向切削力 (P y) 很小, 这样有利于复杂模具型腔中一些细肋和薄壁的加工, 其壁厚可以小于1 m m。

2. 模具高速加工的刀具的选择

刀具是高速切削加工中最活跃最主要的因素之一, 它直接影响制造成本、加工效率与加工质量, 因此在模具高速切削中必须合理选择与不同的材质相匹配的刀具。

2.1 加工铸铁时刀具的选择

对铸件切削速度高于350m/min时, 就称为高速加工, 切削速度对刀具的选用有较大的影响, 不同切削速度应按表1选用刀具。

另外铸铁的金相组织对高速切削刀具的选用也有一定的影响, 以珠光体为主的铸铁在切削速度大于500m/min时应选用CBN或Si3N4。当以铁素体为主时, 由于扩散磨损的原因, 使刀具磨损严重, 不宜使用CBN, 而因选用陶瓷刀具。

2.2 加工普通钢时刀具的选择

切削速度对钢的表面质量有较大的影响, 目前, 高速切削钢件的刀具材料有下列几种:

(1) 涂层硬质合金。涂层硬质合金可用切削液。用PVD涂层方法生产的TiN涂层刀具比用CVD涂层法生产的涂层刀具耐磨性能要好, 因为前者可很好地保持刃口形状, 使加工零件获得较高的精度和表面质量。

(2) 金属陶瓷。金属陶瓷主要包括高耐磨性能的TiC基硬质合金 (TiC+Ni或M o) 、高韧性的T i C基硬质合金 (TiC+TaC+WC) 、强韧的TiN基硬质合金和高强韧性的T i C N基硬质合金 (TiCN+NbC) 等。这些合金做成的刀具可在υc=300m/min～500m/min范围内高速精车钢和铸铁。其中以TiC-N i-M o为基体的金属陶瓷化学稳定性好, 但抗弯强度及导热性差, 适于切削速度在400～800m/min的小进给量、小切深的精加工。

(3) 非金属陶瓷、C B N。C B N可用于铣削含有微量或不含铁素体组织的轴承钢或淬硬

2.3 加工高硬度模具钢时刀具的选择

高硬度模具钢 (HRC40～70) 的高速切削刀具有下列几种:

(1) 金属陶瓷。金属陶瓷可用基本成分为TiC添加TiN的金属陶瓷, 其硬度和断裂韧性与硬质合金大致相当, 而导热系数不到硬质合金的1/10, 并具有优异的耐氧化性、抗粘结性和耐磨性。另外其高温下机械性能好, 与钢的亲和力小, 适合于中高速 (在200m/min左右) 的模具钢加工。金属陶瓷尤其适合于切槽加工。

(2) 陶瓷、氧化铝—碳化物陶瓷刀具。氧化铝—碳化物金属陶瓷刀具系在A l2O3-TiC陶瓷材料中, 采用M o、Ni (或CO、W) 等金属作为粘结相热压而成的陶瓷刀具材料。由于金属粘结Al2O3晶粒和碳化物晶粒二者相互穿插的骨架组成, 具有较高的联接强度, 因此形成较好的切削性能。这类陶瓷刀具最适用于加工淬硬钢、合金钢、锰钢、冷硬铸铁、铸钢, 镍基或镍铬合金, 镍基和钴基金合。TiC含量在20%～30%的Al2O3-TiC陶瓷刀具, 在切削速度为100m/min左右时, 可用于加工具有较高抗剥落性能的高硬度钢。

(3) CBN、PCBN。C B N刀具是高速精加工或半精加工淬硬钢、冷硬铸铁和高温合金等的理想对具材料, 可以实现“以车代磨”。当切削速度高于1000m/min时, PCBN是最佳刀具材料, CBN含量大于90%的PCBN刀具适合加工淬硬工具钢。

3. 模具高速切削的刀具路径 (数控编程轨迹) 设计

高速加工除了对机床、刀具等硬件提出了较高的要求, 同时也对数控编程系统也提出了越来越高的要求, 高速切削编程首先要注意加工方法的安全性和有效性;其次, 要尽一切可能保证刀具轨迹光滑平稳, 这会直接影响加工质量和机床主轴等零件的寿命;最后, 要尽量使刀具载荷均匀, 这会直接影响刀具的寿命。

3.1 采用光滑的进、退刀方式

在高速切削加工中, 走轮廓时应尽量采用轮廓的切向进、退方式, 以保证刀路轨迹的平滑;对曲面加工时, 应采用曲面的切向进刀或更好的螺旋式进刀。

3.2 采用光滑的移刀方式

移刀方式包括:行切中的行间移刀, 环切中的环间移刀、等高加工的层间移刀等。

高速加工中, 采用的切削用量很小 (侧向切削用量和深度切削用量很小) , 移刀轨迹和运动量也会急剧增加, 因此必须要求CAM产生的刀路轨迹移刀平滑, Cimatron系统中, 则提供了非常丰富的移刀策略 (如图1) 。

1) 行切的光滑移刀

(1) 行切的移刀直接采用切圆弧连接, 该方法应用于行间距较大的情况。

(2) 行切的移刀采用内侧或外侧圆弧过渡移刀, 该方法应用于行间距较小的情况下。

(3) 切向的移刀采用高尔夫球竿头式移刀方式, 该方法应用于间距过小的情况下。

2) 环切的光滑移刀

(1) 环切的移刀采用环间的圆弧切出与切入连接, 这种方法不足之处在于加工3D复杂零件时, 在间距较大的情况下会产生过切。

(2) 环切的移刀采用空间螺旋式移刀, 该方法由于移刀在空间完成, 消除了上述方法存在的不足。

3) 层间的空间螺旋移刀

在进行等高加工时, 用户应采用螺旋式等高线间的移刀。

3.3 采用光滑的转弯走刀

(1) 圆角走刀, 该法应用较广

(2) 圆环走刀, 这种方法在走锐角弯路时, 应用效果较佳。

3.4 采用更适合高速加工的方法

(1) 采用摆线加工, “摆线”是指当一个圆沿着一条曲线作纯滚动时, 圆上某一固定点的轨迹。采用这种刀具轨迹使刀具在切削时距某条曲线 (一般是零件的轮廓线及其平移线) 保持一个恒定的半径, 从而可使进给速度在加工过程中保持不变, 而且这时的径向吃刀量一般取刀具直径的5%左右, 因此刀具的冷却条件良好, 刀具的寿命较长, 这对高速加工是非常有利的。在铣削内部型腔时, 当刀具进给到拐角处时, 由于切削包角突然增大, 其径向力会急剧增大, 峰值会达到正常切削值的170%左右。因此, 我们建议在拐角处实施所谓的“摆线切削”, 这样就可以避免切削力的突然增大, 从而实现平稳切削, 延长刀具的寿命。

(2) 在轮廓加工中, 采用三维螺旋式, 这种加工方法综合了螺旋加工和等高加工策略的优点, 刀具负荷更稳定, 提刀次数更少, 可缩短加工时间, 减小刀具损坏机率。它还可改善加工表面质量, 最大限地减小精加工后手工打磨的需要。

(3) 粗切时使用具有层间二次粗加工优化的功能。在等高线粗切中, 由于零件上存在斜面, 在斜面上会留有台阶, 导致残留馀量不尽均匀。这样对后续的加工不利, 如刀具载荷不均匀。尽管系统具有载荷的分析与优化, 但毕竟将影响加工的效率和质量。因此在进行粗切时, 用户应选择具有优秀的层间二次粗加工功能, 在粗切时就得到了馀量均匀的结果, 为后续加工提供更有利的条件, 也提高了加工的效率。

(4) 在最后阶段对零件进行清根时, 利用具有斜率分析的清根算法, 对陡峭拐角和平坦拐角区别对待, 即对陡峭拐角的清根使用等高线一层一层清根, 对平坦区域采用沿轮廓清根, 可以更好地保护刀具, 获得更好的表面质量。

4. 结束语

综上所叙, 不难看出刀具与刀具路径对模具高速加工技术的产品质量、生产效率有着非常重要的意义。随着高速技术的发展, 模具高速加工将会越来越普及, 刀具及刀具路径会进一步优化。

参考文献

[1]艾兴.高速切削加工技术[M].北京:国防工业出版社.2003

[2]马亚良, 陈仁竹.高速切削技术在模具制造中的应用.制造业自动化.2002, 10

[3]王德跃, 王华侨, 张杰.高速切削在铸铁和合金钢加工中的应用研究CAD/CAM与制造业信息化.2004, 8

曲面加工刀具轨迹的仿真技术研究第3篇

数控加工仿真采用可视化技术, 通过仿真和建模软件, 模拟实际的加工过程, 是计算机集成制造系统的一部分, 对保证数控程序的正确性和优化加工参数有重要作用。从而使编程人员能够在实际加工前即可发现数控程序的不足和错误, 避免损坏刀具、工件、机床。在仿真系统建立过程中, 刀具的合理建模将起到十分重要的作用, 具体包含两方面的内容:刀具扫描体的生成;刀具切削刃的几何表达。在曲面的三轴数控铣削加工时, 以球形刀应用最为广泛。加工过程模型是由两部分组成的:第一部分是加工过程几何模型;第二部分则是加工过程物理模型。几何仿真可以通过将刀具扫描体模型和毛坯模型作布尔运算来实现, 其关键在于刀具扫描体模型的建立以及所采用的布尔运算算法的可靠性和效率。由于球头铣刀广泛应用于复杂曲面的加工, 本文对数控铣削加工过程进行几何仿真, 给出一种较为简单的毛胚与刀具的几何求交算法, 并由此仿真出刀具加工轨迹和走刀路径。

2 毛坯体与刀具扫描体的几何求交运算

为进行毛坯体数据的更新, 需要计算每一个离散矢量同每一段刀具运动扫描体的交点, 因此必须进行直线和刀具运动包络体的求交计算。球头刀的简化模型是由一个圆柱体和一个半球体组成。刀具运动轨迹如图1所示。

刀具体从起始位置点 (xs, ys, zs) 到终止位置点 (xe, ye, ze) 。 (xp, yp) 为一点毛坯离散点在XOY平面的投影点, (xp, yp, zp) 为网格离散点的Z向矢量与刀具扫描体的交点坐标。 (xc, yc, zc) 为交点处的刀具刀心坐标。d和dxy分别为刀具运动中心线及其在XOY平面投影线的长度:

式中,

Dx和Dy为连接离散矢量网格点 (xp, yp) 和刀具运动中心线在XOY平面投影线段起点的矢量在该投影线段及其在XOY平面垂线上的投影长度:

α是刀具运动方向与XOY平面的夹角:

如图2所示。在刀具初始位置下, P点为刀具运动形成的包络体的起始截线上的一点, 与加工直线投影线的垂直距离为DV。由包络体特性可知, P点一定位于距刀具中心线距离为DV, 平行于刀具运动轨迹方向并与球心在O点的球相切的直线L上。否则, 表明P点不是包络体上的点。

3 铣削运动模型

传统的数控加工过程仿真软件均把刀具简化为圆柱体或半球体, 只考虑刀具的平动, 而实际铣削表面形貌刀刃点轨迹是既平动又转动的螺旋线。如图3所示为r=2mm处刀刃点的运动轨迹, 其中fZ为每齿进给量。则任意时刻t时刀刃点的位置为:

式中:M1为旋转矩阵, M2为平动矩阵, Tool为刀具模型矩阵, 具体如下:

其中n (r/min) 为主轴转速。

其中:Sx、Sy和Sz分别为刀具在X、Y和Z方向的位移量。

4 曲面加工刀具轨迹生成

以三次B样条曲面的数控加工为例, 选用的刀具是球头铣刀, 通过点拟合方式加工出完整的曲面。球头铣刀铣削加工曲面上任意一点的刀具中心坐标按下式计算:

式中, C0为刀具中心的点矢;P为加工表面与刀具切触点的点矢;R为刀具半径;n为加工表面在P点处的单位法矢。法矢的方向由u向切矢与w向切矢按右手法则确定。

将上式改写成分量形式:

设Pu为曲面上一点沿u向的切矢, Pw为沿w向的切矢, 由P (u, w) =UMBDMBTWT可求出u、w参数方向上的切矢量:

公式 (8) 和 (9) 中,

公式 (12) 中, P (u, w) 为m×n次B样条曲面片;Nm, i (u) , i=0, 1, …, m, Nn, i (w) , j=0, 1, …, n, 分别为m、n次B样条基函数;di, j为B样条曲面特征网格的顶点, 即曲面的控制点。

若以x'u, y'u, z'u表示u向切矢的三个分量x'u y'u, z'u表示w向切矢的三个分量, 上式可表示为:

则该点的法矢为:

5 仿真实例

根据上述算法, 构造了一曲面并用球头立铣刀仿真其走刀路径和加工轨迹。具体实例:球头合金钢立铣刀的齿数Z=2, 半径R=5mm转速n=2000r/min, 切削深度为0.3mm, 切削的行距L=1mm, 主轴的回转偏心△d1=0.01mm, 轴向窜动为振幅△d2=0.02mm, 工件为45钢。如图4所示:

对数控加工程序进行翻译, 将刀尖所走过的关键点的坐标值存储在数据结构中, 同时遍历这些坐标点并生成图线实时显示加工过程, 校验NC代码的正确性。

铣削加工仿真时, 首先将数控文件显示在屏幕上, 再逐行对数控加工指令进行处理, 从屏幕上实时观察到数控加工仿真过程。在仿真加工过程中, 刀具扫描体不断的切削毛坯体表面, 毛坯体表面的材料不断减少并逼近零件实际形状。

6 结束语

从仿真结果来看, 整体结构比较合理, 程序运行稳定, 切削时刀具走刀稳定, 加工过的表面光滑, 达到了仿真走刀路径加工轨迹的要求, 对实际加工具有指导意义。数控铣削加工仿真技术仍处在发展阶段, 许多关键技术的研究仍在进行之中。因此如何优化建模理论对模型进行修正和补充是未来必须研究的课题。

摘要：本文针对数控铣削加工中刀具的走刀轨迹进行研究, 对毛坯体建模时, 采用的是三角面片离散法, 实现了3轴数控铣床实体切削加工时离散矢量与刀具扫描体的几何求交算法, 建立了铣削运动模型, 通过不断更新毛坯数据信息来模拟刀具的切削过程, 从而生成加工轨迹和走刀路径。以Visual C++ 6.0为编程环境, 用OpenGL作为图形开发工具, 动态仿真刀具加工曲面的加工轨迹和走刀路径。

关键词：数控铣削,刀具轨迹,几何仿真

参考文献

[1]Bouzakis K D, Aichouh P, Efstathiou K.De-termination of the chip geometry, cutting force and roughiness in free form surfaces finishing milling, with ball end tools.International Journal of Machine Tools&Manufacture.2003, 43:499-511.

[2]解放, 曹江辉, 柯文, 王宁生.NC加工过程的仿真显示的研究与实现[J].机械设计与制造, 2003, (1) :13-15

[3]倪其民, 李从心.考虑刀具变形的球头铣刀铣削力建模与仿真[J].机械工程学报, 2002, 38 (3) :108-112

[4]崔大鹏, 黄树涛, 张志军, 王凡.高速铣削半圆弧工件表面形貌的仿真[J]工具技术2005, 39:44-46

[5]王晓江, 蔡永林, 陈耿.曲面数控加工刀具轨迹生成方法的研究[J].CAD/CAM与制造业信息化, 2003, (05) :72-73

刀具轨迹控制第4篇

在数控加工工艺流程开展过程中, 数控加工工艺参数影响着工艺生产质量及零件加工成本的投入, 因而在此基础上, 当前数控加工领域在实践操作过程中应注重基于夹具、刀具、机床等参数的导向下对数控加工流程进行适宜地调整, 继而达到最佳的工艺生产状态, 并就此提升设备整体生产效率。以下就是对数控切削加工工艺参数及刀具运动轨迹的详细阐述, 望其能为当前数控加工生产环节的有序开展提供有效的参考。

1数控加工特点

就当前的现状来看, 数控加工的特点主要体现在以下几个方面:第一, 数控加工旨在利用数字信息对零件加工进行操控, 并实现对机床的自动化控制。因而在此基础上, 数控加工工序在开展过程中逐渐呈现出复杂形状加工能力强的特点, 为此, 当前制造业在发展过程中应提高对此问题的重视程度, 即注重结合数控加工特点来优化自身工艺手段。第二, 高效率、高质量、高柔性亦是数控加工过程中凸显出的主要特征之一, 为此, 应强化对其的深入认知, 并注重将数控加工应用于二维车削、模具型腔等零件加工流程中, 由此达到最佳的加工状态。

2工艺参数优化研究现状分析

就当前的现状来看, 在工艺参数优化研究过程中单目标优化、无约束优化、约束优化等内容被逐步纳入到其中, 同时, 在实际生产应用过程中, 要求车间应综合考虑目标函数、约束条件、机床精度等的影响作用, 继而达到最佳的数控切削加工状态, 满足其零件加工条件。此外, 当前加工参数优化方法主要涉及到实验优化方法、数值模拟优化方法、专家/知识优化方法等几个方面, 而优化方法中专家/知识优化方法被广泛应用于切削实验领域, 继而由此实现实际加工参数信息的获取。但此优化方法在应用过程中逐渐凸显出效率低、周期长、成本高的问题, 因而在当前工艺参数研究过程中应提高对此问题的重视程度。同时, 注重将MATLAB-GUIDE、VERICUT、MARC等先进的数值模拟软件引入到实践研究活动中, 继而达到最佳的参数研究状态, 并就此提升研究结果的精准性[1]。

3数控切削加工工艺参数优化路径

3.1设计参数

在数控切削加工工艺参数优化过程中强调对参数的设计是非常必要的, 为此, 应从以下几个层面入手:第一, 在参数设计过程中应注重坚守参数独立性、基本性、目标性设计原则。同时, 在复杂零件铣削加工过程中为了实现参数的精准确定, 要求相关操作人员应注重综合刀位点切削条件的影响, 继而实现对参数的实时调整, 最终由此满足路径段内的数控加工需求。第二, 由于在数控加工过程中涉及到了多个路径段的应用, 因而在参数确定过程中应注重用相同的数值进行表示。例如, 某工厂在数控加工过程中为了保障参数设计的合理性, 即基于n个路径的加工条件下, 将参数切削宽度、背吃刀量、进给量、切削速度、分别设定为aei、apf、fzi、vi, 同时, 保持刀具所走距离为l, 继而在此基础上获知参数矢量为x= (v1, fzi, …, vi, fzi…vn, fzn) T。

3.2优化问题的求解

基于参数设计的基础上, 要求工艺技术人员在数控切削加工过程中应注重对问题求解的优化, 即在参数优化过程中以实验的形式获取到n路径段中切削深度、切削宽度等数据信息, 并以划分数据带的形式求出对应的代表数据, 由此满足参数优化需求。同时, 在数据带划分过程中为了确保其合理性, 要求相关技术人员应注重在最大、最小值间进行取值划分, 从而保障问题的高效求解。此外, 由于过多参数的加入将在一定程度上增加求解难度, 因而在实践求解过程中应注重应用问题分解方法, 例如, 将多目标优化函数合理划分为n个子目标函数, 即:F=F'+……F'+C (固定准备时间) , 最终由此简化问题求解过程, 达到最佳的求解状态[2]。

4数控切削加工刀具运动轨迹分析

4.1刀具优选

在数控切削加工刀具运动过程中刀具的优选是非常必要的, 为此, 应从以下几个方面入手:第一, 基于切削技术不断发展的背景下, 要求当前操作人员在刀具优选过程中应注重综合可靠度、高耐用度、高精度、经济性等指标展开优选行为。同时, 在对精度要求相对高的零件加工中刀具优选过程中亦应注重强调对国外先进刀片等产品的引进, 由此来增强当前数控加工生产水平和产品质量。第二, 在数控切削加工过程中要求车间应注重强调对刀具CAD/CAM技术的引进, 同时结合自身机械加工需求, 对刀具结构、切削部分形状等进行合理选用, 由此来实现对刀具运动轨迹的有效控制, 最终由此满足产品生产条件, 达到最佳的生产状态。例如, 某工厂在数控加工过程中即依据自身需求将ISO标准的刀具引入到自身实际生产流程中, 继而由此凸显出高效率的生产优势, 达到了最佳的生产状态。

4.2刀具运动轨迹优选

在数控切削加工过程中刀具运动轨迹的优选是非常必要的, 为此, 相关技术人员在实际工作开展过程中应提高对此问题的重视程度, 并注重分析曲面曲率对切削力的具体影响, 即随着曲率的增大, 切削力不断减小。继而在刀具运动轨迹控制过程中注重结合此因素的影响, 由此达到最佳的数控加工状态, 提升整体加工效率[3]。

5结语

当前中国数控加工工艺在开展过程中仍然存在着效率低等问题, 影响到了整体加工成效, 因而在此背景下, 为了稳固我国制造领域在国际市场竞争中的地位, 要求当前工厂在可持续发展过程中应注重强调对切削参数的选用, 建立工艺参数数据库, 并在注重基于参数合理化选择的基础上, 把控刀具运动轨迹的优选, 达到高效率数控加工状态, 并就此为自身发展赢得更大的经济效益。

参考文献

[1]李欣, 杨祥东.基于数控加工的刀具及切削参数选用原则[J].世界制造技术与装备市场, 2011, 12 (6) :85-87.

[2]欧敏.分析数控加工工艺决策与切削参数规范化[J].煤炭技术, 2013, 13 (4) :21-22.

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