五軸數(shù)控加工中刀具干涉處理的特征投影法簡介(二)
發(fā)布日期:2011-11-25 蘭生客服中心 瀏覽:4155
2.干涉消除方式
旋轉(zhuǎn)刀軸方式
在一個(gè)刀位點(diǎn)處,曲面特征點(diǎn)于刀具系發(fā)生干涉的有m個(gè),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,以便最有效地消除刀具干涉。為此,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,設(shè)干涉點(diǎn)處的曲面法矢量在XTYT平面上的投影為nxyi(i=1,2,…,m),干涉點(diǎn)在XTYT平面上的干涉分量為Dt(i=1,2,…,m)。如圖4所示,則干涉消除矢量I可由下式求出
由式(4)求出干涉消除矢量I(Sx,Sy,Sz)之后,再由干涉消除矢量I和ZT軸構(gòu)成干涉消除平面。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,如圖5所示。設(shè)將干涉點(diǎn)Pi(i=1,2,…,m)排除在刀具系表面之外所需要的最小角度為di(i=1,2,…,m),則干涉消除角度d是所有角度di的最大值
要把干涉點(diǎn)Pi排除在刀具系之外,干涉點(diǎn)Pi固定不動,刀具系繞K軸向I方向旋轉(zhuǎn),等價(jià)于干涉點(diǎn)Pi相對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di角度,下面以環(huán)形刀為例加以分析。
如圖5所示,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,過干涉點(diǎn)Pi,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,與圓柱面的交線為兩直線。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),旋轉(zhuǎn)角度di為∠PiOPi’(圖5a),計(jì)算公式為
而角度d1計(jì)算如下
當(dāng)時(shí),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
當(dāng)點(diǎn)Pi在旋轉(zhuǎn)過程中不與圓柱截線相交時(shí),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。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,為了簡化計(jì)算,對旋轉(zhuǎn)角度作保守處理。這時(shí),計(jì)算出的角度d2要比實(shí)際角度大,但對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,這時(shí)角度d2等于
如圖5(b)所示,當(dāng)干涉點(diǎn)Pi落入環(huán)形刀圓環(huán)體內(nèi),同樣對旋轉(zhuǎn)角度作保守處理,點(diǎn)Pi’均旋轉(zhuǎn)到與刀具底平面相交,旋轉(zhuǎn)角度di為∠PiOPi’,計(jì)算公式同式(6),其中角度d1和d2的計(jì)算如下
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,這時(shí)不能通過旋轉(zhuǎn)刀軸方式來消除干涉,但這種情況可能性極小。
同理可處理動力頭圓柱體內(nèi)的干涉點(diǎn)。
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),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,必須計(jì)算新的刀軸矢量,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。當(dāng)干涉現(xiàn)象不能通過旋轉(zhuǎn)刀軸方式消除時(shí),則采用沿刀軸方向的抬刀方式來消除。
抬刀方式
采用沿刀軸方向抬刀方式消除干涉時(shí),應(yīng)計(jì)算沿ZT方向的抬刀量。對于m個(gè)干涉點(diǎn)Pi(i=1,2,…,m),計(jì)算每個(gè)干涉點(diǎn)排除的抬刀量Dzi(i=1,2,…,m),并同樣取其中最大量為刀具抬刀量Dz。
如圖6所示,為環(huán)形刀加工時(shí)抬刀量的計(jì)算,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),刀具向上抬刀,干涉點(diǎn)最后與刀具底平面相交,其抬刀量計(jì)算為
當(dāng)干涉點(diǎn)Pi落于半徑差為R1的圓環(huán)體S2內(nèi)時(shí),抬刀時(shí)干涉點(diǎn)與刀刃圓弧面相交,其抬刀量為
(1)確定曲面的CC點(diǎn),法矢量n和走刀矢量f,計(jì)算刀具的CL點(diǎn),建立相應(yīng)的坐標(biāo)系,計(jì)算初始刀軸矢量Ti(i=1,2,…,n);
(2)對于一個(gè)刀位點(diǎn),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;
(3)在投影平面上對加工曲面進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)劃分,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),Tag=1時(shí),為完全正方形,接收;Tag=2時(shí),為非正方形,丟棄;Tag=3時(shí),為部分正方形,需要作一次四叉樹分割,丟棄非正方形;
(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,重新編制成檢測文件,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;
(5)在刀具坐標(biāo)系T中,將特征點(diǎn)Pi(xipp,yip,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,轉(zhuǎn)下一步;若不發(fā)生干涉,轉(zhuǎn)10;
(6)需采用抬刀方式消除干涉,轉(zhuǎn)9;其他情況采用旋轉(zhuǎn)刀軸方式來消除干涉,轉(zhuǎn)下一步;
(7)確定干涉消除平面,計(jì)算消除干涉的旋轉(zhuǎn)角度di;
(8)計(jì)算新的刀軸矢量Ti’,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。若能消除,則轉(zhuǎn)入10;若不能消除,則轉(zhuǎn)入下一步;
(9) 刀軸方向的抬刀量Dzi,用抬刀方式消除干涉,并記錄該刀位點(diǎn)的序號,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),若不是則取下一個(gè)刀位點(diǎn),轉(zhuǎn)入2;
輸出檢測結(jié)果,結(jié)束。
圖7是五軸數(shù)控加工復(fù)雜曲面設(shè)計(jì)的實(shí)例
3.算法實(shí)現(xiàn)
該干涉處理方法是針對于五軸端銑數(shù)控加工的情況提出來的,并從干涉處理方法和減少檢測區(qū)域兩個(gè)方面來簡化干涉的處理過程。提出了以刀具系表面為檢測基準(zhǔn),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。同時(shí),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。另外,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,并對投影平面進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)劃分,刪除一些無關(guān)的檢測區(qū)域,可大大縮短計(jì)算時(shí)間。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,算法穩(wěn)定、便于實(shí)現(xiàn)。
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