[发明专利]一种在路径规划阶段消除五轴奇异问题的方法

说明书

技术领域

本发明属于五轴数控加工技术领域，尤其涉及一种在路径规划阶段消除五轴奇异问题的方法。 

背景技术

五轴机床一般是在三轴机床的基础上，增加两个旋转轴发展而来。一方面，这两个额外的旋转轴增加了刀具相对于工件的运动自由度，扩大了五轴加工的工艺范围，使得工件一次装夹便完成多道工序加工成为可能；另一方面，刀具可以相对于工件以任意姿角摆放，使得环形刀、平底刀等非点切触型刀具的使用成为可能，提高了五轴曲面加工的精度和效率。五轴机床被普遍认为是解决航空发动机叶轮叶片、汽轮机转子、船用螺旋桨、大型柴油机曲轴等复杂曲面零件加工的唯一手段，对一个国家的航空航天、军事、精密器械等行业有着举足轻重的影响力。 

然而，五轴机床的实际使用中仍存在不少难点，包括：五轴刀具路径规划、五轴干涉检测与避免、五轴非线性误差控制、五轴奇异问题消除。其中五轴奇异问题是指五轴机床在加工过程中当旋转轴运行至某一特殊位置时，虽然数控代码给定的进给量很小，但旋转轴做瞬时快速大角度转动，与此同时，平动轴做瞬时快速大位移补偿运动。该特殊位置称为五轴机床的奇异位置。以AC旋转轴型五轴机床为例，当机床A轴运行至使得刀轴矢量和工件坐标系Z轴平行的位置时，工件坐标系下刀轴矢量的轻微变化可能会导致机床C轴的瞬时快速大角度转动，同时引发机床X、Y、Z平动轴的大位移补偿运动。五轴奇异问题普遍存在于各种配置类型的五轴机床中，一旦发生，轻则在已加工零件表面留下刀印，重则损毁零件或刀具；因此，在五轴加工中，消除奇异问题对提高零件加工质量至关重要。 

针对五轴加工中潜在的奇异问题，现有技术多在刀具路径生成之后对现成刀位数据或数控代码进行奇异检测，对检测到的奇异问题，通过局部 刀具姿角调整或在两刀位点间插入一系列细化刀位数据来消除。中国专利申请号为201010256164.2的发明专利公开了一种五轴加工奇异区域的检测方法。该方法首先建立五轴机床的运动学转换关系，确定相应的雅克比矩阵通式，并通过雅克比矩阵的状态判断加工路径是否处于奇异状态。中国专利申请号为201010581231.8的发明专利文献公开了一种五轴加工奇异区域的轨迹优化方法。该方法首先采用类似上述专利的方法检测奇异区域的边界范围，对奇异区域附近转角进行二次优化处理，得到新的刀轴数据；对新刀轴数据中相邻两行的转角变化仍然较大的子区域进行递归插值处理，得到最终的刀轴数据。 

现有技术可能存在的问题有：一、在路径生成之后对某一刀位的刀具姿角进行调整缺乏相应刀触点以及局部坐标系信息，难以保证刀具姿角调整后刀触点位置不变，影响曲面加工精度；二、在两刀位点间插入若干刀位数据会增加整条路径上的刀位总数，而过于密集的刀位数据无疑会降低加工效率。 

发明内容

为了解决现有技术在消除五轴奇异现象时可能存在的问题，提高五轴加工的精度和效率，本发明提供一种在路径规划阶段消除五轴奇异问题的方法。本方法在刀具路径生成的初始阶段实施，可以在不增加刀位点的前提下有效地避免五轴奇异问题发生，同时保证原始路径上刀位数据的刀触点位置保持不变。 

一种在路径规划阶段消除五轴奇异问题的方法，包括如下步骤： 

步骤1、在路径规划阶段输入待加工零件的曲面、切削刀具参数以及相关加工工艺信息； 

步骤2、在曲面上生成覆盖整张曲面的一系列刀具路径，其中每条刀具路径包含一组有序刀位点；在这一过程中，同时保存每个刀位点所依赖的局部坐标系信息；以上述某条刀具路径为当前刀具路径，进行步骤3； 

步骤3、将当前刀具路径中的每个刀位点中的刀轴矢量投影至一个二维的C空间，得到一系列二维方向点，依次连接这些方向点，得到一条方 向曲线；所述二维的C空间为和待加工零件的坐标系XY平面平行的一张虚拟平面，C空间原点O可通过将所有三维刀轴矢量平移至同一起点获得； 

步骤4、在C空间定义一锥度圆用于检测五轴奇异问题，如果方向曲线与锥度圆不相交，则判定在当前刀具路径上不存在五轴奇异问题，直接选择下一条刀具路径为当前刀具路径跳至步骤3继续检测；否则判定在当前刀具路径上存在奇异问题，并执行步骤5； 

步骤5、如果在当前刀具路径上存在奇异问题，则在C空间内将相应的方向曲线平移一最短向量以避开锥度圆；对新得到的方向曲线，结合步骤2中保存的相应局部坐标系信息，反算得到一组新的刀位点，并用该组新的刀位点替换当前刀具路径上的原始刀位点，同时选择下一条刀具路径为当前刀具路径跳至步骤3继续检测；