本發(fā)明涉及一種加工刀具軌跡生成方法，特別是一種新型機器人銑削加工刀具軌跡生成方法。

背景技術(shù)：

工業(yè)機器人在經(jīng)歷了半個世紀的發(fā)展，已逐漸形成一種新興技術(shù)。工業(yè)機器人具有自由度多、運動靈活、工作范圍廣、安裝費用低等優(yōu)點。所以在對于一些加工精度要求不是很高的場合，工業(yè)機器人可以代替數(shù)控機床進行切削加工。從機器人切削加工過程的復(fù)雜性來看，以往的示教方式并不能滿足機器人銑削加工需求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有CC路徑截面等間距切削方法的不足，本發(fā)明以工業(yè)切削機器人為研究對象，提出了實時變間距的機器人切削加工刀具軌跡方法，使相鄰切削行刀具軌跡間的最大距離均勻一致且滿足精度要求。借助Open Cascade幾何造型內(nèi)核以及該算法實現(xiàn)機器人切削加工刀具軌跡規(guī)劃。

本發(fā)明的技術(shù)方案的步驟如下：

(1)設(shè)置初始約束平面，約束面一般采用平面和柱面，并使約束面垂直于XOY平面。如果采用平面作為約束面，也可以使其與Z軸相垂直。該算法采用逐條確定的方式進行軌跡規(guī)劃，約束面每次按距離d進行平移，并與零件表面作求交運算獲得刀具接觸點軌跡。

(2)結(jié)合上一條已確定的刀具接觸點軌跡，計算兩相鄰刀具接觸點軌跡間最大行距，若該值不在行距最大允許范圍0.9L～L，則計算最大行距處相鄰刀具接觸點間最短曲線的曲率半徑r，根據(jù)r重新計算行距值d。最后，根據(jù)新的d值相應(yīng)的移動約束面獲取新的刀具接觸點軌跡。

(3)對刀具接觸點軌跡(即CC路徑)進行離散取點，兩相鄰刀具接觸點的絕對距離就是走刀步長。在保證精度要求的條件下，加工步長引起的誤差δ應(yīng)滿足以下條件：δ≤ε_max(ε_max為加工誤差最大允許值)。最后，將所有刀具接觸點轉(zhuǎn)換為刀位點，按照一定順序連接各刀位點并設(shè)置走刀方向以及刀具姿態(tài)，最終生成機器人加工刀具軌跡。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明對傳統(tǒng)的CC路徑截面線法加以改進，通過對約束面間距進行動態(tài)調(diào)整，解決了傳統(tǒng)CC路徑截面線法刀軌疏密不一致的問題，從而能夠提高機器人銑削加工精度。以此作為機器人切削加工刀具軌跡生成方法，具有精度高，執(zhí)行效率快，成本低，跨平臺兼容性強等特點。

附圖說明

圖1改進的CC截面線法算法流程圖

圖2 CC路徑截面線法示意圖

圖3走刀步長示意圖

圖4行距計算原理圖

圖5約束面間距與行距的關(guān)系

圖6刀具姿態(tài)示意圖

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明做進一步的描述。

(1)改進的CC截面線法算法

如圖1所示，該算法采用逐條確定的方式進行軌跡規(guī)劃，約束面每次按距離d進行平移，并與零件表面作求交運算獲得刀具接觸點軌跡。然后，結(jié)合上一條已確定的刀具接觸點軌跡，計算兩相鄰刀具接觸點軌跡間最大行距，若該值不在行距最大允許范圍0.9L～L，則計算最大行距處相鄰刀具接觸點間最短曲線的曲率半徑r，根據(jù)r重新計算行距值d。最后，根據(jù)新的d值相應(yīng)的移動約束面獲取新的刀具接觸點軌跡。為了提高靈活度，約束平面的法向量可根據(jù)實際加工曲面需要進行設(shè)定。

CC路徑截面線法如圖2所示，則直接由一組約束面與零件曲面求交獲得刀具接觸點軌跡，然后再將刀具接觸點軌跡偏置生成刀具軌跡。

(2)步長和行距的計算過程

如圖3所示，設(shè)刀具接觸點軌跡r(s)的參數(shù)方程為r(u,v)，則端點P₁、P₂可表示為P₁＝r(u₁,v₁)和P₂＝r(u₂,v₂)，曲線中點P可描述為：

弦P₁P₂上的矢量那么曲線中點P到弦P₁P₂的距離δ可計算得：

銑刀進行曲面銑削加工時，兩相鄰切削行之間的距離即走刀行距L，其大小對曲面加工精度和加工效率有一定影響。行距越小會使加工時間會隨之增加；行距越大則表面殘余高度會隨之增大，同時會增加后續(xù)加工量。在滿足給定的殘余高度要求下，走刀行距應(yīng)盡可能的大，這既能滿足加工精度的要求，又能有較高的加工效率。以球頭銑刀為例，如圖4其行距計算方法如下：

在加工平面時，當給定殘余高度h，其行距為：

在實際加工過程中，R_a要遠大于h，則公式可近似表示為：

在加工凸面時，殘余高度h與行距L、銑刀半徑(或有效半徑)R_a以及曲面沿行距方向的近似曲率半徑R_b之間的關(guān)系：

由上述公式可得，當給定殘余高度h時，行距L為：

在加工凹面時，殘余高度h與行距L、銑刀半徑(或有效半徑)R_a以及曲面沿行距方向的近似曲率半徑R_b之間的關(guān)系：

當給定殘余高度h時，行距L為：

在實際加工過程中往往滿足h<<R_a、R_b，綜合上述，若已知刀具半徑R_a，并設(shè)定允許的殘余高度為h，那么行距L由局部曲面的近似曲率R_b決定，其計算公式如下：

(3)約束面間距計算

在采用截面法生成加工軌跡時，通常采用等間距法，即相鄰約束平面間的距離是一樣的。雖然這種方法很簡單，但是每相鄰切削行間的殘余高度分布不均勻，整體表面粗糙度差，刀具軌跡效率低。

為了彌補這個不足之處，相鄰約束平面間的距離隨兩約束平面間的曲面局部曲率變化而變化，從而使得實際行距盡可能的大。

如圖5所示，當行距L確定后，可據(jù)此計算約束平面間距d。圖中，S₁、S₂為相鄰兩個約束平面，P₁(x₁，y₂，z₂)與P₂(x₂，y₂，z₂)為相鄰刀具接觸點，當給定殘余高度h、銑刀半徑R_a以及局部曲率半徑R_b，那么兩約束平面間的間距為：

d＝L·cosθ

其中：θ是約束平面的法矢與向量P₁P₂的夾角。從而形成了新的刀具約束面間距。

(4)刀具姿態(tài)的確定

對曲面銑削加工時，一般采用球頭銑刀進行加工。當采用球頭刀時必須避免球頭銑刀刀刃端點切削，需要刀具與被加工曲面法向矢量保持一定的偏角(如圖6所示)，以提高加工效率及精度。

a)采用定值

該方法使刀軸與刀具接觸點處的曲面法向矢量有一定的偏角(一般采用前傾角+15°，側(cè)傾角+15°的刀具姿態(tài))，在整個曲面銑削加工過程中刀軸將保持相同的傾斜方向，并且該偏角為定值。采用定值的刀具姿態(tài)能有更好的曲面加工效率，但需要考慮局部過切問題。

b)采用變值

該方法使刀具姿態(tài)隨著待加工曲面曲率變化而變化，同時其傾斜方向與偏角根據(jù)刀具接觸點處的曲面曲率及法向矢量變化而變化。該方法能夠避免局部過切問題，并且可以獲得較高的加工效率。