專利名稱：薄壁曲面零件加工質量缺陷區(qū)域計算方法
技術領域：
本發(fā)明屬于薄壁曲面零件的制造技術領域，尤其涉及薄壁曲面零件的五坐標數(shù)控機床銑削加工技術領域。
背景技術：
五軸聯(lián)動數(shù)控機床是指在一臺機床上有五個坐標軸，包括三個平動坐標軸和兩個旋轉坐標軸，機床的各坐標軸在計算機數(shù)控系統(tǒng)的控制下按一定的速度同時到達某一個設定的點，協(xié)調運動進行加工，特別適用用于加工復雜曲面零件。通常薄壁曲面零件的加工質量控制最為困難，一方面數(shù)控機床坐標軸間的不同配合狀態(tài)可能引起機床加工時剛度的實時變化，另一方面零件在切削力的作用下也可能引起零件的加工變形。機床和零件兩方面因素疊加使得薄壁曲面零件的表面加工質量成為難點，極易引起曲面局部的表面質量缺陷，出現(xiàn)粗糙度、波紋度下降以及切削折痕，導致零件質量不合格，造成成本的浪費和效率 的損失?，F(xiàn)有方法中缺少對薄壁曲面零件加工前表面質量的缺陷預測，如果能在加工零件之前根據零件特性和機床運動狀態(tài)預測出零件表面質量缺陷區(qū)域，就可以在工藝實施中對于缺陷區(qū)域設定不同的加工工藝方案，保障零件的加工質量和提高零件加工的成品率。由于企業(yè)對薄壁曲面零件質量控制的需求，基于薄壁曲面零件表面質量缺陷區(qū)域的快速計算成為一技術要點。由此可在切削前預知零件加工表面質量缺陷區(qū)域，針對表面質量缺陷區(qū)域設定不同的加工工藝，從而為零件的工藝優(yōu)化和精度保障提供依據。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是為了快速計算五軸聯(lián)動數(shù)控機床(以下簡稱機床)在切削零件時的加工質量缺陷區(qū)域從而提高機床加工薄壁曲面零件的表面質量，提出了一種薄壁曲面零件加工表面質量缺陷快速計算方法。本發(fā)明的技術方案薄壁曲面零件加工表面質量缺陷快速計算方法，其特征在于，包括如下步驟步驟I.產生機床銑削薄壁曲面零件的各坐標軸數(shù)控指令；步驟2 :計算產生機床加工薄壁曲面零件的剛度分布根據步驟I中得到的機床各坐標軸數(shù)控指令，計算機床銑削薄壁曲面零件過程中各坐標軸合成的剛度矩陣，將剛度矩陣沿零件法線方向投影，得到加工過程中機床的剛度分布；步驟3 :計算產生薄壁曲面零件在加工過程中自身的剛度分布；步驟4 :計算薄壁曲面零件的加工質量缺陷區(qū)域將步驟2中得到的機床銑削薄壁曲面零件過程中沿零件法線方向的剛度分布與步驟3中得到的薄壁曲面零件在不同位置處的法向剛度分布相疊加，得到加工過程中機床和薄壁曲面零件的剛度綜合對比圖，由此得出薄壁曲面零件的加工質量缺陷區(qū)域。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明通過機床和薄壁曲面零件的法向剛度分布計算，產生加工過程中的機床和零件自身的剛度分布綜合對比圖，從而得到薄壁曲面零件加工質量缺陷區(qū)域，由此可在加工前計算出零件加工質量的缺陷區(qū)域，針對加工質量缺陷區(qū)域設定不同的加工工藝，從而為零件的工藝優(yōu)化和精度保障提供依據，使薄壁曲面零件加工具備更好的精度控制效果，降低零件的加工成本，提供加工效率。


圖I是發(fā)明步驟I中S形曲面零件模型及切削路徑示意圖。圖2是本發(fā)明的機床V51030ABJ加工S形曲面剛度分布圖。圖3是本發(fā)明的步驟3中S曲面有限元模型示意圖。圖4是本發(fā)明的步驟3中S曲面在加工過程的法向變形示意圖。圖5是本發(fā)明的步驟3中S形曲面不同各位置處的法向剛度示意圖。圖6是本發(fā)明的五軸數(shù)控機床加工S形曲面剛度綜合對比圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明做進一步的說明一種薄壁曲面零件加工表面質量缺陷快速計算方法，包括如下步驟步驟I.產生機床銑削薄壁曲面零件的各坐標軸數(shù)控指令在計算機輔助制造CAM軟件中創(chuàng)建加工零件模型，設定銑削路徑，產生零件加工的前置指令(x、y、z、i、j、k)，所述前置指令中x、y和z分別代表刀具加工點的空間位移坐標，i、j、k分別代表刀具加工點的空間向量的方向，再選定機床類型后生成機床各坐標軸的數(shù)控指令，所述數(shù)控指令可以表示為(X、Y、Z、A、B)或(X、Y、Z、A、C)或(X、Y、Z、B、C)，X、Y、Z分別表示機床各坐標軸中平動軸X 、芝數(shù)控指令，A、B和C分別表示機床各坐標軸中旋轉軸2、互5數(shù)控指令。本實施例中，以刀具兩擺的五軸聯(lián)動數(shù)控機床(型號為V51030ABJ)加工薄壁曲面零件(本實施例選擇S形薄壁曲面零件為例進行說明)，如圖I所示在三維建模軟件(如UG)中建立薄壁零件曲面模型，設定銑削路徑，產生前置指令(x、y、z、i、j、k)，生成S形薄壁曲面零件加工過程中機床各坐標軸的數(shù)控指令(X、Y、Z、A、B)。對于本領域的普通技術人員來說，由前置指令(1、7、2、1、」、10計算得到機床各坐標軸的數(shù)控指令(X、Y、Z、A、B)是一個公知過程，因此將本步驟視為現(xiàn)有技術而不再詳細描述。步驟2 :計算產生機床加工薄壁曲面零件的剛度分布根據步驟I中得到的機床各坐標軸數(shù)控指令，計算機床銑削薄壁曲面零件過程中各坐標軸合成的剛度矩陣，將剛度矩陣沿零件法線方向投影，得到加工過程中機床的剛度分布。本步驟的具體過程包含如下步驟步驟21 :計算產生機床各坐標軸剛度組成的剛度矩陣Kjtjint,由公式I表示如下
權利要求
1.薄壁曲面零件加工質量缺陷區(qū)域計算方法，其特征在于，包括如下步驟 步驟I.產生機床銑削薄壁曲面零件的各坐標軸數(shù)控指令； 步驟2 :計算產生機床加工薄壁曲面零件的剛度分布根據步驟I中得到的機床各坐標軸數(shù)控指令，計算機床銑削薄壁曲面零件過程中各坐標軸合成的剛度矩陣，將剛度矩陣沿零件法線方向投影，得到加工過程中機床的剛度分布； 步驟3 :計算產生薄壁曲面零件在加工過程中自身的剛度分布； 步驟4 :計算薄壁曲面零件的加工質量缺陷區(qū)域將步驟2中得到的機床銑削薄壁曲面零件過程中沿零件法線方向的剛度分布Kn(t)與步驟3中得到的薄壁曲面零件在不同位置處的法向剛度分布相疊加，得到加工過程中機床和薄壁曲面零件的剛度綜合對比圖，由此得出薄壁曲面零件的加工質量缺陷區(qū)域。
2.根據權利要求I所述的薄壁曲面零件加工質量缺陷區(qū)域計算方法，其特征在于，上述步驟2包含如下具體步驟 步驟21 :計算產生機床各坐標軸剛度組成的剛度矩陣K>int ； 步驟22 :計算產生機床三個平動軸的變換矩陣和三個旋轉軸中任意兩個旋轉軸的變換矩陣； 步驟23 :計算機床各坐標軸到刀具加工點的變換矩陣T1, T2, T3, T4, T5 ； 步驟24 :根據步驟23中得到的變換矩陣T1, T2, T3, T4, T5,計算得到機床的Jacobi矩陣J的各元素值； 步驟25 :根據步驟21和步驟24中得到的剛度矩陣Kjtjint和Jacobi矩陣計算得到機床銑削薄壁曲面零件過程中各坐標軸合成的剛度矩陣Kj ； 步驟26 :產生機床銑削零件過程中沿零件法線方向的剛度分布。
3.根據權利要求2所述的薄壁曲面零件加工質量缺陷區(qū)域計算方法，其特征在于，上述步驟21的具體過程為計算產生機床各坐標軸剛度組成的剛度矩陣K_nt，由公式I表示如下
4.根據權利要求2所述的薄壁曲面零件加工質量缺陷區(qū)域計算方法，其特征在于，上述步驟22的具體過程為計算產生機床三個平動軸的變換矩陣和三個旋轉軸中任意兩個旋轉軸的變換矩陣；本步驟中，Ap A2、A3分別表示三個平動軸X、F、芝的變換矩陣，可由公式3表不；A4、A5、A6表不三個旋轉軸(J、5、C )的變化矩陣，可由公式4表不
5.根據權利要求2所述的薄壁曲面零件加工質量缺陷區(qū)域計算方法，其特征在于，上述步驟23的具體過程為計算機床各坐標軸到刀具加工點的變換矩陣T1, T2, T3, T4, T5 :本步驟中，T1表示由坐標軸X至刀具加工點的變換矩陣，T2表示由坐標軸F至刀具加工點的變換矩陣，T3表示由坐標軸芝至刀具加工點的變換矩陣，T4, T5表示由兩個旋轉坐標軸(2、云、芒中任兩個)至刀具加工點的變換矩陣，可分別由公式5計算如下 T1=A1A2A3A4A5, T2=A2A3A4A5, T3=A3A4A5, T4=A4A5, T5=A5公式 5。
6.根據權利要求2所述的薄壁曲面零件加工質量缺陷區(qū)域計算方法，其特征在于，上述步驟24的具體過程為本步驟中，將步驟23中得到的變換矩陣T1, T2, T3, T4, T5中各元素值采用公式7中的統(tǒng)一的抽象符號表示，如T1, T2, T3, T4, T5統(tǒng)一抽象符號為變換矩陣1'，11!￡表不T1, T2, T3, T4, T5的第一行第一列兀素統(tǒng)一抽象符號，Ox表不T1, T2, T3, T4, T5的第一行第二列元素統(tǒng)一抽象符號，……，以此類推得到全部的統(tǒng)一抽象符號；
7.根據權利要求2所述的薄壁曲面零件加工質量缺陷區(qū)域計算方法，其特征在于，上述步驟25的具體過程為將步驟21和步驟24中得到的剛度矩陣Kjtjint和Jacobi矩陣J代入如下公式10，計算得到機床銑削薄壁曲面零件過程中各坐標軸合成的剛度矩陣Kj ； Kj= (J(Kjoint)-1CJ) T)—1么、式10; 公式10中，(J)T中的代表Jacobi矩陣J的轉置矩陣，符號―1表示對矩陣進行求逆運笪o
8.根據權利要求2所述的薄壁曲面零件加工質量缺陷區(qū)域計算方法，其特征在于，上述步驟26的具體過程為將步驟I中得到的前置指令(x、y、z、i、j、k)代入公式11中計算零件法線方向的單位矢量IV將步驟25中得到的機床合成剛度矩陣&代入公式12中，得到機床銑削薄壁曲面零件過程中沿零件法線方向的剛度分布Kn(t)；
9.根據權利要求I所述的薄壁曲面零件加工質量缺陷區(qū)域計算方法，其特征在于，上述步驟3包括如下具體步驟 步驟31 :產生薄壁曲面零件的有限元模型在有限元分析軟件中建立切削零件的幾何建模； 步驟32 :計算得到薄壁曲面零件在不同位置處的法向剛度分布在有限元分析軟件中計算產生薄壁曲面零件切削過程中切削力作用下的法向變形，將不同位置處加載下的零件法向變形疊加，再將變形數(shù)值求倒數(shù)，即為零件在不同位置處的法向剛度。
全文摘要
本發(fā)明涉及薄壁曲面零件加工表面質量缺陷快速計算方法。包括如下步驟1.產生機床銑削薄壁曲面零件的各坐標軸數(shù)控指令；2.計算產生機床加工薄壁曲面零件的剛度分布根據步驟1中得到的機床各坐標軸數(shù)控指令，計算機床銑削薄壁曲面零件過程中各坐標軸合成的剛度矩陣，將剛度矩陣沿零件法線方向投影，得到加工過程中機床的剛度分布；3.計算產生薄壁曲面零件在加工過程中自身的剛度分布；4.計算薄壁曲面零件的加工質量缺陷區(qū)域。本發(fā)明的有益效果通過機床和薄壁曲面零件的法向剛度分布計算，產生加工過程中的機床和零件自身的剛度分布綜合對比圖，從而得到薄壁曲面零件加工質量缺陷區(qū)域，針對加工質量缺陷區(qū)域設定不同的加工工藝。
文檔編號G05B19/406GK102799143SQ20121030382
公開日2012年11月28日 申請日期2012年8月24日 優(yōu)先權日2012年8月24日
發(fā)明者王偉 申請人:電子科技大學