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工程设计学报
工程设计学报  2024, Vol. 31 Issue (5): 575-584    DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2024.03.183
机械设计理论与方法     
基于螺旋接触线的五轴侧铣刀具定位方法
李忠朋1(),张立强1(),刘钢1,2,3
1.上海工程技术大学 机械与汽车工程学院，上海 201620
2.机械工业航空大型复杂薄壁构件智能制造技术重点实验室，上海 201620
3.成都智远先进制造技术研究院，四川 成都 610511
Five-axis flank milling tool positioning method based on spiral contact line
Zhongpeng LI1(),Liqiang ZHANG1(),Gang LIU1,2,3
1.School of Mechanical and Automotive Engineering, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201620, China
2.Key Laboratory of Machinery Industry for Intelligent Manufacturing of Large Complex Thin-Walled Parts, Shanghai 201620, China
3.Institute of Chengdu Zhiyuan Advanced Manufacturing Technology, Chengdu 610511, China
 全文: PDF(3565 KB)   HTML
摘要：

针对五轴侧铣加工非可展直纹面时刀具与设计曲面相互干涉的问题，提出了一种基于螺旋接触线的刀具定位方法。首先，基于Z-buffer法建立单个刀位下的误差解析模型，以评估刀具定位方法的优劣。其次，根据非可展直纹面的扭转特性，构造刀轴矢量的数学模型，同时分析刀具-工件接触线的性质及参数表达式。再次，考虑实际加工中的非线性加工误差，通过运动学变换对全局刀位进行路径插补优化。最后，基于改进两点偏置法、最小二乘法及所提出的方法进行仿真分析并对比3种方法所产生的误差，同时基于后2种方法进行实验验证。仿真和实验结果表明，所提出的方法能够有效减小侧铣加工中的原理误差，可为非可展直纹面的五轴侧铣加工提供一定的参考依据。
关键词： 五轴侧铣;  非可展直纹面;  螺旋接触线;  路径优化;  原理误差    
Abstract:

A tool positioning method based on spiral contact line is proposed to address the problem of mutual interference between tool and design surface during five-axis flank milling of undevelopable ruled surfaces. Firstly, an analytical error model under a single tool position was established based on the Z-buffer method to evaluate the advantages and disadvantages of the tool positioning method. Secondly, a mathematical model of the tool axis vector was constructed based on the torsional characteristics of the undevelopable ruled surfaces, and the properties and parametric expressions of the tool-workpiece contact line were analyzed. Thirdly, considering the non-linear machining errors in actual machining, the path interpolation optimization for the global tool position was carried out by kinematics transformation. Finally, the simulation analysis was conducted based on the improved two-point offset method, the least square method and the proposed method, and the errors generated by the three methods were compared, with the latter two methods being used for experimental verification. The simulation and experimental results show that the proposed method can effectively reduce the principle error in flank milling, which can provide a certain reference for five-axis flank milling of undevelopable ruled surfaces.
Key words: five-axis flank milling    undevelopable ruled surface    spiral contact line    path optimization    principle error
收稿日期: 2023-06-30 出版日期: 2024-10-30
CLC:  TH 161.1  
基金资助: 国家自然科学基金资助项目(51775328)
通讯作者: 张立强     E-mail: M310121104@sues.edu.cn;zhanglq@sues.edu.cn
作者简介: 李忠朋（1999—），男，硕士生，从事五轴侧铣加工路径规划研究，E-mail: M310121104@sues.edu.cn，https://orcid.org/0009-0000-9991-6630
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李忠朋
张立强
刘钢

引用本文:

李忠朋,张立强,刘钢. 基于螺旋接触线的五轴侧铣刀具定位方法[J]. 工程设计学报, 2024, 31(5): 575-584.

Zhongpeng LI,Liqiang ZHANG,Gang LIU. Five-axis flank milling tool positioning method based on spiral contact line[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2024, 31(5): 575-584.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/10.3785/j.issn.1006-754X.2024.03.183    或    https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/Y2024/V31/I5/575

图1  基于Z-buffer法的误差模型
图2  线面布尔求交示意
图3  刀具定位示意
图4  刀轴位置确定示意
图5  刀具-工件实际接触线示意
图6  五轴侧铣加工的运动学变换
图7  基于螺旋接触线的全局刀位分布图
  
图8  非可展直纹面的扭转角变化曲线
图9  不同刀位下最大加工误差的分布规律
误差改进两点偏置法最小二乘法本文方法
极差0.102 70.078 20.028 9
eo, max-0.080 8-0.058 8-0.028 9
eu, max0.021 90.019 40
表2  不同方法下最大加工误差的对比 (mm)
图10  本文方法下最大过切误差的分布规律
图11  单个刀位下的加工误差分布规律
图12  五轴加工中心与三坐标测量仪
图13  最小二乘法下加工误差的分布云图
图14  本文方法下加工误差的分布云图
图15  本文方法下加工误差的仿真值与实测值对比（ v=0.45）
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