CN101109944A - 五轴数控加工光滑无干涉刀具路径的规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种五轴数控加工光滑无干涉刀具路径的规划方法，同时对零件进行可制造性分析。首先建立刀具、工件和障碍物的几何模型，在离散参考方向的反方向上栅格化障碍物和刀位点处刀具回转圆柱面的圆盘，通过深度测试获得的可视性信息判断刀具在离散参考方向上的可达性，规划刀触点处的刀具可达方向锥，在可达方向锥中，根据方向连续性约束和加工环境约束计算可行方向锥并判断可制造性，如果可制造，则在可行方向锥中按照刀具路径中方向变化最小的原则规划光滑无干涉的刀具路径，输出刀具路径文件。本发明计算效率高、编程实现简单，适用于多边形网格、自由曲面等任意能够渲染的几何模型，可以同时考虑夹和刀杆的干涉避免。

Description

五轴数控加工光滑无干涉刀具路径的规划方法

技术领域

本发明涉及一种五轴数控加工光滑无干涉刀具路径的规划方法，适用于复杂零件的五轴数控加工，属于计算机辅助制造(Computer Aided Manufacturing，CAM)技术领域。

背景技术

数控机床已经大量的应用到制造业中，与三轴数控加工相比，五轴数控加工可以显著提高加工效率和刀具的可达性，为复杂零件的加工提供了有效的手段。但是五轴数控加工的刀具路径规划通常需要大量的人工干预和反复验证，费时费力，而且对编程人员有很高的要求。尤其对于航空叶轮和螺旋桨等形状复杂的零件，干涉现象严重，无法通过简单的加工策略规划出光顺的刀具路径，因此针对复杂零件自动规划刀具路径的算法在工业应用中有很重要的意义，也越来越受到重视。

目前通用的CAM软件不能够直接产生无干涉的刀具路径，一般的规划流程如下：规划刀具路径时，需要根据输入的工件模型，设定加工余量，规划出刀触点或者刀位点，根据一些简单的规则确定刀具方向，然后参数化刀具路径。这样的CAM软件在三轴数控加工中获得了很好的应用，如端铣、面铣和钻孔等，但是对于复杂零件的五轴数控加工，简单的刀具方向规划策略很少能够规划出高质量的刀具路径。工件的特征和保护面的选择等需要人为指定，一般需要有丰富经验的编程人员反复规划、仿真和修改，这个过程往往要花费大量的时间，而且刀具路径规划的加工过程和质量很大程度上依赖于编程人员的技术水平，很难保证同类产品的一致性。总的来说，刀具路径规划在复杂零件的加工过程中通常花费加工中大部分的时间和成本。

在加工中任何干涉都会导致零件报废，所以无干涉作为最强的几何约束条件是数控加工刀具路径规划首先要考虑的。但是因为传统干涉检查方法大都需要耗费大量的计算时间，有时甚至超出计算机的计算能力，尤其是零件的几何模型用自由曲面描述时，计算复杂，现有的方法难以直接在工业中应用，所以现有的CAM软件中输出的刀位文件不能保证无干涉，而是把干涉检查部分放到加工仿真中处理，如果有干涉发生，必须调整或者重新规划刀具路径，一般要经过多次反复才能获得无干涉刀具路径。刀具路径的光滑程度也是刀具路径质量的重要指标，如果刀具路径不光滑，数控机床需要频繁的加减速，会大大降低加工速度，提高加工成本，然而从现有CAM软件中规划出的刀具路径无法保证刀具路径的光滑。

经对现有技术的文献检索发现，美国专利公告号：US6,311,100 B1，名称为：TOOL PATH GENERATION FOR COMPUTER AIDED MANUFACTURING的专利介绍了一种自动规划五轴数控加工刀具路径的方法。该方法在计算系统中用网格描述工件和刀具的几何模型，对工件曲面上的离散点进行编码，使曲面上每一个点都具有唯一编码，首先从离散方向“观察”工件，计算这些点的可视性，为每一个点产生一个可视方向锥，作为该刀触点处刀具的参考无干涉方向，在可视方向锥中选择最有可能无干涉的方向作为该点的刀具方向，然后插值出刀具路径，进行干涉检查，如果有干涉发生，调整刀具方向直到无干涉发生为止。该专利可用可视信息减少了大量的干涉方向，但在选择参考方向时把刀具抽象为一根直线，没有直接考虑刀具回转面的直径，所以在后续的算法中仍然需要干涉检查和反复的调整刀位，这样不但增加了算法的复杂度，而且限制了刀具方向选取的灵活性，也不能够正确分析工件的可制造性。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种五轴数控加工光滑无干涉刀具路径的规划方法，同时对零件进行可制造性分析。该方法简单易行、计算效率高，能自动输出优化的刀具路径，适用于多边形网格、自由曲面等任意能够渲染的几何模型，可以同时考虑夹具和刀杆的干涉避免。

为实现这一目的，本发明建立障碍物和刀具的几何模型后，在离散参考方向的反方向上栅格化障碍物和刀位点处刀具回转圆柱面的圆盘面，通过深度测试获得的可视性信息判断刀具在离散参考方向上的可达性，规划刀触点处的刀具可达方向锥，在可达方向锥中，根据方向连续性约束和加工环境约束计算可行方向锥并判断可制造性，如果可制造，则在可行方向锥中按照刀具路径中方向变化最小的原则规划光滑无干涉的刀具路径，输出刀具路径文件。

本发明的方法具体包括如下步骤：

1)将刀具的回转圆柱面作为刀具的几何模型，同时建立工件及障碍物的几何模型。

所述刀具的回转圆柱面是从刀位点开始沿刀杆方向用来表示刀具回转体的半径阶梯递增的圆柱面。

所述障碍物包括工件的夹具以及在工件周围可能与刀具发生干涉的物体。

所述几何模型是一种可以栅格化的几何表述形式，是计算机显卡可以渲染的封闭几何模型，包括实体模型、多边形网格模型、自由曲面模型和体素模型。

2)用截面法或等参数法计算出刀具和工件的接触点，得到刀触点序列，由刀触点序列、刀具形状来确定用来标识刀具位置的一组刀位点。

所述刀位点对于球头铣刀是指端部半球面的球心，对于平底铣刀是端部圆面的圆心，对于圆环铣刀是指端部圆环的圆环中心。

3)将高斯球面均匀三角化，取三角网格的顶点来确定刀具轴线的离散参考方向；沿离散参考方向的反方向，栅格化障碍物模型并进行深度测试；将刀具的轴向指向离散参考方向，将刀具回转圆柱面在各个刀位点处的圆盘沿离散参考方向排序，依次栅格化刀具回转圆柱面的圆盘并进行深度测试；根据深度测试的结果判断刀具回转圆柱面圆盘的完全可视性，并据此确定每个刀触点处刀具在参考方向上的可达性；将各个刀触点处刀具可达的离散参考方向在高斯球面上组成的集合规划为刀具可达方向锥。

将高斯球面均匀三角化时，可以先将单位球面划分为正四面体、正八面体、正十二面体、正十六面体或者正二十面体，每一个面对应一个球面三角形，然后连接球面三角形三条边的中点，把每一个球面三角形划分为四个球面三角形，如此递归划分直到达到需要的三角形个数。

所述栅格化几何模型，是将三维几何模型转化为深度矩阵模型，用栅格的二维坐标加上深度值描述三维几何体在某一方向上的可视部分。

所述的刀具回转圆柱面的圆盘是在垂直于离散参考方向的平面内，以刀位点为圆心，以刀具回转面圆柱的半径为半径的圆盘面。圆盘面栅格化时由三角网格组成，三角网格对圆盘面的逼近程度由干涉检测的精度决定。

所述的圆盘完全可视性是指圆盘栅格化后所有栅格点处的可视性，如果圆盘的所有栅格点都是可视的，则该圆盘是完全可视的，否则不是完全可视的。此处圆盘栅格点的可视性判别方法，是在同一方向上垂直于视线方向的平面内栅格化同样大小的参考圆盘。该参考圆盘由刀位点处的圆盘沿视线方向平移得到，参考圆盘在障碍物包围球之外且靠近视线的位置，与刀位点处的圆盘构成圆盘对。如果这两个圆盘的可视栅格数相等，说明刀位点处圆盘沿该视线方向是可视的，否则说明圆盘不完全可视。

所述沿离散参考方向排序是将检测的圆盘按离散参考方向排序，为了尽量少重新栅格化障碍物模型次数，栅格化圆盘时按照沿离散参考方向的反方向顺序。

所述刀具可达方向锥是对应于刀触点处无干涉刀具方向在高斯球面上的集合。

4)在刀具可达方向锥中，根据方向连续性约束和加工环境约束计算刀具可行方向锥。

所述加工环境约束包括机床决定的工作行程约束、奇异方向约束和加工工艺要求，工作行程和奇异方向根据需要根据具体的机床确定，加工工艺由具体的加工过程来确定。

所述方向连续性约束是选择的方向属于当前刀触点处刀具可达方向锥和相邻两个刀触点处刀具可达方向锥的交集，该约束可以大大减少连接起来的连续刀具路径的干涉。

5)根据刀具可行方向锥判断工件可制造性，即用当前刀具沿刀触点序列加工工件的可行性，如果某个刀触点处的刀具可行方向锥为空，即为不可制造，则输出不可制造信息，如果所有刀触点处的刀具可行方向锥都非空，即为可制造，则在刀具可行方向锥中规划光滑的刀具方向，以沿刀触点序列刀具方向变化最小的原则用有向图最短路径算法优化刀触点处的刀具方向，输出刀具路径文件。

所述的刀具方向变化是指沿刀触点序列的所有相邻刀具方向在高斯球面上的最短弧长之和。

所述有向图是把每一个刀触点处所有可行方向设置为有向图的顶点，把刀具路径上每一个刀触点处所有可行方向和下一个刀触点处所有可行方向连接起来作为有向图的边，边的长度是这两个可行方向在高斯球面上的最短弧长。

所述最短路径算法是指加权有向图的最短路径求解算法，如Dijkstra算法。

与现有技术相比，本发明第一次在刀具路径规划中用栅格化刀具回转面圆盘的方法在每一个刀触点处规划刀具的可达方向锥，并在其中根据加工环境约束和方向连续性约束计算可行方向锥，避免了刀具路径方向规划中的反复调整，大大减少刀具路径规划的时间，并且通过建立有向图的最短路径模型，规划出了优化的刀具路径。全部过程可以自动完成，计算效率高，编程实现简单，可以应用于复杂零件的五轴数控加工刀具路径规划。

附图说明

图1是本发明刀具路径规划方法的流程图。

图2是对应于不同铣刀的刀触点和刀位点位置示意图。

图2中，(a)是球头铣刀，(b)是平底铣刀，(c)是圆环铣刀，1是刀具轴线，2是刀杆，3是刀具，4是刀位点，5是刀触点。

图3是离散高斯球面的三角网格和顶点。

图3中，6是高斯球面上的顶点，7是离散高斯球面的网格；

图4是刀位点处刀具回转圆柱面的圆盘。

图4中，4是刀位点，8是刀位圆盘，9是刀具长度，10是刀杆圆盘，11是离散参考方向，12是视线方向。

图5是圆盘完全可视性分析示意图。

图5中，13是栅格坐标系的原点，14是参考圆盘，15是刀具回转圆柱面的圆盘，16是圆盘15上的点，17是圆盘14上的点，18是栅格点。

图6是某一刀触点对应的刀具可达方向锥示意图。

图6中，20是工件模型，22是刀触点序列，5是刀触点序列22中的一个刀触点，21是刀触点5对应的刀具可达方向锥。

图7是优化刀具路径的有向图模型。

图8是规划的光滑无干涉刀具路径；

图8中，20是工件模型，24是光滑无干涉刀具路径。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。以下实施例不构成对本发明的限定。

本发明提出的五轴数控加工光滑无干涉刀具路径的规划方法的流程如图1所示，首先建立刀具、工件和障碍物的几何模型，障碍物包括工件的夹具以及在工件周围可能与刀具发生干涉的物体；用截面法或等参数法计算出刀具和工件的接触点，得到刀触点序列，根据刀触点序列和刀具形状确定刀位点的位置；均匀离散化将高斯球面均匀三角化，取三角网格的顶点来确定刀具轴线的离散参考方向；根据刀位点的位置检测所有刀触点在离散参考方向上的可达性，由可达方向组成刀触点处的可达方向锥；在刀具可达方向锥中，根据方向连续性约束和加工环境约束确定可达方向锥；根据可达方向锥是否为空决定刀具沿刀触点序列的可制造性，如果不可制造，输出用当前刀具不可制造的信息，如果可以制造，规划光滑的刀具路径，输出刀具路径文件。

建立刀具、工件和障碍物的几何模型。刀具的模型如图2所示，对于球头铣刀(a)、平底铣刀(b)和圆环铣刀(c)，除了端部的形状有差别外，刀具围绕刀具轴线1的回转面是半径递增的阶梯圆柱，分别是刀具圆柱3和刀杆圆柱2。障碍物包括工件的夹具以及在工件周围可能与刀具发生干涉的物体。障碍物的几何模型可以是能够栅格化的任意几何表述形式，为计算机可以渲染的封闭几何模型，包括实体模型、多边形网格模型、自由曲面模型、体素模型。

根据等截面法计算出刀具和工件的接触点，得到刀触点序列，其中的刀触点如图2中5所示。根据刀触点5、刀具形状确定用来标识刀具位置的一组刀位点，对应对于球头铣刀(a)、平底铣刀(b)和圆环铣刀(c)，刀位点的位置如图2中4所示，对于球头铣刀(a)是指端部半球面的球心，对于平底铣刀(b)是端部圆面的圆心，对于圆环铣刀(c)是指端部圆环的圆环中心。

在以下实施例中，以球头铣刀(a)为例，类似的方法可以应用到平底铣刀(b)和圆环铣刀(c)。对于球头铣刀(a)，刀位点4在刀触点5沿曲面的法线上，距离刀触点5的距离等于端部半球的半径，所以球头铣刀的一个刀触点对应于一个刀位点。

将高斯球面均匀三角化，取三角网格的顶点来确定刀具轴线的离散参考方向。如图3所示，将高斯球面离散为均匀的三角网格7，根据三角网格的顶点6来获得球面上均匀分布的点，从而确定刀具的离散参考方向。将高斯球面均匀三角化时，可以先将单位球面划分为正四面体或正八面体，也可以是正十二面体、正十六面体或者正二十面体，每一个面对应一个球面三角形，然后连接球面三角形三条边的中点，把每一个球面三角形划分为四个球面三角形，如此递归划分直到达到需要的三角形个数。通常4或者5次递归划分可以满足一般的应用。

沿离散参考方向的反方向，栅格化障碍物模型并进行深度测试；栅格化坐标如图5所示，在以O点13为原点的坐标系中，Y轴指向栅格坐标系的上方，X轴指向栅格坐标系的水平方向，Z轴是视线方向。X轴和Y轴上都是整数坐标，把几何模型沿平行于Z轴的方向投影到XY平面上，用二维整数坐标点18记录对应的位置，Z轴坐标值记录了几何模型到XY平面的最短距离。通过深度测试，在每一个栅格坐标上只存储一个最小的Z值，也就是到栅格平面最近的Z值。

将刀具的轴向指向离散参考方向，将刀具回转圆柱面在各个刀位点处的圆盘沿离散参考方向排序，依次栅格化刀具回转圆柱面的圆盘并进行深度测试。图4定义了刀具回转圆柱面在刀位点处的圆盘，刀具的轴向与离散参考方向11一致，与栅格坐标的Z轴方向相反，圆盘包括刀具圆盘8和刀杆圆盘10，两个圆盘之间的距离等于刀具的长度9。

根据深度测试的结果判断刀具回转圆柱面圆盘的完全可视性。图5说明了圆盘面15在离散参考方向上完全可视性的计算原理，根据刀具回转圆柱面圆盘的定义以及刀具离散参考方向和视线方向的关系，圆盘轴线平行于视线，圆盘面所在的平面平行于XY平面。点19表示障碍物模型的包围球在栅格坐标Z轴上投影的最小值，沿栅格坐标Z轴的负方向平行移动圆盘面15，使其Z值在点19和栅格平面XY之间，获得参考圆盘面14，用平行投影模式，圆盘面15上的任意点16和参考圆盘面14上的点17投影于同样的栅格点18。在障碍物模型栅格化并进行深度测试后，栅格化圆盘面15并进行深度测试获得圆盘面15的可视栅格数目，栅格化参考圆盘面14并进行深度测试获得参考圆盘面14的可视栅格数目，如果两个圆盘面的可视栅格数目相等，则说明圆盘面15是完全可视的，否则圆盘面15不完全可视。

根据刀具回转圆柱面圆盘的完全可视性确定每个刀触点处刀具在参考方向上的可达性。如果沿某一个刀具离散参考方向，在某一刀位点处刀具圆盘和刀杆圆盘都是完全可视的，则该刀具在该刀位点处沿刀具离散参考方向可达，否则该刀具在该刀位点处沿刀具离散参考方向不可达。

将各个刀触点处刀具可达的离散参考方向在高斯球面上组成的集合规划为刀具可达方向锥。如图6所示，刀触点序列22是叶轮20的一个精加工刀触点序列，点5为刀触点序列22中的一个刀触点，三角网格21表示在刀触点5处可行方向在高斯球面上的集合，也就是刀触点5的可达方向锥。

在刀具可达方向锥中，根据方向连续性约束和加工环境约束计算刀具可行方向锥。方向连续性约束是选择的方向属于当前刀触点处刀具可达方向锥和相邻两个刀触点处刀具可达方向锥的交集，这样可以大大减少连接起来的刀具路径的干涉现象。加工环境约束包括机床决定的工作行程约束、奇异方向约束和加工工艺要求，根据加工环境约束从刀具可达方向锥中过滤掉不可行的方向。根据这两个约束从刀具可达方向锥中删除不合适的方向，获得刀具可达方向锥。

根据刀具可行方向锥判断工件可制造性，即用当前刀具沿刀触点序列加工工件的可行性。如果某个刀触点处的刀具可行方向锥为空，即为不可制造，则输出不可制造信息；如果所有刀触点处的刀具可行方向锥都非空，即为可制造，则在刀具可行方向锥中规划光滑的刀具方向。

以沿刀触点序列刀具方向变化最小的原则用有向图最短路径算法优化刀触点处的刀具方向。刀具方向变化是指沿刀触点序列的所有相邻刀具方向在高斯球面上的最短弧长之和，

刀具方向优化是在刀触点处的可行方向锥中选择对应的刀具方向，使沿刀触点序列的刀具方向变化最小，以此获得光滑的刀具方向。图7是有向图模型建立的原理，在第一个刀触点处的可行方向锥中规划一个初始的刀具方向，作为有向图的起点，然后把其它刀触点处所有可行方向设置为有向图的顶点，把刀具路径上每一个刀触点处所有可行方向和下一个刀触点处所有可行方向连接起来作为有向图的边，边的长度是这两个可行方向在高斯球面上的最短弧长。通过最短路径算法优化出有向图的最短路径，如Dijkstra算法。最短路径中沿刀触点处的可行刀具方向确定了对应刀触点处的刀具方向，获得了方向光滑的刀具路径，如图8所示，刀具序列24是叶轮20的光滑无干涉精加工刀具路径。

输出刀具路径文件。刀具路径文件是与后处理程序对应的刀位文件，描述了刀具的位置和方向，刀具的位置是刀位点序列，刀具的方向是对应于刀位点处优化的可行方向。

本实施例以球头铣刀的叶轮精加工刀具路径规划为例，说明了基于栅格化可视性计算的五轴数控加工光滑无干涉刀具路径规划方法，可以为复杂零件规划出高质量的刀具路径。本发明的方法也可以应用到平头铣刀和圆环刀的五轴数控加工刀具路径规划中。

Claims (8)

1.一种五轴数控加工光滑无干涉刀具路径的规划方法，其特征在于包括如下步骤：

1)将刀具的回转圆柱面作为刀具的几何模型，同时建立工件及障碍物的几何模型；所述障碍物包括工件的夹具以及在工件周围可能与刀具发生干涉的物体，所述几何模型是一种可以栅格化的几何表述形式；

2)用截面法或等参数法计算出刀具和工件的接触点，得到刀触点序列，由刀触点序列、刀具形状来确定用来标识刀具位置的一组刀位点；

3)将高斯球面均匀三角化，取三角网格的顶点来确定刀具轴线的离散参考方向；沿离散参考方向的反方向，栅格化障碍物模型并进行深度测试；将刀具的轴向指向离散参考方向，将刀具回转圆柱面在各个刀位点处的圆盘沿离散参考方向排序，依次栅格化刀具回转圆柱面的圆盘并进行深度测试；根据深度测试的结果判断刀具回转圆柱面圆盘的完全可视性，并据此确定每个刀触点处刀具在参考方向上的可达性；将各个刀触点处刀具可达的离散参考方向在高斯球面上组成的集合规划为刀具可达方向锥；

4)在刀具可达方向锥中，根据方向连续性约束和加工环境约束计算刀具可行方向锥；所述加工环境约束包括机床决定的工作行程约束、奇异方向约束和加工工艺要求；所述方向连续性约束是选择的方向属于当前刀触点处刀具可达方向锥和相邻两个刀触点处刀具可达方向锥的交集；

5)根据刀具可行方向锥判断工件可制造性，即用当前刀具沿刀触点序列加工工件的可行性，如果某个刀触点处的刀具可行方向锥为空，即为不可制造，则输出不可制造信息，如果所有刀触点处的刀具可行方向锥都非空，即为可制造，则在刀具可行方向锥中规划光滑的刀具方向，以沿刀触点序列刀具方向变化最小的原则用有向图最短路径算法优化刀触点处的刀具方向，输出刀具路径文件。

2.根据权利要求1的五轴数控加工光滑无干涉刀具路径的规划方法，其特征在于所述的几何模型为计算机可以渲染的封闭几何模型，包括实体模型、多边形网格模型、自由曲面模型、体素模型。

3.根据权利要求1的五轴数控加工光滑无干涉刀具路径的规划方法，其特征在于所述的刀位点对于球头铣刀是指端部半球面的球心，对于平底铣刀是端部圆面的圆心，对于圆环铣刀是指端部圆环的圆环中心。

4.根据权利要求1的五轴数控加工光滑无干涉刀具路径的规划方法，其特征在于将高斯球面均匀三角化时，先将单位球面划分为正四面体、正八面体、正十二面体、正十六面体或者正二十面体，每一个面对应一个球面三角形，然后连接球面三角形三条边的中点，把每一个球面三角形划分为四个球面三角形，如此递归划分直到达到需要的三角形个数。

5.根据权利要求1的五轴数控加工光滑无干涉刀具路径的规划方法，其特征在于所述的刀具回转圆柱面的圆盘是在垂直于离散参考方向的平面内，以刀位点为圆心，以刀具回转面圆柱的半径为半径的圆盘面。

6.根据权利要求1的五轴数控加工光滑无干涉刀具路径的规划方法，其特征在于所述的圆盘完全可视性是指圆盘栅格化后所有栅格点处的可视性，如果圆盘的所有栅格点都是可视的，则该圆盘是完全可视的，否则不是完全可视的。

7.根据权利要求1的五轴数控加工光滑无干涉刀具路径的规划方法，其特征在于所述的刀具方向变化是指沿刀触点序列的所有相邻刀具方向在高斯球面上的最短弧长之和。

8.根据权利要求1的五轴数控加工光滑无干涉刀具路径的规划方法，其特征在于所述的有向图是把每一个刀触点处所有可行方向设置为有向图的顶点，把刀具路径上每一个刀触点处所有可行方向和下一个刀触点处所有可行方向连接起来作为有向图的边，边的长度是这两个可行方向在高斯球面上的最短弧长。

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