CN101216706B - 基于三扫描线刀具有效加工区域计算和刀具轨迹生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三扫描线的刀具有效加工区域计算和刀具轨迹生成方法，该方法提出了三扫描线的模型，并基于三扫描线扫描原理结合特定的刀具参数，确定刀具中心轨迹的有效范围，以此简化干涉检查和刀具轨迹计算；同时，由于刀具的有效加工区域描述了刀具在加工过程中的实际切削面积，它是计算刀具轨迹和刀具磨损成本的主要依据，本发明借助扫描线填充方法的思想，提出了一种基于扫描线算法的刀具有效加工区域的计算方法；通过上下两条扫描线确定刀具的初始进刀位置和刀具离开工件位置，有效地控制了刀具与工件干涉检查的搜索范围，使计算效率大大提高；利用刀具与工件的干涉检查方法和无干涉刀具轨迹的计算原理和方法生成最优刀具路径。

Description

基于三扫描线刀具有效加工区域计算和刀具轨迹生成方法

技术领域

本发明涉及机械制造领域中加工零件的数控机床加工方法，特别是一种基于三扫描线刀具有效加工区域计算和刀具轨迹生成方法，该方法运用在多刀具组合加工时的加工方案评价和刀具轨迹的生成。

背景技术

随着现代数控技术的飞速发展，数控加工已成为机械制造行业的主要加工形式，在现代制造环境下，制定刀具选择的目的和规范也变得愈来愈重要。在传统的制造过程中，刀具的选择往往由机床操作者自行选择，其技术水平的高低对于各加工工序刀具选择的好坏和工件的加工精度具有决定性的作用。可是，在现代制造环境下，这种现象将不再是可行的和被人们所接受。因为在CNC机床中，有大量不同类型和规格的刀具形成一个刀具库，加上有些刀具成本非常昂贵，甚至可以为不同的设备所共用。因此，对加工操作者来说，要选择正确的刀具类型、规格和切削参数已变得非常复杂，尤其对于复杂的零件加工来说，采用这种方式再进行刀具类型、规格和切削参数选择，刀具选择不合理将不可避免。一般来说，选择合理的刀具的复杂之处在于：它除了要满足基本加工要求之外，而且能够取得最优加工效果，如：满足加工成本最低或加工时间最短等目标。要做到这一点，就需要一个包含具体企业的制造资源信息和加工经验的知识库系统支持下的专门的软件系统来完成。

数控程序的自动生成，特别是刀具路径的生成是实现制造系统自动化的关键所在。到目前为止，人们已经进行了大量的研究来解决这个问题，并取得了许多研究成果。目前比较实用的软件包，像MasterCAM能根据零件几何形状和一定的刀具参数自动地生成NC代码。可是，使用MasterCAM软件来产生刀具路径需要提供刀具路径参数等丰富的专业知识，尤其是刀具路径的优化问题还没有得到很好地解决。

发明内容

本发明的目标是针对工件的几何形状和所选刀具参数，寻找一种简便而且有效的方法生成最优刀具组合方案和刀具轨迹生成。提出了一种应用三根扫描线实现刀具有效加工区域计算和刀具轨迹生成方法。

为实现上述任务，本发明采用如下的技术解决方案：

一种基于三扫描线的刀具有效加工区域计算和刀具路径生成方法，其特征在于包括下列步骤：

步骤1)在三扫描线中，由三条等间距的平行线代替传统的一条扫描线，其中：上下两条扫描线的距离等于所选择刀具的直径，同时上下两条扫描线也用来定位刀具沿扫描方向加工时的初始进刀位置和结束位置，并且在工作时这两条扫描线之间所覆盖的区域被用来确定刀具沿当前扫描中心线加工时进行干涉检查的有效区域；刀具轨迹的方向由中间的扫描线确定；

该中间的扫描线在工作时，按照扫描方向，在笛卡儿坐标系将工件轮廓通过坐标变换将其变换到x坐标与扫描方向平行，再按照各顶点y排序，按照最小的y坐标确定底扫描线的初始位置，通过计算底扫描线和顶扫描线与工件轮廓的交点，确定出刀具几何沿该中间的扫描线切削时的可能的活动区域；接着，根据该区域的工件轮廓与刀具几何不发生干涉为前提条件，判断刀具沿该中间的扫描线切削时的起点和终点位置，最后，扫描过程由下向上依据刀具进给速度逐次进行，直到顶扫描线到达或超越工件轮廓为止；

步骤2)在利用底扫描线和顶扫描线确定刀具沿当前扫描线加工的有效区域时，按照扫描线填充方法首先计算两条扫描线与工件轮廓的交点，即假定工件轮廓由直线段组成的多边形，对于曲线轮廓按照其加工公差要求利用线段进行逼近，根据交点个数和沿扫描线方向的奇偶性确定有效线段，并与这两条扫描线之间所包括的物体的边形成多边形；对于生成的多边形区域，由于刀具几何的扫描区域沿上下扫描线方向已被限定，所以刀具与工件的干涉只可能发生在刀具起始位置和终止位置；

步骤3)对刀具的每一次沿扫描线的运动行程，刀具的上下位置已由两条边界扫描线限定，一旦刀具的起点位置和终止位置被确定，即可获得刀具轨迹和刀具有效加工区域；

刀具的起点位置的确定是，首先根据刀具中间的扫描线按照扫描线填充算法计算两个待填充线段的两个端点，考虑到刀具到工件轮廓的最短距离为刀具半径大小，将那两个端点分别向内侧偏移一个刀具半径，作为刀具的初始起点位置和终止位置，再以此为初值，向步骤2)获得的临时多边形的每一条边作垂线，判断刀具的起点或终点到边的垂直距离，若该距离小于刀具半径，就需要沿扫描线方向向内侧调整刀具的起点或终点，使该距离等于刀具半径，直到多边形的所有边到刀具的起点或终点的距离均大于或等于刀具半径为止；

步骤4)为了获得最优刀具路径，刀具轨迹的总长度和刀具往复次数被用来计算整个加工时间开销，尤其在多刀具组合加工中，要确定最优刀具组合方式都需要计算各刀具有效加工区域以便确定总加工成本。同时考虑到沿着不同扫描方向加工时，所需的加工成本也不同。因此，为了确定最优刀具扫描方向，将圆周分成18等分，对工件进行图形变换，每20度改变一次扫描角度进行计算和比较。首先计算出刀具轨迹沿各扫描线的总长度，再加上刀具从一条扫描线转到下一个扫描线的路径长度，从而获得刀具轨迹总长度，最后以刀具轨迹最短为优化目标，确定刀具轨迹。

该方法提出了三扫描线的模型，并基于三扫描线扫描原理结合特定的刀具参数，确定刀具中心轨迹的有效范围，并以此简化干涉检查和刀具轨迹计算；利用刀具与工件的干涉检查方法和无干涉刀具轨迹的计算原理和方法生成最优刀具路径。

本发明的优点是：利用上下两条扫描线不仅解决了刀具的初始进刀位置和刀具离开工件位置的确定，而且有效地控制了刀具与工件干涉检查的搜索范围，使计算效率大大提高；同时，由于刀具的有效加工区域描述了刀具在加工过程中的实际切削面积，它是计算刀具轨迹和刀具磨损成本的主要依据，本发明借助扫描线填充方法的思想，提出了一种基于扫描线算法的刀具有效加工区域的计算方法。

附图说明

图1是基于三扫描线方法的最优刀具路径生成的流程图；

图2是三扫描线的刀具轨迹计算过程。图(a)是初始状态(底扫描线控制最初切入位置)；图(b)是利用上下两条扫描线确定刀具干涉检查的区域范围；图(c)是顶扫描线控制刀具最后一条扫描线的位置；

图3是沿扫描线方向进行干涉检查；

图4是确定刀具中心沿当前扫描线方向的起点位置和终点位置；

图5是刀具中心到临时多边形的距离小于刀具半径的情形；

图6是刀具中心到临时多边形的距离大于刀具半径的情形；

图7是调整后刀具中心的起点位置o_l(x_cl，y₀)和终点位置o_r(x_cr，y₀)；

图8是计算刀具沿扫描线方向所覆盖的区域面积；

图9是确定刀具中心扫描线的最低位置和最高位置。图(a)是利用底扫描线确定刀具切入工件的最低位置，即在不产生根切的情况下，刀具中心扫描线的最低位置。图(b)是顶扫描线的最高位置，即在不产生根切的情况下，刀具中心扫描线的最高位置；

图10是采用多把尺寸不同的刀具组合完成对同一区域的加工；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

图1是基于三扫描线方法的最优刀具路径生成的流程图，参照流程图对最优刀具路径的生成的过程说明如下：

步骤1，确定多边形，扫描方向，步距(进给量)。

步骤2，将多边形各顶点变换到以扫描线方向为x轴的新坐标系下。

步骤3，将扫描线的底扫描线对准多边形的最低点(线)。

步骤4，每条双扫描线(顶扫描线和底扫描线)执行步骤5到步骤9循环操作，直到存在合理刀轨为止。

步骤5，计算两条直线与多边形交点，利用拓扑关系确定相应边集，这些边集将被用来确定刀具轨迹中心沿扫描线方向的偏移量。

步骤6，按照扫描线填充规则连接相应交点生成一系列多边形。

步骤7，判断各多边形与刀具的包含关系，确定刀轨长度。

步骤8，若存在合理刀轨，则记录。判断方法如下：

如果x_cl＞x_cr，则在该扫描线方向上不存在合理刀轨。

步骤9，y＝y+Δy，其中Δy为进给量。

步骤10，输出有效刀具轨迹。

图2是三扫描线的刀具轨迹计算过程。图(a)显示了利用底扫描线确定刀具切入工件的最低位置。也就是反映在不产生根切的情况下，刀具中心的第一根扫描线的位置。图(b)显示了使用上下两根扫描线(顶扫描线、底扫描线)之间区域和待加工区域的交来限定刀具干涉检查可能发生的区域，减少计算量。图(c)显示了利用顶扫描线确定最后一次刀具沿扫描线切入工件的位置，也就是反映在不产生根切的情况下，刀具中心的最后一根扫描线的位置。

值得指出的是：在确定最低扫描线时，是按照刀具加工的精度要求及计算最低切入点开始，该最低点的确定是通过变步长搜索的方法从待加工轮廓的最低点开始进行的。在确定最后一条扫描线时，由于保证刀具切削后留有合理的加工余量，最后一步的y方向的步长是按照剩余的切削余量确定的。

图3是沿扫描线方向进行干涉检查。上下两条扫描线(顶扫描线和底扫描线)与加工工件轮廓的交点将刀具干涉检查的所涉及的区域分成两部分，左边区域用于干涉检查以确定刀具沿扫描线加工时起点的位置，右边区域用于干涉检查以确定刀具沿扫描线加工时终点的位置。

确定刀具与所指定轮廓的干涉检查是通过计算刀具中心到多边形各边的最短距离来判断刀具是否与边界发生干涉。如图3所示，如果刀具中心到多边形某边的距离小于刀具半径，则需要沿扫描线方向向内侧调整刀具的起点或终点，使该距离等于刀具半径。直到刀具的中心到临时多边形的所有边的距离均大于或等于刀具半径为止，从而得到刀具的起点位置和终点位置。

图4是确定刀具中心沿当前扫描线方向的起点位置和终点位置，其过程如下：首先按照扫描线填充算法确定刀具中间的扫描线上待填充线段的两个端点位置，然后将那两个端点分别向内侧偏移一个刀具半径，作为刀具的初始起点位置和终止位置，再以此为初值，检查刀具中心到临时多边形各边的垂线是否与该边相交，临时多边形某边的直线方程为：

$\left\{\begin{array}{c}x=(1-t)x_i+{\mathrm{tx}}_{i+1}\\ y=(1-t)y_i+{\mathrm{ty}}_{i+1}\end{array}\right.$

由垂直条件得：k₁·k₂＝-1

即：(y-y_c)(y_i+1-y_i)+(x-x_c)(x_i+1-x_i)＝0

综上得： $t=\frac{(y_c-y_i)(y_2-y_i)+(x_c-x_i)(x_{i+1}-x_i)}{{(y_{i+1}-y_i)}^2+{(x_{i+1}-x_i)}^2}$

若

那么刀具中心到临时多边形某边的垂足位于临时多边形外侧，此时不会发生干涉。

若t∈[0，1]，则可能发生干涉，需要进一步判断刀具中心o(x₀，y₀)到垂足C(x_c，y_c)的距离d与刀具半径的关系。

计算刀具中心o(x₀，y₀)到垂足C(x_c，y_c)的距离d：

当d＜刀具半径R时，发生干涉，应沿中心扫描线向内内侧调整刀具的中心位置：

对于左端点： $x_{\mathrm{cl}}=x_0+\frac{d\·(R-d)}{x_0-x_c}$

对于右端点： $x_{\mathrm{cr}}=x_0-\frac{d\·(R-d)}{x_c-x_0}$

图5是刀具中心到临时多边形的距离小于刀具半径的情形。

图6是刀具中心到临时多边形的距离大于刀具半径的情形。

图7是调整后刀具中心的起点位置o_l(x_cl，y₀)和终点位置o_r(x_cr，y₀)。

图8是计算刀具沿扫描线方向所覆盖的区域面积。刀具中心的起点位置和终点位置确定后，根据刀具轨迹的长度计算出刀具沿该扫描线方向所覆盖的区域面积，计算公式为：ΔS＝πR²+(x_cr-x_cl)×2R。

图9是确定刀具中心扫描线的最低位置和最高位置。图(a)是以工件轮廓的最低点作为底扫描线的切入点，通过判断刀具中心到该临时多边形各边的距离与刀具半径的关系来确定刀具中心的实际却入点，若与临时多边形发生干涉，则应向上调整底扫描线，直到不发生干涉为止，最后得到刀具中心扫描线的最低位置。同理可得到刀具中心扫描线的最高位置，如图(b)所示。

图10是采用多把尺寸不同的刀具组合完成对同一区域的加工。在多刀具组合加工方案中，刀具的使用顺序是按照递减的次序调用的，较小的刀具总是安排在大刀具后面进行调用。当使用较大尺寸的刀具加工时，往往在工件上会留下一些切不到的残留区域，这些残留部分需要使用较小的刀具进行完全切除。

为了计算出各刀具的实际加工区域，首先将该组刀具按照规格大小进行排序，然后从最大的刀具开始依次计算单独采用各刀具加工毛坯所覆盖的区域面积，再通过相邻规格的两把刀具加工毛坯所覆盖的区域之差确定出各刀具有效加工区域。设：k为该组刀具的数量，ΔA_i是第i把刀具的有效加工区域，可以表示为：ΔA_i＝A_i-A_i-1(i＝2，3，...，k)。

值得指出的是：对同一工件轮廓和相同刀具尺寸来说，沿不同的扫描方向所需的扫描次数和刀具轨迹的总长度是不同的，因此整个加工时间开销不同，为了获得最优刀具扫描方向，将圆周分成18等分，每20度变换一次，首先计算出刀具轨迹沿各扫描线的总长度，再加上刀具从一条扫描线转到下一个扫描线的路径长度，从而获得刀具轨迹总长度，最后以刀具轨迹最短为优化目标，确定最优刀具轨迹。

Claims (1)

1.一种基于三扫描线的刀具有效加工区域计算和刀具轨迹生成方法，其特征在于包括下列步骤：

步骤1)在三扫描线中，由三条等间距的平行线代替传统的一条扫描线，其中：上下两条扫描线的距离等于所选择刀具的直径，同时上下两条扫描线也用来定位刀具沿扫描方向加工时的初始进刀位置和结束位置，并且在工作时这两条扫描线之间所覆盖的区域被用来确定刀具沿当前扫描中心线加工时进行干涉检查的有效区域，刀具轨迹的方向由中间的扫描线确定；

该中间的扫描线在工作时，按照扫描方向，在笛卡儿坐标系将工件轮廓通过坐标变换将其变换到x坐标与扫描方向平行，再按照各顶点y排序，按照最小的y坐标确定底扫描线的初始位置，通过计算底扫描线和顶扫描线与工件轮廓的交点，确定出刀具几何沿该中间的扫描线切削时的可能的活动区域；接着，根据该区域的工件轮廓与刀具几何不发生干涉为前提条件，判断刀具沿该中间的扫描线切削时的起点和终点位置；最后，扫描过程由下向上依据刀具进给速度逐次进行，直到顶扫描线到达或超越工件轮廓为止；

步骤2)在利用底扫描线和顶扫描线确定刀具沿当前扫描线加工的有效区域时，按照扫描线填充方法首先计算两条扫描线与工件轮廓的交点，即假定工件轮廓由直线段组成的多边形，对于曲线轮廓按照其加工公差要求利用线段进行逼近，根据交点个数和沿扫描线方向的奇偶性确定有效线段，并与这两条扫描线之间所包括的物体的边形成多边形；对于生成的多边形区域，由于刀具几何的扫描区域沿上下扫描线方向已被限定，所以刀具与工件的干涉只可能发生在刀具起始位置和终止位置；

步骤3)对刀具的每一次沿扫描线的运动行程，刀具的上下位置已由两条边界扫描线限定，一旦刀具的起点位置和终止位置被确定，即可获得刀具轨迹和刀具有效加工区域；

刀具的起点位置的确定是，首先根据刀具中心扫描线按照扫描线填充算法计算两个待填充线段的两个端点，考虑到刀具到工件轮廓的最短距离为刀具半径大小，将那两个端点分别向内侧偏移一个刀具半径，作为刀具的初始起点位置和终止位置，再以此为初值，向步骤2)获得的临时多边形的每一条边作垂线，判断刀具的起点或终点到边的垂直距离，若该距离小于刀具半径，就需要沿扫描线方向向内侧调整刀具的起点或终点，使该距离等于刀具半径，直到多边形的所有边到刀具的起点或终点的距离均大于或等于刀具半径为止；

步骤4)为了确定最优刀具扫描方向，将圆周分成18等分，对工件进行图形变换，每20度改变一次扫描角度进行计算和比较，首先计算出刀具轨迹沿各扫描线的总长度，再加上刀具从一条扫描线转到下一个扫描线的路径长度，从而获得刀具轨迹总长度，最后以刀具轨迹最短为优化目标，确定刀具轨迹。

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