CN102528555A - 复杂曲面无干涉刀路的几何与力学集成优化信息处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复杂曲面无干涉刀路的几何与力学集成优化信息处理方法，包括以下步骤：1)将球头铣刀离散为深度元素模型，该模型包含深度信息的离散长方体元素集；2)对刀具与机床环境的二维图像采样，利用深度信息判别两者间的干涉情况，若有干涉则修正刀位；判断刀具与工件之间是否相交，若为是，执行步骤3)，若为否，继续执行步骤2)；3)利用深度元素模型对刀具与工件切触区域分析，计算球头铣刀瞬时切削力；4)基于多约束切削条件，采用序列二次规划法对复杂曲面加工进给速度进行优化。与现有技术相比，本发明具有计算效率高、编程简单，适用于多轴数控加工刀路验证与参数优化等优点。

Description

复杂曲面无干涉刀路的几何与力学集成优化信息处理方法

技术领域

本发明涉及一种计算机辅助制造技术，尤其是涉及一种复杂曲面无干涉刀路的几何与力学集成优化信息处理方法。

背景技术

五轴数控加工是由传统的三轴加工增加两个旋转自由度构成，最大优势是通过一次装夹就可以加工出复杂的零件，减少了重新装夹时间，提高了加工质量。五轴数控加工运动复杂，难以直观判断机床和刀具的实际运动轨迹，十分需要数控加工仿真技术检验刀具路径的安全性。数控加工仿真分为几何仿真和物理仿真两个方面。几何仿真不考虑切削参数、切削力及其它物理因素的影响，只仿真刀具和工件几何形体的相对运动，验证NC程序的正确性。物理仿真则是通过使用相关的力学模型预测切削力、刀具变形以及加工表面精度来仿真切削过程的动态特性，为调整和优化切削参数提供依据，达到优化切削过程的目的。

几何仿真确认为正确的程序，未必能加工出合格的零件，主要原因是几何仿真没有考虑切削过程中包括力、热等众多因素的影响；物理仿真需要大量的几何信息，尤其是在加工表面形状与工件形体较为复杂时；只有将几何仿真与物理仿真结合起来才能构成完整的加工过程仿真系统。因此针对复杂曲面刀路规划的几何与力学集成优化方法在数控加工中具有非常重要的意义。

目前商业化CAD/CAM系统的仿真模块和专门NC加工仿真系统几乎都不具备物理验证的能力。国外的CAM软件如UG、CATIA以及一些专用仿真软件如Vericut等只局限在工件的几何建模和验证部分，仅能提供刀具轨迹的自动生成和加工路径规划等几何运动学方面的功能。由于仿真系统形体描述所基于的基本元素点、边、面和体均由理想形状几何体构成，体现不出物体相互作用时物质微观结构的物理变化。

经对现有技术的文献检索发现，有一种基于八叉树几何模型与瞬时切削力模型来优化进给速度的方法(K.P.Karun.Octree-based NC simulation for optimizationof feedrate in milling using instantaneous force model.International Journal ofAdvanced Manufacturing Technology.(2010)46：465-490)，该方法利用基于八叉树的几何仿真系统来预测铣削力和优化进给速度，但其主要应用于三轴数控加工，未能充分利用几何仿真系统来分析刀具与工具的瞬时接触信息来预测铣削力。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种复杂曲面无干涉刀路的几何与力学集成优化信息处理方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种复杂曲面无干涉刀路的几何与力学集成优化信息处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)基于深度元素模型(Depth Pixel，dexel)的球头铣刀空间扫描体构造方法，将球头铣刀离散为深度元素模型，该模型包含深度信息的离散长方体元素集，通过与工件模型之间的布尔运算来去除材料，利用模型轮廓点为元素单元构建三角面片对工件进行渲染显示；

2)对刀具与机床环境的二维图像采样，利用深度信息判别两者间的干涉情况，若有干涉则修正刀位；判断刀具与工件之间是否相交，若为是，执行步骤3)，若为否，继续执行步骤2)；

3)基于深度元素模型，将刀具沿轴向离散为一系列微元，每一微元具有不同的五轴运动进给矢量，每一单元上总的进给速度矢量分解为水平进给与垂直进给分量，以此计算切屑厚度沿切削刃的变化分布；通过深度元素模型对刀具与工件切触区域分析，得到加工中刀具在不同瞬时的轴向范围以及该瞬时刀具沿轴向各微元的切入角和切出角，转换为铣削力模型所需的几何信息，计算出球头铣刀瞬时切削力；

4)依据加工时间和表面加工质量为目标函数，以切削扭矩、切屑厚度、刀具变形以及刀具瞬时切削力为约束条件，采用序列二次规划方法对五轴铣削加工中的进给速度进行优化。

所述的步骤2)中的对二维图像采样来判断球头刀与工件之间是否相交的步骤如下：

1)对加工环境进行裁剪；

2)对干涉分析图进行检测，得到干涉信息图；

3)判断在干涉信息图的内切圆区域中是否出现非零值像素，若为是，则判定为一定相交，若为否，判断为无相交。

所述的深度元素模型由一组长方体紧簇而成，在dexel单元更新过程中，每一dexel单元作为一矢量单元来处理。

所述的dexel单元由两部分组成，即一个Top值与一个Gaps链表。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、计算效率高、编程简单，适用于多轴数控加工路径规划的刀路验证与参数优化中；

2、考虑到在实际加工过程中，有某些加工信息段内的切削深度和切削宽度大致相同，将这些加工信息段组合在一起进行参数优化，构成加工信息组合段，据此可将整个铣削过程的参数优化问题转化为加工信息组合段内的参数动态优化问题，降低了优化的复杂度。

附图说明

图1为本发明的结构框图；

图2为本发明的数据流程图；

图3为dexel体模型的链表数据结构示意图；

图4为dexel体模型的存储数据结构示意图；

图5为刀路轮廓与dexel单元的求交运算示意图；

图6为圆柱刀的正交投影示意图；

图7为锥形刀的透视投影示意图；

图8为刀位点碰撞检测流程图；

图9为球头铣刀切削刃几何模型；

图10为铣削过程几何建模与力学运算的流程图；

图11为几何与力学集成建模方法的进给速度优化示意图；

图12为直线与圆弧程序块的速度更新示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1、图2所示，复杂曲面无干涉刀路的几何与力学集成优化信息处理方法，包括以下步骤：

1)基于深度元素模型的球头铣刀空间扫描体构造方法，将球头铣刀离散为深度元素模型后，通过与工件模型之间的布尔处理来去除材料，利用模型轮廓点为dexel单元构建三角面片来工件进行渲染显示；

2)对刀具与机床环境的二维图像采样，利用深度信息判别两者间的干涉情况，若有干涉则修正刀位。判断刀具与工件之间是否相交，若为是，执行步骤3)，若为否，继续执行步骤2)；

3)基于深度元素模型，将刀具沿轴向离散为一系列微元，每一微元具有不同的五轴运动进给矢量，每一单元上总的进给速度矢量分解为水平进给与垂直进给分量，以此计算切屑厚度沿切削刃的变化分布；通过深度元素模型对刀具与工件接触区域分析，得到加工中刀具在不同瞬时的轴向范围以及该瞬时刀具沿轴向各微元的切入角和切出角，转换为铣削力模型所需的几何信息，计算出球头铣刀瞬时切削力；

4)依据加工时间和表面加工质量为目标函数，以切削扭矩、切屑厚度、刀具变形以及刀具合力为约束条件，采用序列二次规划方法对五轴铣削加工中的进给速度进行优化。

本发明主要包括几何仿真系统、物理仿真系统；几何仿真系统包括动态仿真模块和干涉检测模块，通过在计算机上实现加工过程中机床、刀具、工件及夹具等相关几何实体的运动过程，检查数控程序的准确性及实现碰撞干涉检验，为物理仿真系统提供所需的几何参数信息。物理仿真就是综合考虑实际切削中的各种因素，建立与实际切削拟合度高的数学模型，通过将切削过程中的各个物理因素的变化映射到制造系统中，在实际加工过程进行之前分析与预测各切削参数的变化对加工过程的影响，分析具体工艺参数下的工艺质量及工件加工质量，进行工艺参数的优化。

本发明方法的实施步骤具体如下：

1、在几何仿真方面，将球头刀分解为相应的球头部分和圆柱体部分，分别给出球体和圆柱体空间扫描体构造公式并求解出表面模型，将其离散为深度元素模型，通过与工件模型之间的布尔运算实现材料去除过程。

用深度元素模型作为几何仿真模型，其体模型的链表数据结构和存储结构分别如图3和图4所示。dexel体模型由一组长方体紧簇而成，在dexel单元更新过程中，每一dexel单元都当作一矢量单元来处理。这些线段与刀具扫描体之间的一维布尔计算来进行材料去除过程仿真。当dexel单元全部更新完毕后，利用模型轮廓点为dexel物体构建三角面片，采用轮廓显示方法来对工件的几何数据进行渲染。

每一个dexel单元由两部分组成，即一个Top值与一个Gaps链表，如图5所示。Top值表示毛坯模型在该网格点单元上的最大高度值。Gap表示Top值以下，dexel单元中被去除的部分区域。Gaps由一个GapTop和一个GapBottom组成，还包括指向链表中下一个Gap的指针，如果一个dexel单元中没有Gaps，则Gap指针指向NULL；与此类似，当Gap链表为当前dexel单元中最后一个链表时，则其下一个指针也为NULL。

将仿真过程中的dexel体模型转换为STL面模型，完整实现变视向的dexel算法，同时毛坯仿真过程状态以文件形式保存下来，增强工件表面的检测精度。

2、基于一种图像分析的五轴加工全局干涉检测算法，结合图形硬件的绘制加速性能和层次二叉树的简化优势来提高物体间碰撞检测的速度，将三维几何物体通过图形硬件投影绘制到图像平面上，降维得到二维的图像空间，利用图形硬件对物体的二维图像采样和相应的深度信息来判别两物体之间的相交情况，然后通过对保存在各类缓存中的信息进行查询和分析，检测出物体之间是否发生干涉。

干涉检测前先将加工环境进行裁减，然后采用干涉分析图的初步检测与最短距离矢量计算的详细检测方法，提高干涉检测的效率与精度。

刀具装配体可由两个连接的紧密包围刀具与刀杆的视景体近似表达。使用正交投影定义紧密包围刀具或刀杆的视景体，其中视景体的宽度和高度设置为刀具或刀杆的直径大小，而透视投影用于锥形刀的情形，使视景体与刀具具有相同的锥形角，如图6、图7所示。

碰撞缓存中的图像称为干涉信息图(CCM-colorful collision map)。CCM的内切圆区域对应于刀具几何。碰撞检测过程转化为三角形像素数据是否落在CCM中的内切圆区域内。

根据刀具几何，创建了两个视景体来检测刀具与加工环境之间的干涉状态。基于CCM的干涉检测结果为下面三种可能的情形之一：(1)一定干涉。如果在CCM的内切圆区域中出现非零值，则很明显发生了干涉。(2)无干涉。(3)可能发生干涉。

如果在CCM内切圆像素区域存在非零值，则说明刀具与加工环境产生了干涉。如果在CCM内圆区域没有发现非零值像素，则可以认定刀位是无干涉的。对于给定刀位的碰撞干涉流程图如图8所示。

3、基于dexel几何仿真模型，建立球头铣刀的五轴加工切削力模型，将刀具沿轴向离散为一系列微元，每一微元具有不同的五轴运动进给矢量。每一单元上总的进给速度矢量分解为水平进给与垂直进给分量，以此计算切屑厚度沿切削刃的变化分布。通过对刀具与工件接触区域分析，得到加工中刀具在不同瞬时的轴向范围以及该瞬时刀具沿轴向各微元的切入角和切出角，转换为铣削力模型所需的几何信息。采用正交设计与偏最小二乘法进行加工实验确定铣削力模型系数。

球头铣刀主要用于3轴与5轴铣削的半精加工与精加工中。由于切削力的计算需要铣刀切削刃的局部几何信息，因此首先对球头铣刀的几何模型进行分析。将刃线表示为一球面螺旋线，如图9所示，并将刀具置于坐标系oxyz内，当刀具处于初始位置时，刀具轴线为z轴，铣刀顶点为坐标系原点，R₀为刀具半径，P为刀具刃线上任意一点。

流程图10表示了五轴铣削加工中几何建模与物理仿真接口的整个流程。接下来描述刀具在每一刀步运动中，刀具与工件的接触区域计算。

利用仿真系统综合模型的几何仿真模块提供切削几何数据的思想，提出一种几何信息提取方法，采用逆向投影法，充分利用几何仿真求交计算中所产生的数据用于确定刀具工件接触区域，转换得到铣削力模型所需的几何信息，实现仿真系统综合模型中几何仿真和物理仿真的数据接口。采用基于dexel模型法进行五轴仿真时，工件用一系列离散dexel单元表示。

4、在五轴铣削加工参数优化方面，采用序列二次规划方法对进给率进行非线性优化。初步优化的结果使加工轨迹的每一个刀位点都对应一个不同的进给速度，这会造成频繁的加减速和速度波动，对工件表面质量造成不良影响。采用一种对进给速度进行二次优化的滤波控制算法，将高频连续变化的进给速度优化为低频分段变化的进给速度，从而可以满足进给速度平滑过渡的要求。通过修改NC程序反映优化结果。

以商品化CAM软件生成的数控程序为研究对象，在对加工过程进行仿真的基础上，使用切削力预测加工中的刀具变形、刀具合力、切削扭矩以及最大切削负载。采用序列二次规划算法来优化数控程序中的进给速度，达到对加工过程优化和控制的目的，规划流程如图11所示。

初步优化以后，数控程序的每一个刀位点都对应一个不同进给速度。但是进给速度的不断变化会导致机床各坐标轴运动速度的不断变化，有可能产生较大的几何轨迹误差；其次，进给速度的不断变化会加快刀具磨损，影响刀具寿命；再次，进给速度的剧烈变化会导致机床不能以平滑的速度过渡，影响加工精度。针对以上问题，需要对进给速度初步优化后的数控程序进一步优化，可以将高频连续变化的进给速度优化为低频分段变化的进给速度，满足进给速度平滑过渡的要求。

刀位文件优化的更新流程如图12所示。第一步首先读入原始的刀位文件，计算沿刀路的刀具工件切触区域，在加工约束条件的限制下，将刀位文件按直线或圆弧运动的坐标点进行优化更新，从而生成无干涉的刀路轨迹。

优化的进给速度首先要进行过滤控制，最后用优化和滤波过的进给速度与主轴转速值对原始的刀位文件进行更新。

Claims (4)

1.一种复杂曲面无干涉刀路的几何与力学集成优化信息处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)基于深度元素模型(Depth Pixel，dexel)的球头铣刀空间扫描体构造方法，将球头铣刀离散为深度元素模型，该模型包含深度信息的离散长方体元素集，通过与工件模型之间的布尔运算来去除材料，利用模型轮廓点为元素单元构建三角面片对工件进行渲染显示；

2)对刀具与机床环境的二维图像采样，利用深度信息判别两者间的干涉情况，若有干涉则修正刀位；判断刀具与工件之间是否相交，若为是，执行步骤3)，若为否，继续执行步骤2)；

3)基于深度元素模型，将刀具沿轴向离散为一系列微元，每一微元具有不同的五轴运动进给矢量，每一单元上总的进给速度矢量分解为水平进给与垂直进给分量，以此计算切屑厚度沿切削刃的变化分布；通过深度元素模型对刀具与工件切触区域分析，得到加工中刀具在不同瞬时的轴向范围以及该瞬时刀具沿轴向各微元的切入角和切出角，转换为铣削力模型所需的几何信息，计算出球头铣刀瞬时切削力；

4)依据加工时间和表面加工质量为目标函数，以切削扭矩、切屑厚度、刀具变形以及刀具瞬时切削力为约束条件，采用序列二次规划方法对五轴铣削加工中的进给速度进行优化。

2.根据权利要求1所述的一种复杂曲面无干涉刀路的几何与力学集成优化信息处理方法，其特征在于，所述的步骤2)中的对二维图像采样来判断球头刀与工件之间是否相交的步骤如下：

1)对加工环境进行裁剪；

2)对干涉分析图进行检测，得到干涉信息图；

3)判断在干涉信息图的内切圆区域中是否出现非零值像素，若为是，则判定为一定相交，若为否，判断为无相交。

3.根据权利要求1所述的一种复杂曲面无干涉刀路的几何与力学集成优化信息处理方法，其特征在于，所述的深度元素模型由一组长方体紧簇而成，在dexel单元更新过程中，每一dexel单元作为一矢量单元来处理。

4.根据权利要求3所述的一种复杂曲面无干涉刀路的几何与力学集成优化信息处理方法，其特征在于，所述的dexel单元由两部分组成，即一个Top值与一个Gaps链表。

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