CN102540976B - 一种基于实体的切削角度区间高效提取的铣削仿真方法 - Google Patents

Abstract

一种基于实体的切削角度区间高效提取的铣削仿真方法，以铣削力仿真计算的刀位路径、刀具和毛坯实体输入基于实体造型平台的铣削仿真系统，选定需要进行仿真计算的目标路径，然后进行目标路径的离散，在每一个离散位置通过刀具实体与目标毛坯实体的布尔交生成切除体，在切除体的有效交面上产生切削层交线，并由此得到以切入角和切出角表示的切削角度区间。在目标路径的全部离散位置都完成计算后，沿目标路径创建刀具扫过体，从当前目标毛坯实体上通过布尔差去除刀具扫过体，完成目标毛坯实体的更新。本发明方法将现有方法中在目标路径每个离散位置的三次实体布尔运算简化为一次，可以显著降低计算机硬件资源的消耗，提高仿真系统的运算效率。

Description

一种基于实体的切削角度区间高效提取的铣削仿真方法

技术领域

本发明涉及一种用于实体法铣削力仿真中，提取和确定每个离散的计算位置处刀具切入毛坯的切削角度区间的高效方法。

背景技术

铣削力建模仿真，通过在制造之前预测加工结果，从而帮助验证零件设计和工艺方案的合理性，避免昂贵耗时的物理原型的制造和实验，指导工艺设计和数控编程，优化切削参数、刀具路径和装夹方案，辅助刀具设计、校核和优选等，是提升铣削技术水平、提高产品质量、增强加工能力的重要手段。

在某一仿真位置处铣刀切入毛坯的径向宽度，可以用相对于刀轴进入毛坯的角度(称为“切入角”)和离开毛坯的角度(称为“切出角”)之间的角度范围(称为“切角区间”)来表示。切角区间是铣削仿真模型求解的几何边界条件之一，也称啮合参数，需要根据刀具、毛坯的切削啮合状况来提取，其提取方法的适应性、提取精度和效率在很大程度上决定了铣削仿真系统的应用范围，并且直接影响到铣削力的计算效果。

以实体法进行铣削力仿真是采用三维实体造型作为毛坯、刀具表示和布尔运算的基础，切入判断、材料切除以及工件更新的仿真通过刀具及其扫过体与毛坯的直接实体布尔操作实现。通常的实体法铣削力仿真在具体执行过程中，在目标路径的每一个计算位置，需要进行的内容包括：产生上一个位置到本位置之间的刀具扫过体、从上一个位置更新后的毛坯上通过布尔差去除刀具扫过体形成用于当前位置切入判断的中间毛坯、通过刀具实体与中间毛坯的布尔交生成用于啮合参数提取的切除体、在切除体上根据刀具和切削路径特点提取切角区间等啮合参数、完成啮合参数提取后通过布尔差从中间毛坯上去除刀具实体完成毛坯更新，在每个计算位置共需要四次实体操作，其中三次布尔运算。由此造成的主要问题是计算速度慢、仿真效率低。若以N表示需要仿真的目标路径数目，每条路径离散成m个计算位置，根据理论分析，在最差情况下仿真的时间复杂度为O(m⁴N⁴)，由于在模拟材料从毛坯上去除的过程中在很短的距离内产生频繁、大量的三维实体布尔运算，导致计算机内存等资源快速消耗，仿真速度急剧下降甚至出现系统死机的现象，制约了铣削仿真系统在工程实际中的应用。

发明内容

本发明解决的问题是：克服现有的实体法铣削力仿真提取切角区间方法中，在仿真路径的每一个计算位置都要进行包含三次布尔运算的四次实体运算，造成系统资源消耗快、仿真速度慢、容易产生实体操作失败等问题，在每个计算位置将三次布尔运算简化为一次，从而在保证切角区间准确提取的前提下显著提高了铣削力仿真系统的运行效率和稳定性。

本发明的技术解决方案是：一种基于实体的切削角度区间高效提取的铣削仿真方法，步骤如下：

(1)将实际铣削时的原始毛坯、刀具尺寸、拟切削路径作为原始参数输入至实体造型平台中，根据刀具尺寸建立刀具旋转包络体的实体造型作为刀具实体造型，将拟切削路径作为目标路径，将刀具实体造型沿目标路径切削之前的原始毛坯作为目标毛坯；所述的目标路径包括以起终点坐标和刀轴方向矢量描述的直线路径，以及以起终点坐标、圆弧所在平面法矢量和圆弧半径描述的圆弧路径；

(2)将目标路径离散成一系列连续的前后相继的仿真计算位置；

(3)对于每一个仿真计算位置，将刀具实体造型置于该仿真计算位置，进行刀具实体造型与目标毛坯的布尔求交运算，生成该仿真计算位置的切除体；

(4)在与每一个仿真计算位置对应的切除体上，通过识别有效交面产生切削层交线，提取出刀具实体造型切入和切出目标毛坯造型的切入角θ_fsi和切出角θ_fei：

(41)如果刀具实体造型的刀轴方向与切削进给方向的夹角小于或等于90度，若θ_mei-θ_msi＝2π，则θ_fsi＝0，θ_fei＝π；若0≤θ_msi＜π且0＜θ_mei≤π，则θ_fsi＝θ_msi，θ_fei＝θ_mei；若-π≤θ_msi＜0且0＜θ_mei≤π，则θ_fsi＝0，θ_fei＝θ_mei；若-2π≤θ_msi＜-π且0＜θ_mei≤π，则θ_fsi＝0，θ_fei＝θ_mei，θ′_fsi＝θ_msi+2π，θ′_fei＝π；若0≤θ_msi＜π且π＜θ_mei≤2π，θ_fsi＝θ_msi，θ_fei＝π；若-π≤θ_msi＜0且π＜θ_mei≤2π，θ_fsi＝0，θ_fei＝π；若θ_msi＞π或者θ_mei＜0，θ_fsi＝0，θ_fei＝0；其中θ_mei和θ_msi为在铣削模型坐标系下的切削层交线起始角和终止角数值，θ′_fsi和θ′_fei为新增加的切入段的起始角和终止角数值；铣削模型坐标系的原点O_m位于刀具的自由端，Z_m轴与刀轴平行并指向刀具夹持端，X_m轴指向路径进给方向，当进给方向不与刀轴方向垂直时，X_m轴指向进给方向在垂直于刀轴平面上的投影方向，Y_m根据右手定则确定，切角范围以Y_m轴正向为基准，按顺时针方向增加，i表示切削层的交线序数；

(42)如果刀具实体造型的刀轴方向与切削进给方向的夹角大于90度而小于180度，则先将θ_msi和θ_mei转换到平行于进给方向的平面内，再应用步骤(41)的方法计算真实切削范围，最后再将真实切削范围转换回垂直于刀轴的平面内；

(5)在目标切削路径的全部仿真计算位置都完成计算后，利用实体造型平台的二次开发函数沿目标路径创建刀具扫过体；

(6)从目标毛坯上通过布尔差去除刀具扫过体，完成毛坯更新。

所述的实体造型平台为Unigraphics造型系统、ProE造型系统、CATIA造型系统、ACIS造型开发平台、或者Parasolid造型开发平台。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明方法相对于实体法铣削力仿真中现有的提取切削角度区间的方法，减少了在目标路径的每一个计算位置都要产生刀具扫过体、从目标毛坯上去除刀具扫过体形成中间毛坯、从中间毛坯上去除切除体更新毛坯的三次实体运算，使得理论上的时间复杂度降低为(m+1)O(N⁴)，显著降低了仿真运算时间和计算机硬件资源的消耗，并由于避免了现有方法中在很近的距离内频繁的布尔运算从而增强了仿真计算的鲁棒性，在确保切削角度区间提取准确性的同时提高了实体法铣削力仿真的效率。

附图说明

图1为本发明方法的流程图；

图2为本发明的坐标系定义示意图；

图3为本发明方法中提取切削层交线的起始角和终止角的示意图；图中O_m-X_mY_mZ_m表示铣削力模型的计算坐标系，O_w-X_mY_mZ_m表示造型空间的工作坐标系，X_a、Y_a代表在造型空间中表示圆弧角度范围的圆弧坐标系的X轴和Y轴；θ_as1、θ_ae1为切削层交线1在圆弧坐标系下的起始角和终止角，θ_as2、θ_ae2为切削层交线2在圆弧坐标系下的起始角和终止角；β表示根据工作坐标系WCS和圆弧坐标系ACS的关系，应用造型平台二次开发函数得到的从X_w到X_a的逆时针夹角；

图4为采用本发明方法产生的切除体与通常方法切除体的对比示意图；图中F为铣刀进给方向，Ps和Pe为目标路径的起点和终点，Pi-1、Pi分别为第i-1个和第i个离散计算位置，T_i-1、T_i为在相应位置处的刀具轴线方向，SRB0表示由通常方法产生的切除体，SRB1表示由本发明所述方法产生的切除体；

图5为本发明方法过滤角度范围的流程图；

图6为根据不同角度区间组合判断真实切入角和切出角的示意图。

具体实施方式

本发明方法可以Unigraphics、ProE或者CATIA等具有二次开发功能的商用造型系统，或者ACIS、Parasolid等造型开发平台建立铣削力仿真系统，应用造型平台的二次开发函数完成实体创建、实体布尔运算、造型元素几何信息提取等操作，包括毛坯、刀具实体造型创建、复制、布尔运算，铣削力物理计算模型等基本内容。

如图1所示，为本发明方法的流程图。主要步骤如下：

一、将切削路径文件、毛坯尺寸、刀具尺寸等作为输入信息输入到仿真系统中。其中切削路径文件可以以Unigraphics软件CAM模块产生的CLSF文件为代表；通过对切削路径文件的解释得到切削路径的类型，包括直线路径和圆弧路径两种。对于直线路径，可得到起终点坐标、刀轴方向矢量；对于圆弧路径，得到起终点坐标、圆弧所在平面法矢量、圆弧半径数值。根据刀具尺寸可以建立刀具旋转包络体的实体造型。

二、对于需要仿真的切削路径(即目标路径)，按照仿真要求进行离散，例如以每齿进给量为步长离散，将目标路径离散成一系列连续的前后相继的仿真计算位置。

三、在目标路径的每一个计算位置，将刀具实体置于该位置，调用Unigraphics软件二次开发函数，分别复制一次目标毛坯和刀具实体，应用实体求交函数进行两个复制体的求交运算，得到切除体。

四、采用如下4个步骤，在切除体上通过识别有效交面、产生切削层交线，提取刀具切入和切出毛坯的角度区间：

步骤一：建立坐标系，如图2所示，其中SRB代表切除体。

(1)铣削模型坐标系(MFS)：固连在铣刀自由端，随铣刀的运动而运动，用以描述铣刀切削刃上任一点的位置，是根据模型计算铣削力时的参考坐标系，分量以下标“m”表示。原点O_m位于铣刀自由端，Z_m轴与刀轴平行并指向铣刀夹持端(即刀轴方向)，X_m轴指向路径进给方向，当进给方向不与刀轴方向垂直时，X_m轴指向进给方向在垂直于刀轴的平面上的投影方向；根据右手定则确定Y_m轴。切角范围以Y_m轴正向为基准，按顺时针方向增加。

(2)圆弧造型坐标系(ACS)：用于在几何造型空间中描述圆弧线位置、角度范围等参数的坐标系，分量以下标“a”表示。根据Unigraphics几何造型系统的规定，Z_a轴垂直于圆弧平面，圆弧线的角范围以X_a轴正向为基准，按逆时针方向增加，其数值通过Unigraphics的二次开发函数根据ACS提取。ACS只需先确定Z_a轴，然后根据WCS和ACS的关系调用二次开发函数得到X_a轴与X_w轴之间的夹角β，用于后续计算。

(3)运动坐标系(WCS)：根据切削路径建立的用以辅助说明切削过程的坐标系，分量以下标“W”表示。对于直线切削路径，WCS原点位于当前计算位置处，Z_w轴与刀轴平行并指向铣刀夹持端；Y_w轴指向路径进给方向，当进给方向不与刀轴方向垂直时，Y_w轴指向进给方向在垂直于刀轴的平面上的投影方向。对于圆弧切削路径，原点位于路径的计算位置处，Z_w轴正向与圆弧法向方向相反，Y_w轴指向圆弧进给的切线方向，根据右手定则确定X_w轴方向。

(4)总是定义运动坐标系WCS为造型空间的当前工作坐标系，上述三种坐标系都随着刀具的移动而运动，且有如下联系：MFS和WCS的原点重合，代表了刀尖位置；X_m与Y_w方向相同，Z_m与Z_w同向或反向；ACS与造型实体及当前的WCS相关，对于由刀具表面与垂直于刀轴的平面产生的交线圆弧，Z_a与刀轴平行，X_a与X_w之间的夹角可以通过Unigraphics的二次开发函数提取，因此由ACS中得到的切角范围可以通过WCS转化到MFS中，应用于切削力的计算。

步骤二：识别有效交面。有效交面是切除体上包含了切入、切出角度信息的交面，根据铣削特点只有类型为圆柱面、圆锥面、球面、圆环面的表面才有可能成为有效交面，对切除体上属于这些类型的表面，通过Unigraphics系统的二次开发函数，以WCS为当前工作坐标系，依次访问组成切除体的所有表面，提取出这些表面的特征参数，进行如下判断：

1)对于圆柱面，有：

(1)圆柱面半径等于铣刀半径；

(2)圆柱面轴线平行于铣刀轴线(即Z_w方向)；

(3)转换到WCS下的圆柱面轴线代表点的x、y坐标值与WCS原点的x、y值相同。

2)圆锥面

(1)识别出的圆锥面半角与铣刀的锥面半角相等；

(2)圆锥面轴线平行于铣刀轴线(即Z_w方向)；

(3)转换到WCS下的圆锥面轴线代表点的x、y坐标值与WCS原点的x、y值相同。

(4)识别的轴线代表点处的锥面半径与铣刀相应位置处的锥面半径相等；

3)球面

(1)球面半径等于铣刀半径；

(2)转换到WCS下的球面球心x、y、z坐标值与铣刀球心坐标在WCS下的坐标值相同。

4)圆环面

(1)从长、短轴度量的圆环面半径分别等于r₀(铣刀端面圆角半径)和a(铣刀轴线到端面圆角中心距离)；

(2)圆环面轴线平行于铣刀轴线(即Z_w方向)；

(3)转换到WCS下的圆环面中心x、y坐标值与WCS原点x、y值相同。

在切除体上符合上述条件的表面为有效交面。如图2中S即为由圆柱面和球面组成的有效交面。

步骤三：产生切削层交线

(1)运用Unigraphics系统的二次开发函数，创建一组垂直于刀具轴线的平面，这些平面在刀具轴线上的位置与应用数值法求解切削力模型时沿轴向积分的离散位置对应，这些平面可以称为切削层平面。

(2)调用系统二次开发函数，切削层平面与有效交面相交，产生交线，即为切削层交线。如图2中，在有效交面S上以ds为间距产生的一系列交线，ds为切削层之间的间距，可根据计算的精细化要求设定。在同一切削层位置处可能有多个有效交面与切削层相交，形成多条交线，这种情况相当于加工中切屑在刀具径向方向不连续的情况，如图3所示。

步骤四：提取切入角和切出角。包括：

(1)提取ACS下切削层交线的起始角和终止角数值

对于每个切削层，调用Unigraphics系统的二次开发函数依次访问这些交线，得到以Z_a为法向、以X_a为起始位置的切削层交线的起始角和终止角数值，即ACS下逆时针的起始角θ_asi和终止角θ_aei，i表示该层的交线序数；

(2)将ACS下的角度数值转换到WCS下：

应用Unigraphics系统二次开发函数中的查询函数，得到从X_w到X_a的逆时针夹角β；当Z_a与Z_w方向相同，WCS下顺时针的切入角θ_wsi和切出角θ_wei为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{wsi}}=2\mathrm{\π}-({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{aei}}+\mathrm{\β})\\ {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{wei}}=2\mathrm{\π}-({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{asi}}+\mathrm{\β})\end{array}\right.---\left(1\right)$

当Z_a与Z_w方向相反，WCS下顺时针的切入角θ_wsi和切出角θ_wei为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{wsi}}={\mathrm{\θ}}_{\mathrm{asi}}+\mathrm{\β}\\ {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{wei}}={\mathrm{\θ}}_{\mathrm{aei}}+\mathrm{\β}\end{array}\right.---\left(2\right)$

(3)将WCS下的角度数值转换到MFS下：

若Z_w与Z_m同向，MFS中顺时针的切入角θ_msi和切出角θ_mei为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{msi}}={\mathrm{\θ}}_{\mathrm{wsi}}-\mathrm{\π}\\ {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{mei}}={\mathrm{\θ}}_{\mathrm{wei}}-\mathrm{\π}\end{array}\right.---\left(3\right)$

若两者反向，则MFS中顺时针的切入角θ_msi和切出角θ_mei为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{msi}}=2\mathrm{\π}-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{wei}}\\ {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{mei}}=2\mathrm{\π}-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{wsi}}\end{array}\right.---\left(4\right)$

通过上述步骤，得到图4中从切除体SRB1上提取的切入角θ_msi和切出角θ_mei，相对于真正的未变形切屑，如图4中SRB0所示，还需要进一步判断才能得到用于切削力模型计算的切角区间[θ_fsi，θ_fei]，判断方法由以下4个步骤组成：

步骤一：切入角、切出角的角度范围过滤

从切削层交线上提取的、转换到模型坐标系MFS下的起始角θ_msi和终止角θ_mei，是调用造型空间二次开发函数根据圆弧造型坐标系ACS从一条不超过2π的弧线上得到的，其数值有可能超出[0，2π]范围，采用同时加、减2π的方法，流程如图5所示，将θ_msi和θ_mei控制到以下范围：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{msi}}\∈[-2\mathrm{\π},2\mathrm{\π})\\ {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{mei}}\∈\left(\mathrm{0,2}\mathrm{\π}\right]\end{array}\right.---\left(5\right)$

步骤二：切入角、切出角的角度区域组合

在没有钻削效应的情况下，即铣刀刀轴方向与切削进给方向的夹角小于或等于90度，此时只有在进给方向前180度范围内的刀齿才参与切削，在MFS下实际的切入角和切出角数值都应在[0，π]内，根据这一条件以及式5，结合切入角θ_msi和θ_mei的顺时针转角特点，得到θ_msi和θ_mei的可能的角度区域组合如下：

$\begin{array}{cc}\left(a\right){\mathrm{\θ}}_{\mathrm{mei}}-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{msi}}=2\mathrm{\π}& \left(b\right)\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{msi}}\∈[0,\mathrm{\π})\\ {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{mei}}\∈(0,\mathrm{\π}]\end{array}\right.\\ \left(c\right)\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{msi}}\∈[-\mathrm{\π},0)\\ {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{mei}}\∈(0,\mathrm{\π}]\end{array}\right.& \left(d\right)\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{msi}}\∈[-2\mathrm{\π},-\mathrm{\π})\\ {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{mei}}\∈(0,\mathrm{\π}]\end{array}\right.\\ \left(e\right)\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{msi}}\∈[0,\mathrm{\π})\\ {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{mei}}\∈(\mathrm{\π},2\mathrm{\π}]\end{array}\right.& \left(f\right)\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{msi}}\∈[-\mathrm{\π},0)\\ {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{mei}}\∈(\mathrm{\π},2\mathrm{\π}]\end{array}\right.\end{array}---\left(6\right)$

步骤三：确定真实的切角区域

根据式6的不同区域组合情况，其真实的切入角θ_fsi和切出角θ_fei情况如图6所示，得到用于铣削力切削模型计算求解的切角区间为：

(a)θ_mei-θ_msi ＝2π：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{fsi}}=0\\ {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{fei}}=\mathrm{\π}\end{array}\right.---\left(7\right)$

(b)0≤θ_msi＜π，且0＜θ_mei≤π：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{fsi}}={\mathrm{\θ}}_{\mathrm{msi}}\\ {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{fei}}={\mathrm{\θ}}_{\mathrm{mei}}\end{array}\right.---\left(8\right)$

(c)-π≤θ_msi＜0，且0＜θ_mei≤π：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{fsi}}=0\\ {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{fei}}={\mathrm{\θ}}_{\mathrm{mei}}\end{array}\right.---\left(9\right)$

(d)-2π≤θ_msi＜-π，且0＜θ_mei≤π，此时增加一个切入段，有：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{fsi}}=0\\ {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{fei}}={\mathrm{\θ}}_{\mathrm{mei}}\end{array}\right.---\left(10\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{fsi}}^{\′}={\mathrm{\θ}}_{\mathrm{msi}}+2\mathrm{\π}\\ {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{fei}}^{\′}=\mathrm{\π}\end{array}\right.---\left(11\right)$

(e)0≤θ_msi＜π，且π＜θ_mei≤2π：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{fsi}}={\mathrm{\θ}}_{\mathrm{msi}}\\ {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{fei}}=\mathrm{\π}\end{array}\right.---\left(12\right)$

(f)-π≤θ_msi＜0，且π＜θ_mei≤2π：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{fsi}}=0\\ {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{fei}}=\mathrm{\π}\end{array}\right.---\left(13\right)$

(7)其余情况(即θ_msi＞π或者θ_mei＜0的情况)：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{fsi}}=0\\ {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{fei}}=0\end{array}\right.---\left(14\right)$

步骤四：带有钻削效应时的角度处理

当步骤二的判断条件不成立，即刀轴方向与进给方向的夹角大于90度、小于180度时，此时切削带有钻削的效应，由式3、式4所表示的由垂直于刀轴的条件得到的θ_msi和θ_mei需要首先转换到平行于进给方向的平面内，再应用式5～式14判断真实切削范围，然后再转换回垂直于刀轴的平面内，与切削力计算坐标系相对应。

五、在目标路径的全部离散位置都完成计算后，应用Unigraphics系统的二次开发函数，沿目标路径创建刀具扫过体；无论目标路径被离散成多少个计算位置，只需沿整个目标路径创建一个刀具扫过体，避免了通常方法中针对每个离散位置都要创建一个刀具扫过体的做法，显著减少实体创建的次数。

六、从当前目标毛坯上通过布尔差去除刀具扫过体形成用于下一条路径仿真的目标毛坯，完成毛坯更新。无论目标路径被离散成多少个计算位置，只需在目标毛坯上去除掉沿整个目标路径创建的扫过体，通过一次布尔差运算即完成更新毛坯的操作，避免了通常方法中在每个计算位置都要进行一次布尔差运算去除掉刀具扫过体，才能为后面位置的计算提供准确的更新后的毛坯的做法，大幅度减少了布尔运算次数，明显提高仿真效率。

七、通过判断目标路径的全部离散位置仿真是否结束、以及判断全部路径是否仿真结束，重复上述过程直至全部仿真结束，得到切削力模型求解需要的全部切角区间，从而完成全部仿真。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (2)

1.一种基于实体的切削角度区间高效提取的铣削仿真方法，其特征在于步骤如下：

(1)将实际铣削时的原始毛坯、刀具尺寸、拟切削路径作为原始参数输入至实体造型平台中，根据刀具尺寸建立刀具旋转包络体的实体造型作为刀具实体造型，将拟切削路径作为目标路径，将刀具实体造型沿目标路径切削之前的原始毛坯作为目标毛坯；所述的目标路径包括以起终点坐标和刀轴方向矢量描述的直线路径，以及以起终点坐标、圆弧所在平面法矢量和圆弧半径描述的圆弧路径；

(2)将目标路径离散成一系列连续的前后相继的仿真计算位置；

(3)对于每一个仿真计算位置，将刀具实体造型置于该仿真计算位置，进行刀具实体造型与目标毛坯的布尔求交运算，生成该仿真计算位置的切除体；

(4)在与每一个仿真计算位置对应的切除体上，通过识别有效交面产生切削层交线，提取出刀具实体造型切入和切出目标毛坯造型的切入角θ_fsi和切出角θ_fei：

(41)如果刀具实体造型的刀轴方向与切削进给方向的夹角小于或等于90度，若θ_mei-θ_msi＝2π，则θ_fsi＝0，θ_fei＝π；若0≤θ_msi＜π且0＜θ_mei≤π，则θ_fsi＝θ_msi，θ_fei＝θ_mei；若-π≤θ_msi＜0且0＜θ_mei≤π，则θ_fsi＝0，θ_fei＝θ_mei；若-2π≤θ_msi＜-π且0＜θ_mei≤π，则θ_fsi＝0，θ_fei＝θ_mei，θ′_fsi＝θ_msi+2π，θ′_fei＝π；若0≤θ_msi＜π且π＜θ_mei≤2π，θ_fsi＝θ_msi，θ_fei＝π；若-π≤θ_msi＜0且π＜θ_mei≤2π，θ_fsi＝0，θ_fei＝π；若θ_msi＞π或者θ_mei＜0，θ_fsi＝0，θ_fei＝0；其中θ_mei和θ_msi为在铣削模型坐标系下的切削层交线起始角和终止角数值，θ′_fsi和θ′_fei为新增加的切入段的起始角和终止角数值；铣削模型坐标系的原点O_m位于刀具的自由端，Z_m轴与刀轴平行并指向刀具夹持端，X_m轴指向路径进给方向，当进给方向不与刀轴方向垂直时，X_m轴指向进给方向在垂直于刀轴平面上的投影方向，Y_m根据右手定则确定，切角范围以Y_m轴正向为基准， 按顺时针方向增加，i表示切削层的交线序数；

(42)如果刀具实体造型的刀轴方向与切削进给方向的夹角大于90度而小于180度，则先将θ_msi和θ_mei转换到平行于进给方向的平面内，再应用步骤(41)的方法计算真实切削范围，最后再将真实切削范围转换回垂直于刀轴的平面内；

(5)在目标切削路径的全部仿真计算位置都完成计算后，利用实体造型平台的二次开发函数沿目标路径创建刀具扫过体；

(6)从目标毛坯上通过布尔差去除刀具扫过体，完成毛坯更新。

2.根据权利要求1所述的一种基于实体的切削角度区间高效提取的铣削仿真方法，其特征在于：所述的实体造型平台为Unigraphics造型系统、ProE造型系统、CATIA造型系统、ACIS造型开发平台、或者Parasolid造型开发平台。 

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