CN103226341A - 一种面向高速加工的自由曲面螺旋刀具轨迹规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种面向高速加工的自由曲面螺旋刀具轨迹规划方法，该方法主要是根据高速加工的要求，通过初始环形轨迹和偏置环形轨迹得到初始螺旋轨迹，然后通过直接对初始螺旋轨迹的偏置，得到覆盖整个曲面的刀具轨迹并生成刀具轨迹文件。由于所有的轨迹点都在自由曲面上，曲面信息能够得到最大化的保真，有利于得到更加精确的加工曲面；所有生成的刀具轨迹都被执行轨迹平滑算法，可以得到更加光顺的刀具轨迹，更好的保证了加工表面的质量，同时也有效增大了单条刀具轨迹长度；本发明方法建立了专家系统数据库，实现了加工参数的自适应调整，并可以在加工过程中不断优化加工参数，减少了对操作人员的技术要求。

Description

一种面向高速加工的自由曲面螺旋刀具轨迹规划方法

技术领域

本发明属于数控技术领域，具体说是一种面向高速加工的自由曲面螺旋刀具轨迹规划方法。

背景技术

高速加工技术作为现代数控加工中的标志性技术，在航空航天，国防，运输，动力及装备制造等行业的精密负责曲面加工中占据着主导地位。在激烈的市场竞争中，数控加工企业要求以质量高、成本低、服务优、交货及时、更新换代快、有利于环保的产品及时满足市场不断变化的需求，由此推动高速加工技术不断发展。自二十世纪八十年代起，高速加工技术在金属(非金属)传统切削加工技术、自动控制技术、信息技术和现代管理技术的基础上逐步发展成为一门综合性系统工程技术，现已广泛应用于生产工艺流程制造企业，因此，高速加工技术必将在数控加工中得到大量应用和进一步发展。

自由曲面刀具轨迹规划作为数控系统的一个核心发展方向，其功能强弱对整个数控系统高效、精确、安全运行有直接的影响。但是随着数控技术的发展，自由曲面刀具轨迹规划已经无法满足高速加工的需求。现有的大多数刀具轨迹生成方式并不是从高速加工的角度设计的，生成的刀具轨迹转接点较多，限制了加工速度的提高：不连续的加工刀具轨迹和过多的刀具轨迹转接点会导致电机的频繁起停、走空刀，难以达到高速加工的要求，同时受力方向的突然改变还会引起刀具的振动，影响加工表面的质量。

发明内容

为解决上述不足之处，本发明为解决该技术问题提供一种面向高速加工的自由曲面螺旋刀具轨迹规划方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种面向高速加工的自由曲面螺旋刀具轨迹规划方法，包括以下步骤：

读取曲面CAD文件，设定曲面边界曲线为初始环形轨迹，对初始环形轨迹向内偏置，得到偏置环形轨迹；

将初始环形轨迹和偏置环形轨迹进行对角曲线连接得到初始螺旋轨迹；

利用刀具轨迹偏置算法对初始螺旋轨迹进行偏置，得到偏置刀具轨迹；

通过递归算法继续生成下一条偏置刀具轨迹，直到覆盖整个曲面；

执行刀具轨迹光顺处理算法对所有刀具轨迹进行光顺处理，生成刀具轨迹文件输出。

所述对角曲线连接的算法为

$p_i^1=S(u_i^1,v_i^1)$

$p_i^2=S(u_i^2,v_i^2)$

${\mathrm{\φ}}_j=\frac{\underset{i=1}{\overset{j-1}{\mathrm{\Σ}}}|p_{i+1}^1-p_i^1|}{\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}|p_{i+1}^1-p_i^1|}$

$u_i={\mathrm{\φ}}_j{u}_i^1+(1-{\mathrm{\φ}}_j)u_i^2$

$v_i={\mathrm{\φ}}_j{v}_i^1+(1-{\mathrm{\φ}}_j)v_i^2$

p_i＝S(u_i，v_i)

其中代表初始环形轨迹上的第i个点，

代表偏置环形轨迹上的第i个点，p_i代表初始螺旋轨迹上的第i个点，n代表初始环形轨迹上的总轨迹点数，S(u，v)代表NURBS曲面上的点。

所述光顺处理算法具体为

根据相邻偏置刀具轨迹的形状，判断出由于曲面曲率变化过大而导致偏置刀具轨迹出现的奇异点；

删除奇异点及其下一个轨迹点；

计算奇异点及其下一个轨迹点的中点，作为新的轨迹点；

连接新的轨迹点及其前后轨迹点。

所述奇异点通过下述方式判断：

当某段轨迹长度小于设定的最小长度、且拐角大于设定的最大拐角时，该段轨迹所属的轨迹点即为奇异点。

建立专家系统数据库，存储规划过的曲面信息及刀具轨迹信息。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.所有刀具轨迹点都在曲面上。本发明方法将初始环形轨迹和偏置环形轨迹进行对角曲线连接得到的初始螺旋轨迹，还有通过螺旋轨迹递归偏置得到的所有偏置螺旋轨迹，所有刀具轨迹点都在曲面上，不会导致自由曲面CAD信息失真。

2.光顺的刀具轨迹。本发明方法对所有刀具轨迹执行刀具轨迹平滑算法，可以得到更加光顺的刀具轨迹，更好的保证了加工表面的质量，同时也有效增大了单条刀具轨迹长度。

3.建立了专家系统数据库。本发明方法实现了加工参数的自适应调整，并可以在加工过程中不断优化加工参数，减少了对操作人员的技术要求。

附图说明

图1为本发明方法模块流程图；

图2为初始螺旋轨迹生成算法示意图；

图3为光顺刀具轨迹生成算法示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明方法作进一步详细说明。

如图1所示，本发明方法包括以下步骤：

本发明数控系统解释器的开放式模块化构造方法包括以下步骤：

初始轨迹规划模块通过对初始环形轨迹和偏置环形轨迹进行对角曲线连接得到初始螺旋轨迹；

利用刀具轨迹偏置算法对初始螺旋轨迹进行偏置，得到偏置刀具轨迹，然后通过递归算法继续生成下一条刀具轨迹，直到覆盖整个自由曲面；

加工轨迹光顺处理模块运用相应的刀具轨迹平滑技术，对所有刀具轨迹进行光顺处理。

如图2所示，本发明方法将自由曲面边界曲线设置为初始环形轨迹，通过刀具轨迹偏置算法得到偏置环形轨迹，然后通过对初始环形轨迹和偏置环形轨迹进行对角曲线连接得到初始螺旋轨迹。

刀具轨迹偏置算法如下：

$L=2\sqrt{r^2-{(r-h)}^2}$

其中L代表偏置行距，r代表刀具半径，h代表残余高度。

对角曲线连接算法如下：

$p_i^1=S(u_i^1,v_i^1)$

$p_i^2=S(u_i^2,v_i^2)$

${\mathrm{\φ}}_j=\frac{\underset{i=1}{\overset{j-1}{\mathrm{\Σ}}}|p_{i+1}^1-p_i^1|}{\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}|p_{i+1}^1-p_i^1|}$

$u_i={\mathrm{\φ}}_j{u}_i^1+(1-{\mathrm{\φ}}_j)u_i^2$

$v_i={\mathrm{\φ}}_j{v}_i^1+(1-{\mathrm{\φ}}_j)v_i^2$

p_i＝S(u_i，v_i)

其中

代表初始环形轨迹上的第i个点，

代表偏置环形轨迹上的第i个点，p_i代表初始螺旋轨迹上的第i个点，n代表初始环形轨迹上的总轨迹点数，S(u，v)代表NURBS曲面上的点。

如图3所示，本发明方法运用刀具轨迹光顺处理技术，对所有的刀具轨迹执行刀具轨迹光顺处理算法，得到更加光顺的刀具轨迹。该方法利用相邻刀具轨迹的形状，判断并修正当前刀具轨迹上与前后轨迹不一致的点。同时，它还设定了每段刀具轨迹的最短长度和拐角大小，当某段轨迹长度小于设定的最小长度、且拐角大于设定的最大拐角时，会将该段轨迹删除，并将其相邻的两条轨迹根据一定规则链接。因此加工轨迹的光顺处理不仅保持了轨迹间的一致性，有效增大了单条轨迹的长度，还使得加工轨迹变得平滑，有利于得到更为光顺的加工表面。

Claims (5)

1.一种面向高速加工的自由曲面螺旋刀具轨迹规划方法，其特征在于包括以下步骤：

读取曲面CAD文件，设定曲面边界曲线为初始环形轨迹，对初始环形轨迹向内偏置，得到偏置环形轨迹；

将初始环形轨迹和偏置环形轨迹进行对角曲线连接得到初始螺旋轨迹；

利用刀具轨迹偏置算法对初始螺旋轨迹进行偏置，得到偏置刀具轨迹；

通过递归算法继续生成下一条偏置刀具轨迹，直到覆盖整个曲面；

执行刀具轨迹光顺处理算法对所有刀具轨迹进行光顺处理，生成刀具轨迹文件输出。

2.按权利要求1所述的一种面向高速加工的自由曲面螺旋刀具轨迹规划方法，其特征在于：所述对角曲线连接的算法为

$p_i^1=S(u_i^1,v_i^1)$

$p_i^2=S(u_i^2,v_i^2)$

${\mathrm{\φ}}_j=\frac{\underset{i=1}{\overset{j-1}{\mathrm{\Σ}}}|p_{i+1}^1-p_i^1|}{\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}|p_{i+1}^1-p_i^1|}$

$u_i={\mathrm{\φ}}_j{u}_i^1+(1-{\mathrm{\φ}}_j)u_i^2$

$v_i={\mathrm{\φ}}_j{v}_i^1+(1-{\mathrm{\φ}}_j)v_i^2$

p_i＝S(u_i，v_i)

其中

代表初始环形轨迹上的第i个点，

代表偏置环形轨迹上的第i个点，p_i代表初始螺旋轨迹上的第i个点，n代表初始环形轨迹上的总轨迹点数，S(u，v)代表NURBS曲面上的点。

3.按权利要求1所述的一种面向高速加工的自由曲面螺旋刀具轨迹规划方法，其特征在于：所述光顺处理算法具体为

根据相邻偏置刀具轨迹的形状，判断出由于曲面曲率变化过大而导致偏置刀具轨迹出现的奇异点；

删除奇异点及其下一个轨迹点；

计算奇异点及其下一个轨迹点的中点，作为新的轨迹点；

连接新的轨迹点及其前后轨迹点。

4.按权利要求3所述的一种面向高速加工的自由曲面螺旋刀具轨迹规划方法，其特征在于：所述奇异点通过下述方式判断：

当某段轨迹长度小于设定的最小长度、且拐角大于设定的最大拐角时，该段轨迹所属的轨迹点即为奇异点。

5.按权利要求1所述的一种面向高速加工的自由曲面螺旋刀具轨迹规划方法，其特征在于：建立专家系统数据库，存储规划过的曲面信息及刀具轨迹信息。

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