CN104090528A - 一种适用于摆线高速铣削的加工路径的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于摆线高速铣削的加工路径的方法，首先输入零件模型和零件特征信息，对加工区域进行自动划分，划分出摆线加工的关键和传统加工区域。根据关键区域的边界信息，计算摆线中心路径并离散，利用单纯形法，迭代计算每个离散点的摆线单周期最大径向深度；之后根据该最大径向切深筛选变半径摆线中心轴的离散点。筛选完成后按照变半径摆线的数学模型计算关键区域的摆线加工路径，再对刀位点进行离散；最后利用传统加工方法加工剩余的区域。该方法的摆线路径短，走空切路径的时间少，冗余度低。而刀具接触角和径向切深也能保持相对稳定，解决了高速铣削过程中的刀具切触角容易突变，空切路径长等问题，加工路径平稳，提高了铣削效率。

Description

一种适用于摆线高速铣削的加工路径的方法

技术领域

本发明属于CAD(计算机辅助设计)/CAM(计算机辅助制造)技术领域，具体地说，涉及工件加工制造领域，尤其涉及一种适用于摆线高速铣削的加工路径的方法。

背景技术

在实际的加工中，传统的环切路径会产生一些问题.环切刀轨的生成往往伴随产生很多凹凸拐角，尖锐的拐角会引起严重的刀具接触角变化,从而导致材料去除率和刀具负载的突变。尤其在对坚硬材料的高速加工中，刀具负载的突变会产生各种不利的结果，如刀具寿命的缩短，机器震动甚至是刀具断裂。因此在高速铣削刀轨中，材料去除率的波动是设置进给率，轴向深度等加工参数的主要考虑因素，而保持相对稳定的加工路径材料去除率是提高加工效率的关键。

摆线铣削方式能够很好地解决切削负载的突变问题，常应用在难以加工的区域。其价值已经被越来越多的学者研究和认可。一个摆线周期包括加工段和空切段。摆线的轨迹是连续的，其加工段的刀具接触角和径向深度变化平缓且可控，且不会受到加工区域形状改变的影响，因此适用于特殊的加工区域，例如尖锐的拐角或是需要全切的狭槽。

由于摆线加工存在空切段，与传统的加工方法比，其加工效率比较低。但是由于摆线的引入，整个加工区域的切触角和径向深度都能保持相对稳定，避免了刀具负载的突变，这使得加工路径更适应于高速铣削加工，轴向深度得以大大提高，总的加工效率也得到提高。

Elber.Et al提出了一种应用于高速加工的加工路径生成方法MATHSM。MATHSM方法在狭长区域展现出了优势，但是该方法没有解决在大的圆形型腔中摆线低效的问题，Soichi Ibaraki et al.提出了一种结合摆线和环切的方法,用于2.5D的高速铣削。该方法仅限于半径不变的摆线加工路径的设计，关键区域被设定在型腔的中心轴附近。但这种分布情况对加工方法的选择是有限制的，且没有考虑针对内部包含岛屿的型腔的优化方法。

现有高速加工中的摆线加工路径生成方法采用恒定摆线半径，没有利用变半径摆线模型进行分析和应用，因而复杂型腔的加工路径的冗余度较高；且摆线加工的分布方法单一，导致摆线加工路径普遍较长，总的加工效率不高，在高速铣削的领域中，这些都是亟待解决的问题。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种适用于摆线高速铣削的加工路径的方法，以解决现有高速铣削加工路径冗余，效率低下的问题，为复杂区域的高速铣削提供更优化的加工模式。

为了实现这一目的，本发明采用如下技术方案，划分加工区域为需摆线加工的关键区域和其它区域，通过节距自适应的变半径的摆线路径的应用，使得关键区域的面积减小，同时加工路径的冗余度减小；在关键区域加工完成后，最后采用环切的方式加工其它区域，从而使整个加工路径的效率得到提升。

本发明的方法，具体包括以下步骤：

1)零件模型和零件特征信息的输入：在三维CAD软件中读取模型信息，选取加工区域，设置截平面间距，设置其它加工参数，包括刀具半径，主轴转速，最大径向切深，加工精度；

2)对加工区域进行划分，得到变半径摆线加工的区域，此处定义该区域为关键区域；

3)在摆线加工区域中，设计变半径摆线的加工路径，所述的摆线路径的方法包括以下步骤：

3.1：首先计算步骤2)所述关键区域的中心轴，将其离散得到P_i；

3.2：计算每个离散点的区域内切圆半径R；

3.3：通过迭代计算每个离散点处的单周期摆线的刀具最大径向深度，筛选离散点，取得相邻摆线周期间的节距S_i；

3.4：依据变半径摆线的数学模型计算关键区域的摆线路径，离散并输出到后置处理程序；

4)在对关键区域加工完成后，设计未加工区域的加工路径，离散并输出到后置处理程序；

5)对步骤3和步骤4输出的加工路径进行后置处理，输出到机床加工。

在本发明中，所述步骤2)对加工区域划分的具体方法为：

2.1：若加工区域为内部不包含岛屿的型腔，则关键区域分布于加工区域的中心轴的周边区域，区域半径设定为N(N>1)倍刀具直径，区域边界的几何结构是基于等距型腔的边界形成的加工轮廓；

2.2：若加工区域为内部包含岛屿的型腔，则关键区域分布于岛屿周边，区域半径为：R_区域半径＝R_岛屿+N×R_刀具(N>1)，区域边界的几何结构是基于等距型腔的边界形成的加工轮廓。

所述步骤3.1的中心路径的初始离散精度应小于等于加工精度。

所述步骤3.3中单周期摆线的刀具最大径向深度的计算方法为：

3.3.1：选取摆线周期起始点作为初始刀位点；

3.3.2：利用单纯形法计算当前的刀位点与前一周期摆线加工轮廓的交点P_i；

3.3.3：以P_i为起点，计算刀具在前进方向的法向量U方向上的径向进给深度；

3.3.4：通过迭代遍历本摆线周期的刀位点，重复步骤3.3.2、步骤3.3.3过程，求得本周期径向深度的最大值，迭代精度小于等于加工精度。

所述步骤3.3中变半径摆线中心轴离散点的筛选方法为：

1.1：每个离散点处的单周期最大径向深度小于等于初始设定值；

1.2：筛选出满足步骤1.1所述条件，且满足点间距尽可能大的离散点序列，该点序列的间距作为实际摆线的加工节距S_i。

所述步骤4)中未加工区域的具体加工方法为：

4.1：为缩短下刀时间，下刀位置按照该区域加工路径规划的需求选在关键区域的任意位置；

4.2：加工路径采用环切的方法。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)对加工区域进行了合理的划分，使得摆线能够处理包含岛屿的复杂型腔；

(2)在保证小的刀具径向深度和切触角的前提下，应用变半径摆线模型，减少了加工路径的冗余度；

(3)基于区域划分的摆线加工方法，使得摆线加工路径长度减小，总的加工效率得到提升；

(4)严格按照摆线数学模型，能够实现高阶连续的加工路径(刀轨)，特别适用于高速加工。

附图说明

图1为本发明的适用于摆线高速铣削的加工路径的方法流程图；

图2为对型腔的加工区域的划分，标记区域为关键加工区域，非标记区域为关键区域加工后需处理的未加工区域；

图3为借助VORONOI图的计算得出的关键区域摆线加工路径；

图4为单周期摆线加工路径的径向切深的变化示意图，O_pre为前一周期的摆线中心，O_cur为当前周期的摆线中心，R_dc为一个刀位点处径向切深；

图5为单刀位点径向切深几何分析图，O_C为当前的刀位点，P_i为刀具轮廓与前一周期摆线加工轮廓的交点，R_dc为径向切深，U为当前周期摆线前进方向；

图6为按照摆线数学模型计算并离散的摆线加工路径；

图7为整个加工区域的加工路径的设计，岛屿周边为摆线加工路径，未加工区域采用环切的方式加工。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。

图1是本发明的适用于摆线高速铣削的加工路径的方法的流程图。如图所示，包括以下步骤：

本发明涉及的零件模型和零件特征信息的输入：在三维CAD软件(例如：SolidWorks)中读取模型信息，选取加工区域，设置截平面间距；设置其它加工参数，包括刀具半径，主轴转速，最大径向切深，设置加工精度(即尺寸精度，本实例采用的精度为0.01mm)等。

对选取的加工区域进行区域划分，得到变半径摆线路径加工的关键区域和未加工区域，如图2所示。图中标记区域为已划分出的关键区域，若采用环切加工，则这部分的刀具切触角的变化会比较剧烈，不适宜进行高速加工，而变半径的摆线加工路径则会避免切触角的突变，因此可以较好地解决这个问题，区域划分的具体方法如下所示：

(1)对于内部不包含岛屿的型腔，关键区域分布于加工区域的中心轴的周边区域。区域半径设置过小或过大都会导致加工效率降低，因此区域半径N的取值推荐设定在1.5～2.5个刀具直径之间。区域构建方法为：对加工区域向内等距得到子环C_i，i表示等距次数，i＝1,2,3...N，直到C_N满足区域半径1.5r_刀具<R<2.5r_刀具，则该环内区域即为关键区域；

(2)对于内部包含岛屿的型腔，关键区域分布于岛屿周边，区域半径为：R_区域半径＝R_岛屿+N×R_刀具(N值推荐范围：1.5<N<2.5)，区域构建方法为：首先提取岛屿轮廓形状C_岛屿，之后对加工区域向内等距得到子环C_i，i表示等距次数，i＝1,2,3...N，定义U＝C_N∩C_岛屿，若U满足区域半径1.5r_刀具<R_U<2.5r_刀具，则该环内区域即为关键区域。

区域划分完成后，在摆线加工的关键区域中，设计变半径摆线的加工路径。首先，要计算关键区域的摆线中心路径，如图3所示，计算方法为：

(1)提取关键区域的轮廓信息，这既包括关键区域的外部轮廓信息，也包括关键区域内岛屿的轮廓信息，提取的内容包括线条类型、参数和坐标值；

(2)利用步骤(1)所述的信息，中心路径的初始轨迹由轮廓区域的VORONOI图计算得出；

(3)计算步骤(2)所述图中的每点在关键区域的内切圆半径，若半径不在小于1.5个刀具范围，则删除该点所在部分，于是得到摆线加工的中心路径I；

然后对该中心路径再次进行离散，离散精度应小于加工精度，在本实例中选取加工精度的1/2作为离散精度。

随后提取离散点的坐标信息P_i＝(x_i,y_i,z_i)^T，计算该点在关键区域的内切圆半径R_in。

将中心轴离散的每个点设定为一个摆线周期的中心O_i，按照变半径摆线模型，计算单周期刀具最大径向深度R_{dc_MAX}，R_{dc_MAX}的具体计算方法为：

(1)选取摆线周期的起始点作为初始刀位点，本实例定义摆线周期的初始位置θ₀在摆线前进方向的法向量位置：

${\mathrm{\&theta;}}_0=\arctan \left(\frac{O_{\mathrm{next}}{|}_Y-O_{\mathrm{cur}}{|}_Y}{O_{\mathrm{next}}{|}_X-O_{\mathrm{cur}}{|}_X}\right)-\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}$

其中，O_cur是当前摆线周期的中心，O_next是下一个摆线周期的中心，

(2)选取周期内的一个刀位点，利用单纯形法计算当前的刀位点与前一周期摆线加工轮廓的交点，以P_i点为例，如图4；计算过程如下：

首先，计算前一个摆线周期中心到交点的矢量：

$\stackrel{\&RightArrow;}{O_{\mathrm{pre}}{P}_i}=\left\{\begin{array}{c}{S}_{\mathrm{tr}\_\mathrm{pre}}\frac{{\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;}}{2\mathrm{\&pi;}}\frac{\stackrel{\&RightArrow;}{X}}{\left|\stackrel{\&RightArrow;}{O_{\mathrm{pre}}{O}_{\mathrm{cur}}}\right|}+(R_{\mathrm{trocho}\_\mathrm{pre}}+R_{\mathrm{tool}})\cos {\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;}\\ S_{\mathrm{tr}\_\mathrm{pre}}\frac{{\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;}}{2\mathrm{\&pi;}}\frac{\stackrel{\&RightArrow;}{Y}}{\left|\stackrel{\&RightArrow;}{O_{\mathrm{pre}}{O}_{\mathrm{cur}}}\right|}+(R_{\mathrm{trocho}\_\mathrm{pre}}+R_{\mathrm{tool}})\sin {\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;}\end{array}\right.$

其次，计算当前的刀位点到交点的矢量：

$\stackrel{\&RightArrow;}{O_{\mathrm{cur}}{P}_i}:\left\{\begin{array}{c}{x}_i=\stackrel{\&RightArrow;}{O_{\mathrm{cur}}{O}_c}{|}_x+R_{\mathrm{tool}}\cos \mathrm{\&alpha;}\\ y_i=\stackrel{\&RightArrow;}{O_{\mathrm{cur}}{O}_c}{|}_y+R_{\mathrm{tool}}\sin \mathrm{\&alpha;}\end{array}\right.(0\&le;\mathrm{\&alpha;}<2\mathrm{\&pi;})$

$\stackrel{\&RightArrow;}{O{O}_{\mathrm{pre}}}+\stackrel{\&RightArrow;}{O_{\mathrm{pre}}{P}_i}=\stackrel{\&RightArrow;}{O{O}_{\mathrm{cur}}}+\stackrel{\&RightArrow;}{O_{\mathrm{cur}}{P}_i}$

其中，O_pre是前一个摆线周期的中心，O_cur是当前摆线周期的中心，θ'为交点在上一个摆线周期的位置，S_{tr_pre}是前一个离散点到当前离散点的距离：

$S_{\mathrm{tr}\_\mathrm{pre}}=|\stackrel{\&RightArrow;}{O_{\mathrm{pre}}{O}_{\mathrm{cur}}|}+\sqrt{{(O_{\left[\mathrm{cur}\right]}{|}_X-O_{\left[\mathrm{pre}\right]}{|}_X)}^2+{(O_{\left[\mathrm{cur}\right]}{|}_Y-O_{\left[\mathrm{pre}\right]}{|}_Y)}^2}$

(3)当获得P_i坐标后，径向进给深度则可以在三角形ΔO_curP_iO_c中利用余弦定理求得，如图5；

$\mathrm{\&beta;}=\frac{R_{\mathrm{tool}}^2+|\stackrel{\&RightArrow;}{O_{\mathrm{cur}}{O}_C}{|}^2-|{\stackrel{\&RightArrow;}{O_{\mathrm{cur}}}{P}_i|}^2}{2\left|\stackrel{\&RightArrow;}{O_{\mathrm{cur}}{O}_C}\right|R_{\mathrm{tool}}}=\frac{R_{\mathrm{dc}}-R_{\mathrm{tool}}}{R_{\mathrm{tool}}}$

$R_{\mathrm{dc}}=\frac{{(R_{\mathrm{tool}}+|\stackrel{\&RightArrow;}{O_{\mathrm{cur}}{O}_C}\left|\right)}^2-|\stackrel{\&RightArrow;}{O_{\mathrm{cur}}{P}_i}{|}^2}{2\left|\stackrel{\&RightArrow;}{O_{\mathrm{cur}}{O}_C}\right|}$

(4)按照上述方法，通过迭代寻找单周期内径向深度最大的刀位点，并存储该最大值R_{dc_MAX}。

迭代完成后，根据最大径向深度筛选变半径摆线中心轴的离散点，筛选方法为：

(1)单周期最大径向深度小于设定值，例如：预设0.5mm；

(2)筛选出满足步骤1)所述条件，且使得点间距尽可能大的离散点序列，该点序列的间距作为实际摆线的加工节距序列S_i；

在加工节距序列计算完成后，要按照变半径摆线的数学模型计算关键区域的摆线加工路径，如图6所示，计算之后按照初始给定的加工精度进行离散；变半径摆线加工路径的具体计算方法为：

(1)设定摆线加工路径的起点在摆线前进方向的法向量所在向量；

(2)根据当前周期和下一周期摆线中心的内切圆计算当前摆线半径；

$R_{\mathrm{trocho}}=R_{\mathrm{trocho}\_\mathrm{cur}}(1-\frac{\mathrm{\&theta;}}{2\mathrm{\&pi;}})+R_{\mathrm{trocho}\_\mathrm{next}}\frac{\mathrm{\&theta;}}{2\mathrm{\&pi;}}$

(3)带入加工节距序列S_i，计算当前周期摆线的加工路径；

$\stackrel{\&RightArrow;}{O_{\mathrm{cur}}{O}_C}=\left\{\begin{array}{c}S\frac{\mathrm{\&theta;}}{2\mathrm{\&pi;}}\frac{\stackrel{\&RightArrow;}{X}}{\left|\stackrel{\&RightArrow;}{O_{\mathrm{cur}}{O}_{\mathrm{next}}}\right|}+R_{\mathrm{trocho}}\cos \mathrm{\&theta;}\\ S\frac{\mathrm{\&theta;}}{2\mathrm{\&pi;}}\frac{\stackrel{\&RightArrow;}{Y}}{\left|\stackrel{\&RightArrow;}{O_{\mathrm{cur}}{O}_{\mathrm{next}}}\right|}+R_{\mathrm{trocho}}\sin \mathrm{\&theta;}\end{array}\right.$

(4)根据初始给定的加工精度，离散当前周期的刀位点，计算离散后的刀位点信息并存储；

(5)按照上述步骤计算所有摆线周期的加工路径并输出到后置处理程序。

在关键区域加工完成后，利用传统加工方法加工剩余的未加工区域，如图7所示。未加工区域的加工方法为：

(1)为了缩短下刀时间，下刀位置根据该区域的环切需求选在关键区域的任意点；

(2)加工轨迹选用环切的加工方式，由内向外等距生成路径；

(3)离散上述步骤生成的环切加工路径，输出到后置处理程序。

在路径规划完成后，对上述所有步骤输出的加工路径执行后置处理，在本实例中选用四轴的哈斯数控铣床，后置处理程序采用法兰克系统。后置处理后即可在铣床加工。

Claims (6)

1.一种适用于摆线高速铣削的加工路径的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)零件模型和零件特征信息的输入：在三维CAD软件中读取模型信息，选取加工区域，设置截平面间距，设置其它加工参数，包括刀具半径，主轴转速，最大径向切深，加工精度；

2)对加工区域进行划分，得到变半径摆线加工的区域，此处定义该区域为关键区域；

3)在摆线加工区域中，设计变半径摆线的加工路径，所述的摆线路径的方法包括以下步骤：

3.1：首先计算步骤2)所述关键区域的中心轴，将其离散得到P_i；

3.2：计算每个离散点的区域内切圆半径R；

3.3：通过迭代计算每个离散点处的单周期摆线的刀具最大径向深度，筛选离散点，取得相邻摆线周期间的节距S_i；

3.4：依据变半径摆线的数学模型计算关键区域的摆线路径，完成后离散并输出到后置处理程序；

4)在对关键区域加工完成后，设计未加工区域的加工路径，完成后离散并输出到后置处理程序；

5)对步骤3和步骤4输出的加工路径进行后置处理，输出到机床加工。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤2)对加工区域划分的具体方法为：

2.1：若加工区域为内部不包含岛屿的型腔，则关键区域分布于加工区域的中心轴的周边区域，区域半径设定为N(N>1)倍刀具直径，区域边界的几何结构是基于等距型腔的边界形成的加工轮廓；

2.2：若加工区域为内部包含岛屿的型腔，则关键区域分布于岛屿周边，区域半径为：R_区域半径＝R_岛屿+N×R_刀具(N>1)，区域边界的几何结构是基于等距型腔的边界形成的加工轮廓。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤3.1的中心路径的初始离散精度应小于等于加工精度。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤3.3中单周期摆线的刀具最大径向深度的计算方法为：

3.3.1：选取摆线周期起始点作为初始刀位点；

3.3.2：利用单纯形法计算当前的刀位点与前一周期摆线加工轮廓的交点P_i；

3.3.3：以P_i为起点，计算刀具在前进方向的法向量U方向上的径向进给深度；

3.3.4：通过迭代遍历本摆线周期的刀位点，重复步骤3.3.2、步骤3.3.3过程，求得本周期径向深度的最大值，迭代精度小于等于加工精度。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤3.3中变半径摆线中心轴离散点的筛选方法为：

1.1：每个离散点处的单周期最大径向深度小于等于初始设定值；

1.2：筛选出满足步骤1.1所述条件，且满足点间距尽可能大的离散点序列，该点序列的间距作为实际摆线的加工节距S_i。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤4)中未加工区域的具体加工方法为：

4.1：为缩短下刀时间，下刀位置按照该区域加工路径规划的需求选在关键区域的任意位置；

4.2：加工路径采用环切的方法。