CN104267664B - 一种对毛坯自动分区、分步加工的平面混合刀路生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于势能场梯度线的平面加工混合刀路生成方法，其利用势能场梯度线长度的变化趋势对加工区域分区，并在不同的加工区域分别产生单向行切刀路和螺旋刀路，包括：在平面加工区域生成一个虚拟势能场，得到一系列梯度线。从毛坯的拐角处出发，沿毛坯外边界采用基于梯度线长度的搜寻算法获得两种刀路区域的分界线的极限位置。通过引入比例因子(用单向行切刀路加工的区域占整个加工区域的比例)，在极限分界线基础上根据毛坯和叶片的具体形状决定两种刀路所占的比例，从而得到两种刀路的加工区域，分别在两个区域上产生单向行切刀路和螺旋刀路。与用单一刀路进行加工的方法比较，本发明产生的混合刀路切深更加均匀，加工效率更高。

Description

一种对毛坯自动分区、分步加工的平面混合刀路生成方法

技术领域

本发明属于铣削加工领域，更具体地，涉及一种对毛坯自动分区、分步加工的平面混合刀路生成方法。

背景技术

在切削加工领域，刀具路径应尽可能光滑和连续，从而提高刀具运动速度和减少提刀、空刀数量以提高加工效率；切深(行距)应尽量均匀，从而获稳定的材料去除率以减小切削力的波动，使得刀具寿命延长、切削质量改善。然而单一的单向行切刀路和螺旋刀路并不能达到理想的效果。

采用单向行切刀路加工时，由于刀路为一簇平行直线，刀具运动方向为定值，刀具受力变化小，所以切深可以较大且切深均匀；由于刀具运动时没有法向加速度，其运动速度可以较快。但是由于进退刀的需要，单向行切刀路存在较多提刀/进刀/空刀，限制了其加工效率。采用螺旋刀路加工时，由于刀路为一螺旋线，不存在由进退刀产生的空刀，加工效率较高。但是当毛坯的边界形状与加工零件的边界形状之间距离分布不均匀时，螺旋刀路的切深变化较大，如图2所示。一方面这加大了刀具的磨损，同时在加工切深较小的部分时，加工效率低。

公开号为103645674A的中国发明申请提供了一种加工叶片的混合刀路。这种方法把叶片加工的粗加工、半精加工、精加工的刀路连接起来得到集成的刀路。但是该发明针对的是提高高悬臂型叶片加工过程的刚度，消除加工颤振。它并不针对单一的粗或精加工刀路进行混合，所以单一的刀路并不会得到优化。该发明和本发明所指的“混合刀路”针对的问题和解决问题的方法都有区别。

美国专利US6591158B1提供了一种产生螺旋刀路的方法，该方法产生的刀路具有均匀的曲率，刀具可以以较大的速度运动。但是这种方法产生的刀路也存在切深不均匀的问题，并且只适用于没有岛屿的型腔铣。

公开号为102945019A的中国发明申请提供了一种产生平面加工螺旋刀路的方法。该方法在平面加工区域产生一个用有狄利克雷约束条件的拉普拉斯方程表达的势能场，其狄利克雷约束为毛坯外边界与叶片外边界的势能值。并在此势能场产生产生等势线、梯度线，根据毛坯拐角点对应梯度线长度的最大值和允许最大切深确定螺旋刀路的圈数。虽然用这种方法产生的刀路切深满足不超过最大允许值的约束条件，但是当毛坯的边界形状与加工零件的边界形状之间距离分布不均匀时，螺旋刀路的切深变化较大。在毛坯和叶片距离较小的部分，刀路会过于密集，刀具不能产生有效切削，降低了加工效率。

公开号为102981454A的中国发明提供了一种能量泛函优化的刀路轨迹计算方法。该发明对上述公开号为102945019A的发明申请进行了改进，用该专利产生的刀路切深均匀。用该专利产生的靠近毛坯边界部分的刀路与毛坯边界形状类似，所以当毛坯外边界曲线不平滑时，它附近的刀路也不平滑。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种对毛坯自动分区、分步加工的平面混合刀路生成方法，其通过把毛坯外凸拐角处的区域先切掉，使剩余部分的毛坯与叶片间的距离分布就能相对均匀，从而解决现有技术中由于切深变化导致的加工效率不高的问题，并且本发明方法加工所形成的刀路较平滑。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种对毛坯自动分区、分步加工的平面混合刀路生成方法，包括以下步骤：

(1)用截平面与毛坯边界相交所得的截线作为待加工区域的外边界，记为L₁，用截平面与叶片相交所得的截线作为待加工区域的内边界记为L₂，L₁与L₂所围区域作为待加工区域；

(2)以步长t将整个待加工区域的外边界进行离散，以得到多个离散点，分别从待加工区域外边界的每个拐角点出发，沿其对应的外边界的两个方向进行交替搜索，以分别找到两个离散点，记为目标点，使该目标点对应的梯度线长度为它附近离散点对应梯度线长度的最小值，同时两个目标点之间的连线与叶片之间的距离不超过梯度线长度中的最小值l_min，连接两个离散点以形成分界线；

(3)以A为起点，作与步骤(2)所得极限分界线平行的直线。该直线与点A的距离为λH，其中λ是用户输入的参数，H是拐角点A到极限分界线的距离；

(4)对待加工区域的所有拐角点执行步骤(2)、(3)，得到所有拐角点对应的分界线，这些分界线把待加工区域划分成截断区和螺旋区；

(5)分别在每个截断区产生切削方向与分界线平行的单向行切刀路，在整个螺旋区，产生一条连续的螺旋刀路；

(6)用圆弧连接步骤(5)中产生的相邻截断区的单向行切刀路，可得到完整的切除截断区的刀路，把切除截断区所用刀路的退刀刀路和切削螺旋区的螺旋刀路的进刀刀路平滑连接，从而得到完整刀路。

优选地，步骤(2)具体包括以下子步骤：

(2-1)在待加工区域建立势能场、等势线、梯度线；

(2-2)根据建立的梯度线的长度变化趋势，在待加工区域外边界搜寻一系列点，并用这些点确定的直线作为极限分界线，极限分界线为当截断区比例达到最大允许值时截断区与螺旋区的分界线。

优选地，步骤(2-1)具体包括如下步骤：

(2-1-1)在待加工区域建立势能场，规定内外边界的势能值分别为1,0，以该势能场建立有狄利克雷约束条件的拉普拉斯方程：

(2-1-2)在待加工区域建立一个固定的坐标系，用三角片把待加工区域离散，记三角片的顶点坐标为(X_i，Y_i)，i∈(1，r)，其中r表示离散三角片的顶点数量，第i个点的势能值可表示为φ_i(x，y)；

(2-1-3)用有限元的方法求解方程组(1)，以获得φ(x，y)的表达式；

(2-1-4)以步长t把待加工区域的外边界L₁离散，得到离散点。

(2-1-5)根据梯度公式确定梯度线的切线方向；

(2-1-6)以(2-1-4)中获得的离散点为起点，根据(2-1-5)中梯度线的切线方向做出梯度线，梯度线的终点落在待加工区域内边界L₂上，计算所有梯度线的长度，并以梯度线的长度作为该离散点和叶片之间的距离，并记梯度线长度最小值为l_min。

优选地，步骤(2-2)的搜索过程具体包括：

(2-2-1)交替在拐角点A两边Q₁、Q₂上搜寻分界线的端点，以使这些端点处对应的梯度线长度相近；

(2-2-2)用直线连接步骤(2-2-1)得到的两个端点，用该直线作为极限分界线；

(2-2-3)计算拐角点A到极限分界线的距离H。

优选地，步骤(2-2-1)具体为，设Q₁、Q₂上有两个动点E₁、E₂，它们的起始位置都在拐角点A，并根据s_u、s_v的长度关系确定的以下两种情况得到当E₁、E₂分别移动到了位置M_u、N_v时，搜寻其下一个位置和确定其终止位置的过程，其中{M_u}、{N_v}为以步长t把待加工区域的外边界L₁离散得到的离散点集合，u∈(1，p)，v∈(1，q)，p、q分别为边界线Q₁、Q₂上离散点的数量，s_u，s_v表示以点M_u、N_v作为起始点的梯度线的长度：

(a)若s_u＞s_v

把点E₁移至点M_u+1，比较移动前后E₁点所对应的梯度线的长度。若梯度线长度变大，则停止搜寻，用E₁、E₂作为分界线端点；若梯度线长度变小，计算E₁、E₂确定的直线与待加工区域内边界L₂上的点的最小距离，且记为b。若b>l_min,再次比较s_u、s_v，并重复此步搜寻过程；若b<l_min，停止搜寻，把E₁退回至点M_u，并用E₁、E₂作为分界线端点；

(b)若s_u＜s_v

把点E₂移至点N_v+1，比较移动前后E₂点所对应的梯度线的长度。若梯度线长度变大，则停止搜寻，用E₁、E₂作为分界线端点。若梯度线长度变小，计算E₁、E₂确定的直线与待加工区域内边界L₂上的点的最小距离，记为a，若a>l_min,再次比较s_u、s_v，并重复此步搜寻过程；若a<l_min，停止搜寻，把E₂退回至点N_v，并用E₁、E₂作为分界线端点。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本方法产生的混合刀路结合了两种不同刀路，从而可以发挥两种刀路的优势。

2、本方法产生的刀路可以满足最大切深要求，并且螺旋刀路的切深均匀、刀路平滑，加工效率高。

附图说明

图1是本发明对毛坯自动分区、分步加工的平面混合刀路生成方法的流程图。

图2是切深不均匀的螺旋刀路。

图3是加工区域的确定。

图4是加工区域基于势能场的梯度线。

图5是λ＝1时加工区域分界线位置。

图6是0≤λ＜1时加工区域分界线位置。

图7是λ＝0时刀路图。

图8是λ＝0.25时刀路图。

图9是λ＝0.5时刀路图。

图10是λ＝0.75时刀路图。

图11是λ＝1时刀路图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明对毛坯自动分区、分步加工的平面混合刀路生成方法包括以下步骤：

(1)用截平面与毛坯边界相交所得的截线作为待加工区域的外边界，记为L₁；用截平面与叶片相交所得的截线作为待加工区域的内边界记为L₂。L₁与L₂所围区域作为待加工区域,如图3所示。

(2)以步长t将整个待加工区域的外边界进行离散，以得到多个离散点。分别从待加工区域外边界的每个拐角点出发，沿其对应的外边界的两个方向进行交替搜索，以分别找到两个离散点，记为目标点，使该目标点对应的梯度线长度为它附近离散点对应梯度线长度的最小值，同时两个目标点之间的连线与叶片之间的距离不超过梯度线长度中的最小值l_min。连接两个离散点以形成分界线。离散步长t是毫米级，其值是由用户根据具体情况自由设定；本步骤具体包括以下子步骤：

(2-1)在待加工区域建立势能场、等势线、梯度线，具体包括如下步骤：

(2-1-1)在待加工区域建立势能场，规定内外边界的势能值分别为1,0。以该势能场建立有狄利克雷约束条件的拉普拉斯方程：

对于方程(1)可以做如下理解：

内外边界的势能值分别固定为1,0，加工区域内的势能值可以自由传导，当区域的能量达到稳定状态时，其势能值即满足拉普拉斯方程。

(2-1-2)在待加工区域建立一个固定的坐标系，用三角片把待加工区域离散，记三角片的顶点坐标为(X_i，Y_i)，i∈(1，r)，其中r表示离散三角片的顶点数量，第i个点的势能值可表示为:φ_i(x，y)。

(2-1-3)用有限元的方法求解方程组(1)，以获得φ(x，y)的表达式。

(2-1-4)以步长t把待加工区域的外边界L₁离散，得到离散点。

(2-1-5)根据梯度公式确定梯度线的切线方向。

(2-1-6)以(2-1-4)中获得的离散点为起点，根据(2-1-5)中梯度线的切线方向做出梯度线，梯度线的终点落在待加工区域内边界L₂上，如图4所示。计算所有梯度线的长度，并以梯度线的长度作为该离散点和叶片之间的距离，并记梯度线长度最小值为l_min。

(2-2)根据建立的梯度线的长度变化趋势，在待加工区域外边界搜寻一系列点，并用这些点确定的直线作为极限分界线，极限分界线为当截断区比例达到最大允许值时截断区与螺旋区的分界线，其中截断区为不同加工区域的分界线与原毛坯分界线围成的区域，螺旋区为原毛坯切除掉截断区后的剩余部分；如图5所示，记与拐角点A相连的两边为Q₁、Q₂，其对应步骤(2-1-4)的离散点分别为{M_u}、{N_v}，其中u∈(1，p)，v∈(1，q)p、q分别为边界线Q₁、Q₂上离散点的数量，规定A、M₁、N₁三点重合，记以点M_u、N_v作为起始点的梯度线的长度为s_u，s_v。具体搜寻步骤如下：

(2-2-1)交替在拐角点A两边Q₁、Q₂上搜寻分界线的端点，以使这些端点处对应的梯度线长度相近。设Q₁、Q₂上有两个动点E₁、E₂，它们的起始位置都在拐角点A。下面步骤根据s_u、s_v的长度关系分两种情况描述了当E₁、E₂分别移动到了位置M_u、N_v时，搜寻其下一个位置和确定其终止位置的方法：

(a)若s_u＞s_v

把点E₁移至点M_u+1，比较移动前后E₁点所对应的梯度线的长度。若梯度线长度变大，则停止搜寻，用E₁、E₂作为分界线端点；若梯度线长度变小，计算E₁、E₂确定的直线与待加工区域内边界L₂上的点的最小距离，且记为b。若b>l_min,再次比较s_u、s_v，并重复此步搜寻过程；若b<l_min，停止搜寻，把E₁退回至点M_u，并用E₁、E₂作为分界线端点。

(b)若s_u＜s_v

把点E₂移至点N_v+1，比较移动前后E₂点所对应的梯度线的长度。若梯度线长度变大，则停止搜寻，用E₁、E₂作为分界线端点。若梯度线长度变小，计算E₁、E₂确定的直线与待加工区域内边界L₂上的点的最小距离，记为a。若a>l_min,再次比较s_u、s_v，并重复此步搜寻过程；若a<l_min，停止搜寻，把E₂退回至点B_v，并用E₁、E₂作为分界线端点。

(2-2-2)用直线连接步骤(2-2-1)得到的两个端点，用该直线作为极限分界线。

(2-2-3)计算点A到极限分界线的距离H。

(3)以A为起点，作与步骤(2)所得极限分界线平行的直线。该直线与点A的距离为λH，λ是用户输入的参数，0≤λ＜1，其值由用户根据具体情况自由设定。如图6所示，此直线即为比例因子为λ时，分界线的位置。

(4)对待加工区域的所有拐角点执行步骤(2)、(3)，得到所有拐角点对应的分界线，这些分界线把待加工区域划分成截断区和螺旋区。

(5)分别在每个截断区产生切削方向与分界线平行的单向行切刀路。在整个螺旋区，产生一条连续的螺旋刀路。图7至图11分别为λ＝0、0.25、0.5、0.75、1时的分界线位置，以及相应的切削刀路。

(6)用圆弧连接步骤(5)中产生的相邻截断区的单向行切刀路，可得到完整的切除截断区的刀路，把切除截断区所用刀路的退刀刀路和切削螺旋区的螺旋刀路的进刀刀路平滑连接，从而得到完整刀路。

本发明根据毛坯外边界与叶片距离的变化趋势，确定包含拐角点的需要先被切除掉的区域的分界线,这些边界线把加工区域分成不同的子区域。记不同加工区域的分界线与原毛坯分界线围成的区域为截断区；记原毛坯切除掉截断区后剩余部分为螺旋区。加工时，先用单向行切刀路切掉截断区产生新的毛坯，再用螺旋刀路加工截断区。

通过上述描述可见，总而言之，本发明所采用的主要技术方案是：

(1)决定最大截断区与螺旋区的分界线：

为了保证螺旋刀路与单向行切刀路的比例合理，以发挥单向行切刀路的优势以及防止单向行切刀路比例过大造成过多的提刀，本发明提供了计算最大截断区的方法，生成最大截断区与螺旋区的边界，原理如下。

由于拐角点通常是外凸的，所以从拐角点出发，沿着远离拐角点的方向，毛坯外边界上的点与叶片的距离通常会先变小到某个最小值，再增大。本发明利用距离的这一变化趋势，确定极限分界线的端点的位置：在毛坯边界上，从毛坯拐角点与使得毛坯与叶片间距离达到上述最小值的点之间找到一个能够反映平均距离的点作为分界线端点。连接两端点的直线段即为分界线。由于该分界线是新毛坯外边界的一部分，为保证该分界线上的点与叶片的距离分布均匀，确定该分界线位置时，还有如下两个约束：

(a)分界线两端点与毛坯距离值近似相等。

(b)分界线与毛坯间的最小距离应不小于原毛坯与叶片间的最小距离。

(2)利用梯度线来衡量毛坯与叶片间距离的方案：

为了有效反应毛坯外边界与叶片间距离的变化趋势，本发明在加工区产生势能场并基于该势能场产生梯度线，用梯度线的长度代表毛坯外边界相应点到叶片的距离，用梯度线的长度变化趋势表示毛坯外边界与叶片边界距离的变化趋势。

(3)调整截断区与螺旋区比例的方法：

按照极限分界线分区产生的截断区通常并不一定是能使得加工效率达到最高的比例的位置。为了根据毛坯的不同形状灵活调整两种区域的比例，本发明引入了反映截断区所占比例的比例因子，记为λ。当λ＝0时，全部刀路为螺旋刀路；当λ＝1时，此时截断区达到最大比例。当两种刀路的区域的分界线确定后，可以根据比例因子及极限分界线的位置灵活调整实际分界线的位置从而调整两种区域的分布，其分布比例更合理。

(4)在截断区与螺旋区使用不同的刀路来达到切削效果的优化

为提高切削效率，本发明提供了一种用两种刀路分布、混合加工的方法。由于单向行切刀路切削方向一定，切深可以较大，所以本发明用较大切深的单向行切刀路切掉拐角部分毛坯。截断区被切掉后，剩余的螺旋区成为新毛坯，它的外边界与叶片的边界相对均匀，适宜用螺旋刀路加工。本发明通过在截断区产生单向行切刀路、在螺旋区产生螺旋刀路，并把两种刀路平滑连接产生混合刀路。以实现分部加工，达到优化刀路的目的。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种对毛坯自动分区、分步加工的平面混合刀路生成方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)用截平面与毛坯边界相交所得的截线作为待加工区域的外边界，记为L₁，用截平面与叶片相交所得的截线作为待加工区域的内边界记为L₂，L₁与L₂所围区域作为待加工区域；

(2)以步长t将整个待加工区域的外边界进行离散，以得到多个离散点，分别从待加工区域外边界的每个拐角点出发，沿其对应的外边界的两个方向进行交替搜索，以分别找到两个离散点，记为目标点，使该目标点对应的梯度线长度为它附近离散点对应梯度线长度的最小值，同时两个目标点之间的连线与叶片之间的距离不超过梯度线长度中的最小值l_min，连接两个离散点以形成分界线；本步骤具体包括以下子步骤：

(2-1)在待加工区域建立势能场、等势线、梯度线；

(2-2)根据建立的梯度线的长度变化趋势，在待加工区域外边界搜寻一系列点，并用这些点确定的直线作为极限分界线，极限分界线为当截断区比例达到最大允许值时截断区与螺旋区的分界线；

(3)以A为起点，作与步骤(2)所得极限分界线平行的直线。该直线与点A的距离为λH，其中λ是用户输入的参数，H是拐角点A到极限分界线的距离；

(4)对待加工区域的所有拐角点执行步骤(2)、(3)，得到所有拐角点对应的分界线，这些分界线把待加工区域划分成截断区和螺旋区；

(5)分别在每个截断区产生切削方向与分界线平行的单向行切刀路，在整个螺旋区，产生一条连续的螺旋刀路；

(6)用圆弧连接步骤(5)中产生的相邻截断区的单向行切刀路，可得到完整的切除截断区的刀路，把切除截断区所用刀路的退刀刀路和切削螺旋区的螺旋刀路的进刀刀路平滑连接，从而得到完整刀路。

2.根据权利要求1所述的平面混合刀路生成方法，其特征在于，步骤(2-1)具体包括如下步骤：

(2-1-1)在待加工区域建立势能场，规定内外边界的势能值分别为1,0，以该势能场建立有狄利克雷约束条件的拉普拉斯方程：

$\left\{\begin{array}{c}{\&dtri;}^2\mathrm{\&phi;}=0\\ \mathrm{\&phi;}{|}_{L_1}=0\\ \mathrm{\&phi;}{|}_{L_2}=1\end{array}\right.---\left(1\right)$

(2-1-2)在待加工区域建立一个固定的坐标系，用三角片把待加工区域离散，记三角片的顶点坐标为(X_i，Y_i)，i∈(1，r)，其中r表示离散三角片的顶点数量，第i个点的势能值可表示为φ_i(x，y)；

(2-1-3)用有限元的方法求解方程组(1)，以获得φ(x，y)的表达式；

(2-1-4)以步长t把待加工区域的外边界L₁离散，得到离散点。

(2-1-5)根据梯度公式确定梯度线的切线方向；

(2-1-6)以(2-1-4)中获得的离散点为起点，根据(2-1-5)中梯度线的切线方向做出梯度线，梯度线的终点落在待加工区域内边界L₂上，计算所有梯度线的长度，并以梯度线的长度作为该离散点和叶片之间的距离，并记梯度线长度最小值为l_min。

3.根据权利要求2所述的平面混合刀路生成方法，其特征在于，步骤(2-2)的搜索过程具体包括：

(2-2-1)交替在拐角点A两边Q₁、Q₂上搜寻分界线的端点，以使这些端点处对应的梯度线长度相近；

(2-2-2)用直线连接步骤(2-2-1)得到的两个端点，用该直线作为极限分界线；

(2-2-3)计算拐角点A到极限分界线的距离H。

4.根据权利要求3所述的平面混合刀路生成方法，其特征在于，步骤(2-2-1)具体为，设Q₁、Q₂上有两个动点E₁、E₂，它们的起始位置都在拐角点A，并根据s_u、s_v的长度关系确定的以下两种情况得到当E₁、E₂分别移动到了位置M_u、N_v时，搜寻其下一个位置和确定其终止位置的过程，其中{M_u}、{N_v}为以步长t把待加工区域的外边界L₁离散得到的离散点集合，u∈(1，p)，v∈(1，q)，p、q分别为边界线Q₁、Q₂上离散点的数量，s_u，s_v表示以点M_u、N_v作为起始点的梯度线的长度：

(a)若s_u＞s_v

把点E₁移至点M_u+1，比较移动前后E₁点所对应的梯度线的长度。若梯度线长度变大，则停止搜寻，用E₁、E₂作为分界线端点；若梯度线长度变小，计算E₁、E₂确定的直线与待加工区域内边界L₂上的点的最小距离，且记为b,若b>l_min,再次比较s_u、s_v，并重复此步搜寻过程；若b<l_min，停止搜寻，把E₁退回至点M_u，并用E₁、E₂作为分界线端点；

(b)若s_u＜s_v

把点E₂移至点N_v+1，比较移动前后E₂点所对应的梯度线的长度。若梯度线长度变大，则停止搜寻，用E₁、E₂作为分界线端点。若梯度线长度变小，计算E₁、E₂确定的直线与待加工区域内边界L₂上的点的最小距离，记为a，若a>l_min,再次比较s_u、s_v，并重复此步搜寻过程；若a<l_min，停止搜寻，把E₂退回至点N_v，并用E₁、E₂作为分界线端点。