CN105955195B - 一种基于铣削力预测的曲面加工轨迹生成方法 - Google Patents

Abstract

一种基于铣削力预测的曲面加工轨迹生成方法，涉及金属切削加工领域。它能限制加工过程中铣削力的波动，改善工件表面质量，提高加工效率。将工件曲面进行离散并划分；建立离散点力的矢量图并计算铣削力；任选一个离散点作为初始点，计算该初始点最近的八个离散点的位置；计算所述的初始点与最近离散点同方向铣削力的差值，并对差值进行比较，得到该初始切削点优化连接方向；将该优化连接方向上的最近离散点作为下一个切削点，计算距离所述的下一个切削点最近的八个离散点的位置；使用前述方法，得到该切削点优化连接方向，重复上一步，直至将所有离散点均连接过为止，得到实际加工中的刀路轨迹。本发明用于自由曲面切削加工。

Description

一种基于铣削力预测的曲面加工轨迹生成方法

技术领域

本发明涉及金属切削加工领域，尤其涉及一种基于铣削力预测的曲面加工轨迹生成方法。

背景技术

在航空、造船、汽车制造等领域中，会经常涉及一些如轮机叶片、舰船螺旋桨、汽车外形等具有特殊过渡曲线的曲面，这种曲面称作自由曲面。自由曲面可满足现代产品的精美外形及性能要求，但是，由于其对于精度较高的要求，使得自由曲面成为数控加工领域研究的热点和难点。自由曲面数控编程是其数字化设计与制造集成技术的重要环节，而自由曲面加工刀具路径轨迹规划技术作为自由曲面数控编程的核心技术，具有举足轻重的地位。针对自由曲面进行刀具路径轨迹规划旨在提高自由曲面的加工质量和加工效率，传统刀具路径轨迹规划方法都是在只考虑刀具与工件之间几何关系的情况下进行路径规划的，而在实际切削加工过程中，各种物理因素对加工过程的影响也不容小觑，例如切削力、切削温度、切削振动、刀具磨损、不同工艺参数对加工质量的影响及危害等。这些因素对切削加工的经济性影响重大，在加工过程中考虑物理因素的影响势在必行。

发明内容

本发明的目的是提供一种可以限制加工过程中铣削力的波动，改善工件的表面质量，并有效降低加工刀具路径长度，提高曲面加工效率的基于铣削力预测的曲面加工轨迹生成方法。

本发明旨在分析传统刀具路径轨迹规划方法的基础上，弥补传统刀具轨迹规划方法只考虑刀具与工件相对几何关系，而未曾关注切削加工过程中各种物理因素对加工过程影响的不足，将铣削力的变化引入到刀具路径轨迹规划中，并将刀具路径轨迹规划问题转化为TSP(旅行商)问题，提出一种基于铣削力预测的曲面加工轨迹生成新方法，目的是限制加工过程中铣削力波动，提高曲面加工效率，并且改善工件表面质量。

实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种基于铣削力预测的曲面加工轨迹生成方法，所述的方法包括以下步骤：

步骤1：将工件的自由曲面进行离散，并根据每个离散点曲率变化划分该自由曲面；

步骤2：对每个离散点以水平向左为基准按顺时针方向以45°为间隔分别建立八个进给方向力的矢量图并计算该八个方向的铣削力大小；

步骤3：在所有的离散点中任选一个离散点作为初始切削点，计算距离该初始切削点最近的八个离散点的位置；

步骤4：利用遗传算法计算所述的初始切削点与其最近的八个离散点同方向铣削力的差值，并对铣削力的差值进行比较，得到该初始切削点优化连接方向，并将该初始切削点与优化连接方向上的最近离散点连接；

步骤5：将该优化连接方向上的最近离散点作为下一个切削点，计算距离所述的下一个切削点最近的八个离散点的位置；

步骤6：利用遗传算法计算所述的下一个切削点与其最近的八个离散点同方向铣削力的差值，并对铣削力的差值进行比较，得到该切削点优化连接方向后，执行步骤5，直至将所有离散点均连接过为止，得到实际加工过程中应用的刀路轨迹。

本发明相对于现有技术的有益效果是：

1.本发明将铣削力的变化引入到刀具路径轨迹规划中，解决了传统刀具轨迹规划方法只考虑刀具与工件相对几何关系，而未曾关注切削加工过程中物理因素对加工过程影响的问题，限制了加工过程中铣削力的波动，保证了切削过程的平稳。

2.本发明在考虑铣削力的变化基础上采用TSP(旅行商)问题来优化刀路轨迹，能够快速有效地找到最优刀具路径，提高了曲面加工效率，加工的工件表面光顺性更好，改善了工件的表面质量。

附图说明

图1为本发明基于铣削力预测的曲面加工轨迹生成方法流程框图；

图2为二维曲面离散仿真结果图；

图3为特征曲面划分效果图；

图4为离散点主要进给方向示意图；

图5为离散点整体受力图；

图6为图5的局部放大图；

图7为刀路轨迹仿真结果图。

具体实施方式

为了有助于本领域技术人员理解，下面结合附图和相关实施例对本发明方案做进一步的阐述，以下实施例并不构成对本发明的不当限定。

具体实施方式一：如图1所示，本实施方式披露了一种基于铣削力预测的曲面加工轨迹生成方法，所述的方法包括以下步骤：

步骤1：将工件的自由曲面进行离散，并根据每个离散点曲率变化划分该自由曲面；

步骤2：对每个离散点以水平向左为基准按顺时针方向以45°为间隔分别建立八个进给方向力的矢量图并计算该八个方向的铣削力大小；

步骤3：在所有的离散点中任选一个离散点作为初始切削点，计算距离该初始切削点最近的八个离散点的位置；

步骤4：利用遗传算法计算所述的初始切削点与其最近的八个离散点同方向铣削力的差值，并对铣削力的差值进行比较，得到该初始切削点优化连接方向，并将该初始切削点与优化连接方向上的最近离散点连接；

步骤5：将该优化连接方向上的最近离散点作为下一个切削点，计算距离所述的下一个切削点最近的八个离散点的位置；

步骤6：利用遗传算法计算所述的下一个切削点与其最近的八个离散点同方向铣削力的差值，并对铣削力的差值进行比较，得到该切削点优化连接方向后，执行步骤5，直至将所有离散点均连接过为止，得到实际加工过程中应用的刀路轨迹。如图7所示，图中的短折线代表刀具走过的路径，长线段代表经过曲面划分后的边界线，圆形代表抬刀，三角形代表进刀。

具体实施方式二：具体实施方式一所述的一种基于铣削力预测的曲面加工轨迹生成方法，步骤1中，将工件的自由曲面进行离散，并根据每个离散点曲率变化划分该自由曲面的具体方法步骤是：

步骤1-1：将所述的工件自由曲面看做是由多个简单曲面拼凑而成的，每个所述的简单曲面的形式描述为P(u，v)，其中P(u，v)是曲面的参数方程，u、v是满足0≤u、v≤1的两个参数；

本实施方式中，所选曲面参数方程如下：

所选曲面实例的MATLAB二维仿真离散结果如图2所示；

步骤1-2：根据每个离散点的曲率不同将工件的自由曲面整体划分为凸曲面、凹曲面和马鞍面。

工件的自由曲面划分完成后，利用MATLAB软件对所选的曲面(即凸曲面、凹曲面或马鞍面)进行曲面细分的仿真。图3为实现的曲面分片效果，其中圆圈代表凹面、五角星代表马鞍面、三角形代表凸曲面，图内的直线代表经过曲面划分后的边界线。

具体实施方式三：具体实施方式一所述的一种基于铣削力预测的曲面加工轨迹生成方法，步骤2中，对每个离散点以水平向左为基准按顺时针方向以45°为间隔分别建立八个进给方向力的矢量图并计算八个方向的铣削力大小的具体方法步骤是：

步骤2-1：将每个简单曲面近似看做为任意进给方向的斜平面微元加工，对这个简单曲面上的离散点建立以水平向左为基准按顺时针方向以45°为间隔八个进给方向力的矢量图，如图4所示；

步骤2-2：由于微元铣削力计算公式是在水平面上建立的，而斜平面和平面之间的转换只需进行相应的坐标变换就能实现，计算八个进给方向的铣削力大小所用铣削力模型为下式：

其中，j-表示第j个刀齿；

N_f-表示铣刀齿数；

Ф-表示铣刀旋转角度；

Θ-表示球头刃线处任意一点的位置角。

仿真结果如图5和图6所示，图中圆内线段所指的方向代表该离散点受力方向，线段的长短代表该离散点在线段所指方向上受力的大小，线段越长代表该离散点所受的该方向的力越大，反之，线段越短代表该离散点所受的该方向的力越小。

具体实施方式四：具体实施方式一所述的一种基于铣削力预测的曲面加工轨迹生成方法，步骤3中，在所有的离散点中任选一个离散点作为初始切削点，计算距离该初始切削点最近的八个离散点的位置的具体方法步骤是：

步骤3-1：将刀具(铣刀)路径优化问题可归结为TSP(旅行商)问题，其中刀具相当于旅行商，每个刀位点相当于旅行商要经过的城市，而最优走刀路径的目标函数即为所有路径长度最短；

步骤3-2：对路径长度最短的计算通过以下方式实现：

若对于城市W＝(v₁，v₂，…v_n)的一个访问顺序为T≥(t₁，t₂，…t_n)，其中i∈V＝{1，2，…，n}，且TSP(旅行商)问题的数学模型为下式：

其中，W-表示城市列表；

t_i-表示第i个访问城市；

d(t_it_i+1)-表示城市t_i和城市t_i+1之间的距离；

L-表示通过所有城市且每个城市仅通过一次时的距离。

具体实施方式五：具体实施方式四所述的一种基于铣削力预测的曲面加工轨迹生成方法，步骤4中，利用遗传算法计算所述的初始切削点与其最近的八个离散点同方向铣削力的差值，并对铣削力的差值进行比较，得到该初始切削点优化连接方向的具体方法为：

利用遗传算法计算所述的初始切削点八个方向的每个同方向力差值的大小，计算初始切削点与其最近八个离散点每个同方向铣削力的差值，并对初始切削点与其最近八个离散点同方向铣削力的差值进行比较，选择八个切削力差值中最小的切削力的差值方向作为优化连接方向。

遗传算法的计算原理可参考文献(1.卫葳，李建勇，王恒.基于遗传算法的PCB数控钻孔路径优化[J].计算机工程与应用，2008，25：229-232.2.李明海，邢桂华.用MATLAB实现中国旅行商问题的求解[J].微计算机应用，2004，02：218-222.)；

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明的，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其他变化，以及应用到本发明未提及的领域中，当然，这些依据本发明精神所做的变化都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (5)

1.一种基于铣削力预测的曲面加工轨迹生成方法，其特征在于：所述的方法包括以下步骤：

步骤1：将工件的自由曲面进行离散，并根据每个离散点曲率变化划分该自由曲面；

步骤2：对每个离散点以水平向左为基准按顺时针方向以45°为间隔分别建立八个进给方向力的矢量图并计算该八个方向的铣削力大小；

步骤3：在所有的离散点中任选一个离散点作为初始切削点，计算距离该初始切削点最近的八个离散点的位置；

步骤4：利用遗传算法计算所述的初始切削点与其最近的八个离散点同方向铣削力的差值，并对铣削力的差值进行比较，得到该初始切削点优化连接方向，并将该初始切削点与优化连接方向上的最近离散点连接；

步骤5：将该优化连接方向上的最近离散点作为下一个切削点，计算距离所述的下一个切削点最近的八个离散点的位置；

步骤6：利用遗传算法计算所述的下一个切削点与其最近的八个离散点同方向铣削力的差值，并对铣削力的差值进行比较，得到该切削点优化连接方向后，执行步骤5，直至将所有离散点均连接过为止，得到实际加工过程中应用的刀路轨迹。

2.根据权利要求1所述的一种基于铣削力预测的曲面加工轨迹生成方法，其特征在于：步骤1中，将工件的自由曲面进行离散，并根据每个离散点曲率变化划分该自由曲面的具体方法步骤是：

步骤1-1：将所述的工件自由曲面看做是由多个简单曲面拼凑而成的，每个所述的简单曲面的形式描述为P(u，v)，其中P(u，v)是曲面的参数方程，u、v是满足0≤u、v≤1的两个参数；

步骤1-2：根据每个离散点的曲率不同将工件的自由曲面整体划分为凸曲面、凹曲面和马鞍面。

3.根据权利要求1所述的一种基于铣削力预测的曲面加工轨迹生成方法，其特征在于：

步骤2中，对每个离散点以水平向左为基准按顺时针方向以45°为间隔分别建立八个进给方向力的矢量图并计算八个方向的铣削力大小的具体方法步骤是：

步骤2-1：将每个简单曲面近似看做为任意进给方向的斜平面微元加工，对这个简单曲面上的离散点建立以水平向左为基准按顺时针方向以45°为间隔八个进给方向力的矢量图；

步骤2-2：由于微元铣削力计算公式是在水平面上建立的，而斜平面和平面之间的转换只需进行相应的坐标变换就能实现，计算八个进给方向的铣削力大小所用铣削力模型为下式：

其中，j-表示第j个刀齿；

N_f-表示铣刀齿数；

-表示铣刀旋转角度；

θ-表示球头刃线处任意一点的位置角。

4.根据权利要求1所述的一种基于铣削力预测的曲面加工轨迹生成方法，其特征在于：步骤3中，在所有的离散点中任选一个离散点作为初始切削点，计算距离该初始切削点最近的八个离散点的位置的具体方法步骤是：

步骤3-1：将刀具路径优化问题可归结为TSP问题，其中刀具相当于旅行商，每个刀位点相当于旅行商要经过的城市，而最优走刀路径的目标函数即为所有路径长度最短；

步骤3-2：对路径长度最短的计算通过以下方式实现：

若对于城市W＝(v₁，v₂，…v_n)的一个访问顺序为T≥(t₁，t₂，…t_n)，其中i∈V＝{1，2，…，n}，且TSP(旅行商)问题的数学模型为下式：

<mrow> <mi>min</mi> <mi> </mi> <mi>L</mi> <mo>=</mo> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>n</mi> </munderover> <mi>d</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>t</mi> <mi>i</mi> </msub> <msub> <mi>t</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

其中，W-表示城市列表；

t_i-表示第i个访问城市；

d(t_it_i+1)-表示城市t_i和城市t_i+1之间的距离；

L-表示通过所有城市且每个城市仅通过一次时的距离。

5.根据权利要求4所述的一种基于铣削力预测的曲面加工轨迹生成方法，其特征在于：步骤4中，利用遗传算法计算所述的初始切削点与其最近的八个离散点同方向铣削力的差值，并对铣削力的差值进行比较，得到该初始切削点优化连接方向的具体方法为：

利用遗传算法计算所述的初始切削点八个方向的每个同方向力差值的大小，计算初始切削点与其最近八个离散点每个同方向铣削力的差值，并对初始切削点与其最近八个离散点同方向铣削力的差值进行比较，选择八个切削力差值中最小的切削力的差值方向作为优化连接方向。