CN106569457B - 一种双螺旋刀具路径规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双螺旋刀具路径规划方法，包括以下步骤：确定型腔外轮廓中轴线并进行过滤；在中轴线各个方向上释放波阵面，模拟波阵面随着时间的传播，保存传播停止时刻波阵面的传播状态；依次融合各个时刻保存的波阵面，进而获得螺旋轨迹并进一步获得双螺旋轨迹。应用本发明方法得到的轨迹光顺性好，中心曲率小，轨迹无退刀及抬刀，可以适用于高速切削加工，与现有的轨迹规划方式相比，具有可任意灵活设定双螺旋中心点、效率高、轨迹均匀，刀具运行稳定，且可无需退刀及抬刀完成一次性加工复杂型腔的优点。

Description

一种双螺旋刀具路径规划方法

技术领域

本发明涉及计算机图形、数控加工等技术，具体为一种适用于平面型腔高速加工的双螺旋刀具路径规划方法。

背景技术

目前，五轴高速数控加工技术已经成为具有经济前景的生产技术，它以高效率和高精度、高表面质量为基本特征，在复杂曲面的加工方面具有非常明显的优势，己成为提高加工效率和加工质量、降低成本的主要途径。高速加工不仅对机床、夹具、刀具等提出了更高的要求，对刀具运动路径拓扑几何形状和动力学性能的要求也极为严格。例如，如果没有合理排布走刀轨迹，则材料去除率的剧烈变化势必影响加工的效率与质量；同时，如果轨迹不连续或存在过多的路径转接，将不可避免造成频繁的抬刀或加工方向的突然改变而引起刀具的振动，因此在高速加工过程中要保证切削载荷均匀、不产生剧烈的变化。为了防止切削时速度矢量方向的突然改变，在刀轨拐角处需要增加圆弧过渡，避免出现尖锐拐角，所有进刀、退刀、步距和非切削运动的过渡也都需要尽可能圆滑。

通常，在高速加工中采用螺旋走刀方式规划刀具轨迹，这种刀具轨迹不容易出现细碎的加工轨迹，而且能够有效抑制刀具负载的波动及减少抬刀次数，从而可以获得较高的加工质量，因此这种连续进给方式对曲面五轴高速加工而言很值得重视。但在CAD/CAM系统中采用传统的偏置外边界的方法来获得螺旋轨迹。这一过程中，需进行大量的布尔运算，受初始平面选取的影响较大且型式单一，当模型具有复杂边界的时候，一般会生成相对过短的行切轨迹及尖锐转角，使机床频繁地加减速，从而引起较大振动，降低加工精度和刀具的寿命。此外，偏置方法在规划螺旋轨迹时，会产生轨迹自交和分裂现象，需要进行复杂的自交裁剪和分裂连接处理。与此同时，边界上的尖点会在偏置过程中被继承到每条轨迹上，当刀具运动到尖点处时，同样会引起加工效率和精度的下降。上述缺陷都使得这些方法难以适应现代加工的高速化、高精化趋势。在数控加工中，对加工轨迹形式、刀具位姿的确定与优化及进给定制等仍需做进一步的研究。目前的研究主要集中在一些优化的环节上，目的在于减少重叠，加大走刀行距，提高效率；也有一些新的轨迹算法的提出，如为减少高速加工中的抬刀次数，有研究人员提出了自外向内规划的螺旋加工轨迹设计方法，这一连续进给方式对高速加工具有重要意义。

美国学者Martin Held在2009年提出的螺旋轨迹生成方法最具代表性，该方法首先通过获取型腔的中轴，然后在中轴上生成一系列的圆盘，在获得圆盘后，通过求取圆盘的包络曲线进而对其进行变形和光顺的方法，生成了G1连续的螺旋加工轨迹。该方法生成的刀轨只需一次切入切出即可完成对整个加工区域的加工。其优点是轨迹过渡平滑，刀具的顺、逆铣状态不变，且完全避免了全刀宽切削，非常适合现代高速加工。但在实际应用时，为了保证刀轨对切削层的有效覆盖，刀轨行距取值往往过于保守，重叠率往往偏大，加工效率不佳，且现有的螺旋规划方法一般只能处理单连通域的情况，对包含岛屿的情况则无能为力。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明要解决的技术问题是提供一种双螺旋刀具路径规划方法。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种双螺旋刀具路径规划方法，包括以下步骤：

确定型腔外轮廓中轴线并进行过滤；

在中轴线各个方向上释放波阵面，模拟波阵面随着时间的传播，保存传播停止时刻波阵面的传播状态；

依次融合各个时刻保存的波阵面，进而获得螺旋轨迹并进一步获得双螺旋轨迹。

所述对型腔外轮廓中轴线进行过滤采用λ-中轴过滤法，通过设定λ值，保留中轴线的“枝”部分并去掉中轴线的“叶”部分。

所述模拟波阵面随着时间的传播，若双螺旋中心点位于该过滤后的中轴线上，则以该中心点为“根”节点，再进行中轴线上各个方向的传播；若双螺旋中心点不在该过滤后的中轴线上，则以该双螺旋中心点为“根”节点，获得离中轴线“枝”部分最近点，再进行中轴线上各个方向的传播。

所述各个波阵面随着时间的传播的停止时刻通过如下方法确定：

计算从“根”节点到各个方向的中轴线的“枝”的部分的末端的长度，取其最大长度；

在该最大长度的中轴线的“枝”的部分上以等残留高度法计算加工间距点位；

当波阵面传播到加工间距点位时，停止波阵面的传播，并保存该时刻波阵面的传播状态。

所述融合各个时刻保存的波阵面通过将所有波阵面进行布尔或运算得到。

所述螺旋轨迹通过以下方法获得：

对融合后的波阵面进行曲率能量最小化处理；

将临近两波阵面的轮廓分别进行能量最小化处理后的外圈按设定的等弦高差值求取加工点位，并以二分法在内圈求取相同数目的点位；

连接两临近圈的点位，并分别将每个连接线按该数目进行等分，从0到1递增的构造出螺旋轨迹。

所述双螺旋轨迹通过以下方法获得：

根据相邻的两条螺旋轨迹单元，连接两临近圈的点位，求取连接线的中点并反方向顺次连接各个中点；

在外侧螺旋轨迹单元以等弦高法计算获得加工点位并统计数目；

对内侧的螺旋轨迹单元以二分法计算等于所述外侧轨迹单元加工点数目所需的弦高差值；

逆向连接每两个临近螺旋轨迹单元的加工点位的连接线中点，即生成反方向的单螺旋轨迹单元；

递归上述过程直到生成所有的反方向单螺旋轨迹单元，连接两个相邻的反向的单螺旋轨迹位于待加工区域内部的中心点，生成双螺旋轨迹。

本发明具有以下优点及有益效果：

1.采用本发明方法得到的轨迹光顺性好，中心曲率小，轨迹无退刀及抬刀，可以适用于高速切削加工，与现有的轨迹规划方式相比，具有可任意灵活设定双螺旋中心点、效率高、轨迹均匀，刀具运行稳定，且可无需退刀及抬刀完成一次性加工复杂型腔的优点。

2.采用本发明方法完成了复杂型腔双螺旋中心点位可以任意设定，从而实现双螺旋轨迹加工，提高了加工效率和质量的问题。

3.本发明采用了采用双螺旋轨迹加工，降低了加工中央区域的曲率，提高了加工的光顺性，进一步实现了提高加工效率和质量的问题。

4.本发明中双螺旋加工轨迹具有互补结构，规划简单的轨迹连接方式可实现大尺寸型腔或复杂型腔的分区域加工轨迹规划的实现。

5.本发明中双螺旋中心点位可以任意设定，可以预估双螺旋轨迹，从而确定合适的点位，提高了加工轨迹的均匀性。

附图说明

图1为本发明的中轴线示意图；

其中，(a)为原始中轴线，(b)为λ＝7时的中轴线，(c)为λ＝11时的中轴线，(d)为λ＝19时的中轴线；

图2为本发明的波阵面融合后“锯齿”状外轮廓示意图；

图3为根据能量方程调整图形光顺性示意图；

其中，(a)为原点位，(b)为若干次调整后点位；

图4为本发明中临近圈连接生成螺旋轨迹示意图；

图5为生成双螺旋轨迹示意图；

图6为双螺旋中心点位于不同位置的双螺旋轨迹规划示意图；

其中，(a)为中心点位于手心处的螺旋轨迹A，(b)为中心点位于手心处的双螺旋轨迹AB，(c)为中心点位于小手指处的螺旋轨迹A，(d)为中心点位于小手指处的双螺旋轨迹AB；

图7为临近三条刀具路径及采样点示意图；

其中，(a)为三条临近刀具路径，其中路径A及路径C为相邻两条同方向螺旋轨迹单元，路径B为反方向螺旋轨迹，(b)为三条刀具路径上的采样点。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

实施例：本发明基于双螺旋轨迹的轨迹生成方法，首先简化中轴线，仅保留“枝”部分，并确定中轴线各个部分的长度，在中轴线上依次扩散波阵面，融合波阵面，获得单螺旋轨迹，并进而生成双螺旋轨迹。具体的双螺旋加工轨迹生成的方法步骤，如下：

1.确定中轴线并进行简化

首先获得图形(外轮廓)的中轴线(如图1(a)，中轴线包含“枝”部分及“叶”部分)。调用λ-中轴过滤法，设定λ值，可以保留中轴线的“枝”部分并去掉中轴线的“叶”部分(如图1(b)-1(d)，随着λ值的增大，中轴线的“枝”部分保留而“叶”部分逐渐被去掉)。可以选取适当的λ值，保留“枝”的部分并将多余的“叶”部分去掉。

2.沿中轴线进行波阵面的扩散

若双螺旋中心点位于该简化后的中轴线上，则以该中心点为“根”节点，再进行中轴线上各个方向的传播；

若双螺旋中心点不在于中轴线上，则以该点为“根”节点，离中轴线“枝”部分最近的方向做垂线，再进行中轴线上各个方向的传播。接着计算从“根”节点到各个方向的中轴线的“枝”的部分的末端的长度，在得到的最大长度的中轴线的“枝”的部分上以等残留高度法计算加工间距点位，则所有的各个中轴线的“枝”的部分因长度均小于该最大长度，所以加工区域内将满足加工行距；各个中轴线的“枝”部分的传播速度需要分别根据双螺旋中心点到各个“枝”的末端的部分中轴线的长度来确定，以保证在同一时刻完成所有波阵面最终布满型腔。

3.生成螺旋轨迹：

每次平面内所有的波阵面融合的每一时刻为波阵面扩散到前述最长距离的“枝”的部分以等残留高度法计算加工间距点位每一等距点的时刻。因同一时刻的所有波阵面为若干圆形，所以可以通过进行布尔“或”运算，从而获得其外轮廓。波面与波面间进行布尔“或”运算将得到很多的“锯齿”状外轮廓，如图2所示，消除这些“锯齿”的方法为以能量方程判断外轮廓的曲率值，从而调整这些点位，进而降低曲率能量值，消除“锯齿”。针对每个融合后的外轮廓再分别按照能量方程，进行封闭边界的能量最小化。

或者

式中,κ(s)是外边界封闭曲线的离散曲率，κ”(s)是曲率的二阶导数。

若外边界光顺性差则往往带有尖锐转角，且尖锐转角处的曲率对应于曲率导数的不连续性。根据外边界曲线全局及局部光顺性的验证，可以自动判断出外边界上哪个点位需要进行调整。这个光顺过程将通过一次改变一个点位的方式进行迭代进行。因为能量值得降低速率并不总是单调递减的，所以提出以经验公式的方式，进行外边界的光顺性处理。可以总结出：外边界能量值的降低值必须遵循全局光顺法则：对于低光顺性的曲率，能量值E在最初的几次迭代计算中将剧烈的变化。相对地，若原始外边界足够光顺，则能量值E的最开始的几次变化非常缓慢且稳定在一个范围内。所以，当该迭代过程进行数次后，则认为调整后的外边界已经足够光顺不需要再进行点位调整。如图3(a)，为一原始外边界，而图3(b)，则为进行若干次光顺性调整后的外边界。

将能量最小化后的临近两轮廓外圈进行设定的等弦高差值求取点位，并以二分法在内圈求取相同数目的点位，连接两临近圈的点位，并分别将每个连接段按该数目进行等分，从0到1递增的构造出螺旋轨迹A，如图4；因所有的单螺旋轨迹分割为从外到内的螺旋轨迹单元，以相邻两条螺旋轨迹单元为例：在外侧轨迹单元以等弦高法计算获得加工点位并统计数目，对内侧的轨迹单元以二分法计算等于前述外侧轨迹单元加工点数目所需的弦高差值，进而递归调用这个方法，使得每两个临近螺旋轨迹单元的加工点位数目相等。逆向连接即生成与之前间距近似相同的螺旋轨迹B。首位连接两轨迹即构造出双螺旋轨迹AB，如图5、7。

因为双螺旋轨迹具有互补结构，所以加工的次序为由外部区域到内部区域，再由内部区域到外部区域，从而保证无退刀加工。

4.本发明有益效果

为验证本发明所提出的双螺旋刀具路径规划方法的有效性，采用如图6所示的双螺旋轨迹中心点分别位于手心与小拇指处的双螺旋轨迹规划。

首先按前文提出的方法，分别在中心点处生成波阵面，进而以双螺旋中心点到各个“枝”的末端的部分中轴线的长度的中轴线部分，确定其上的弦高差点位，得到螺旋圈数，在波阵面依次达到每个弦高差点位时刻，进行波阵面的融合，并获得螺旋轨迹，最终生成双螺旋轨迹。双螺旋轨迹中心点在型腔轮廓区域内的任意位置处，均可以生成双螺旋轨迹，该轨迹具有互补结构，可以进行轨迹连接，加工复杂型腔及大尺寸型腔的高速加工。

Claims (7)

1.一种双螺旋刀具路径规划方法，其特征在于，包括以下步骤：

确定型腔外轮廓中轴线并进行过滤；

在中轴线各个方向上释放波阵面，模拟波阵面随着时间的传播，保存传播停止时刻波阵面的传播状态；

依次融合各个时刻保存的波阵面，进而获得螺旋轨迹并进一步获得双螺旋轨迹。

2.根据权利要求1所述的一种双螺旋刀具路径规划方法，其特征在于，对型腔外轮廓中轴线进行过滤采用λ-中轴过滤法，通过设定λ值，保留中轴线的“枝”部分并去掉中轴线的“叶”部分。

3.根据权利要求1所述的一种双螺旋刀具路径规划方法，其特征在于，所述模拟波阵面随着时间的传播，若双螺旋中心点位于该过滤后的中轴线上，则以该中心点为“根”节点，再进行中轴线上各个方向的传播；若双螺旋中心点不在该过滤后的中轴线上，则以该双螺旋中心点为“根”节点，获得离中轴线“枝”部分最近点，再进行中轴线上各个方向的传播。

4.根据权利要求1所述的一种双螺旋刀具路径规划方法，其特征在于，所述传播停止时刻通过如下方法确定：

计算从“根”节点到各个方向的中轴线的“枝”的部分的末端的长度，取其最大长度；

在该最大长度的中轴线的“枝”的部分上以等残留高度法计算加工间距点位；

当波阵面传播到加工间距点位时，停止波阵面的传播，并保存该时刻波阵面的传播状态。

5.根据权利要求1所述的一种双螺旋刀具路径规划方法，其特征在于，所述融合各个时刻保存的波阵面通过将所有波阵面进行布尔或运算得到。

6.根据权利要求1所述的一种双螺旋刀具路径规划方法，其特征在于，所述螺旋轨迹通过以下方法获得：

对融合后的波阵面进行曲率能量最小化处理；

将临近两波阵面的轮廓分别进行能量最小化处理后的外圈按设定的等弦高差值求取加工点位，并以二分法在内圈求取相同数目的点位；

连接两临近圈的点位，并分别将每个连接线按该数目进行等分，从0到1递增的构造出螺旋轨迹。

7.根据权利要求1所述的一种双螺旋刀具路径规划方法，其特征在于，所述双螺旋轨迹通过以下方法获得：

a.根据相邻的两条螺旋轨迹单元，连接两临近圈的点位，求取连接线的中点并反方向顺次连接各个中点；

b.在外侧螺旋轨迹单元以等弦高法计算获得加工点位并统计数目；

c.对内侧的螺旋轨迹单元以二分法计算等于所述外侧螺旋轨迹单元加工点数目所需的弦高差值；

d.逆向连接每两个临近螺旋轨迹单元的加工点位的连接线中点，即生成反方向的单螺旋轨迹单元；

递归上述a-d过程直到生成所有的反方向单螺旋轨迹单元，连接两个相邻的反向的单螺旋轨迹位于待加工区域内部的中心点，生成双螺旋轨迹。