CN108920862A - 一种基于cad建模的模具切削加工轨迹计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于CAD建模的模具切削加工轨迹计算方法，具体包括以下四个步骤：(1)校准切削系统中的设计模型与机械设备中的待加工工件一致：对应设备吸盘上的工件与系统中导入的CAD模型坐标校核一致；(2)通过计算待加工工件的CAD设计模型中的目标曲线上各点在实体模具加工坐标系内是否共线，来判定目标曲线是否可以在实体模具上进行准确加工；(3)确定刀具的切削轨迹；(4)确定刀具在待加工工件上的切入点。采用本切削方法而制成的设备，可以替代五轴加工中心、雕刻机以及手工切割设备进行模具切削；本发明可以说是综合了现有技术中各设备的优点而存在的；整个设备成本低、加工效率高、加工的实体工件表面开槽质量优。

Description

一种基于CAD建模的模具切削加工轨迹计算方法

技术领域

本发明涉及机械加工领域，具体涉及一种基于CAD建模的模具切削加工方法。

背景技术

在工件上开槽为常用的加工方式采用铣削，但是铣削加工速率慢，成本高，尤其对于槽底具有曲面的槽体，例如在鞋模的模芯加工中，其中最基本的要求就是鞋底的龙需要具有Z向的弧度，相应的在制作鞋模芯时Z向也要具有一定的弧度；而且对于整个鞋底来说，脚掌的不同位置、脚跟的不同位置龙骨弧度都是不尽相同的，需要逐一加工，无形中增加了加工难度；由于模芯的复杂性及工艺流程的难度，现有技术中有采用五轴加工中心加工鞋底模型，但是由于五轴加工中心投资高，加工费用昂贵，成本太高，不适用与普通的加工厂；在以上加工中如果可以采用数控圆锯片切割的话，可以一刀结束切削，大大提高切削加工效率。

对于其他需要开通槽的工件来说，如果采用圆锯片的话，加工效率远远大于铣削。

发明内容

本发明的目的是提供一种采用圆锯片在工件上开设通槽的切削加工方法；通槽的槽底可以是曲面或是直面，适应范围广泛、开槽切削效果好、效率高。

加工精度可以达到制鞋厂家的品质需求，同时提高加工效率，并且避免生产事故发生的实体模具数控切割机。

本发明采用如下技术方案实现：

一种基于CAD建模的模具切削加工轨迹计算方法，包括待加工工件吸盘、垂直于工件吸盘的圆锯片；圆锯片垂直切入工件吸盘上的待加工件，在待加工工件上开槽；具体包括如下步骤：

(1)校准切削系统中的设计模型与机械设备中的待加工工件一致，包括如下步骤：

1.1设定工件吸盘的中心点为加工坐标原点(0,0,0)，工件吸盘所在面为加工XY平面，垂直于XY平面即圆锯片所在平面为加工Z轴；

1.2在吸盘上设置有L型定位支架，待加工工件由吸盘吸住、通过L型定位支架限位；其中L型定位支架两垂直边分别与X轴、Y轴方向平行，平行于Y轴的边与吸盘中心点的有向距离为W_L，简称该边为竖边，平行于X轴的边与吸盘中心点的有向距离为H_L，简称该边为横边；

1.3将相应的待加工工件的CAD设计模型导入切削加工系统中，在加工系统的坐标系中绘制平行于XY平面的L型参考线，其两边距离坐标原点距离分别为H_L和H_L；

1.4计算导入模型的凸包，记为多边形P＝p₀p₁…p_n，其中p_i，i＝0，…，n，且在XY平面内，点p_i，i＝0，…，n为逆时针方向的；

1.5用户通过系统交互指定凸包的一条边与L支架的竖边校准，具体步骤如下：

a)计算导入的待加工工件的CAD设计模型的修正角度：假定用户指定的边为p_ip_i+1，该边与X轴正向所成角度为α，那么修正角度θ为

b)对于模型中的任一点p＝(x，y，z)，经过修正后的点为p′＝(x′，y′，z′)，满足

c)凸包经过变换后为P′＝p′₀p′₁…p′_n，记Δ_x＝w_L-x′_i，令

d)将系统中的模型在XY平面内进行平移，即对于任一点p＝(x，y，z)，其偏移后的坐标为p″＝(x+W_L，y+H_L，z)；

(2)通过计算待加工工件的CAD设计模型中的目标曲线上各点在实体模具加工坐标系内是否共线，来判定目标曲线是否可以在实体模具上进行准确加工；

首先，将目标曲线的首末端点坐标记为(x₀，y₀，z₀)，(x₁，y₁，z₁)；曲线上任一采样点记为(x，y，z)；

则若s>lε，则可以判定该曲线为边界曲线；

则若s≤lε，则可以判定该曲线上的所有点共线；其中

s＝|(x-x₀)*(y₁-y)-(x₁-x₀)*(y₁-y₀)|，∈为给定的误差10^-4；

(3)刀具轨迹的确定：

3.1由于刀具中心点的轨迹曲线为目标曲线的等距曲线，

则刀具中心的轨迹曲线P₀(t)是刀具半径和目标曲线之间的函数关系：

P_o(t)＝P(t)+δn(t)*r

其中，P(t)＝(x(t)，y(t)，z(t))为目标曲线的参数形式，参数t∈[0，1]；r为刀具半径；目标曲线的单位法向量(沿Y轴切割机型)或

(沿X轴切割机型)；

3.2如果各切削点为离散点，对于折线段或者离散化后的圆弧、样条曲线，曲线均表示为折线段，因此单位法向的计算也是离散的，则通过以下方式确定刀具轨迹：

假设折线段上有m+1个点p_i＝(x_i，y_i，z_i)，i＝0，...，m，记p-1＝p₀，p_m+1＝p_m。对于点p_i处的法向量n_i，首先计算(沿Y轴切割机型)或(沿X轴切割机型)，

于是有其中||·||为向量的模运算；

(4)由于刀片与实体模具边缘相切，且刀片与目标曲线的延长线相切，通过向量计算得到刀片切削的起始位置——即刀片中心的起始位置；

记p₀为入切点，r为刀片的半径，t₀＝(t_x，t_y，t_z)为p₀处的单位切向量分量，其中单位切向量指向实体模具外部，对于折线段有t₀·(p₁-p₀)＜0。设实体模具厚度为h，当入刀时，刀具与模具不发生直接碰撞的情况下，假定刀片中心位置为q_c，令向量q_c-p₀与向量(0,0,1)所成角度为β，则有 若sinβ＜∈(设∈＝10^-4)，则记R＝∞；若sinβ＜∈(大于号)，则记进一步令H＝R cos β；

若模型厚度h≥H，则刀具中心点位置为：

若模型厚度h＜H，则再令l＝h cos 2β，有

进一步的：步骤1.3中的待加工工件的CAD设计模型为采用三维CAD软件制得的模型。

采用本切削方法而制成的设备，可以替代五轴加工中心、雕刻机以及手工切割设备进行模具切削；对于采用本方法而应用圆锯片对模具表面开槽来说，相比于五轴加工中心来说，其设备可以有效降低成本，而且操作难度低于五轴加工中心；相对于雕刻机来说，本发明的切削加工效率远高于雕刻机，并且加工的产品质量同样不低于雕刻机；本发明可以说是综合了现有技术中各设备的优点而存在的；整个设备成本低、加工效率高、加工的实体工件表面开槽质量优；对于加工鞋模模芯来说，以其做成的鞋龙骨，质量优异，符合人体脚部的工学原理，制成的鞋更加舒适；尤其是由于采用了数控自动化切割，避免了安全隐患，提高操作工人的安全，降低了人员成本。

附图说明

图1为现有鞋底龙骨需要的弧度加工示意图(以高跟鞋为例)；

图2为实体模具原料结构示意图；

图3为图2中实体模具加工成品示意图；

图4为图3的剖视图；

图5为另一种龙骨需要切削的示意图；

图6为图1中通槽槽底左右对称的工件采用本切削方式的切削路径示意图；

图7为为通槽槽底左右非对称的工件采用本切削方式的切削路径示意图；

图8为通槽槽底是折现的切割过程的结构示意；

图9为本发明的切削过程示意图；

在图1中各部件的名称：鞋底100、龙骨101、第二龙骨101-1。

在图2、图3、图4、图5中各附图中标号的名称：实体模具200，龙骨槽201。

在图6-8中各附图中标号名称：圆锯片310，待加工500工件；ap为背吃刀量(即切深—Z向)，f为进给量(即X向的前进距离)，A龙骨弧度。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细阐述。

如图9所示，为本切削加工的流程结构示意图。

一种基于CAD建模的模具切削加工轨迹计算方法，包括待加工工件吸盘、垂直于工件吸盘的圆锯片；圆锯片垂直切入工件吸盘上的待加工件，在待加工工件上开槽；具体包括如下步骤：

(1)校准切削系统中的设计模型与机械设备中的待加工工件一致，包括如下步骤：

1.1设定工件吸盘的中心点为加工坐标原点(0,0,0)，工件吸盘所在面为加工XY平面，垂直于XY平面即圆锯片所在平面为加工Z轴；

1.2在吸盘上设置有L型定位支架，待加工工件由吸盘吸住、通过L型定位支架限位；其中L型定位支架两垂直边分别与X轴、Y轴方向平行，平行于Y轴的边与吸盘中心点的有向距离为W_L，简称该边为竖边，平行于X轴的边与吸盘中心点的有向距离为H_L，简称该边为横边；

1.3将相应的待加工工件的CAD设计模型导入切削加工系统中，在加工系统的坐标系中绘制平行于XY平面的L型参考线，其两边距离坐标原点距离分别为W_L和H_L；

1.4计算导入模型的凸包，记为多边形P＝p₀p₁…p_n，其中p_i，i＝0，…，n，且在XY平面内，点p_i，i＝0，…，n为逆时针方向的；

1.5用户通过系统交互指定凸包的一条边与L支架的竖边校准，具体步骤如下：

e)计算导入的待加工工件的CAD设计模型的修正角度：假定用户指定的边为p_ip_i+1，该边与X轴正向所成角度为α，那么修正角度θ为

f)对于模型中的任一点p＝(x，y，z)，经过修正后的点为p′＝(x′，y′，z′)，满足

g)凸包经过变换后为P′＝p′₀p′₁…p′_n，记Δ_x＝w_L-x′_i，令

h)将系统中的模型在XY平面内进行平移，即对于任一点p＝(x，y，z)，其偏移后的坐标为p″＝(x+W_L，y+H_L，z)；

(2)通过计算待加工工件的CAD设计模型中的目标曲线上各点在实体模具加工坐标系内是否共线，来判定目标曲线是否可以在实体模具上进行准确加工；

首先，将目标曲线的首末端点坐标记为(x₀，y₀，z₀)，(x₁，y₁，z₁)；曲线上任一采样点记为(x，y，z)；

则若s>lε，则可以判定该曲线为边界曲线；

则若s≤lε，则可以判定该曲线上的所有点共线；

其中s＝|(x-x₀)*(y₁-y)-(x₁-x₀)*(y₁-y₀)|，∈为给定的误差10^-4；

(3)刀具轨迹的确定：

3.1由于刀具中心点的轨迹曲线为目标曲线的等距曲线，

则刀具中心的轨迹曲线P₀(t)是刀具半径和目标曲线之间的函数关系：

P_o(t)＝P(t)+δn(t)*r

其中，P(t)＝(x(t)，y(t)，z(t))为目标曲线的参数形式，参数t∈[0，1]；r为刀具半径；目标曲线的单位法向量(沿Y轴切割机型)或(沿X轴切割机型)；

3.2如果各切削点为离散点，对于折线段或者离散化后的圆弧、样条曲线，曲线均表示为折线段，因此单位法向的计算也是离散的，则通过以下方式确定刀具轨迹：

假设折线段上有m+1个点p_i＝(x_i，y_i，z_i)，i＝0，...，m，记p_-1＝p₀，p_m+1＝p_m。对于点p_i处的法向量n_i，首先计算(沿Y轴切割机型)或(沿X轴切割机型)，

于是有其中||·||为向量的模运算；

(4)由于刀片与实体模具边缘相切，且刀片与目标曲线的延长线相切，通过向量计算得到刀片切削的起始位置——即刀片中心的起始位置；

记p₀为入切点，r为刀片的半径，t₀＝(t_x，t_y，t_z)为p₀处的单位切向量分量，其中单位切向量指向实体模具外部，对于折线段有t₀·(p₁-p₀)＜0。设实体模具厚度为h，当入刀时，刀具与模具不发生直接碰撞的情况下，假定刀片中心位置为q_c，令向量q_c-p₀与向量(0,0,1)所成角度为β，则有 若sinβ＜∈(设∈＝10^-4)，则记R＝∞；若sinβ＜∈(大于号)，则记进一步令H＝R cos β；

若模型厚度h≥H，则刀具中心点位置为：

若模型厚度h＜H，则再令l＝h cos 2β，有

进一步的：步骤1.3中的待加工工件的CAD设计模型为采用三维CAD软件制得的模型，三维CAD软件可以是AUTOCAD、UG、PROE、solidworks、caxa、犀牛中的任意一种或是几种组合，可以是dxf、dwg、nc、cnc、plt、igs等任意一种格式，或是其他格式。

下面几个实施例，以鞋模模芯的加工为例对本发明做解释说明。

如图1—5所示，为其中其中一种需要进行开通槽的鞋模模芯，如图6所述，左右弧度对称的龙骨，对应的鞋模的加工示意图，圆锯片所走的路径为虚线所画，一刀结束；

如图7所述，弧形左右弧度不对称的龙骨，对应的鞋模的加工示意图，圆锯片所走的路径为虚线所画，在此同样为一刀完成切割。

如图8所述，矩形对应鞋模侧视图，圆对应刀具，刀具入切点满足刀片边缘与模具相交，同时，刀片与切入轨迹的延长线相切。

本发明尤其适合鞋模模芯鞋底的龙骨切削；但是也同样适用于其他需要使用圆锯片开此通槽的工件结构。

上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于CAD建模的模具切削加工轨迹计算方法，包括待加工工件吸盘、垂直于工件吸盘的圆锯片；圆锯片垂直切入工件吸盘上的待加工件，在待加工工件上开槽；其特征在于：具体包括如下步骤：

(1)校准切削系统中的设计模型与机械设备中的待加工工件一致，包括如下步骤：

1.1设定工件吸盘的中心点为加工坐标原点(0,0,0)，工件吸盘所在面为加工XY平面，垂直于XY平面即圆锯片所在平面为加工Z轴；

1.2在吸盘上设置有L型定位支架，待加工工件由吸盘吸住、通过L型定位支架限位；其中L型定位支架两垂直边分别与X轴、Y轴方向平行，平行于Y轴的边与吸盘中心点的有向距离为W_L，简称该边为竖边，平行于X轴的边与吸盘中心点的有向距离为H_L，简称该边为横边；

1.3将相应的待加工工件的CAD设计模型导入切削加工系统中，在加工系统的坐标系中绘制平行于XY平面的L型参考线，其两边距离坐标原点距离分别为W_L和H_L；

1.4计算导入模型的凸包，记为多边形P＝p₀p₁…p_n，其中p_i，i＝0，…，n，且在XY平面内，点p_i，i＝0，…，n为逆时针方向的；

1.5用户通过系统交互指定凸包的一条边与L支架的竖边校准，具体步骤如下：

a)计算导入的待加工工件的CAD设计模型的修正角度：假定用户指定的边为p_ip_i+1，该边与X轴正向所成角度为α，那么修正角度θ为

b)对于模型中的任一点p＝(x，y，z)，经过修正后的点为p′＝(x′，y′，z′)，满足

c)凸包经过变换后为P′＝p′₀p′₁…p′_n，记Δx＝w_L-x′_i，令

d)将系统中的模型在XY平面内进行平移，即对于任一点p＝(x，y，z)，其偏移后的坐标为p″＝(x+W_L，y+H_L，z)；

(2)通过计算待加工工件的CAD设计模型中的目标曲线上各点在实体模具加工坐标系内是否共线，来判定目标曲线是否可以在实体模具上进行准确加工；

首先，将目标曲线的首末端点坐标记为(x₀，y₀，z₀)，(x₁，y₁，z₁)；曲线上任一采样点记为(x，y，z)；

则若s>lε，则可以判定该曲线为边界曲线；

则若s≤lε，则可以判定该曲线上的所有点共线；

其中s＝|(x-x₀)*(y₁-y)-(x₁-x₀)*(y₁-y₀)|，∈为给定的误差10^-4；

(3)刀具轨迹的确定：

3.1由于刀具中心点的轨迹曲线为目标曲线的等距曲线，

则刀具中心的轨迹曲线P₀(t)是刀具半径和目标曲线之间的函数关系：

P_o(t)＝P(t)+δn(t)*r

其中，P(t)＝(x(t)，y(t)，z(t))为目标曲线的参数形式，参数t∈[0，1]；r为刀具半径；目标曲线的单位法向量(沿Y轴切割机型)或(沿X轴切割机型)；

3.2如果各切削点为离散点，对于折线段或者离散化后的圆弧、样条曲线，曲线均表示为折线段，因此单位法向的计算也是离散的，则通过以下方式确定刀具轨迹：

假设折线段上有m+1个点p_i＝(x_i，y_i，z_i)，i＝0，...，m，记p_-1＝p₀，p_m+1＝p_m。

对于点p_i处的法向量n_i，首先计算(沿Y轴切割机型)或(沿X轴切割机型)，

于是有其中||·||为向量的模运算；

(4)由于刀片与实体模具边缘相切，且刀片与目标曲线的延长线相切，通过向量计算得到刀片切削的起始位置——即刀片中心的起始位置；

记p₀为入切点，r为刀片的半径，t₀＝(t_x，t_y，t_z)为p₀处的单位切向量分量，其中单位切向量指向实体模具外部，对于折线段有t₀·(p₁-p₀)＜0。设实体模具厚度为h，当入刀时，刀具与模具不发生直接碰撞的情况下，假定刀片中心位置为q_c，令向量q_c-p₀与向量(0,0,1)所成角度为β，则有 若sinβ＜∈(设∈＝10^-4)，则记R＝∞；若sinβ＜∈(大于号)，则记进一步令H＝Rcosβ；

若模型厚度h≥H，则刀具中心点位置为：

若模型厚度h＜H，则再令l＝h cos2β，有

2.根据权利要求1所述的基于CAD建模的模具切削加工轨迹计算方法，其特征在于：步骤1.3中的待加工工件的CAD设计模型为采用三维CAD软件制得的模型。