CN110653401A - 基于最大切削包角约束的型腔分区插铣刀具路径规划方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于最大切削包角约束的型腔分区插铣刀具路径规划方法，先生成基于同心圆的简单几何形状型腔的插铣刀具路径，用边界角代替切削包角对刀具路径规划进行约束并设定最大切削包角，根据型腔轮廓、刀具半径、加工余量及径向铣削宽度确定满足最大切削包角限制的同心圆插铣路径的圆心位置及数量，根据刀具半径、加工余量及型腔边界确定刀具可达区域，并通过修剪无效圆弧轨迹最终生成有效初始刀具路径；将基于同心圆的简单几何形状型腔划分为若干种基本模式并分别规划各有效初始刀具路径，利用切线对复杂型腔进行分解，利用基本模式对复杂型腔内部的区域进行路径规划。该方法考虑了型腔的几何特征，提高了刀具寿命和规划效率。

Description

基于最大切削包角约束的型腔分区插铣刀具路径规划方法
技术领域
本发明属于机械加工领域，具体涉及一种基于最大切削包角约束的型腔分区插铣刀具路径规划方法。
背景技术
在航空航天、自动化等诸多行业中，提高加工效率和刀具使用寿命是机械加工的重要目标。
对于具有难切削材料、深孔或狭窄通道的型腔，传统端铣常会出现刀具径向变形严重、刀具磨损快以及材料去除率低造成的加工效率低下等现象。相比端铣加工，插铣具有较高的轴向刚度和材料去除率，往往被认为是更高效的加工方法。插铣过程主要包括在参考平面上将刀具从一个位置(又称作插铣点位)水平移动到下一位置，此过程并未开展实际切削，然后沿刀具轴向让刀具逼近毛坯实现材料除去，完成切削后沿轴向退回至参考平面上的插铣点位，此过程称为单个插铣循环，如此不断重复完成零件加工。因此，在参考平面上的刀具路径决定了插铣效率和刀具寿命。
现有的CAM软件和文献研究主要通过控制铣削参数，如径向切宽和侧向步距，来生成参考平面上刀具路径(又称作初始刀具路径)，常用的插铣策略，包括轮廓平行、zig-zag和单向平行等策略，然而这些策略通常忽略了另一个影响刀具寿命的重要指标—刀具的切削包角(切削包角将相对复杂的刀具与未加工区域待去除材料的接触面转化为角度关系，用来表征加工过程中刀具的受载大小)，其大小取决于刀具路径和型腔轮廓的几何形状。刀具的切削包角越大，单个插铣循环中去除的材料越多，产生的切削热也越多，从而导致刀具寿命降低。
由上可知，为提高刀具的使用寿命，需要将刀具的最大切削包角限制在给定值内并针对不同型腔形式合理规划插铣路径，但是现有型腔插铣路径规划方法要么效率低，要么未涉及考虑加工区域内的几何特征。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于最大切削包角约束的型腔分区插铣刀具路径规划方法，该方法提高了刀具寿命和规划效率，考虑了型腔的几何特征。
本发明所采用的技术方案是：
一种基于最大切削包角约束的型腔分区插铣刀具路径规划方法，包括步骤：
S1基于同心圆的简单几何形状型腔的插铣刀具路径生成；
S1.1根据刀具的切削包角与边界角之间的关系，用边界角代替切削包角对刀具路径规划进行约束，设定所允许的最大切削包角；
S1.2根据型腔轮廓、刀具半径、加工余量及径向铣削宽度确定满足最大切削包角限制的同心圆插铣路径的圆心位置及数量；
S1.3根据刀具半径、加工余量及型腔边界确定刀具可达区域，并通过修剪无效圆弧轨迹最终生成有效初始刀具路径；
S1.4将基于同心圆的简单几何形状型腔划分为若干种基本模式，根据步骤S1.2和步骤S1.3分别规划各基本模式的有效初始刀具路径；
S2基于最大切削包角约束的复杂型腔分解；
S2.1在最大切削包角约束下，利用切线对复杂型腔进行分解；
S2.2利用步骤S1.4中的基本模式对复杂型腔内部的每个细分区域进行路径规划。
在步骤S1.1中，切削包角αengage存在于型腔边界周围，边界角αcorner为刀具路径和型腔轮廓之间的角度，切削包角αengage与边界角αcorner负相关，设定最大切削包角和最小边界角
Figure BDA0002218670970000022
为
Figure BDA0002218670970000023
利用圆的切线与圆心到切点的线段相互垂直这一特性将最大切削包角
Figure BDA0002218670970000024
约束在90度以内，
在步骤S1.3中，刀具可达区域是在满足切削参数的约束下刀具能够去除型腔轮廓内材料的区域，能避免刀具强行通过型腔中存在的细长瓶颈或尖角时刀具与型腔轮廓发生干涉；无效圆弧轨迹是指，利用同心圆弧与型腔边界相交的两个点，与同心圆心相连生成两条线段，相对于与边界相交的同心圆弧而言，半径更小的同心圆弧在这两条线段之外的圆弧；有效初始刀具轨迹是删除了无效圆弧轨迹并约束在型腔向内偏移的边界以内的同心圆弧轨迹。
设线段L＝l(i),i∈[i0,i1]是边界为非封闭式型腔的部分边界，型腔轮廓为Cpocket＝c(t),t∈[t0,t1]，曲线Coffset＝coffset(t)是通过Cpocket向型腔内部偏移Rtool+aa所得，其中Rtool表示刀具半径，aa表示给定的加工余量，P1和Pn为Coffset的两个端点，t1和tn分别是两点的单位正切向量，θ为单位向量t1和tn之间的角度且通过sinθ＝||t1×tn||计算，在步骤S1.4中，划分四种基本模式，其中，模式Ⅰ中sinθ＞0，模式Ⅱ中sinθ＝0，模式III中sinθ＜0且
Figure BDA0002218670970000031
模式IV中sinθ＜0且
Figure BDA0002218670970000032
其中αi,i＝1,2表示向量ti和L之间的角度。
规划模式Ⅰ中型腔的有效初始刀具路径的方法是，先找到与线段L相交的同心圆弧，然后连接它们的交点与圆弧中心Oc，所得线段用以修剪与之相邻的半径较小的同心圆弧，最后将所得线段范围以外的多余圆弧删除，便可获得具有恒定径向铣削宽度的有效初始刀具路径。
规划模式Ⅱ中型腔的有效初始刀具路径的方法是，切向量t1平行于tn，假设tt表示垂直于平行线的单位向量，在本模式中tt＝t1，如果
Figure BDA0002218670970000033
则点Pn更接近刀具路径的起点，否则P1更接近，当点Pn离起点更近时，Pn和由起始圆演化所得直线之间的距离为Rtool-ae，因此等距平行线的位置得以确定，刀具可达区域由Coffset和通过L偏移aecosα产生的直线段确定，通过修剪可达区域外的额外线段来确定有效初始刀具路径，其中ae为铣削的径向切削宽度，α为L与线性刀具路径之间的角度。
规划模式III中型腔的有效初始刀具路径的方法是，先利用模式Ⅱ提出的方法确定等距平行线的位置，刀具可达区域由Coffset和通过L偏移aecosα产生的直线段确定，其中α为L与线性刀具路径之间的角度，然后通过修剪可达区域外的额外线段来确定有效初始刀具路径。
规划模式IV中型腔的有效初始刀具路径的方法是，先利用模式Ⅱ提出的方法确定等距平行线的位置，刀具可达区域由Coffset和通过L偏移ae产生的直线段确定，然后通过修剪可达区域外的额外线段来确定有效初始刀具路径。
在步骤S2.1中，复杂型腔包括型腔边界为非封闭的型腔、型腔边界为封闭的型腔、型腔内部区域全部待加工的型腔、型腔内部存在不加工区域的型腔。
本发明的有益效果是：
该方法以最大切削包角约束路径，提高了刀具寿命；用边界角代替切削包角来对刀具路径规划进行约束，无需提前计算已去除材料的几何尺寸，提高了规划效率；先将基于同心圆的简单几何形状型腔划分为若干种基本模式，再对复杂型腔进行分解，最后利用基本模式对复杂型腔内部的每个细分区域进行路径规划，不仅考虑了型腔的几何特征，还提高了规划效率。
附图说明
图1是刀具轨迹与型腔之间的几何角度示意图。
图2是同一简单开式型腔的两种可能的初始刀具路径示意图。
图3是四种不同简单开式型腔的同心圆插铣路径示意图。
图4是无孤岛复杂开式型腔的分解策略示意图。
图5是带孤岛复杂闭式型腔的分解策略示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明，以下实施例为优选的实施例，不构成对本发明的限定。
一种基于最大切削包角约束的型腔分区插铣刀具路径规划方法，包括两大步骤：
S1基于同心圆的简单几何形状型腔的插铣刀具路径生成；
刀具的切削包角αengage代表了刀具和材料在每个插切点之间的几何干涉，切削包角αengage越大，切削力越大，刀具寿命越短。如图1所示，切削包角αengage存在于型腔边界周围且与刀具路径和型腔轮廓之间的角度(即边界角αcorner)负相关，由于要计算插铣循环的切削包角αengage需提前计算已去除材料的几何尺寸，非常耗时，所以用边界角αcorner代替切削包角αengage来对刀具路径规划进行约束，在本实施例中，设定最大切削包角
Figure BDA0002218670970000041
和最小边界角
Figure BDA0002218670970000042
为
Figure BDA0002218670970000043
如图1中左例所示。
传统插铣刀具路径通常使用方向平行路径，以单向法或之字法生成初始循环刀具路径，如图2(a)所示，其边界角αcorner可能非常小，导致切削包角αengage过大，为克服这个问题，采用半径增量恒定的同心圆生成初始刀具路径，如图2(b)所示：假设线段L＝l(i),i∈[i0,i1]是开式型腔的部分边界，型腔轮廓为Cpocket＝c(t),t∈[t0,t1]，默认方向为逆时针方向，而刀具路径为顺时针方向，曲线Coffset＝coffset(t)是通过Cpocket向型腔内部偏移Rtool+aa所得，其中Rtool表示刀具半径，aa表示给定的加工余量，P1和Pn为Coffset的两个端点，t1和tn分别是两点的单位正切向量，同心圆的圆心处于t1和tn两向量的交点处，用Oc表示。最小的同心圆成为起始圆，其半径为：
r1＝dmin(Oc,L)+ae-Rtool
其中，dmin(Oc,L)为Oc点到直线段L的最小距离，ae为铣削的径向切削宽度，即等距同心圆的半径增量。
同心圆的数量由以下公式计算：
其中，dmax(Oc,Coffset)为Oc点到曲线Coffset的最大距离，
Figure BDA0002218670970000052
表示不小于x的最小整数。
刀具可达区域被定义为由曲线Coffset和向量t1、tn组成的闭合区域，通过对该区域内前述所得的同心圆弧轨迹进行修剪，最终生成有效的初始刀具路径。针对图2(b)所述型腔，首先找到与线段L相交的同心圆弧，然后连接它们的交点与圆弧中心Oc，所得线段用以修剪与之相邻的半径较小的同心圆弧，最后将所得线段范围以外的多余圆弧删除，便可获得具有恒定径向铣削宽度的有效初始刀具路径。
为将所提出的同心圆路径规划方法应用于更为普遍的情况，分别对四种基本的简单几何形状型腔进行分析，如图3所示。其中，θ为单位向量t1和tn之间的角度，可通过sinθ＝||t1×tn||计算。
模式Ⅰ：sinθ＞0，且最大切削包角
Figure BDA0002218670970000053
如图3(a)所示。与图2(b)相同，详细的有效初始刀具路径生成方法前已详述，此处省略。
模式Ⅱ：sinθ＝0，如图3(b)所示。此时切向量t1平行于tn，同心圆的圆心沿着向量t1位于无穷远处，同心圆弧演化成为一组与两向量垂直的等距平行线，前述起始圆的半径不再适合描述刀具路径的位置，需重新定义。假设tt表示垂直于平行线的单位向量，在本模式中tt＝t1，如果
Figure BDA0002218670970000054
则点Pn更接近刀具路径的起点，否则P1更接近。当点Pn离起点更近时，Pn和由起始圆演化所得直线之间的距离为Rtool-ae，因此等距平行线的位置得以确定，此方法也适用于模式III和模式IV。刀具可达区域由Coffset和通过L偏移aecosα产生的直线段确定，其中α为L与线性刀具路径之间的角度，然后就可以通过修剪可达区域外的额外线段来确定有效初始刀具路径。
模式III：sinθ＜0且
Figure BDA0002218670970000055
如图3(c)所示。其中，min(α1,α2)表示角度α1和α2中较小的一个，αi,i＝1,2表示向量ti和L之间的角度。同心圆的圆心沿单位矢量
Figure BDA0002218670970000061
位于无限远处，利用模式Ⅱ所提出的方法可确定等距平行线的位置。刀具可达区域由Coffset和通过L偏移aecosα产生的直线段确定，其中α为L与线性刀具路径之间的角度，然后就可以通过修剪可达区域外的额外线段来确定有效初始刀具路径。
模式IV：sinθ＜0且
Figure BDA0002218670970000062
如图3(d)所示。同心圆的圆心位于直线段L垂直方向上无穷远处，生成的刀具路径与直线段L平行。刀具可达区域由Coffset和通过L偏移ae产生的直线段确定，然后就可以通过修剪可达区域外的额外线段来确定有效初始刀具路径。
S2基于最大切削包角约束的复杂型腔分解；
针对复杂型腔，需要首先在最大切削包角约束下对其进行分解，然后才能利用步骤S1中提出的方法对每个细分区域进行路径规划。
如图4所示，为无孤岛开式型腔，Cpocket是型腔边界，Coffset是由Cpocket向型腔内部偏移Rtool+aa得到的，Oc是由步骤S1中介绍的方法所确定的与Coffset有关的同心圆圆心。开式型腔的分解标准为：
第一，利用OcP1和OcP5两条控制线分解型腔，区域B被从加工区域切离；
第二，从边界Coffset上取一点P2，连接P2与Oc可确定一条直线OcP2，如果OcP2和边界Coffset相切，并产生一个新的交点P3，则区域C被从剩余的加工区域切离；
第三，区域A可利用步骤S1所提方法生成具有最大刀具切削包角约束的插铣刀具路径，区域B和C将重复此分解过程，直到所有细分区域均满足最大刀具切削包角的约束。
如图5所示，为带孤岛闭式型腔，由于是闭式型腔，所以需要在型腔内部进行下刀，任取点Oc为插铣起点。由于插铣刀具通常不具备钻孔功能，需要预先进行钻孔或利用轴向螺旋铣削，为插铣提供下刀位置，由于钻孔和轴向螺旋铣削技术相对成熟，可以直接用来加工深孔，且不在本专利权利要求范围内，故不作进一步描述。图示型腔内有一圆形岛，其几何结构由Cisland表示，将Cpocket和Cisland均偏移Rtool+aa就可得到刀具中心所处的区域。然后根据开式型腔的第二个分解标准进行型腔分解，在这种情况下，可以找到P3,P4,P7、P8四个切点，从而确定了具有闭合边界曲线的子区域
Figure BDA0002218670970000063
区域
Figure BDA0002218670970000064
可以点Oc为圆心，生成满足最大切削包角约束的同心圆刀具路径，而其余的子型腔均属于开式型腔，可以用前述开式型腔的分解标准再进行细分，直到所有细分区域均满足最大刀具切削包角的约束。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于最大切削包角约束的型腔分区插铣刀具路径规划方法，其特征在于：包括步骤，
S1基于同心圆的简单几何形状型腔的插铣刀具路径生成；
S1.1根据刀具的切削包角与边界角之间的关系，用边界角代替切削包角对刀具路径规划进行约束，设定所允许的最大切削包角；
S1.2根据型腔轮廓、刀具半径、加工余量及径向铣削宽度确定满足最大切削包角限制的同心圆插铣路径的圆心位置及数量；
S1.3根据刀具半径、加工余量及型腔边界确定刀具可达区域，并通过修剪无效圆弧轨迹最终生成有效初始刀具路径；
S1.4将基于同心圆的简单几何形状型腔划分为若干种基本模式，根据步骤S1.2和步骤S1.3分别规划各基本模式的有效初始刀具路径；
S2基于最大切削包角约束的复杂型腔分解；
S2.1在最大切削包角约束下，利用切线对复杂型腔进行分解；
S2.2利用步骤S1.4中的基本模式对复杂型腔内部的每个细分区域进行路径规划。
2.如权利要求1所述的基于最大切削包角约束的型腔分区插铣刀具路径规划方法，其特征在于：在步骤S1.1中，切削包角αengage存在于型腔边界周围，边界角αcorner为刀具路径和型腔轮廓之间的角度，切削包角αengage与边界角αcorner负相关，设定最大切削包角
Figure FDA0002218670960000011
和最小边界角
Figure FDA0002218670960000012
为
Figure FDA0002218670960000013
利用圆的切线与圆心到切点的线段相互垂直这一特性将最大切削包角
Figure FDA0002218670960000014
约束在90度以内，
3.如权利要求1所述的基于最大切削包角约束的型腔分区插铣刀具路径规划方法，其特征在于：在步骤S1.3中，刀具可达区域是在满足切削参数的约束下刀具能够去除型腔轮廓内材料的区域，能避免刀具强行通过型腔中存在的细长瓶颈或尖角时刀具与型腔轮廓发生干涉；无效圆弧轨迹是指，利用同心圆弧与型腔边界相交的两个点，与同心圆心相连生成两条线段，相对于与边界相交的同心圆弧而言，半径更小的同心圆弧在这两条线段之外的圆弧；有效初始刀具轨迹是删除了无效圆弧轨迹并约束在型腔向内偏移的边界以内的同心圆弧轨迹。
4.如权利要求1所述的基于最大切削包角约束的型腔分区插铣刀具路径规划方法，其特征在于：设线段L＝l(i),i∈[i0,i1]是边界为非封闭式型腔的部分边界，型腔轮廓为Cpocket＝c(t),t∈[t0,t1]，曲线Coffset＝coffset(t)是通过Cpocket向型腔内部偏移Rtool+aa所得，其中Rtool表示刀具半径，aa表示给定的加工余量，P1和Pn为Coffset的两个端点，t1和tn分别是两点的单位正切向量，θ为单位向量t1和tn之间的角度且通过sinθ＝||t1×tn||计算，在步骤S1.4中，划分四种基本模式，其中，模式Ⅰ中sinθ＞0，模式Ⅱ中sinθ＝0，模式III中sinθ＜0且
Figure FDA0002218670960000021
模式IV中sinθ＜0且其中αi,i＝1,2表示向量ti和L之间的角度。
5.如权利要求4所述的基于最大切削包角约束的型腔分区插铣刀具路径规划方法，其特征在于：规划模式Ⅰ中型腔的有效初始刀具路径的方法是，先找到与线段L相交的同心圆弧，然后连接它们的交点与圆弧中心Oc，所得线段用以修剪与之相邻的半径较小的同心圆弧，最后将所得线段范围以外的多余圆弧删除，便可获得具有恒定径向铣削宽度的有效初始刀具路径。
6.如权利要求4所述的基于最大切削包角约束的型腔分区插铣刀具路径规划方法，其特征在于：规划模式Ⅱ中型腔的有效初始刀具路径的方法是，切向量t1平行于tn，假设tt表示垂直于平行线的单位向量，在本模式中tt＝t1，如果
Figure FDA0002218670960000023
则点Pn更接近刀具路径的起点，否则P1更接近，当点Pn离起点更近时，Pn和由起始圆演化所得直线之间的距离为Rtool-ae，因此等距平行线的位置得以确定，刀具可达区域由Coffset和通过L偏移aecosα产生的直线段确定，通过修剪可达区域外的额外线段来确定有效初始刀具路径，其中ae为铣削的径向宽度，α为L与线性刀具路径之间的角度。
7.如权利要求6所述的基于最大切削包角约束的型腔分区插铣刀具路径规划方法，其特征在于：规划模式III中型腔的有效初始刀具路径的方法是，先利用模式Ⅱ提出的方法确定等距平行线的位置，刀具可达区域由Coffset和通过L偏移aecosα产生的直线段确定，其中α为L与线性刀具路径之间的角度，然后通过修剪可达区域外的额外线段来确定有效初始刀具路径。
8.如权利要求6所述的基于最大切削包角约束的型腔分区插铣刀具路径规划方法，其特征在于：规划模式IV中型腔的有效初始刀具路径的方法是，先利用模式Ⅱ提出的方法确定等距平行线的位置，刀具可达区域由Coffset和通过L偏移ae产生的直线段确定，然后通过修剪可达区域外的额外线段来确定有效初始刀具路径。
9.如权利要求6所述的基于最大切削包角约束的型腔分区插铣刀具路径规划方法，其特征在于：在步骤S2.1中，复杂型腔包括型腔边界为非封闭的型腔、型腔边界为封闭的型腔、型腔内部区域全部待加工的型腔、型腔内部存在不加工区域的型腔。
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