CN112100823B - 刀具纳米级精度设计制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种刀具纳米级精度设计制造方法，根据刀具设计特点，利用计算机三维设计软件先进行工件及刀具毛坯造型，然后再将刀具毛坯移到工件位置进行三维实体布尔切割的模拟加工的方法，并结合高级语言编程对设计流程进行程序化设计，充分利用计算机的菜单设计、人机对话设计、快捷按钮等，提出快速又精确的智能化刀具设计制造方法，不仅可以缩短刀具产品的开发周期，提高劳动生产率，还能够提高刀具设计精度，提高刀具加工质量。
Description
技术领域
本发明涉及一种刀具的设计制造方法，具体涉及一种刀具纳米级精度设计制造方法。
背景技术
在制造业产品竞争日趋激烈的今天，要求资金回转快、交货周期短，对加工作业的高效率和产品品质的高精度已提出了越来越高的要求。这就要求产品的各个环节都相应地得到改善和提高。除了在产品的设计方面迫切需要采用高精度和高效率的CAD设计手段外，在产品加工方面也迫切需要采用高精度计算机数控加工(CAM)手段。
传统的刀具设计是以平面作图法为基础，由一系列工件的离散点投影计算得到刀具设计截形的相应系列离散点，因其设计精度受到限制，设计效率较低。所述刀具是指机加工用的铣刀、车刀等加工刀具。
目前各种商品化的三维计算机辅助设计(CAD)软件在机械设计、制造等各个领域的应用已越来越普及，但由于其设计平台是面向整个制造业，具有普遍性，因而只提供了一个基本的开发平台，对产品的针对性差，难以满足具体产品的适时设计需求。
通过CAD获得设计截形后，怎样将其参数提取出来作为数控或成形加工的数据依据，则成为CAD/CAM作业的瓶颈问题。一般企业在应用CAD技术时都会根据其自己产品的特点，尤其是根据产品设计流程，对CAD软件做二次开发。针对不同的设计目的，二次开发的CAD软件及对应的设计方法各不相同，目前还没有针对提高刀具精度的具体设计制造方法，尤其没有能够达到“零误差设计”的刀具设计制造方法。
由于上述原因，本发明人对现有的刀具设计方法做了深入研究，以期待设计出一种能够解决上述问题的刀具纳米级精度设计制造方法。
发明内容
为了克服上述问题，本发明人进行了锐意研究，设计出一种刀具纳米级精度设计制造方法，根据刀具设计特点，利用计算机三维设计软件先进行工件及刀具毛坯造型，然后再将刀具毛坯移到工件位置进行三维实体布尔切割的模拟加工的方法，并结合高级语言编程对设计流程进行程序化设计，充分利用计算机的菜单设计、人机对话设计、快捷按钮等，设计快速又精确的智能化刀具设计制造方法，不仅可以缩短刀具产品的开发周期，提高劳动生产率，还能够提高刀具设计精度，提高刀具加工质量，从而完成本发明。
具体来说，本发明的目的在于提供一种刀具纳米级精度设计制造方法，该方法包括如下步骤：
步骤1，步骤1，在三维CAD软件环境下生成工件实体和刀具毛坯实体，
步骤2，将刀具毛坯实体移到工件实体加工位置，并利用布尔切割运算方法进行刀具加工结果的数字化模拟，提取出布尔运算得到的空间曲线；
步骤3，对得到的空间曲线做精细化的三维数字化处理，根据数字化处理结果直接编制数控加工G代码。
其中，在步骤1中，生成工件实体时，将工件实体分为多段体素进行输入。
其中，在步骤1中，生成刀具毛坯实体时，采用人机对话的方式输入毛坯参数，根据工件实体需要加工部位的尺寸确定切削刀具毛坯的尺寸。
其中，所述步骤2包括如下子步骤：
子步骤2-1，设定合理的加工参数，所述加工参数包括前角γ0、后角α0以及刃倾角λs；
子步骤2-2，选定排屑槽的方向与刀具毛坯实体底面所成的夹角￡，将刀具毛坯实体移到工件实体加工位置，建立刀具毛坯实体和工件实体模拟加工位置的三维图；
子步骤2-3，沿0点所在的水平基准线作第一基准面，该第一基准面与法剖面成大小为λs的夹角；在第一基准面上作与切削面平行的第一基准线，将第一基准面沿第一基准线旋转角度￡，从而得到开刃槽的截剖面；在该截剖面上确定开刃宽度并绘出开刃截面形状的草图；
子步骤2-4，利用开刃槽截面曲线拉伸切除所述刀具毛坯，刀具毛坯实体的前刀面和工件实体成型截面相交形成空间曲线S；
子步骤2-5，将空间曲线S与刀具毛坯实体底面垂直的方向投影，生成草图得到刀具齿形的理论曲线；
子步骤2-6，利用刀具齿形的理论曲线拉伸切除刀具毛坯实体，得到齿形造模。
其中，所述步骤3包括如下子步骤：
子步骤3-1，添加CAM作业模块，
子步骤3-2，选择刀具轮廓，并在确定刀具轮廓后查找刀具轮廓段，对轮廓段加亮，再判断出各个刀具轮廓段的类型；
子步骤3-3，获得各个刀具轮廓段的坐标。
子步骤3-4，按首尾相连的原则，对选择的轮廓段进行排序，得到刀具轮廓走刀轨迹；
子步骤3-5，计算出轮廓的最右端、最左端和最上端坐标值，生成G代码。
其中，在执行子步骤2-3以前，确定切屑的排出方向和倾角λs倾斜方向。
其中，在子步骤3-3中，对于直线段，获取起点坐标和终点坐标；对于圆弧段，获取起点坐标、终点坐标、圆弧中心坐标、圆弧半径、圆弧起始角、圆弧终止角、圆弧长度和走向，所述走向包括逆时针走向和顺时针走向；对于样条曲线，获取样条曲线中控制点总数和每个控制点坐标；对于多段线，则将多段线转换为样条曲线。
根据本发明提供的刀具纳米级精度设计制造方法，通过对布尔运算得到的空间曲线进行精细化的三维数字化处理能够保证设计误差达到纳米级。
附图说明
图1示出根据本发明一种优选实施方式的刀具纳米级精度设计制造方法整体流程图；
图2示出根据本发明一种优选实施方式的刀具纳米级精度设计制造方法中工件实体结构示意图；
图3示出根据本发明一种优选实施方式的刀具纳米级精度设计制造方法中刀具毛坯实体构示意图；
图4示出根据本发明一种优选实施方式的刀具纳米级精度设计制造方法中模拟实际加工情况的刀具毛坯实体安装结构示意图；
图5示出根据本发明一种优选实施方式的刀具纳米级精度设计制造方法中开刃截面形状草图；
图6示出根据本发明一种优选实施方式的刀具纳米级精度设计制造方法中设计合理的开刃参数示意图；
图7示出根据本发明一种优选实施方式的刀具纳米级精度设计制造方法中刀具齿型造模示意图；
图8示出根据本发明一种优选实施方式的刀具纳米级精度设计制造方法中获得的可转位成型刀的成品三维造模示意图；
图9示出根据本发明一种优选实施方式的刀具纳米级精度设计制造方法中齿高误差示意图；
图10示出根据本发明一种优选实施方式的刀具纳米级精度设计制造方法中从正面看刀片前刀面刃口与工件接触情况示意图；
图11示出根据本发明一种优选实施方式的刀具纳米级精度设计制造方法中从背面看刀片前刀面刃口与工件接触情况示意图；
图12示出根据本发明一种优选实施方式的刀具纳米级精度设计制造方法中成品三维造模前刀面的刃口空间曲线向正视投影图；
图13示出根据本发明一种优选实施方式的刀具纳米级精度设计制造方法中成品三维造模前刀面的刃口空间曲线向俯视投影图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
根据本发明提供的刀具纳米级精度设计制造方法，如图1中所示，该方法包括如下步骤：
步骤1，在三维CAD软件环境下生成工件实体和刀具毛坯实体，
步骤2，将刀具毛坯实体移到工件实体加工位置，并利用布尔切割运算方法进行刀具加工结果的数字化模拟，提取出布尔运算得到的空间曲线；
步骤3，对得到的空间曲线做精细化的三维数字化处理，根据数字化处理结果直接编制数控加工G代码。
在一个优选的实施方式中，在三维CAD软件中预存尺寸参数数据库和公式库，所述尺寸参数数据库可利用Access、Sqlserver或Oracle等基本数据库来建立，本发明中优选地，通过数据文件进行处理得到尺寸参数数据库，所述公式库是利用自定义的VB函数或C#函数建立的。
在尺寸参数数据库中存储有刀片内接圆直径、齿高、前角、后角、刃傾角等参数，在公式库中以函数的形式存储有刀具设计过程中用到的计算公式；
通过在三维CAD软件中预存该尺寸参数数据库和公式库，能够大幅度降低工件实体和刀具毛坯实体的构建速度，在三维软件环境中通过人机对话输入主参数，从尺寸参数数据库和公式库中调取构建工件实体所需参数，再从尺寸参数数据库和公式库中调取刀具毛坯实体所需参数，进而通过解算生成工件实体和刀具毛坯实体，从而完成实体建模，这样的建模过程不仅仅涉及到的代码量较小，而且执行过程也稳定可靠，不易出错。
尺寸参数数据库是将输入的尺寸参数存入数据文件中，数据文件存储格式为:
文件名:datar.dat。主要用以存储外表面各段起点的回转半径rs和终点回转半径re参数；例如，
rs(1)＝18.915’表示外表面第1段开始点回转半径
re(1)＝19.6433061956387’表示外表面第1段终止点回转半径
rs(2)＝19.6433061956387re(2)＝19.6433061956387
rs(3)＝19.6433061956387
re(3)＝20.115
rs(4)＝20.115
re(4)＝20.115
rs(5)＝20.115
re(5)＝19.6433061956387
rs(6)＝19.6433061956387
re(6)＝19.6433061956387
rs(7)＝19.6433061956387
re(7)＝18.915
所述公式库是软件中自定义函数库的总称，它是由一个个函数构成的。如:
优选地，在步骤1中，生成工件实体时，将工件实体分为多段体素进行输入，从而充分利用计算机的计算和判断功能；其中所述多段体素是指:工件廓形中能够确定轮廓形状和位置的一系列内外表面参数，这些参数能用数据文件存储起来，从而可随时调用。
一般工件分内外表面，按轮廓形状都可分解为直线、圆弧等体素。为了实现任意形状工件的计算机表示，将工件分为多段体素进行输入，为充分利用计算机的计算和判断功能，尽量按工件图的原始参数进行输入，将决定直线段和圆弧段的参数尽量多地罗列出来，使用时只需输入工件图纸上的原始尺寸，尽量不做或少做人为的计算工作，以防止出错。尽量使输入过程简化，如倒圆弧只输入倒圆弧半径，其它位置参数交由计算机根据周围点及体素情况自动进行智能化的判断和计算。另外，如工件为对称结构，则只需输入构成的基本参数，其余参数由计算机自动计算生成，由于其外表面为左右对称结构，只需输入左边段参数即可，右边段参数可通过对称计算公式自动获得。
For i＝1To dwz-2’dwz表示段位置
typ(dwz+i-1)＝typ(dwz-1-i)’typ表示段类型
If(rs(dwz-1-i)<>0)Then re(dwz+i-1)＝rs(dwz-1-i)’由于对称关系，右段起始回转圆弧半径为左段结束回转圆弧半径。
通过上述只需输入工件实体图纸上的原始尺寸的方法来减少人为的计算工作，从而降低出错率，提高输入速度。上述工件实体生成过程可通过直接调用尺寸参数数据文件及公式函数库来执行建模的操作过程。
在步骤1中，生成刀具毛坯实体时，采用人机对话的方式输入毛坯参数，根据工件实体需要加工部位的尺寸确定切削刀具毛坯的尺寸。刀具毛坯生成过程包括，将输入的刀具毛坯尺寸与尺寸参数数据库进行比对，找出最接近的值进行赋值，满足刀具标准化要求，再利用建立的公式库解算出需要的其它参数。
在一个优选的实施方式中，所述步骤2包括如下子步骤：
子步骤2-1，设定合理的加工参数，所述加工参数包括前角Y0、后角α0以及刃倾角λs。
子步骤2-2，选定排屑槽的方向与刀具毛坯实体底面所成的夹角￡，将刀具毛坯实体移到工件实体加工位置，建立刀具毛坯实体和工件实体模拟加工位置的三维图，在该三维图中刀具毛坯实体的安装负前角大小为α0；
在将刀具毛坯实体移到工件实体加工位置的过程中，首先将刀具毛坯实体的刀尖位置移动到三维空间的坐标原点，再将刀具毛坯实体按倾斜角度即安装负前角进行位置旋转，最后平移刀具毛坯实体到与工件实体接触的位置。在此过程中，为保证切出的刀具毛坯轮廓不失真，可人为地加大毛坯余量(特别是沟道刀)，即在做刀具毛坯实体时，人为地加大刀具毛坯高度。在刀具移动过程中，为了提高精度，可以临时将尺寸数据放大1000倍。
优选地，所述工件实体为回转体工件，刀具毛坯为可转位成型刀毛坯，刀具毛坯实体刃部最远点即为0点，该0点在工件实体回转时加工出工件槽的最底部。
子步骤2-3，沿图4中0点所在的水平基准线作第一基准面，该第一基准面与法剖面成大小为λs的夹角；在第一基准面上作与切削面平行的第一基准线，将第一基准面沿第一基准线旋转角度￡，从而得到开刃槽的截剖面；在该截剖面上确定开刃宽度并绘出开刃截面形状的草图。
其中开刃宽度根据模拟加工场景确定，可以考虑合理性和经济性。
本申请中所述的法剖面Pn是通过切削刃选定点(图4中0点)，垂直于切削刃的平面，所述选定点可以如图4中的0点所示，所述切削面是指：通过刀具的切削刃某一选定点(图4中0点)，与工件加工表面相切的平面，所述选定点可以如图4中的0点所示，所述截剖面是指：通过刀具的切削刃某一选定点(示意图中0点)，与刃倾角λs方向一致的平面，所述选定点可以如图4中的0点所示。
优选地，在执行子步骤2-3以前，需要确定切屑的排出方向和倾角λs倾斜方向。当确定切屑向远离车床装夹盘方向排出时，刃倾角λs就应该向短柄方向倾斜。
子步骤2-4，利用子步骤2-3得到的开刃槽截剖面与工件表面相交曲线即开刃槽截面曲线拉伸切除所述刀具毛坯。
刀具毛坯实体的前刀面和工件实体成型截面相交形成空间曲线S；从而可在三维图中观察到刀具毛坯的刃部是否都在前刀面内，开刃宽度和齿厚是否合理；如发现不合理之处，可修正步骤2-3中的开刃宽度；
所述工件实体成型截面是指：工件回转实体的表面；
所述齿厚是指：刀具毛坯上从0点到底部距离；
子步骤2-5，将子步骤2-4得到的空间曲线S沿与刀具毛坯实体底面垂直的方向投影，生成草图得到刀具齿形的理论曲线。
子步骤2-6，利用刀具齿形的理论曲线草图拉伸切除刀具毛坯实体，得到齿形造模；所述齿形造模是指：刀具齿形从毛坯实体到最终出设计结果实体模型的过程。
优选地，当所述刀具毛坯实体为可转位成型刀时，隐藏除刀具毛坯实体以外的所有类型，即只显示该刀具毛坯实体，将生成的特性进行圆周阵列获得可转位成型刀的成品三维造模，将三维造型图转化为平面工程图，然后标注尺寸可得到刀具的产品图。
在一个优选的实施方式中，所述步骤3包括如下子步骤：
子步骤3-1，添加CAM作业模块；其中，在AutoCAD软件平台下开发出CAM作业模快，让设计出的刀具的CAM作业既快速又准确。在AutoCAD软件平台下增加一项CAM作业菜单，并根据线段类型的不同，用AutoCAD提供的二次开发功能编制相应数控加工G代码即可。
首先，在二维环境下增加一项选择菜单，即在acad.mnu文件中增加以下内容：
然后，用menuload命令重新加载菜单文件acad.mnu，屏幕上即增加一项CAM菜单。用鼠标单击后，出现“执行CAM作业(曲线磨数控代码)”和“执行CAM作业(线切割数控代码)”两个菜单项，选择其一即可自动进行相应的CAM作业。
子步骤3-2，选择刀具轮廓，并在确定刀具轮廓后查找刀具轮廓段，对轮廓段加亮，再判断出各个刀具轮廓段的类型；
子步骤3-3，获得各个刀具轮廓段的坐标。对于直线段，获取起点坐标和终点坐标；对于圆弧段，获取起点坐标、终点坐标、圆弧中心坐标、圆弧半径、圆弧起始角、圆弧终止角、圆弧长度和走向，所述走向包括逆时针走向和顺时针走向；对于样条曲线，获取样条曲线中控制点总数和每个控制点坐标；对于多段线，则将多段线转换为样条曲线。
子步骤3-4，按首尾相连的原则，对选择的轮廓段进行排序，得到刀具轮廓走刀轨迹；其中，排序规则是：若某i轮廓段的终点坐标与另一轮廓段j的起点坐标相同，则表示轮廓段i的后续轮廓段是j，如果某段轮廓的起点没有相应的其它轮廓段的终点与之相连，则该段轮廓为起始轮廓；相反地，如果某段轮廓的终点没有相应的其它轮廓段的起点与之相连，则该段轮廓为终止轮廓。
子步骤3-5，排序完成后，计算出轮廓的最右端、最左端和最上端坐标值，作为进刀和退刀点坐标设置的依据。
上述步骤3可以通过二次开发CAM软件实现，所述二次开发可以通过C#、VB.net、Delphi、Java等语言编写，通过编程建立用户界面，接受用户的参数及指令输入，应用API函数实现零件造型、尺寸驱动等一系列自动化工作，使用交互式的程序化方式实现参数化设计。
所述G代码是指：数控机床G代码是数控程序中的指令，一般都称为G指令。使用G代码可以实现快速定位、逆圆插补、顺圆插补、中间点圆弧插补、半径编程、跳转加工等。在得到G代码以后，将其输送到数控机床中，即可通过数控机床加工出该刀具。
本申请方法中方便快捷地选择出加工轮廓，可以通过用鼠标拉出一个窗口的方式选择加工轮廓，但这样的轮廓排列是杂乱的，需要根据各段轮廓曲线首尾相连的原理，经过一系列组织处理操作后可获得数控加工的走刀轨迹上的每段曲线的参数，如是直线或圆弧则可直接编写数控加工G代码(数控铣削或曲线磨削)或3B代码(数控线切割)，如是样条曲线则其上有很多控制点，将这些控制点按每相邻三点之间拟合成圆弧后也可生成数控加工代码。本申请中提供的方法能够实现数控加工代码的生成过程的程序化，使用者只需输入少量的参数，其它过程完全可以由自动化程序自动生成。
本申请提供的方法只需使用者给出加工工件的形状信息(参数信息或图形信息均可)，再人机对话输入一些刀具参数，如前刀面槽形、刀片加工后角α、刀片刃倾角λs、排屑槽方向角￡、刀片排屑槽宽度、刀片内接圆直径、刀片厚度、刀片高度、刀片齿高等，使用者想采用的刀片形状(“四边形”刀片或“三角形”刀片)，工件的加工部位，工件加工位置(内表面或外表面)，加工部位尺寸(加工部位中心离左端面大致距离)，刀具相对于工件的加工方式(正向加工或反向加工)等，就可快速生成刀片三维实体，自动转入二维环境并调出基于三维设计刀片实体对应的二维图形，进而可在选择加工轮廓后，快速生成需要的适用于数控曲线磨削或铣削加工的G代码或数控线切割加工的3B代码。
实施例：
通过刀具纳米级精度设计制造方法来加工可转位成型铣刀，首先在三维CAD软件环境下生成工件实体和刀具毛坯实体，该三维CAD软件中预存有尺寸参数数据库和公式库，
生成的工件实体如图2中所示，其尺寸参数包括段类型(圆弧)，起点及终点回转半径或回转直径，直线段长度，直线段与水平线夹角，直线起点和终点与最左端距离，直线起点和终点水平距离和垂直距离，圆弧底部回转半径或回转直径，圆弧中心离轴线距离，圆弧半径，圆弧中心与该段圆弧起点水平距离和圆弧中心离最左端距离。
生成的刀具毛坯实体如图3中所示，其尺寸参数包括刀片毛坯形状(三角形)，刀片内接圆直径，刀片厚度，刀片高度，沟道和密封槽的加工部位；
将刀具毛坯实体移到工件实体加工位置，并利用布尔切割运算方法进行刀具加工结果的数字化模拟，提取出布尔运算得到的空间曲线；具体来说，
设定加工参数，其中，18度前角，R5.5圆弧，后角10度，刃倾角+5度；
排屑槽的方向与刀具毛坯实体底面所成的夹角为5度，其中三角形刀片向右排屑则为正；将尺寸放大1000倍，因输入刀片厚度为4.76mm，刀片齿高4.2mm，故刀尖Z向即刀片厚度方向移动距离△Z＝(4.76-4.2)×1000＝560；其中，所述刀片为需要设计的刀片结构尺寸。
设计刀片齿高为18mm，刀片内接圆直径为15.875mm，故应将刀片往Y轴负方向即负齿高方向移动距离为
△Y＝-(18-15.875÷2)×1000＝-10062.5
X方向没有位移，即△X＝0。
刀片加工时，应将刀片实体饶工件轴线即X轴方向旋转10度角，以形成一个10度的加工后角。因而，也就相当于将刀片实体饶刀尖X轴方向旋转-10度。
刀片设计实体是将其中心放在工件左端面位置，距圆弧槽底端的工件轴向即X轴方向距离为7.565mm，因而应将刀片在X方向移动△X＝7.565×1000＝7565，工件圆弧槽底离工件轴线即回转半径为23.36mm，故应将刀片实体沿Y方向移动距离△Y＝23.36×1000＝23360，从而使得刀具毛坯实体与工件实体接触。
如图4中所示；所述工件实体为回转体工件，刀具毛坯实体刃部最远点即为零点，在图4中用0点表示，该零点抵接在工件实体回转时加工出工件槽的最底部。
如图5中所示，确定切屑向远离车床装夹盘方向排出时，刃倾角向短柄方向倾斜；沿零点所在的水平基准线作第一基准面，该第一基准面与法剖面成一个大小为λs的夹角；在第一基准面上作与切削面平行的第一基准线，将第一基准面沿第一基准线旋转角度￡，从而得到开刃槽的截剖面；在该截剖面上确定开刃宽度并绘出开刃截面形状的草图。
如图6中所示，利用开刃槽截面曲线拉伸切除所述刀具毛坯，刀具毛坯实体的前刀面和工件实体成型截面相交形成空间曲线S；从而可在三维图中观察到刀具毛坯的刃部是否都在前刀面内，开刃宽度和齿厚是否合理；如发现不合理之处，可修正开刃宽度；
底面垂直的方向投影，生成草图得到刀具齿形的理论曲线；
如图7中所示，利用刀具齿形的理论曲线拉伸切除刀具毛坯实体，得到齿形造模；
如图8中所示，隐藏除刀具毛坯实体以外的所有类型，将生成的特性进行圆周阵列获得可转位成型刀的成品三维造模，将三维造型图转化为平面工程图，然后标注尺寸得到刀具的产品图。
最后对得到的图形做精细化的三维数字化处理，根据数字化处理结果直接编制数控加工G代码，具体来说，
在二维环境下增加一项选择菜单，用menuload命令重新加载菜单文件，屏幕上即增加一项CAM菜单。用鼠标单击后，出现“执行CAM作业”菜单项，选上它即可自动进行CAM作业。
用VBA代码Dim ssetObj As AcadSelectionSet定义一个选择集，
用Set ssetObj＝ThisDrawing.ActiveSelectionSet设置从当前二维图形环境下的当前选择集，用ssetObj.SelectOnScreen提示操作者从计算机屏幕上选取刀具轮廓，用鼠标左键在屏幕上拉出一个窗口的办法获得刀具轮廓选择集。
用Set selectCollection＝ThisDrawing.SelectionSets获取选择集，用ForEach select In selectCollection查找每个选择集，当select.Name为“CURRENT”时，即为当前在屏幕上选择的全部刀具轮廓的选择集。用For Each ent In select查找每个刀具轮廓段，用ent.Highlight(True)加亮刀具轮廓段，使得操作起来直观。用ent.ObjectName的值判断出刀具轮廓段类型。所述轮廓段类型包括直线段、圆弧段、二维多段线、多段线、整圆、椭圆和样条曲线；
获得构成三维实体造型的所有二维轮廓段的坐标；
再按首尾相连的原则，对选择的轮廓段进行排序，得到刀具轮廓走刀轨迹；
计算出轮廓的最右端、最左端和最上端坐标值，作为进刀和退刀点坐标设置的依据，得到下述数控加工G代码：
N5 G00 U21.075 V-13.87
N10 G55
N15 G90 G00 X5.6247 Y2 F20 D2
N20 G42 G01 X4.10096869530222 Y-1.48613254833629
N25 G01 X2.69355174652939 Y-1.03630020025249
N30 G01 X2.16907058556064 Y-.76206559197033
N35 G03 X2.07354229830587 Y-.688139787398264 R3.38252999170604
N40 G03 X1.97571491290381 Y-.617853648794017 R3.39736157622029
N45 G03 X1.87398206960665 Y-.550124995734797 R3.41173806063648
N50 G03 X1.77029002420348 Y-.486311000074799 R3.42526960983801
N55 G03 X1.66473635940017 Y-.42639827761375 R3.43847421569486
N60 G03 X1.55730645739889 Y-.370324040174002 R3.45215275204267
N65 G03 X1.44795499223733 Y-.318036552140446 R3.46608260924783
N70 G03 X1.32992062021938 Y-.26673020756925 R3.47944923178494
N75 G03 X1.2097909342662 Y-.219712493878871 R3.49206121610056
N80 G03 X1.0875790500671 Y-.17701465898061 R3.50392548762963
N85 G03 X.972460253061341 Y-.141340178832912 R3.51498115723876
N90 G03 X.856442243276917 Y-.109691258434118 R3.5262651848792
N95 G03 X.73763603374814 Y-8.16233351206073E-02 R3.53639686731782
N100 G03 X.618325753195793 Y-5.77399215782233E-02 R3.54497658916467
N105 G03 X.498585104361011 Y-.038007402912835 R3.55242884617756
N110 G03 X.378370395711227 Y-2.23857454755576E-02 R3.55995293346117
N115 G03 X.257642350531794 Y-1.08576942921168E-02 R3.56740058437674
N120 G03 X.129077859589558 Y-3.11216669504244E-03 R3.57364850091142
N125 G03 X0 Y0 R3.57841381846955
N130 G03 X-.129569708918976 Y-1.55787873477653E-03 R3.5820149232683
N135 G03 X-.24998881171559 Y-7.21201735348131E-03 R3.58480959479096
N140 G03 X-.369790670033237 Y-1.68747948118479E-02 R3.58794152180623
N145 G03 X-.490985958724711 Y-3.07793658318127E-02 R3.58957468373502
N150 G03 X-.611282035715897 Y-.048735161939236 R3.58946506283025
N155 G03 X-.7306373723881 Y-7.07035144052872E-02 R3.58828376918699
N160 G03 X-.849110736688888 Y-9.66786006375244E-02 R3.58716066625199
N165 G03 X-.966713772123841 Y-.126665415775131 R3.5858214445577
N170 G03 X-1.09045159506161 Y-.162861715030458 R3.58289716982161
N175 G03 X-1.21313951870507 Y-.203606977618754 R3.57833830136974
N180 G03 X-1.33474034370731 Y-.248943844138067 R3.57272969490242
N185 G03 X-1.4461269208691 Y-.294980374770361 R3.56707657212897
N190 G03 X-1.55547157259802 Y-.344556303142673 R3.56167494984935
N195 G03 X-1.66465538254195 Y-.398605729714865 R3.55517477567225
N200 G03 X-1.7716298062944 Y-.456205886067979 R3.54688030766259
N205 G03 X-1.87637930649691 Y-.517326641834556 R3.53807157327832
N210 G03 X-1.97896105055535 Y-.581999288968659 R3.5295666587887
N215 G03 X-2.07935363932103 Y-.650229713965669 R3.52090172759168
N220 G03 X-2.18339070777307 Y-.726490700047889 R3.5106132346506
N225 G03 X-2.28487298198958 Y-.806793506516645 R3.49893196038633
N230 G03 X-2.38374109148154 Y-.891181240399307 R3.4867058984343
N235 G01 X-2.89812005150107 Y-1.1956437529532
N240 G01 X-3.87832401035019 Y-1.5701561202391
N245 G01 X-4.34539306999971 Y-1.74861197897764
N250 G00 Y2
N255 G40 X5.6247
N260 G91 G00 V-0.02
N265 (RPT N10,N260)N0
N270 G00 Y2
N275 X-103.878
N280 M30
对上述可转位成型刀的成品三维造模做误差分析：
分析1：设计时输入齿高为18mm，通过将上述方法得到的成品三维造模向成品三维造模底面投影得到的二维图形进行实测，齿高误差为0.0009mm，如图9中所示，其误差不足1纳米，可见其精度很高。
分析2：
调取如图8中所示的可转位成型铣刀的成品三维造模放置在工件实体加工位置，成品三维造模前刀面刃口与工件接触情况示意图如图10和图11中所示；
对该可转位成型刀的成品三维造模前刀面的刃口空间曲线向做正视和俯视两个方向投影，得到如图12和图13中所示的投影图，通过这两个视图可唯一地确定刃口的空间位置。
从二维投影图可看出，投影曲线上有多个紧密排列的控制点，通过抽取这些控制点的坐标，可获得该位置可转位成型铣刀加工的工件半径，并可通过工件图计算得到实际工件半径，两者之差即为设计误差，如下表所示：
从表中可以看出，在长度为5.378624mm的轴向方向采集84个控制点，平均采样点距离5.378624÷84＝0.064mm，可见密集程度较高，而大多数采样点的半径误差在“纳米”级甚至不到“纳米”，故不存在设计误差，也可称为“零误差设计”。
以上结合了优选的实施方式对本发明进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本发明进行多种替换和改进，这些均落入本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种刀具纳米级精度设计制造方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤1，在三维CAD软件环境下生成工件实体和刀具毛坯实体，
步骤2，将刀具毛坯实体移到工件实体加工位置，并利用布尔切割运算方法进行刀具加工结果的数字化模拟，提取出布尔运算得到的空间曲线；
步骤3，对得到的空间曲线做精细化的三维数字化处理，根据数字化处理结果直接编制数控加工G代码；
所述步骤2包括如下子步骤：
子步骤2-1，设定加工参数，所述加工参数包括前角γ0、后角α0以及刃倾角λs；
子步骤2-2，选定排屑槽的方向与刀具毛坯实体底面所成的夹角￡，将刀具毛坯实体移到工件实体加工位置，建立刀具毛坯实体和工件实体模拟加工位置的三维图；
子步骤2-3，沿0点所在的水平基准线作第一基准面，该第一基准面与法剖面成大小为λs的夹角；在第一基准面上作与切削面平行的第一基准线，将第一基准面沿第一基准线旋转角度￡，从而得到开刃槽的截剖面；在该截剖面上确定开刃宽度并绘出开刃截面形状的草图；
子步骤2-4，利用开刃槽截面曲线拉伸切除所述刀具毛坯，刀具毛坯实体的前刀面和工件实体成型截面相交形成空间曲线S；
子步骤2-5，将空间曲线S与刀具毛坯实体底面垂直的方向投影，生成草图得到刀具齿形的理论曲线；
子步骤2-6，利用刀具齿形的理论曲线拉伸切除刀具毛坯实体，得到齿形造模。
2.根据权利要求1所述的刀具纳米级精度设计制造方法，其特征在于，
在步骤1中，生成工件实体时，将工件实体分为多段体素进行输入。
3.根据权利要求1所述的刀具纳米级精度设计制造方法，其特征在于，
在步骤1中，生成刀具毛坯实体时，采用人机对话的方式输入毛坯参数，根据工件实体需要加工部位的尺寸确定切削刀具毛坯的尺寸。
4.根据权利要求1所述的刀具纳米级精度设计制造方法，其特征在于，
所述步骤3包括如下子步骤：
子步骤3-1，添加CAM作业模块，
子步骤3-2，选择刀具轮廓，并在确定刀具轮廓后查找刀具轮廓段，对轮廓段加亮，再判断出各个刀具轮廓段的类型；
子步骤3-3，获得各个刀具轮廓段的坐标；
子步骤3-4，按首尾相连的原则，对选择的轮廓段进行排序，得到刀具轮廓走刀轨迹；
子步骤3-5，计算出轮廓的最右端、最左端和最上端坐标值，生成G代码。
5.根据权利要求1所述的刀具纳米级精度设计制造方法，其特征在于，
在执行子步骤2-3以前，确定切屑的排出方向和倾角λs倾斜方向。
6.根据权利要求4所述的刀具纳米级精度设计制造方法，其特征在于，
在子步骤3-3中，对于直线段，获取起点坐标和终点坐标；对于圆弧段，获取起点坐标、终点坐标、圆弧中心坐标、圆弧半径、圆弧起始角、圆弧终止角、圆弧长度和走向，所述走向包括逆时针走向和顺时针走向；对于样条曲线，获取样条曲线中控制点总数和每个控制点坐标；对于多段线，则将多段线转换为样条曲线。
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