CN115494791B - 一种最小切削力变化的自由曲面铣削轨迹规划方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种最小切削力变化的自由曲面铣削轨迹规划方法及系统，该方法包括提取待铣削自由曲面零件的三维网格模型及铣削刀具模型；根据铣削残留高度要求，生成自由曲面零件上的等残高刀触点集合；计算每个刀触点向相邻刀触点移动时，刀具切削区域的宽度；计算每个刀触点向相邻刀触点移动时，两个刀触点的刀具切削区域宽度的变化大小；以刀触点为顶点，顶点用边相连，并以刀具切削区域宽度的变化大小为边的权值，构造有权无向图；计算遍历有权无向图所有顶点的顺序，该顺序使总的刀具切削区域宽度变化最小；调整每个离散刀触点的进给速度大小。通过减少铣削加工中切削力的变化，可以避免切削力突然变大造成的刀具损坏、工件破坏的发生。

Description

一种最小切削力变化的自由曲面铣削轨迹规划方法及系统
技术领域
本发明涉及切削加工自动化控制技术，具体涉及一种最小切削力变化的自由曲面铣削轨迹规划方法及系统。
背景技术
随着自由曲面在各领域的应用日益广泛，人们对零件的表面形状精度、表面粗糙度以及亚表面损伤程度的要求不断提高。自由曲面零件广泛存在于航空航天、船舶、新能源等高端装备的核心零件中，如水轮机叶轮、大型风电装备叶片、储油罐壳体等，其制造水平是衡量国家工业发展水平和综合国力的重要标志。
自由曲面铣削加工作为曲面精加工工序，对于自由曲面的表面质量和精度有着至关重要的影响。目前的自由曲面铣削加工轨迹没有考虑铣削过程中切削力的频繁变化的问题。尤其在复杂自由曲面铣削加工中，切削力容易产生剧烈的突变，轻则影响自由曲面表面加工质量以及产生加工变形误差，重则影响刀具和加工装备的寿命。
关于使加工过程中的切削力稳定的问题，国内外许多学者都进行了深入的研究，目前主要的优化方法分为两种类型，一类为在线优化也即在加工过程中根据机床的相关参数或者传感器的测量结果通过反馈调节的形式来实时的调节加工参数来使切削力稳定；另一类为离线优化，即利用各种方式来对切削过程中的切削力进行预测，利用预测获得的结果对轨迹进行优化，进而调节加工参数或者设计加工轨迹形式来降低加工过程中切削力的突变。
专利文献CN106125666A公开了以切削力波动为约束的曲面加工刀具轨迹规划方法，该方法考虑加工过程中切削力波动对复杂曲面刀具寿命、加工质量的影响，通过对加工刀位点的再规划，以相邻刀位点间法向量夹角最小为基本轨迹规划原则，综合考虑了曲面几何特征及刀具轨迹拓扑形状对切削力的影响，在保证加工质量的同时提高加工效率。
当前的切削力稳定方法大部分都是通过优化进给速度、切削深度等工艺参数的方法进行的，对切削力剧烈变化时的控制效果有限。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种最小切削力变化的自由曲面铣削轨迹规划方法及系统，通过减少铣削加工中切削力的变化，可以避免切削力突然变大造成的刀具损坏、工件破坏的发生。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
第一方面，本发明提供一种最小切削力变化的自由曲面铣削轨迹规划方法，所述方法包括：
提取待铣削自由曲面零件的三维网格模型及铣削刀具模型；
根据铣削残留高度要求，生成自由曲面零件上的等残高刀触点集合；
计算每个刀触点向相邻刀触点移动时，刀具切削区域的宽度；
计算每个刀触点向相邻刀触点移动时，两个刀触点的刀具切削区域宽度的变化大小；
以刀触点为顶点，顶点用边相连，并以刀具切削区域宽度的变化大小为边的权值，构造有权无向图；
利用全覆盖最短路径算法，计算遍历有权无向图所有顶点的顺序，该顺序使总的刀具切削区域宽度变化最小，按照该顺序连接获得的刀触点序列即为刀具加工轨迹；
基于获得的刀具加工轨迹上每个离散刀触点的刀具切削区域宽度，调整每个离散刀触点的进给速度大小，使得每一个离散刀触点的刀具切削区域宽度与进给速度的乘积相等。
进一步地，所述等残高刀触点集合为：
在自由曲面零件上，按一定的间距取覆盖整个零件的离散点集，且两个点的间距能保证此两点在铣削加工时，残留高度等于设定的残留高度要求值。
进一步地，所述相邻刀触点指的是：
通过对自由曲面的等残高刀触点集合进行行列编号，行与列的序号相差不超过1的两个离散刀触点，为相邻刀触点。
进一步地，所述刀具切削区域宽度指的是：
刀具在铣削过程中，刀具与被加工零件相交的体积，在垂直于铣削进给速度方向的截面的最大宽度。
进一步地，所述两个刀触点的刀具切削区域宽度的变化大小指的是两个刀触点对应的刀具切削区域宽度的差的绝对值。
进一步地，所述全覆盖指的是不间断地遍历图结构中所有的顶点；最短路径指的是遍历图结构中所有的顶点时，权值之和最小的顶点连接顺序。
进一步地，相邻的加工轨迹之间的残留高度
Figure 187279DEST_PATH_IMAGE002
根据加工刀具半径/>
Figure DEST_PATH_IMAGE004
、加工曲面刀触点处曲率半径/>
Figure 40835DEST_PATH_IMAGE006
以及相邻刀具轨迹对应刀触点之间的距离/>
Figure 322912DEST_PATH_IMAGE008
计算获得，如下：
Figure 774884DEST_PATH_IMAGE010
。
进一步地，每个离散刀触点处，进给速度
Figure 484214DEST_PATH_IMAGE012
与切削区域宽度变化值
Figure 621803DEST_PATH_IMAGE014
的比例保持 一致：
Figure 707571DEST_PATH_IMAGE016
；
Figure DEST_PATH_IMAGE018
表示的是当前刀触点，
Figure DEST_PATH_IMAGE020
表示的是相邻的另一个刀触点，
Figure 152065DEST_PATH_IMAGE021
为第
Figure DEST_PATH_IMAGE022
个刀触点的进给速度，
Figure 484826DEST_PATH_IMAGE023
为第
Figure DEST_PATH_IMAGE024
个刀触点的进给速度，
Figure 814439DEST_PATH_IMAGE025
为第
Figure 422006DEST_PATH_IMAGE022
个刀触点的切削 区域宽度变化值，
Figure DEST_PATH_IMAGE026
为第
Figure 269744DEST_PATH_IMAGE027
个刀触点的切削区域宽度变化值。
第二方面，本发明提供一种最小切削力变化的自由曲面铣削轨迹规划系统，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上任一所述方法的步骤。
第三方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上任一所述方法的步骤。
本发明与现有技术相比，其有益效果在于：
本发明通过减少铣削加工中切削力的变化，可以避免切削力突然变大造成的刀具损坏、工件破坏的发生，因此可以使用更高的加工速度，提升加工效率。同时，减少了切削力的变化幅度和频率，对切削过程中振动的产生具有一定的抑制作用。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的最小切削力变化的自由曲面铣削轨迹规划方法的流程图；
图2为自由曲面上的等残留高度刀触点集合；
图3为不同方向切削区域宽度计算示意图；
图4为自由曲面切削区域宽度变化示意图；
图5为自由曲面恒力铣削轨迹二维示意图；
图6为自由曲面恒力铣削轨迹三维示意图；
图7为本发明实施例2提供的最小切削力变化的自由曲面铣削轨迹规划系统的组成示意图。
具体实施方式
当前的切削力稳定方法大部分都是通过优化进给速度、切削深度等工艺参数的方法进行的，对切削力剧烈变化时的控制效果有限。而加工轨迹影响了切削的进给方向和加工的顺序，会大幅度地影响切削力的变化情况。因此，在加工轨迹规划的阶段就对切削力的稳定性进行优化，具有很大发展前景。为此，本发明提供了一种最小切削力变化的自由曲面铣削轨迹规划方法及系统。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1：
参阅图1所示，本实施例提供的最小切削力变化的自由曲面铣削轨迹规划方法主要包括如下步骤：
S101、提取待铣削自由曲面零件的三维网格模型及铣削刀具模型；
具体的，获取待铣削加工的自由曲面零件的表面三角网格模型，并获取用于铣削加工的刀具模型中的类型、形状、尺寸等参数，用于后续材料去除率的计算。
S102、根据铣削残留高度要求，生成自由曲面零件上的等残高刀触点集合；
在自由曲面零件上，按一定的间距取覆盖整个零件的离散点集，且两个点的间距可以保证此两点在铣削加工时，残留高度等于设定的残留高度要求值。
残留高度就是刀具加工过零件后,会留有未加工到材料,这样的材料离理论工件面的高度,称为残留高度,是控制加工精度的指标。
具体的，分别沿着自由曲面对应的参数域的U、V方向进行离散的、满足等残留高度约束的刀触点计算。如图2所示，为生成的自由曲面上的等残留高度刀触点集合。
相邻的加工轨迹之间的残留高度
Figure 320876DEST_PATH_IMAGE029
可以根据加工刀具半径/>
Figure DEST_PATH_IMAGE031
、加工曲面刀触点处曲率半径/>
Figure DEST_PATH_IMAGE033
以及相邻刀具轨迹对应刀触点之间的距离/>
Figure DEST_PATH_IMAGE035
计算获得，如下：/>
Figure DEST_PATH_IMAGE037
当残留高度远小于曲率半径时，通常会简化为
Figure DEST_PATH_IMAGE039
然后，根据残留高度的要求，基于公式（2），向U、V两个方向逐个计算触相邻的刀触点的距离，生成相邻的刀触点，直到覆盖整个自由曲面。
S103、计算每个刀触点向相邻刀触点移动时，刀具切削区域的宽度；
相邻刀触点指，通过对自由曲面的等残高刀触点集合进行行列编号，行与列的序号相差不超过1的两个离散刀触点，为相邻刀触点。
切削区域宽度的计算与刀具形状、刀具尺寸、刀触点处曲率、切削深度有关。以球头端铣刀为力，切削区域宽度的计算公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE041
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE043
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE045
是切削深度；
Figure DEST_PATH_IMAGE046
为第
Figure DEST_PATH_IMAGE047
个刀触点处的切削区域宽度；
Figure DEST_PATH_IMAGE048
是中间变量，根 据公式(4)进行计算。
S104、计算每个刀触点向相邻刀触点移动时，两个刀触点的刀具切削区域宽度的变化大小。
刀具切削区域的宽度指的是：刀具在铣削过程中，刀具与被加工零件相交的体积，在垂直于铣削进给速度方向的截面的最大宽度。
具体为，如图3所示，椭圆形状表示刀具往不同方向进给时，刀具切削区域宽度的分布情况。两个刀触点间移动时，垂直于进给方向的椭圆轴长为两个刀具切削区域宽度。切削区域宽度变化值为两者相减的绝对值。
Figure DEST_PATH_IMAGE049
Figure DEST_PATH_IMAGE050
为第
Figure DEST_PATH_IMAGE051
个到刀触点处的切削区域宽度。
如图4所示，为自由曲面上离散刀触点处，切削区域宽度变化的示意图。
S105、以刀触点为顶点，顶点用边相连，并以刀具切削区域宽度的变化大小为边的权值，构造有权无向图。
具体为，构造有权无向图G(V, E)，刀触点设为图的顶点V，顶点与顶点之间存在连接关系，即边E。边的长度/权值，为两个刀触点间移动时，刀具切削区域的变化大小
Figure DEST_PATH_IMAGE053
。不相连的两个边之间不能相互移动，可以认为权值为无穷大。
S106、利用全覆盖最短路径算法，计算遍历有权无向图所有顶点的顺序，该顺序可使总的刀具切削区域宽度变化最小，按照该顺序连接获得的刀触点序列，即为刀具加工轨迹。
全覆盖指的是不间断地遍历图结构中所有的顶点；最短路径指的是遍历图结构中所有的顶点时，权值之和最小的顶点连接顺序。
全覆盖最短路径算法，是一个泛指，可以包括多种实现方法，此处介绍一种实施的实例。本实例拟通过将加工轨迹规划问题构造成旅行商（TSP）问题。首先，在构造的有权无向图基础上，加上一个虚拟起点和虚拟终点，虚拟起点和终点与有权无向图G(V, E)的所有顶点相连，且相连的边的权值为0。这样构造的目的是可以让加工轨迹从任意刀触点开始搜索、任意刀触点结束。
求解TSP问题的一种算法如下：
1.生成一个随机的初始路径T；
2.设
Figure DEST_PATH_IMAGE055
，选择/>
Figure DEST_PATH_IMAGE057
；
3.选择
Figure DEST_PATH_IMAGE059
；
4.选择
Figure DEST_PATH_IMAGE061
，使得/>
Figure DEST_PATH_IMAGE063
，若不可能，则跳到步骤12；
5.让
Figure DEST_PATH_IMAGE065
；
6.选择
Figure DEST_PATH_IMAGE067
，使得
(a) 若
Figure DEST_PATH_IMAGE069
与/>
Figure DEST_PATH_IMAGE071
相连，则最终结果配置为一个可行路径，/>
Figure DEST_PATH_IMAGE073
，
(b)
Figure DEST_PATH_IMAGE075
，其中/>
Figure DEST_PATH_IMAGE077
。
如果
Figure DEST_PATH_IMAGE079
比T更好，/>
Figure DEST_PATH_IMAGE081
，并跳到步骤2；
7.选择
Figure DEST_PATH_IMAGE083
，使得
(a)
Figure DEST_PATH_IMAGE085
，
(b)
Figure DEST_PATH_IMAGE087
，其中/>
Figure DEST_PATH_IMAGE089
,
(c)
Figure DEST_PATH_IMAGE091
存在。
如果以上存在，则跳到步骤5；
8.如果
Figure DEST_PATH_IMAGE093
存在未尝试的替代方案，让/>
Figure DEST_PATH_IMAGE095
并跳到步骤7；
9.如果
Figure DEST_PATH_IMAGE097
存在未尝试的替代方案，让/>
Figure 896040DEST_PATH_IMAGE095
并跳到步骤6；
10. 如果
Figure DEST_PATH_IMAGE099
存在未尝试的替代方案，让/>
Figure DEST_PATH_IMAGE101
并跳到步骤4；
11. 如果
Figure DEST_PATH_IMAGE103
存在未尝试的替代方案，让/>
Figure 933397DEST_PATH_IMAGE101
并跳到步骤3；
12. 如果
Figure DEST_PATH_IMAGE105
存在未尝试的替代方案，跳到步骤2；
13. 停止，完成一次搜索循环（若增加循环，则跳到步骤1）。
如图6所示，为根据上述方法获得的，切削力变化最小的自由曲面铣削轨迹的示例图。
S107、基于获得的刀具加工轨迹上每个离散刀触点的刀具切削区域宽度，调整每个刀触点的进给速度大小，使得每一个离散刀触点的刀具切削区域宽度与进给速度的乘积相等。
由于加工轨迹仅允许刀触点向相邻的刀触点（最多8个方向）进行进给，因此刀具切削区域宽度并不会始终保持恒定。因此，在此基础上，对每个刀触点的进给速度进行调整，使得切削力变化进一步减少。每个离散刀触点处，进给速度
Figure DEST_PATH_IMAGE107
与切削区域宽度变化值
Figure DEST_PATH_IMAGE109
的比例保持一致：/>
Figure DEST_PATH_IMAGE111
Figure 24588DEST_PATH_IMAGE022
表示的是当前刀触点，
Figure 495889DEST_PATH_IMAGE024
表示的是相邻的另一个刀触点，
Figure 846099DEST_PATH_IMAGE021
为第
Figure 562514DEST_PATH_IMAGE022
个刀触点的 进给速度，
Figure 947359DEST_PATH_IMAGE023
为第
Figure 589561DEST_PATH_IMAGE024
个刀触点的进给速度，
Figure 692647DEST_PATH_IMAGE025
为第
Figure 196440DEST_PATH_IMAGE022
个刀触点的切削区域宽度变化值，
Figure 455033DEST_PATH_IMAGE026
为第
Figure 753290DEST_PATH_IMAGE027
个刀触点的切削区域宽度变化值。
由此可见，本发明通过降低刀具切削区域宽度的变化大小，进而减少铣削加工中切削力的变化，可以避免切削力突然变大造成的刀具损坏、工件破坏的发生，因此可以使用更高的加工速度，提升加工效率。同时，减少了切削力的变化幅度和频率，对切削过程中振动的产生具有一定的抑制作用。（刀具切削区域宽度越大，切削力越大；同时，进给速度越大，切削力也是越大。）
实施例2：
参阅图7所示，本实施例提供的最小切削力变化的自由曲面铣削轨迹规划系统包括处理器71、存储器72以及存储在该存储器72中并可在所述处理器71上运行的计算机程序73，例如最小切削力变化的自由曲面铣削轨迹规划程序。该处理器71执行所述计算机程序73时实现上述实施例1步骤，例如图1所示的步骤。
示例性的，所述计算机程序73可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器72中，并由所述处理器71执行，以完成本发明。所述一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述计算机程序73在所述最小切削力变化的自由曲面铣削轨迹规划系统中的执行过程。
所述最小切削力变化的自由曲面铣削轨迹规划系统可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述最小切削力变化的自由曲面铣削轨迹规划系统可包括，但不仅限于，处理器71、存储器72。本领域技术人员可以理解，图7仅仅是最小切削力变化的自由曲面铣削轨迹规划系统的示例，并不构成最小切削力变化的自由曲面铣削轨迹规划系统的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述最小切削力变化的自由曲面铣削轨迹规划系统还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。
所称处理器71可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC) 、现成可编程门阵列(FieldProgrammable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
所述存储器72可以是所述最小切削力变化的自由曲面铣削轨迹规划系统的内部存储元，例如最小切削力变化的自由曲面铣削轨迹规划系统的硬盘或内存。所述存储器72也可以是所述最小切削力变化的自由曲面铣削轨迹规划系统的外部存储设备，例如所述最小切削力变化的自由曲面铣削轨迹规划系统上配备的插接式硬盘，智能存储卡(SmartMedia Card，SMC)，安全数字(Secure Digital，SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，所述存储器72还可以既包括所述最小切削力变化的自由曲面铣削轨迹规划系统的内部存储单元也包括外部存储设备。所述存储器72用于存储所述计算机程序以及所述最小切削力变化的自由曲面铣削轨迹规划系统所需的其他程序和数据。所述存储器72还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。
实施例3：
本实施例提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现实施例1所述方法的步骤。
所示计算机可读介质可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理再以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种最小切削力变化的自由曲面铣削轨迹规划方法，其特征在于，所述方法包括：
提取待铣削自由曲面零件的三维网格模型及铣削刀具模型；
根据铣削残留高度要求，生成自由曲面零件上的等残高刀触点集合；
计算每个刀触点向相邻刀触点移动时，刀具切削区域的宽度；
计算每个刀触点向相邻刀触点移动时，两个刀触点的刀具切削区域宽度的变化大小；
以刀触点为顶点，顶点用边相连，并以刀具切削区域宽度的变化大小为边的权值，构造有权无向图；
利用全覆盖最短路径算法，计算遍历有权无向图所有顶点的顺序，该顺序使总的刀具切削区域宽度变化最小，按照该顺序连接获得的刀触点序列即为刀具加工轨迹；
基于获得的刀具加工轨迹上每个离散刀触点的刀具切削区域宽度，调整每个离散刀触点的进给速度大小，使得每一个离散刀触点的刀具切削区域宽度与进给速度的乘积相等；
所述刀具切削区域宽度指的是：
刀具在铣削过程中，刀具与被加工零件相交的体积，在垂直于铣削进给速度方向的截面的最大宽度。
2.如权利要求1所述的最小切削力变化的自由曲面铣削轨迹规划方法，其特征在于，所述等残高刀触点集合为：
在自由曲面零件上，按一定的间距取覆盖整个零件的离散点集，且两个点的间距能保证此两点在铣削加工时，残留高度等于设定的残留高度要求值。
3.如权利要求2所述的最小切削力变化的自由曲面铣削轨迹规划方法，其特征在于，所述相邻刀触点指的是：
通过对自由曲面的等残高刀触点集合进行行列编号，行与列的序号相差不超过1的两个离散刀触点，为相邻刀触点。
4.如权利要求1所述的最小切削力变化的自由曲面铣削轨迹规划方法，其特征在于，所述两个刀触点的刀具切削区域宽度的变化大小指的是两个刀触点对应的刀具切削区域宽度的差的绝对值。
5.如权利要求1所述的最小切削力变化的自由曲面铣削轨迹规划方法，其特征在于，所述全覆盖指的是不间断地遍历图结构中所有的顶点；最短路径指的是遍历图结构中所有的顶点时，权值之和最小的顶点连接顺序。
6.如权利要求2所述的最小切削力变化的自由曲面铣削轨迹规划方法，其特征在于，相邻的加工轨迹之间的残留高度hs根据加工刀具半径Rt、加工曲面刀触点处曲率半径ρs以及相邻刀具轨迹对应刀触点之间的距离dw计算获得，如下：
Figure FDA0004034522680000021
7.一种最小切削力变化的自由曲面铣削轨迹规划系统，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至6任一所述方法的步骤。
8.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至6任一所述方法的步骤。
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