一種非球頭刀銑削加工自由曲面的方法
【專利摘要】一種非球頭刀銑削加工自由曲面的方法，其特征是采用擺定前傾角和零度旋轉角的加工方式，構造刀具有效切削曲面，以張量的方式度量曲面上任意切觸點處的切削寬度，構建非球頭刀切削寬度二階張量場，提取張量場中的三分退化點，并以此為起點搜索曲面內部邊界點，實現對曲面加工區域的劃分，每個區域稱為一個曲面加工特征。在每一個曲面加工特征中構建數條曲線，使曲線上每點的切向與該點處切寬最大的進給方向重合，選出平均切寬最大的曲線為該區域內的初始加工軌跡線，采用偏置初始加工軌跡線的方式計算各曲面加工特征的刀軌從而得到整個曲面的加工軌跡。本發明能夠減少刀軌長度，實現加工效率的提高。
【專利說明】-種非球頭刀銑削加工自由曲面的方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種CAD/CAM技術，尤其是一種自由曲面的CAD/CAM技術，具體地說是 一種非球頭刀銑削加工自由曲面的方法

【背景技術】
[0002] 隨著產品整體化、輕量化設計以及對氣動性能要求的不斷提升，越來越多的復雜 自由曲面出現在航空航天、汽車及船舶等產品的零件中，由于這些復雜曲面幾何性質復雜， 曲率變化大，傳統上采用球頭刀銑削的加工方式，但在實際生產中球頭刀的切削寬度較小， 加工效率較低，例如在大型模具的復雜自由曲面加工中，其精加工時間往往需要100小時 以上。相比之下五軸聯動非球頭刀的切削通過改變刀具姿態可以實現較大的切寬，加工效 率明顯提高，因而成為復雜自由曲面加工的高效加工方式。但非球頭刀的切削寬度受刀具 姿態以及進給方向的影響，而五軸加工刀具姿態的確定依賴人的經驗且缺乏靈活性，在實 際加工中往往切削寬度達不到預期效果，仍然需要進行切削寬度優化。
[0003] 切削寬度優化是優化曲面加工效率的重要方式之一，較大的切削寬度可以減少曲 面加工軌跡的長度，在不考慮機床運動學限制的情況下可以有效縮短加工時間，提高加工 效率。一些學者通過以曲面最長邊界作為初始刀軌進行偏置生產刀軌，或者以曲面主曲率 最大的對應方向作為進給方向從而實現切削寬度的優化，還有目前較為成熟的美國北卡羅 來納州立大學Yuan-shin Lee教授提出的基于Machining Potential Field的方法，即首先 在曲面上構造一系列曲線，選出平均切寬最大的曲線作為初始軌跡線，偏置初始軌跡線生 成曲面的加工軌跡，當偏置得到的軌跡線的切削效率系數小于設定值時則停止軌跡偏置， 在未生成刀軌區域重新構造初始軌跡線進行軌跡計算。該方法能夠一定程度上減少相鄰刀 軌間的重疊區域，實現切寬的優化，但該方法的本質是一種被動式的分區加工方法，仍然受 人經驗的影響，是一種貪婪式算法，因此僅能得到局部優化的加工結果。
[0004] 本發明公開了一種非球頭刀銑削加工自由曲面方法。針對自由曲面五軸聯動銑 削加工中采用擺定前傾角和零度旋轉角的加工方式，構造刀具有效切削曲面，以張量的方 式度量曲面上任意切觸點處的切削寬度，構建非球頭刀切削寬度二階張量場，提取張量場 中的三分退化點，并以此為起點搜索曲面內部邊界點，實現對曲面加工區域的劃分，每個區 域稱為一個曲面加工特征。在每一個曲面加工特征中構建數條曲線，使曲線上每點的切向 與該點處切寬最大的進給方向重合，選出平均切寬最大的曲線為該區域內的初始加工軌跡 線，采用偏置初始加工軌跡線的方式計算各曲面加工特征的刀軌從而得到整個曲面的加工 軌跡。該方法能夠保證所生成的平底刀加工軌跡盡可能遵循對應最大切寬的進給方向在曲 面范圍內的區域化分布規律，從而減少刀軌長度，實現加工效率的提高。


【發明內容】

[0005] 本發明的目的是針對當前復雜自由曲面五軸聯動銑削加工中，采用擺定前傾角和 零度旋轉角的加工方式下，非球頭刀銑削無法進行切寬全局優化的問題，發明一種非球頭 刀銑削加工自由曲面的方法。
[0006] 本發明的技術方案是：
[0007] -種非球頭刀銑削加工自由曲面的方法，其特征是它包括以下步驟：
[0008] 步驟1 :依據最大弦高比值，對加工曲面進行網格劃分，得到加工曲面包含的網格 列表及每個網格包含的網格點；
[0009] 步驟2 :構造刀具有效切削曲面表達方式；
[0010] 步驟3 :基于加工曲面幾何特性及刀具有效切削曲面表達方式，計算每個網格點 處的非球頭刀切寬張量系數矩陣，構建切寬張量場；
[0011] 步驟4 :搜索切寬張量場中包含的退化點，提取三分退化點；
[0012] 步驟5 :以三分退化點為起點搜索曲面內部邊界點，構造曲面內部邊界，得到曲面 加工特征。
[0013] 步驟6 :在每一個曲面加工特征中構建數條曲線，保證曲線上每點的切向與該點 處切寬最大的進給方向重合，選出平均切寬最大的曲線為該區域內的初始加工軌跡線；
[0014] 步驟7 :采用偏置初始加工軌跡線的方式計算各曲面加工特征的刀軌從而得到整 個曲面的加工軌跡。
[0015] 上述步驟1中所述的加工曲面網格劃分具體方法如下：將加工曲面投影至零件底 面B上，如圖2所示，提取包圍該投影區域的最小矩形T，設置T在兩垂直邊方向上的離散步 距m和n，其中m、n的初始默認值為各自所對應邊長的百分之一，以初始m和η對T進行離 散，得到底面上的一系列網格BG，將網格BG沿底面的法向投影至加工曲面S上，得到曲面 網格列表SG和網格點。并計算出所有兩點間的最大弦高比，并將其與弦高比預設值進行比 較，其中弦高比預設值可默認為N xe，并可根據曲面加工精度進行調整，如果最大弦高比小于 Nxe則調節對應m、η值并繼續迭代計算，直到滿足條件，即最大弦高比大于等于N xe，m、η確 定后，記錄下對應的曲面網格列表SG。
[0016] 上述步驟2中所述的構建抽象刀具曲面表達方式，具體是指，由于在實際加工中， 切削寬度的度量與刀具和零件的幾何信息相關，因此首先需要對刀具的曲面進行描述，對 于APT刀具（通用自動編程刀具）而言，如圖3所示，其刀具幾何表達為 ：
[0017]

【權利要求】
1. 一種非球頭刀銑削加工自由曲面的方法，其特征是它包括以下步驟： 步驟1 :依據最大弦高比值，對加工曲面S進行網格劃分，得到加工曲面包含的網格列 表及每個網格包含的網格點； 步驟2 :構造刀具有效切削曲面表達方式； 步驟3 :基于加工曲面幾何特性及刀具有效切削曲面表達方式，計算每個網格點處的 非球頭刀切寬張量系數矩陣，構建切寬張量場； 步驟4 :搜索切寬張量場中包含的退化點，提取三分退化點； 步驟5 :以三分退化點為起點搜索曲面內部邊界點，構造曲面內部邊界，得到曲面加工 特征。 步驟6:在每一個曲面加工特征中構建數條曲線，保證曲線上每點的切向與該點處切 寬最大的進給方向重合，選出平均切寬最大的曲線為該區域內的初始加工軌跡線； 步驟7 :采用偏置初始加工軌跡線的方式計算各曲面加工特征的刀軌從而得到整個曲 面的加工軌跡。
2. 根據權利要求1所述的方法，其特征是所述的加工曲面網格劃分方法為：將加工曲 面投影至零件底面上，提取包圍該投影區域的最小矩形T，設置T在兩垂直邊方向上的離散 步距m和η，其中m、n的初始默認值為各自所對應邊長的百分之一，以初始m和η對T進行 離散，得到底面上的一系列網格BG，將網格BG沿底面的法向投影至加工曲面S上，得到曲 面網格列表SG和網格點。并計算出所有兩點間的最大弦高比，將其與弦高比預設值進行比 較，其中弦高比預設值可默認為Nxe，并可根據曲面加工精度進行調整，如果最大弦高比小于 Nxe則調節對應m、η值并繼續迭代計算，直到滿足條件最大弦高比大于等于Nxe，將m、η確定 后，記錄下對應的曲面網格列表SG。
3. 根據權利要求1所述的方法，其特征是所述的構造刀具有效切削曲面是指，由于在 實際加工中，切削寬度的度量與刀具和零件的幾何信息相關，因此首先需要對刀具的曲面 進行描述，對于APT刀具（通用自動編程刀具）而言，其刀具幾何表達為：
其中ai e[〇, 1]，a2 e[〇, 1]，的，（；為)]，λ e[-JI，+JI]，米用擺定前傾角λ0、 旋轉角ω為零的切削方式，對于任意刀觸點，在其局部坐標系下，刀具的幾何輪廓可以表 達為：
由于刀具沿刀觸點所在的加工曲面法平面上的任意方向切削，因此刀具的有效切削曲 面ECS應該為刀具有效切削輪廓ECP繞Z軸方向旋轉180度，掃掠出的回轉輪廓面，其中刀 具有效切削輪廓ECP為刀具前進方向法平面與刀具曲面的交線，在擺定前傾角和零度旋轉 角的加工方式中，根據廣義刀具幾何輪廓，在局部坐標系下，刀具有效切削輪廓ECP可表示 為：
從而繞Z軸方向旋轉得到的刀具有效切削曲面ECS可表示為：
式中：R1為：R2為：βi為：β2為，L為#為。
4. 根據權利要求1所述的方法，其特征是所述的構建切寬張量場的方法為： 設U1和U2分別為待加工曲面的通過參數化得到的兩個參數，切削寬度w的張量表示 為： w=Ha0du°du0,a,β= 0,orl其中切寬張量系數矩陣Hae可表示為：
其中P= (AtB)4G,A和B分別為加工曲面S和刀具有效切削曲面ECS的雅閣比 (Jacobian)矩陣，D和W分別為加工曲面S和刀具有效切削曲面ECS的曲面第二標準型系 數矩陣，G為S的第一標準型系數矩陣，C1為G的反向矩陣；在切寬張量場中的每一個曲面 離散點處，Hae的最大特征方向即為切寬最大的進給方向。
5. 根據權利要求1所述的方法，其特征是所述的搜索切寬張量場中包含的退化點的方 法為：切寬張量場的退化點處滿足各個進給方向上的切寬大小相同，因此在退化點處Hae 具有兩個相同大小的特征值，此時Hae滿足1 _______ -^ .式中Hn、H22、H12、H21為Hae二 (H12 - Iizi ~υ 階矩陣表達的對應項E11ο12]. ?η21Μ22]
6. 根據權利要求1所述的方法，其特征是所述的提取三分退化點的方法為：計算各退 化點處的a=lJ-?η-Ξ--^β-y=i愁^和義=δ=αλ-βγ，若δ < 0,則該退化點為三分退化點，即有三條內部邊界通過的退化點，式中u1和u2分別為待加 工曲面的通過參數化得到的兩個參數。
7. 根據權利要求1所述的方法，其特征是所述的曲面內部邊界構造方法如下： 以三分退化點為起始點，搜索曲面內部邊界點，構造曲面內部邊界線，確保曲面內部邊 界線上每一點的切向與該點處切寬最大的進給方向一致；對于三分退化點T_DPi，首先在其 切平面內以該點為圓心做半徑為R的圓(；，對(；按角度步距Λω進行離散，得到離散點集 合CPi,將CPi沿T_DPi在曲面上的法向Ni投影至曲面上得到PCPi,通過計算Hae的最大特 征方向獲取PCPi中所有點的切寬最大進給方向向量集合MVi,并將MVi沿隊投影回切平面中 得到PMVi,過T_DPi與CPi中所有點做向量得到可選方向集合PVi,計算所有PVi與其對應的 PMVi間的夾角記作ANGi ;對于任意三分退化點T_DPi，在CPi中可找到三個點使其對應的ANG 近似為〇,滿足該條件的點稱為種子點SP，將T_DPi與SPij連接成線段并沿Ni方向投影至曲 面上便可以得到一條曲面內部邊界曲線段CSij,SPij在曲面上的投影點PSPij為曲面上的內 部邊界點，因此對于一個三分退化點，其周圍存在三個曲面內部邊界點，即每一個三分退化 點僅能被三條內部邊界穿過；當從T_DPi進行曲面內部邊界構造時,首先檢查該三分退化點 是否已被內部邊界經過，若已由三條內部邊界經過該點，則說明無需對該點進行邊界構造， 若小于三條，則按上述方法求出T_DPi臨近的三個內部邊界點，去掉落在穿Sl^DPi內部邊 界上的邊界點，利用余下的點進行搜索構造下一段曲線段； 對于曲面內部邊界點PSP#采取同樣的方法構造半徑為R的圓并對其按Λω進行 離散得到點集CPij，將CPij沿CPij處的曲面法向Nij投影至曲面上得到點集PCPij，通過計算 Hae的最大特征方向獲取PCPu中所有點的切寬最大進給方向向量集合MVm并將MVu沿Ni」 投影回切平面中得到PMVm過PSPu與CPu中所有點做向量得到可選方向集合PVm計算所 有PVu與其對應的PMVu間的夾角記作ANGu ;此時CPu中可搜索得到兩個種子點SPui和 SPij2使其對應的ANG近似為0,分別過SPijl和SPij2與PSPij做向量TVijl和TVij2，將上一段 曲面內部邊界曲線段沿&投影至PSPu的切平面中得到向量TSm分別計算TVui和TVu2與 TSij的夾角ΘU1與ΘU2，提取兩個夾角中較大的那個夾角對應的種子點記作SPiP將IPk與 PSPu連接成線段并沿Nu方向投影至曲面上得到內部邊界曲線段并添加到當前的內部邊界 曲線上，用SPij在曲面上的投影點替換PSPij繼續進行邊界的構造； 曲面內部邊界點搜索停止的條件為：當前曲面內部邊界點PSPij所做的圓Cij有部分落 在曲面外側，此時過PSPu做上一曲面內部邊界曲線段的切線向量，將該向量沿&投影至曲 面上，提取該投影曲線段落在曲面內部的部分，將其作為這條曲面內部邊界線的最后一段； 當所得到的曲面內部邊界曲線段穿過某一三分退化點，或兩者間最小距離小于某一給定的 微小長度值，此時將該三分退化點看做是下一個曲面內部邊界點，提取當前曲面內部邊界 點與該三分退化點間的最短曲線段作為這條曲面內部邊界線的最后一段； 當所有三分退化點處都有三條曲面內部邊界線經過則完成整個曲面區域的劃分，每一 個曲面區域稱為一個曲面加工特征SMF。
8.根據權利要求1所述的方法，其特征是所述的各個曲面加工特征中的初始加工軌跡 線構造方法如下： 首先采用人工編輯的方法在各個曲面加工特征對應的曲面區域內創建一系列點，將每 一個人工創建的點Pi以步驟4中的方法找到其對應的兩個種子點SPil和SPi2，過Pi分別 與SPil和SPi2做直線段，并沿Pi處的曲面法向Ni投影至曲面上得到曲線段CSil和CSi2，將 CSil和CSi2保存為到曲線段集合CCi中，相同的方式得到兩個種子點在曲面上對應的投影 點PSPil和PSPi2，選擇PSPil為起點按照步驟4中PSPu的搜索方法構造曲線段并添加到CCi 中，構造終止條件為：①若當前搜索得到的曲線段穿過PSPi2或者兩者間的最小距離小于某 一給定的微小長度值時，則以提取PSPu與PSPi2間的曲線段作為CCi中的最后一段，從而形 成一條封閉的曲線段；②若在當前PSPu的切平面內構造的半徑為R的圓有部分落在該曲面 加工特征外時，則過該點做上一曲線段的切向量，將該切向量沿該點處的曲面法向投影至 曲面上，取出該投影線段落在該曲面加工特征內部的部分添加到CCi中，以SPi2為起點繼續 進行搜索，若以SPi2的起點的搜索已完成，則過Pi點的曲線構造完成； 對于曲面加工特征SMFs，按照上述方法在其對應的曲面區域內創建了數條曲線，對于 其中的任意一條，通過以下方法計算其平均切寬CWa : CW= 其中α，β= 〇,orΙ,ιι1和U2分別為待加工曲面的通過參數化 a /* : 得到的兩個參數，τ為曲線的弧長參數； 提取出CWa最大的那條曲線作為SMFs的初始刀具軌跡線。
【文檔編號】G05B19/4099GK104238456SQ201410529547
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年10月9日 優先權日:2014年10月9日
【發明者】李迎光, 劉旭, 馬斯博, 李強, 馬飛 申請人:南京航空航天大學