一種利用球頭刀銑削自由曲面的加工方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種利用球頭刀銑削自由曲面的加工方法，屬于CAD/CAM【技術領域】。該方法以張量的方式度量曲面上任意切觸點處的切削寬度，構建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(xiàn)對曲面加工區(qū)域的劃分，每個區(qū)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(shù)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(qū)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刀軌盡可能遵循對應最大切寬的進給方向在曲面范圍內的區(qū)域化分布規(guī)律，從而減少刀軌長度，實現(xiàn)加工效率的提高。
【專利說明】-種利用球頭刀銑削自由曲面的加工方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種CAD/CAM技術，尤其是一種自由曲面的加工方法，具體地說是一 種利用球頭刀銑削自由曲面的加工方法。

【背景技術】
[0002] 隨著產(chǎn)品對氣動性能要求的不斷提高，復雜自由曲面大量出現(xiàn)航空航天、汽車及 船舶等產(chǎn)品的零件中，由于幾何性質的復雜性，復雜自由曲面大多采用球頭刀銑削方式加 工，該加工方式對曲面形狀的適用性強，且適用于三軸及多軸機床加工，但球頭刀銑削方式 的加工效率較低，對于大型復雜曲面零件如飛機翼身融合曲面，其球頭刀銑削精加工的時 間通常在100小時以上。
[0003] 切削寬度優(yōu)化是優(yōu)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，從而縮短加工時間。目前面向切寬優(yōu)化的自由曲面刀軌生成方法主要 是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，該方法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(shù)小于設定值時 則停止軌跡計算，在未生成刀軌區(qū)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(qū)域，實現(xiàn)切寬的優(yōu)化，但該方法的本質是一種被動式的分 區(qū)加工方法，是一種貪婪式算法，因此僅能得到局部優(yōu)化的加工結果。
[0004] 本發(fā)明公開了一種球頭刀銑削自由曲面加工方法。該方法以張量的方式度量曲面 上任意切觸點處的切削寬度，構建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(xiàn)對曲面加工區(qū)域的劃分，每個區(qū)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(shù)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(qū)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 保證所生成的刀軌盡可能遵循對應最大切寬的進給方向在曲面范圍內的區(qū)域化分布規(guī)律， 從而減少刀軌長度，實現(xiàn)加工效率的提高。


【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明針對當前復雜曲面球頭刀銑削加工時無法進行切寬全局優(yōu)化的問題，提出 一種利用球頭刀銑削自由曲面的加工方法。
[0006] -種利用球頭刀銑削自由曲面的加工方法，其特征是它主要包括以下實施步驟：
[0007] 步驟1 :對曲面進行網(wǎng)格劃分，得到曲面包含的網(wǎng)格列表及每個網(wǎng)格包含的網(wǎng)格 占.
[0008] 步驟2 :計算每個網(wǎng)格點處的切寬張量系數(shù)矩陣，構建切寬張量場；
[0009] 步驟3 :搜索切寬張量場中包含的退化點，提取三分退化點；
[0010] 步驟4: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。
[0011] 步驟5 :在每一個曲面加工特征中構建數(shù)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(qū)域內的初始加工軌跡線；
[0012] 步驟6 :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。
[0013] 上述步驟1中所述的曲面網(wǎng)格劃分具體方法如下：將曲面投影至零件底面B上，如 圖2所示，提取包圍該投影區(qū)域的最小矩形T，人工設置T在兩個方向上的離散步距m和n， 對T進行離散得到B上的一系列網(wǎng)格BG，將BG沿B的法向投影至曲面S上，得到曲面網(wǎng)格 列表SG。
[0014] 上述步驟2所述的切寬張量場構造方法如下：設u，v分別為曲面的兩個參數(shù)，計算 G中所有網(wǎng)格點處的法向η.

【權利要求】
1. 一種利用球頭刀銑削自由曲面的加工方法，其特征是它主要包括以下實施步驟： 步驟1 :對曲面進行網(wǎng)格劃分，得到曲面包含的網(wǎng)格列表及每個網(wǎng)格包含的網(wǎng)格點； 步驟2 :計算每個網(wǎng)格點處的切寬張量系數(shù)矩陣，構建切寬張量場； 步驟3 :搜索切寬張量場中包含的退化點，提取三分退化點； 步驟4: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5:在每一個曲面加工特征中構建數(shù)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(qū)域內的初始加工軌跡線； 步驟6 :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(jù)權利要求1所述的方法，其特征是所述的曲面網(wǎng)格劃分方法為：將曲面投影至 零件底面B上，提取包圍該投影區(qū)域的最小矩形T，人工設置T在兩個方向上的離散步距m 和n，對T進行離散得到B上的一系列網(wǎng)格BG，將BG沿B的法向投影至曲面S上，得到曲面 網(wǎng)格列表SG。
3. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征是所述的切寬張量場構造方法為：設u，V分別 為曲面的兩個參數(shù)，計算曲面第一標準型系數(shù)矩陣G中所有網(wǎng)格點處的法向η、g、 和S；，并帶入切寬張量系數(shù)矩陣Η， 1 2 , 'OSOSOSdS' 其中r為球頭刀半徑，且G=I·，D為曲面第二基本型系數(shù)矩陣，且 dv_ D= '空 D2S] 「_G23/ ^Tn 為G的反向矩陣，d= f，在切寬張量場中的每一個曲面 Mudvdv2 ^ . .detGdetG. 離散點處，根據(jù)愛因斯坦求和約定，切寬可表示為HaedUadue(a，i3 =0,or1)其中U1 =u，U2 =V;H的最大特征方向即為切寬最大的進給方向，且在曲面范圍內，切寬最大的進給 方向呈現(xiàn)出區(qū)域化分布的趨勢。
4. 根據(jù)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H具 有兩個相同大小的特征值，此時H滿足對于網(wǎng)格SGi,首先判斷其是否包含退 化點，設其四個頂點分別記為Pn、Pi2、Pi3和Pi4,各點處（H11-H22)分別記為tn、ti2、ti3和ti4， H12分別記為sn、si2、si3和si4，若滿足is';" 5 卜$卜I Omin上 υ，匕 Pmml丁Pmaxl'υ 化點，其中tmin和tmax分別為tn、ti2、ti3和ti4中的最小值與最大值，SmijPSmax分別為sn、si2、si3和si4中的最小值與最大值；當確定SGi內包含退化點之后，采用雙線性插值方法求 Ani t = til +u{ti2 -til) +v(ti4 - tit)+uv(ti3 -ti4 -ti2 +t;i) =〇土 Atj 解USil + 略2 - %) + 咖4 -而）+ ?辦3 -S;4 - s;2 + %) = 〇,封示落在[〇,1]外的 U、v 解 便得到SGi包含的退化點DPi。
5. 根據(jù)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《 =全# 3，=晝穿和又=全穿，δ=αλ-βY，若δ<〇,則 該退化點為三分退化點。
6. 根據(jù)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為：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，盡量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Ci,R通常小于1_，可由使用者自行設定，對Ci按角度步距 Λω進行離散，Λω小于Γ，得到離散點集合CPi,將在曲面上的法向隊投 影至曲面上得到PCPi,通過計算H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Ni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0,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(jīng)過，若已由三條內 部邊界經(jīng)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ST_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PSPij，采取上述同樣的方法構造半徑為R的圓Cij 并對其按Λω進行離散得到點集CPm將CPu沿CPu處的曲面法向\投影至曲面上得到 點集PCPy通過計算H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&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PL，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SPijl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TVu，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TSy分別計 算TVui和TVu2與TSu的夾角Θu與Θ&提取兩個夾角中較大的那個夾角對應的種子點 記作SPij，將IPk與PSPij連接成線段并沿Nij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3?。在曲面上的投影點替換PSPi^S續(xù)進行邊界的構造；曲 面內部邊界點搜索停止的條件為：①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；② 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(jīng)過則完成整個曲面區(qū)域的劃分，每一個曲面區(qū)域稱為一個 曲面加工特征SMF。
7. 根據(jù)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 線構造方法為：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(qū)域內創(chuàng)建一系 列點，將每一個人工創(chuàng)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PSPij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(xù)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(qū)域內創(chuàng)建了數(shù)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="和沖^7^:其中Ct，β= 0,orLu1和U2分別為曲面的兩個參數(shù)，τ為曲線的 aSdx 弧長參數(shù)。 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】G05B19/4097GK104238455SQ201410526635
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年10月9日 優(yōu)先權日:2014年10月9日
【發(fā)明者】李迎光, 劉旭, 李強, 馬斯博 申請人:南京航空航天大學