基于加工工件曲面形貌及曲面动力学的刀具路径形成方法
【专利摘要】一种基于加工工件曲面形貌及曲面动力学的刀具路径形成方法，它包括以下步骤：对工件工作过程进行受力分析，求出工件变形最大时的工件曲面的力场分布；对工件曲面的力场分布进行网格划分，在同一力场区域内，将受力大小相等的点进行曲线拟合，形成等力场线；以设定的加工行距为点与点之间的距离，对所有等力场线上进行离散点化处理；对等力场上的离散点进行曲线拟合，求得基于加工工件曲面形貌及曲面动力学的刀具路径。本发明根据受力分析状况确定出刀具路径，使刀具路径方向平行于曲面受力方向，最大程度上防止了工件由于刀具加工导致曲面出现裂纹的现象发生，不仅避免了插铣刀痕对工件曲面组织的破坏，而且提高了工件的使用寿命。
【专利说明】基于加工工件曲面形貌及曲面动力学的刀具路径形成方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于加工工件曲面形貌及曲面动力学的刀具路径形成方法，属于计算机辅助制造(computer Aided Manufacturing, CAM)【技术领域】。
【背景技术】
[0002]复杂曲面类零部件在运载、能源和国防等行业有着广泛应用，其制造水平代表着国家制造业的核心竞争力。随着复杂曲面数字化制造的新工艺技术的发展，传统的几何学原理、模型和算法表现出了众多弊病，在刀具路径生成方面，现有等参数法、等距截平面法以及等残高法等刀具路径生成方法，这些方法也是现行复杂曲面五轴联动加工中生成五轴刀具路径的基本方法。等参数法的刀具路径生成方法计算简单可行，但可能会出现刀位冗余和刀位欠缺的问题，影响加工精度与效率；等距截平面法的刀具路径生成方法不但计算截交线比较复杂，而且截平面间距离多少为最佳不好确定，同样会出现刀位的冗余和欠缺的问题；等残高法的刀具路径生成方法能很好地避免刀位冗余和欠缺的问题，但计算比较复杂。
[0003]上述现有的刀具路径生成方法皆有不足，且都没有将刀具加工路径对工件性能的影响考虑在内，工件加工路径对工件性能有着显着的影响，主要表现在工件曲面形貌及曲面所受动力复杂，刀具加工时破坏了工件表面组织，导致工件在使用过程容易产生裂纹，缩短了工件使用寿命。
【发明内容】
[0004]针对上述不足，本发明提供了一种基于加工工件曲面形貌及曲面动力学的刀具路径形成方法，能够解决传统工件加工路径影响工件性能的问题。
[0005]本发明解决其技术问题采取的技术方案是:一种基于加工工件曲面形貌及曲面动力学的刀具路径形成方法，其特征是，包括以下步骤:
步骤1:对工件工作过程进行受力分析，求出工件变形最大时的工件曲面的力场分布；步骤2:对工件曲面的力场分布进行网格划分，在同一力场区域内，将受力大小相等的点进行曲线拟合，形成等力场线；
步骤3:以设定的加工行距为点与点之间的距离，对所有等力场线上进行离散点化处
理；
步骤4:对等力场上的离散点进行曲线拟合，求得基于加工工件曲面形貌及曲面动力学的刀具路径。
[0006]进一步地，在所述步骤I中，求出工件变形最大时的工件曲面的力场分布的步骤具体为:以工件曲面形貌为入口，对工件工作过程进行受力分析，在CAM软件中建立工件实体模型，约束工件下表面六个自由度，选取实体单元对所述工件实体模型进行网格划分，在实体模型上表面施加分布力P，在实体模型左侧表面施加均匀布力Fl，在实体模型右侧表面施加均匀布力F2，求解得出工件曲面的力场分布及工件各点处变形量，其中，均匀布力Fl和F2分别垂直于模型左、右侧表面,且方向指向实体模型。
[0007]进一步地，在所述步骤2中，采用最小二乘法对同一力场区域内受力大小相等的点进行曲线拟合。
[0008]进一步地，在所述步骤3中，采用Matlab函数对所有等力场线进行离散点化处理。
[0009]进一步地,在所述步骤4中，采用Matlab函数对等力场上的点用最小二乘法进行曲线拟合。
[0010]进一步地，所述对等力场上的点用最小二乘法进行曲线拟合的曲线拟合原则为:该条等力场线上的一点，寻找相邻等力场线上最近的点，所述的拟合曲线在该点处的切向量垂直于等力场线在该点处的切向量。
[0011]本发明的有益效果是:本发明基于工件曲面形貌将工件工作过程中受力状况进行分析，根据受力分析情况确定出刀具路径，使刀具路径方向平行于曲面受力方向，最大程度上防止了工件由于刀具加工导致曲面出现裂纹的现象发生，不仅避免了插铣刀痕对工件曲面组织的破坏，而且提高了工件的使用寿命。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1是本发明的方法流程图；
图2是加工工件的受力示意图，图中P为分布力，F1、F2为均匀布力；
图3是工件曲面的力场分布图，图中①-⑨为所划分的力场区域代号；
图4是工件曲面等力场线图，图中实线为等力场线；
图5是等力场线离散点分布图，图中实线为等力场线，黑点为等力场线离散点；
图6是基于加工工件曲面形貌及曲面动力学的刀具路径图，图中实线为等力场线，虚线为刀具路径。
【具体实施方式】
[0013]下面结合附图对本发明的实施例做进一步详细的说明。
[0014]如图1所示，本发明的一种基于加工工件曲面形貌及曲面动力学的刀具路径形成方法，它包括以下步骤:
步骤1:如图2所示，以工件曲面形貌为入口，对工件工作过程进行受力分析，在ANSYS软件中建立工件实体模型，约束工件下表面六个自由度，选取实体单元Brick 8nbode 45对所述工件实体模型进行网格划分，在实体模型上表面施加分布力P，在实体模型左侧表面施加均匀布力F1，在实体模型右侧表面施加均匀布力F2，求解得出工件曲面的力场分布及工件各点处变形量，如图3所示。其中，均匀布力Fl和F2分别垂直于模型左、右侧表面，且方向指向实体模型。
[0015]步骤2:对如图3所示工件曲面的力场分布按照受力大小及各点变形量进行区域划分，共划分出①至⑨共9个力场区域。采集工件的实体模型数据及各力场受力大小数据，用Matlab软件读取所述数据，将工件上同一区域内受力大小相等的点用最小二乘法函数进行拟合，生成的光滑曲线即为工件的等力场线，如图4所示。
[0016]步骤3:以设定的加工行距为点与点之间的距离，在所有等力场线上用Matlab软件进行离散点化，如图5所示。[0017]步骤4:采用Matlab软件对等力场上的点用最小二乘法函数进行曲线拟合，所得的拟合曲线即为刀具路径，如图6所示。其中，所述对等力场上的点用最小二乘法函数进行曲线拟合的曲线拟合原则为:该条等力场线上的一点，寻找相邻等力场线上最近的点，所述的拟合曲线在该点处的切向量垂直于等力场线在该点处的切向量。
[0018]以上所述只是本发明的优选实施方式，对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也被视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种基于加工工件曲面形貌及曲面动力学的刀具路径形成方法，其特征是，包括以下步骤: 步骤1:对工件工作过程进行受力分析，求出工件变形最大时的工件曲面的力场分布； 步骤2:对工件曲面的力场分布进行网格划分，在同一力场区域内，将受力大小相等的点进行曲线拟合，形成等力场线； 步骤3:以设定的加工行距为点与点之间的距离，对所有等力场线上进行离散点化处理； 步骤4:对等力场上的离散点进行曲线拟合，求得基于加工工件曲面形貌及曲面动力学的刀具路径。
2.根据权利要求1所述的基于加工工件曲面形貌及曲面动力学的刀具路径形成方法，其特征是，在所述步骤I中，求出工件变形最大时的工件曲面的力场分布的步骤具体为:以工件曲面形貌为入口，对工件工作过程进行受力分析，在CAM软件中建立工件实体模型，约束工件下表面六个自由度，选取实体单元对所述工件实体模型进行网格划分，在实体模型上表面施加分布力P，在实体模型左侧表面施加均匀布力Fl，在实体模型右侧表面施加均匀布力F2，求解得出工件曲面的力场分布及工件各点处变形量，其中，均匀布力Fl和F2分别垂直于模型左、右侧表面，且方向指向实体模型。
3.根据权利要求1所述的基于加工工件曲面形貌及曲面动力学的刀具路径形成方法，其特征是，在所述步骤2中，采用最小二乘法对同一力场区域内受力大小相等的点进行曲线拟合。
4.根据权利要求1所述的基于加工工件曲面形貌及曲面动力学的刀具路径形成方法，其特征是，在所述步骤3中，采用Matlab函数对所有等力场线进行离散点化处理。
5.根据权利要求1所述的基于加工工件曲面形貌及曲面动力学的刀具路径形成方法，其特征是，在所述步骤4中，采用Matlab函数对等力场上的点用最小二乘法进行曲线拟合。
6.根据权利要求5所述的基于加工工件曲面形貌及曲面动力学的刀具路径形成方法，其特征是，所述对等力场上的点用最小二乘法进行曲线拟合的曲线拟合原则为:该条等力场线上的一点，寻找相邻等力场线上最近的点，所述的拟合曲线在该点处的切向量垂直于等力场线在该点处的切向量。
【文档编号】G05B19/4097GK103558807SQ201310542428
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2013年11月6日 优先权日:2013年11月6日
【发明者】邓永红, 曹树坤, 李栋, 孔强, 蒋楠, 李世建, 白杨, 田娜 申请人:济南大学