一种利用球头刀铣削自由曲面的加工方法
【专利摘要】本发明公开了一种利用球头刀铣削自由曲面的加工方法，属于CAD/CAM【技术领域】。该方法以张量的方式度量曲面上任意切触点处的切削宽度，构建切削宽度二阶张量场，提取张量场中的三分退化点，并以此为起点搜索曲面内部边界点，实现对曲面加工区域的划分，每个区域称为一个曲面加工特征。在每一个曲面加工特征中构建数条曲线，保证曲线上每点的切向与该点处切宽最大的进给方向重合，选出平均切宽最大的曲线为该区域内的初始加工轨迹线，采用偏置初始加工轨迹线的方式计算各曲面加工特征的刀轨从而得到整个曲面的加工轨迹。该方法能够保证所生成的刀轨尽可能遵循对应最大切宽的进给方向在曲面范围内的区域化分布规律，从而减少刀轨长度，实现加工效率的提高。
【专利说明】-种利用球头刀铣削自由曲面的加工方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种CAD/CAM技术，尤其是一种自由曲面的加工方法，具体地说是一 种利用球头刀铣削自由曲面的加工方法。
【背景技术】
[0002] 随着产品对气动性能要求的不断提高，复杂自由曲面大量出现航空航天、汽车及 船舶等产品的零件中，由于几何性质的复杂性，复杂自由曲面大多采用球头刀铣削方式加 工，该加工方式对曲面形状的适用性强，且适用于三轴及多轴机床加工，但球头刀铣削方式 的加工效率较低，对于大型复杂曲面零件如飞机翼身融合曲面，其球头刀铣削精加工的时 间通常在100小时以上。
[0003] 切削宽度优化是优化曲面加工效率的重要方式之一，较大的切削宽度可以减少曲 面加工轨迹的长度，从而缩短加工时间。目前面向切宽优化的自由曲面刀轨生成方法主要 是美国北卡罗来纳州立大学Yuan-shin Lee教授提出的基于Machining Potential Field 的方法，该方法首先在曲面上构造一系列曲线，选出平均切宽最大的曲线作为初始轨迹线， 偏置初始轨迹线生成曲面的加工轨迹，当偏置得到的轨迹线的切削效率系数小于设定值时 则停止轨迹计算，在未生成刀轨区域重新构造初始轨迹线进行轨迹计算。该方法能够一定 程度上减少相邻刀轨间的重叠区域，实现切宽的优化，但该方法的本质是一种被动式的分 区加工方法，是一种贪婪式算法，因此仅能得到局部优化的加工结果。
[0004] 本发明公开了一种球头刀铣削自由曲面加工方法。该方法以张量的方式度量曲面 上任意切触点处的切削宽度，构建切削宽度二阶张量场，提取张量场中的三分退化点，并以 此为起点搜索曲面内部边界点，实现对曲面加工区域的划分，每个区域称为一个曲面加工 特征。在每一个曲面加工特征中构建数条曲线，保证曲线上每点的切向与该点处切宽最大 的进给方向重合，选出平均切宽最大的曲线为该区域内的初始加工轨迹线，采用偏置初始 加工轨迹线的方式计算各曲面加工特征的刀轨从而得到整个曲面的加工轨迹。该方法能够 保证所生成的刀轨尽可能遵循对应最大切宽的进给方向在曲面范围内的区域化分布规律， 从而减少刀轨长度，实现加工效率的提高。
【发明内容】
[0005] 本发明针对当前复杂曲面球头刀铣削加工时无法进行切宽全局优化的问题，提出 一种利用球头刀铣削自由曲面的加工方法。
[0006] -种利用球头刀铣削自由曲面的加工方法，其特征是它主要包括以下实施步骤：
[0007] 步骤1 :对曲面进行网格划分，得到曲面包含的网格列表及每个网格包含的网格 占.
[0008] 步骤2 :计算每个网格点处的切宽张量系数矩阵，构建切宽张量场；
[0009] 步骤3 :搜索切宽张量场中包含的退化点，提取三分退化点；
[0010] 步骤4:以三分退化点为起点搜索曲面内部边界点，构造曲面内部边界，得到曲面 加工特征。
[0011] 步骤5 :在每一个曲面加工特征中构建数条曲线，保证曲线上每点的切向与该点 处切宽最大的进给方向重合，选出平均切宽最大的曲线为该区域内的初始加工轨迹线；
[0012] 步骤6 :采用偏置初始加工轨迹线的方式计算各曲面加工特征的刀轨从而得到整 个曲面的加工轨迹。
[0013] 上述步骤1中所述的曲面网格划分具体方法如下：将曲面投影至零件底面B上，如 图2所示，提取包围该投影区域的最小矩形T，人工设置T在两个方向上的离散步距m和n， 对T进行离散得到B上的一系列网格BG，将BG沿B的法向投影至曲面S上，得到曲面网格 列表SG。
[0014] 上述步骤2所述的切宽张量场构造方法如下：设u，v分别为曲面的两个参数，计算 G中所有网格点处的法向η.
【权利要求】
1. 一种利用球头刀铣削自由曲面的加工方法，其特征是它主要包括以下实施步骤： 步骤1 :对曲面进行网格划分，得到曲面包含的网格列表及每个网格包含的网格点； 步骤2 :计算每个网格点处的切宽张量系数矩阵，构建切宽张量场； 步骤3 :搜索切宽张量场中包含的退化点，提取三分退化点； 步骤4:以三分退化点为起点搜索曲面内部边界点，构造曲面内部边界，得到曲面加工 特征。 步骤5:在每一个曲面加工特征中构建数条曲线，保证曲线上每点的切向与该点处切 宽最大的进给方向重合，选出平均切宽最大的曲线为该区域内的初始加工轨迹线； 步骤6 :采用偏置初始加工轨迹线的方式计算各曲面加工特征的刀轨从而得到整个曲 面的加工轨迹。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的曲面网格划分方法为：将曲面投影至 零件底面B上，提取包围该投影区域的最小矩形T，人工设置T在两个方向上的离散步距m 和n，对T进行离散得到B上的一系列网格BG，将BG沿B的法向投影至曲面S上，得到曲面 网格列表SG。
3. 根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的切宽张量场构造方法为：设u，V分别 为曲面的两个参数，计算曲面第一标准型系数矩阵G中所有网格点处的法向η、g、 和S；，并带入切宽张量系数矩阵Η， 1 2 , 'OSOSOSdS' 其中r为球头刀半径，且G=I·，D为曲面第二基本型系数矩阵，且 dv_ D= '空 D2S] 「_G23/ ^Tn 为G的反向矩阵，d= f，在切宽张量场中的每一个曲面 Mudvdv2 ^ . .detGdetG. 离散点处，根据爱因斯坦求和约定，切宽可表示为HaedUadue(a，i3 =0,or1)其中U1 =u，U2 =V;H的最大特征方向即为切宽最大的进给方向，且在曲面范围内，切宽最大的进给 方向呈现出区域化分布的趋势。
4. 根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的搜索切宽张量场中包含的退化点的方 法为：切宽张量场的退化点处满足各个进给方向上的切宽大小相同，因此在退化点处H具 有两个相同大小的特征值，此时H满足对于网格SGi,首先判断其是否包含退 化点，设其四个顶点分别记为Pn、Pi2、Pi3和Pi4,各点处（H11-H22)分别记为tn、ti2、ti3和ti4， H12分别记为sn、si2、si3和si4，若满足is';" 5 卜$卜I Omin上 υ，匕 Pmml丁Pmaxl'υ 化点，其中tmin和tmax分别为tn、ti2、ti3和ti4中的最小值与最大值，SmijPSmax分别为sn、si2、si3和si4中的最小值与最大值；当确定SGi内包含退化点之后，采用双线性插值方法求 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）+ ?办3 -S;4 - s;2 + %) = 〇,封示落在[〇,1]外的 U、v 解 便得到SGi包含的退化点DPi。
5. 根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的提取三分退化点的方法为：计算各退 化点处的《 =全# 3，=昼穿和又=全穿，δ=αλ-βY，若δ<〇,则 该退化点为三分退化点。
6. 根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的曲面内部边界构造方法为：以三分退 化点为起始点，搜索曲面内部边界点，构造曲面内部边界线，尽量确保曲面内部边界线上每 一点的切向与该点处切宽最大的进给方向一致；对于三分退化点T_DPi，首先在其切平面内 以该点为圆心做半径为R的圆Ci,R通常小于1_，可由使用者自行设定，对Ci按角度步距 Λω进行离散，Λω小于Γ，得到离散点集合CPi,将在曲面上的法向队投 影至曲面上得到PCPi,通过计算H的最大特征方向获取PCPi中所有点的切宽最大进给方向 向量集合MVi,并将MVi沿Ni投影回切平面中得到PMVi,过T_DPi与CPi中所有点做向量得 到可选方向集合PVi,计算所有PVi与其对应的PMVi间的夹角记作ANGi ;对于任意三分退化 点T_DPi，在CPi中可找到三个点使其对应的ANG近似为0,满足该条件的点称为种子点SP， 将T_DPi与SPij连接成线段并沿Ni方向投影至曲面上便可以得到一条曲面内部边界曲线 段CSij,SPij在曲面上的投影点PSPij为曲面上的内部边界点，因此对于一个三分退化点，其 周围存在三个曲面内部边界点，即每一个三分退化点仅能被三条内部边界穿过；当从T_DPi 进行曲面内部边界构造时，首先检查该三分退化点是否已被内部边界经过，若已由三条内 部边界经过该点，则说明无需对该点进行边界构造，若小于三条，则按上述方法求出T_DPi 临近的三个内部边界点，去掉落在穿ST_DPi内部边界上的边界点，利用余下的点进行搜索 构造下一段曲线段；对于曲面内部边界点PSPij，采取上述同样的方法构造半径为R的圆Cij 并对其按Λω进行离散得到点集CPm将CPu沿CPu处的曲面法向\投影至曲面上得到 点集PCPy通过计算H的最大特征方向获取PCPu中所有点的切宽最大进给方向向量集合 MVm并将MVu沿&投影回切平面中得到PMVm过PSPu与CPu中所有点做向量得到可选方 向集合PL，计算所有PVu与其对应的PMVu间的夹角记作ANGu ;此时CPu中可搜索得到两 个种子点SPijl和SPij2使其对应的ANG近似为0,分别过SPijl和SPij2与PSPij做向量TVijl 和TVu，将上一段曲面内部边界曲线段沿\投影至PSPu的切平面中得到向量TSy分别计 算TVui和TVu2与TSu的夹角Θu与Θ&提取两个夹角中较大的那个夹角对应的种子点 记作SPij，将IPk与PSPij连接成线段并沿Nij方向投影至曲面上得到内部边界曲线段并添 加到当前的内部边界曲线上，用3?。在曲面上的投影点替换PSPi^S续进行边界的构造；曲 面内部边界点搜索停止的条件为：①当前曲面内部边界点PSPij所做的圆Cij有部分落在曲 面外侧，此时过PSPu做上一曲面内部边界曲线段的切线向量，将该向量沿\投影至曲面 上，提取该投影曲线段落在曲面内部的部分，将其作为这条曲面内部边界线的最后一段；② 当所得到的曲面内部边界曲线段穿过某一三分退化点，或两者间最小距离小于某一给定的 微小长度值，此时将该三分退化点看做是下一个曲面内部边界点，提取当前曲面内部边界 点与该三分退化点间的最短曲线段作为这条曲面内部边界线的最后一段；当所有三分退化 点处都有三条曲面内部边界线经过则完成整个曲面区域的划分，每一个曲面区域称为一个 曲面加工特征SMF。
7. 根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的各个曲面加工特征中的初始加工轨迹 线构造方法为：首先采用人工编辑的方法在各个曲面加工特征对应的曲面区域内创建一系 列点，将每一个人工创建的点Pi以步骤4中的方法找到其对应的两个种子点SPil和SPi2，过 Pi分别与SPil和SPi2做直线段，并沿Pi处的曲面法向Ni投影至曲面上得到曲线段CSil和CSi2，将CSil和CSi2保存为到曲线段集合CCi中，相同的方式得到两个种子点在曲面上对应 的投影点PSPil和PSPi2，选择PSPil为起点按照步骤4中PSPij的搜索方法构造曲线段并添 加到CCi中；构造终止条件为：①若当前搜索得到的曲线段穿过PSPi2或者两者间的最小距 离小于某一给定的微小长度值时，则以提取PSPu与PSPi2间的曲线段作为CCi中的最后一 段，从而形成一条封闭的曲线段；②若在当前PSPu的切平面内构造的半径为R的圆有部分 落在该曲面加工特征外时，则过该点做上一曲线段的切向量，将该切向量沿该点处的曲面 法向投影至曲面上，取出该投影线段落在该曲面加工特征内部的部分添加到CCi中，以SPi2 为起点继续进行搜索，若以SPi2的起点的搜索已完成，则过Pi点的曲线构造完成；对于曲面 加工特征SMFs，按照上述方法在其对应的曲面区域内创建了数条曲线，对于其中的任意一 条，通过以下方法计算其平均切宽CWa : CW="和冲^7^:其中Ct，β= 0,orLu1和U2分别为曲面的两个参数，τ为曲线的 aSdx 弧长参数。 提取出CWa最大的那条曲线作为SMFs的初始刀具轨迹线。
【文档编号】G05B19/4097GK104238455SQ201410526635
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年10月9日 优先权日:2014年10月9日
【发明者】李迎光, 刘旭, 李强, 马斯博 申请人:南京航空航天大学