专利名称：一种复杂组合曲面的数控侧铣加工刀轨生成方法
技术领域：
本发明涉及一种复杂组合曲面五轴数控侧铣加工刀轨生成方法，属于CAD(计算机辅助设计)/CAPP (计算机辅助工艺规划)/CAM(计算机辅助加工)技术领域。
背景技术：
随着CAD/CAM技术的发展以及产品性能上的要求，产品的几何设计越来越复杂，对于制造技术的要求也越来越高。组合曲面是指由具有公共边界的多片曲面组成的曲面，更一般地，曲面与曲面之间可以重叠、搭接甚至有裂缝。组合曲面在飞机结构件中十分普遍，其产生主要有以下几方面的原因(1)由于零件设计的需要，零件数模表面往往由多张不规则曲面构成；(2)曲面经过若干次裁剪、拼接等处理后，最终成为组合曲面；(3)由于CAD系统的曲面造型功能不完善或产品数模在不同CAD/CAM系统之间转换时，曲面片之间会出现碎片、裂缝和搭接等现象。出于产品质量和外观的需要，常要求组合曲面整体一次加工，尽量减少曲面与曲面边界上的刀轨接痕。飞机结构件中的组合曲面主要存在于轮廓中，通常需要五轴侧铣加工完成，五轴侧铣方法一般有单点偏置法、双点偏置法和多点偏置法等。以上各种五轴侧铣刀轨生成算法在单张曲面的侧铣加工中能取得理想的效果，已经可以满足一般的加工需求。但对于实际生产过程中常见的组合曲面加工的情况，则需要人为地对组合曲面进行事先处理。目前组合曲面的加工方法通常采用投影法、截平面法及曲面三角离散化方法加工。但是，以上方法均是针对组合曲面端铣的情况提出的，对于五轴侧铣加工中遇到的组合曲面加工问题很少有研究，目前还没有一个公开发表的方法。
发明内容
本发明目的是提供一种保证拟合精度，提高了加工的效率，自动化工作的复杂曲面侧铣加工方法。一种复杂组合曲面的数控侧铣加工刀轨生成方法，包括以下步骤步骤I、对数据进行预处理包括组合曲面的选取，引导线的选取，截平面间距的读入、精度参数的读入；所选的组合曲面是符合一定加工工艺、可以整体加工的一组曲面；所选取的引导线是一条贯穿组合曲面某一个参数方向并与曲面走向基本一致的曲线；步骤2、沿引导线等距离地生成截平面，使截平面的法线方向与引导线当前的切向一致生成截平面的规则是先沿引导线生成等距离的点，并求得当前点位置上引导线的切线方向，然后以该点为中心点，以对应的切线方向为法向生成平面，由此得到一组沿引导线切线方向的截平面；步骤3，利用边缘四分法逼近组合曲面边缘，补充截平面；所述边缘四分法为1)将上述步骤2中得到的截平面与组合曲面求交，分别得到一系列截面线，将第一个与组合曲面有交线的截平面称为有效截平面S1 ；2)将有效截平面S1前面一个截平面称为Stl ；3)在S0和S1之间等距离生成3个截平面Sa、Sb、S。；4)将截平面Sa、Sb、S。依次与组合曲面求交，将求得的第一个有效截平面作为组合曲面的第一个截平面，将求得的第一个截面线作为组合曲面的第一条截面线；5)对截平面族的末尾也做同样的处理；步骤4、对步骤3得到的一组截面线，需要将其离散成数据点，离散点之间的间距由等弦高误差和最大离散步长共同确定；通过对截面线的离散，在每个截平面上得到了一组点，将这组点排序得到一组有序点列，利用B样条曲线插值方法将这些离散的数据点拟合出一条连续的B样条曲线；步骤5、对步骤4的B样条曲线进行排序、分层处理。分层的方法是计算当前截面线首端点与下一条截面线首端点之间的距离，以及前截面线末端点与下一条截面线末端 点之间的距离，如果这两个距离中的任意一个超出设定的阈值，则将当前截面线作为第一个曲面片的最后一条截面线，将下一条截面线作为下一个曲面片的第一条截面线；步骤6、在得到所有截面的截面线之后，就可以利用蒙面法生成B样条曲面，蒙面法对控制曲线有如下要求(I)每条控制曲线的次数要统一；(2)所有截面线都要求具有相同的定义域；(3)所有截面线都具有统一的节点矢量；(4)应使所有截面线的端点与分段点沿曲线弧长分布比较接近；步骤7、计算拟合误差，如果误差超过允许最大误差，则回到步骤4，以更高的精度生成离散点，并重新拟合曲线曲面，直到误差小于允许误差；步骤8、以拟合得到的完整曲线曲面作为驱动曲面计算数控加工刀轨。本发明的加工刀轨生成基于刀轴整体扇形摆动和局部去干涉微调相结合。从曲面左右边界提取刀轴初始方向矢量，根据刀位点数量等分方向矢量夹角，使刀轴沿每个刀位点等角度摆动。在每个刀位点上，计算刀轴与曲面顶端引导线的最短距离，如果最短距离小于刀具半径，则说明发生过切干涉，反之，则代表发生欠切。之后再将最小距离点沿曲面法向偏移一个刀具半径的距离，连接刀位点和偏移点即可获得最终的刀轴矢量。本发明方法可以有效地解决组合曲面五轴侧铣加工刀具轨迹生成的问题，取得的有益效果如下(I)由于采用边缘四分法逼近组合曲面边缘，因此部分抵消了有截平面法产生的边缘不重合度，对于余下的不重合部分，可以在生成刀轨时作适当的偏置予以消除；(2)由于采用预设步长和等弦高误差相结合的离散方法，有效地控制了精度和数据量的平衡，在曲线曲率较小的地方按预设步长生成离散点，在曲线曲率较大的地方自适应地加密离散点，保证拟合精度；(3)由于采用分层拟合方法，有效地解决了不规则轮廓组合曲面的拟合问题。由于将组合曲面分成多边规则曲面并分别生成刀轨，避免了生成空刀轨的情况，提高了加工的效率；(4)有误差判断和自动提高精度功能，故能保证拟合得到的曲面与原组合曲面误差在允许范围之内，保证生成的刀轨能满足精度要求。(5)基于刀轴整体扇形摆动和局部微调的刀轨生成算法生成的刀轨刀轴摆动均匀平稳，加工干涉小，加工质量高。
图I本发明的复杂组合曲面五轴侧铣数控加工方法流程图。图2为引导线和截平面生成的示意图，图中L代表引导线，S代表截平面。
图3为边缘四分法示意图，图中Sp S2为第0、1、2个截平面，Sa、Sb、S。为S1之间等距离生成的截平面。图4为弦高误差示意图，图中PiPp1为曲率圆上的弦，PiS曲线在当前点的曲率半径，δ为弦高。图5为未分层的不规则轮廓的组合曲面。图6为将不规则轮廓的组合曲面分为上下两片完整的曲面；图中Ck为第k条截面线，Ck+1为第k+Ι条截面线。
图7为刀轴扇形摆动方法示意图，图中Axi. O和Axi. m为刀轴的首末方向矢量，
Aangle为刀轴始末方向矢量的矢量差。图8为刀轴去干涉微调方法示意图，图中Axi. i为利用扇形离散方法得到的刀位点Pi的刀轴方向矢量，Axi. i’为平移到刀位点Pi的方向矢量，Axi. i”为经过调整后的最终刀轴方向。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明图I是本发明的复杂组合曲面五轴侧铣加工方法流程图，如图所示，包括以下步骤首先是选取各种元素，包括组合曲面和引导线，设置各种参数，包括截平面间距，离散最大步长，最大弦高误差。如图2所示，所选的组合曲面是符合一定加工工艺、可以整体加工的一组曲面；所选取的引导线是一条贯穿组合曲面某一个参数方向并与曲面走向基本一致的曲线，可以超出组合曲面的外轮廓。截平面间距视组合曲面的尺寸大小而定，一般取5-20mm。最大离散步长视组合曲面尺寸大小而定,一般取5_20mm。最大弦高误差一般取O. Imm0然后生成截平面，截平面的生成规则是1)沿引导线按预先设定截平面间距取数据点；2)依次求得每个数据点上引导线的切向矢量；3)以每个数据点为中心点，以对应引导线的切向为法矢创建平面。由此得到一组沿引导线切线方向的截平面。采用截平面法的一个问题是无法精确获取组合曲面的轮廓边界，因此本发明提出边缘四分法逼近组合曲面边界，如图3所示。边缘四分法的规则是1)将截平面与组合曲面求交，得到一系列截面线，将第一个与组合曲面有交线的截平面称为有效截平面S1 ；2)将S1前面一个截平面称为Stl ；3)在Stl和S1之间等距离生成3个截平面Sa、Sb、S。，平面生成规则参照前一节；4)将截平面Sa、Sb、S。依次与组合曲面求交，将求得的第一个有效截平面作为组合曲面的第一个截平面，将求得的第一个截面线作为组合曲面的第一条截面线；5)对截平面族的末尾也做同样的处理。在得到一组截面线之后，由于各个平面内的截面线可能是多条曲线段，甚至是不连续的，因此需要先将截面线离散成数据点，然后再拟合成B样条曲线。离散点之间的间距由等弦高误差和最大离散步长共同确定。如图3所示，取曲线在第i个离散点Pi处的曲率圆代替曲线，由于离散距离微小，所以这样的处理造成的误差可以忽略不计。根据简单的几何关系可知，参数曲线的弦高误差δ如式(I)所示。δ = Ρι-^-(JPiPm1Z2)2(I)
式中=PiPw为第i个离散点与第i+Ι个离散点点间的弦长，P i为曲线在Pi处的曲率半径，IPiPwI为离散步长。变换上式可得式(2):
权利要求
1.一种复杂组合曲面的数控侧铣加工刀轨生成方法，其特征在于，包括以下步骤 步骤I、对数据进行预处理包括组合曲面的选取，引导线的选取，截平面间距的读入、离散精度的读入；所选的组合曲面是符合一定加工工艺、整体加工的一组曲面；所选取的引导线是一条贯穿组合曲面某一个参数方向并与曲面走向基本一致的曲线； 步骤2、沿引导线等距离地生成截平面，使截平面的法线方向与当前引导线的切向一致生成截平面的规则是先沿引导线生成等距离的点，并求得当前点位置上引导线的切线方向，然后以该点为中心点，以对应的切线方向为法向生成平面，由此得到一组沿引导线切线方向的截平面； 步骤3，利用边缘四分法逼近组合曲面边缘，补充截平面；所述边缘四分法为1)将上述步骤2中得到的截平面与组合曲面求交，得到一系列截面线，将第一个与组合曲面有交线的截平面称为有效截平面S1 ；2)将有效截平面S1前面一个截平面称为Stl ；3)在Stl和S1之间等距离生成3个截平面Sa、Sb、S。；4)将截平面Sa、Sb、S。依次与组合曲面求交，将求得的第一个有效截平面作为组合曲面的第一个截平面，将求得的第一个截面线作为组合曲面的第一条截面线；5)对截平面族的末尾也做同样的处理； 步骤4、对步骤3得到的一组截面线，需要将其离散成数据点，离散点之间的间距由最大弦高误差和最大离散步长共同确定；通过对截面线的离散，在每个截平面上得到了一组点，将这组点排序得到一组有序点列，利用B样条曲线插值方法将这些离散的数据点拟合出一条连续的B样条曲线； 步骤5、对步骤4的B样条曲线进行排序、分层处理；分层的方法是计算当前截面线首端点与下一条截面线首端点之间的距离，以及前截面线末端点与下一条截面线末端点之间的距离，如果这两个距离中的任意一个超出设定的阈值，则将当前截面线作为第一个曲面片的最后一条截面线，将下一条截面线作为下一个曲面片的第一条截面线； 步骤6、在得到所有截面的截面线之后，就可以利用蒙面法生成B样条曲面，蒙面法对控制曲线有如下要求(I)每条控制曲线的次数要统一；(2)所有截面线都要求具有相同的定义域；(3)所有截面线都具有统一的节点矢量；(4)应使所有截面线的端点与分段点沿曲线弧长分布比较接近； 步骤7、计算拟合误差，如果误差超过允许最大误差，则回到步骤4，以更高的精度生成离散点，并重新拟合曲线曲面，直到误差小于允许误差； 步骤8、以拟合得到的完整曲面作为驱动曲面计算数控加工刀轨。
2.根据权利要求I所述的复杂组合曲面的数控侧铣加工刀轨生成方法，其特征在于上述步骤I中截平面间距为5-20mm。
3.根据权利要求I所述的复杂组合曲面的数控侧铣加工刀轨生成方法，其特征在于上述步骤I中最大离散步长为5-20mm。
4.根据权利要求I所述的复杂组合曲面的数控侧铣加工刀轨生成方法，其特征在于上述步骤I中最大弦高误差为0. 1mm。
5.根据权利要求I所述的复杂组合曲面的数控侧铣加工刀轨生成方法，其特征在于上述步骤8中的刀轨生成算法利用角度扇形离散方法控制刀轴摆角，利用局部干涉检查微调刀轴摆角，使生成的刀轨刀轴摆动均匀平稳，加工干涉小。
全文摘要
本发明公开了一种复杂组合曲面的五轴数控侧铣加工刀轨生成方法。该方法首先用截平面与组合曲面求交得到截面线，将截面线按一定精度规则离散成点，然后用B样条曲线插值拟合各截平面上的离散点，之后采用蒙面法将截面线拟合成B样条曲面。计算拟合曲面与原组合曲面的误差，如果不满足精度，则返回曲线离散步骤，以更高的精度进行离散，拟合曲线、拟合曲面，直到拟合得到的曲面误差满足精度要求，最后利于刀轴摆角整体控制和局部微调相结合的刀轨生成算法，将拟合得到的曲面作为驱动曲面计算加工刀轨。该方法的效率高、精度高，解决了组合曲面侧铣加工刀轨生成的问题，刀轴摆动平稳均匀，加工质量高。
文档编号G06F17/50GK102637216SQ20111041946
公开日2012年8月15日 申请日期2011年12月14日 优先权日2011年12月14日
发明者傅浩杰, 刘旭, 刘长青, 李迎光, 王伟 申请人:南京航空航天大学