一种用于五轴数控加工的等残留高度刀触点轨迹的生成及优化处理方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于五轴数控加工的等残留高度刀触点轨迹的生成及优化处理方法，其方法主要分为刀触点自适应投影偏置、刀触点轨迹的优化两个步骤来进行相应的计算；本发明针对复杂网格模型的五轴加工，提出自适应的投影偏置方法来生成五轴等残留刀触点轨迹，并对刀具轨迹进行了轨迹光顺、轨迹点优化、轨迹自相交去除等处理，最终获得较为理想的刀触点轨迹。
【专利说明】-种用于五轴数控加工的等残留高度刀触点轨迹的生成及 优化处理方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种五轴数控加工领域，尤其涉及用于五轴数控加工的等残留高度刀 触点轨迹的生成及优化处理方法。
【背景技术】
[0002] 五轴加工在加工复杂形状零件的能力、质量和效率等诸多方面具有显著优势，得 到越来越广泛的应用。而作为三角网格模型的代表--STL模型在快速成型、数控加工等领 域广泛应用，已成为不同CAD/CAM系统间交换数据的三种常用模型（即IGES，STEP和STL) 之一，另外，连续曲面模型加工的主要方法之一也是采用离散多面体加工方法。
[0003] 相对于三轴加工，五轴加工轨迹的研究包括刀触点/刀位点轨迹生成、全局干涉 检测、刀轴矢量优化等诸多内容。而在五轴加工刀触点/刀位点轨迹生成研究方面，国内外 针对三角网格模型的生成方法可归纳为三类：（1)截面线法，即使用平面与三角网格模型 求交并处理后获得加工轨迹。该类方法简单可靠，且便于在平面内进行轨迹的各种处理，但 难以生成高效的精加工轨迹；(2)参数化法，即将网格曲面模型映射到参数化的平面区域 后生成等参数轨迹，然后再将刀具轨迹逆映射到模型表面。该类方法生成轨迹质量较好，但 算法较为复杂，对于无法参数化为平面区域的模型实施难度较大；（3)等残留高度法，即相 邻两条轨迹之间对应点距离是通过最大允许残留高度计算而来的，其目的是在保证加工精 度的条件下加工轨迹长度尽可能短。等残留高度法具有较为均匀的加工表面残留高度、较 短加工轨迹等优越性，但目前对网格模型的研究主要集中在三轴加工方面，且主要采用轨 迹偏置法，即基于允许残留高度计算偏置距离和偏置方向，将上一条轨迹中的点偏置成为 下一条轨迹。三轴加工轨迹偏置时，可以基于网格曲面偏置，也可以是在局部拟合曲面上偏 置，或者是在网格曲面的参数化平面上偏置。直接基于网格曲面的偏置算法简单明确，适用 性强，但是受到微分几何信息计算准确性的影响比较大，轨迹容易出现较大的起伏波动；在 局部拟合曲面或参数化平面上进行的偏置效果较好，但其算法相对复杂。有人提出了网格 模型变形法来生成等残留的三轴加工轨迹，并扩展应用到五轴加工，其基本原理是采用一 系列平面与变形后刀位面求交，获得轨迹后再逆变形获得刀位轨迹，因此该方法同样难以 应用到复杂模型的五轴加工轨迹规划。
[0004] 总之，虽然五轴加工和三角网格模型的分别获得广泛应用，但目前对于三角网格 模型五轴加工等残留刀具轨迹的生成研究还很不充分，特别是对复杂的网格模型，还缺乏 有效的方法。
【发明内容】
[0005] 本发明就是针对上述问题，提出一种用于五轴数控加工的等残留高度刀触点轨 迹的生成及优化处理方法，该方法针对复杂网格模型，提出自适应的投影偏置方法来生成 五轴等残留刀触点轨迹，并对刀具轨迹进行了轨迹光顺、轨迹点优化、轨迹自相交去除等处 理，最终获得较为理想的刀触点轨迹。
[0006] 为达到上述技术目的，本发明采用了一种用于五轴数控加工的等残留高度刀触点 轨迹的生成及优化处理方法，其方法主要分为刀触点自适应投影偏置、刀触点轨迹的优化 两个步骤；
[0007] 所述刀触点自适应投影偏置包括刀触点投影偏置和偏置刀触点计算两个步骤，所 述刀触点投影偏置主要为建立适用于五轴加工的刀触点自适应投影偏置模型；
[0008] 设当前刀触点轨迹为CCi，点Pi，j_i、Pi，j和Pi，j+1是轨迹上的三个相邻刀触点，设矢 量Vi=Pi，j-Pi，j-丨，V2 =Pi;j+i-Py，Pi;j 处的刀具进给方向vi;j 为：
[0009] vUj =(v^Vs)/ (v^Vs)
[0010]基于面片三个顶点法矢的面积加权法计算面片内Pu点的单位法矢为nu，则切削 行距方向ti;j为：
[0011] ti；J. = (ni；J+vi；J)/(ni；J+vi；J)
[0012] 构造具有自适应性的投影平面riy，以刀触点法矢nij为平面法矢，Pu到riy的 距离为某一定值d(d可正可负，也可为0)。沿法矢nu的反方向将Pi:j投影到平面riu上， 得到投影点：
[0013] . . =p. .-ni ..d
[0014] 沿ti;j方向的行距大小Li;j为：
【权利要求】
1. 一种用于五轴数控加工的等残留高度刀触点轨迹的生成及优化处理方法，其方法主 要分为刀触点自适应投影偏置、刀触点轨迹的优化两个步骤，其特征在于： 所述刀触点自适应投影偏置包括刀触点投影偏置和偏置刀触点计算两个步骤，所述刀 触点投影偏置主要为建立适用于五轴加工的刀触点自适应投影偏置模型， 设当前刀触点轨迹为CCi,点Pin、Pu和Pi，j+1是轨迹上的三个相邻刀触点，设矢量V 1=Pi，j_Pi，j_l，V2 = hj+l-Pi，」，Pi，j 处的刀具进给方向 Vi，j 为： Vi,j = (Vl+V2)/ (Vl+V2) 基于面片三个顶点法矢的面积加权法计算面片内Pu点的单位法矢为nu，则切削行距 方向为： ti.j = Kj+vI, j)/(ni,j+vi,j) 构造具有自适应性的投影平面IIi j,以刀触点法矢ni j为平面法矢，Pi j到IIi j的距离 为某一定值d，沿法矢j的反方向将Pu投影到平面n U上，得到投影点：p/ i,j = pi,rni,j*d沿方向的行距大小Lu为：
式中P u为Pu处沿y方向的法曲率半径，r为刀具半径，h为允许残留高度，法曲 率k>0时，认为曲面在凹区域，式中行距计算取号；法曲率k〈0时，为凸区域，式中中行 距计算取" + "号；k = O时，按平面行距计算，其计算如下：
在平面Hu上将P' u沿方向偏置行距大小得到投影偏置点P' i+1，j : P i+l，j - P i,j+^i, j * Li;j 所述偏置刀触点计算具体如下： 过投影偏置点P' i+u作一条方向矢量为nu的直线1，则其参数方程为： Kt)=P/i+1；J+fni；J 计算直线1与模型三角面片的交点即求出刀触点Pu的偏置刀触点Pi+1，结合所计算的 行距大小，查找Pu所在面片的若干阶邻域面片，通过直线1与邻域面片的求交运算来计算 等残留的偏置刀触点； 取一个领域面片F，设其逆时针排列的顶点分别为％、V1和V2，则三角面片的参数方程 为： F (u, v) = V0+ (V1-V0) ? u+ (V2-V0) ? w 其中 u 和 w > O，u+w < 1 令F (u，w) = l(t)，采用矩阵形式，根据克莱姆法则以及矢量混合积的性质，得：
式中 V = P' i+1，厂Vtl，V1 = V1-Vtl, V2 = V2-V0 如果满足U和W彡O且u+w彡1，则将u和W值代入F(u, w)，计算出偏置刀触点Pi+1，j ; 否则，取下一个领域面片进行求交处理，获得Pi+1，j后进行下一个刀触点的偏置计算； 所述刀触点轨迹的优化包括刀触点轨迹的平顺处理、刀触点分布和冗余处理和轨迹自 交处理，刀触点分布优化过程如下： (1) 设向量乂 = ?1，」+1^\」，构建过点？1，」及？1，」 +1的平面1^」，其平面法矢1111=1^'? 其中为Py所在面片Fu的法矢； (2) 循环整条轨迹的刀触点，获得一条完整的分布在网格表面的刀触轨迹线；这样既 消除了过长的轨迹线段，又避免了出现模型过切； 在冗余刀触点去除时，需要首先计算给定刀触点（设为PiJ处的允许步长，即在计算 出Pu沿走刀方向的法曲率半径P，给定线性逼近误差e的情况下，根据圆弧半径P、弦 高e与弦长L的关系：(L/2)2+(P_e)2= P2,计算出给定刀触点所允许的走刀步长（即 圆弧弦长）：
设Pu在刀触点轨迹中的前后相邻刀触点为Pin、Pu+1，若线段Pi^Pij1的长度不大 于L，则Pi;j视为冗余点而被去除； 为尽量减少线段求交次数，采用基于K-D树搜索方法来搜索可能的相交轨迹线段，其 基本过程如下： (1) 基于K-D树的相交轨迹线段搜索； 建立K-D搜索树，以刀触轨迹CCi的刀触点集合作为建立K-D树的输入数据，依次取CCi中的刀触点（设为PiJ为检索中心，以线段PuPu+1的长度d为基础获得为K-D树的检索 范围Y = I. ld，利用K-D树查找所有到Pi;j的距离在Y范围内的刀触点，并保存到刀触点 索引数组中；将索引值小于等于（j+1)的刀触点从数组中剔除； (2) 轨迹自交交点计算 依次从刀触点索引数组中获得一个刀触点，设为Pi,k，对线段Pi, jPu+i和PuPi,k+1进行 求交，如果两线段间无有效交点，则从刀触点索引数组中获得下一个刀触点继续进行求交， 否则记录交点信息； 由于参与求交的两条线段为空间线段，四个端点在绝大部分情况下不在同一个三角面 片内，直接求交时，会出现线段无交点的情况，为此，在进行空间线段求交时，先将两条线段 投影到某一个临时平面上再进行相交判断，具体方法为：设线段PuPij1的四个 刀触点所在面片的单位法矢分别为ni;j、ni>j+1、ni;k和n i;k+1，过点Pi;j构造投影平面ni, k， 其平面单位法矢n为：
对投影平面ni k内的线段Pi jP' i j+1与p' i kp' 11;+1进行求交，若获得有效交点（设 为I'），则以交点I'及投影平面法矢n构成直线方程L (t) = I'+n ? t，求得该直线与模型 表面的交点，即为线段PuPu+1和PuPi^1间的刀触轨迹交点I ; 判断刀触轨迹交点I相对于线段PuPu+1和PuPu+i的出入性，设当前线段PuPi;j+1的方向矢量为V1 = Pi^-Py,相交线段PuPa1的方向矢量为v2 = P^-Pu,则d = (V1Xv2) ? n小于0,贝丨J该交点为线段Pi,力，付的入点，对线段Pi,贝丨J为出点；若d大于 〇,则该交点为线段PuPij1的出点，线段PuPi^1的入点； (3)有效刀触点轨迹的搜集。
【文档编号】G05B19/4097GK104331023SQ201410597489
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年10月30日 优先权日:2014年10月30日
【发明者】黄常标, 江开勇, 刘斌, 祁杨亭, 林俊义 申请人:华侨大学