一种基于实体的切削角度区间高效提取的铣削仿真方法，以铣削力仿真计算的刀位路径、刀具和毛坯实体输入基于实体造型平台的铣削仿真系统，选定需要进行仿真计算的目标路径，然后进行目标路径的离散，在每一个离散位置通过刀具实体与目标毛坯实体的布尔交生成切除体，在切除体的有效交面上产生切削层交线，并由此得到以切入角和切出角表示的切削角度区间。在目标路径的全部离散位置都完成计算后，沿目标路径创建刀具扫过体，从当前目标毛坯实体上通过布尔差去除刀具扫过体，完成目标毛坯实体的更新。本发明专利技术方法将现有方法中在目标路径每个离散位置的三次实体布尔运算简化为一次，可以显著降低计算机硬件资源的消耗，提高仿真系统的运算效率。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种用于实体法铣削力仿真中，提取和确定每个离散的计算位置处刀具切入毛坯的切削角度区间的高效方法。
技术介绍
铣削力建模仿真，通过在制造之前预测加工结果，从而帮助验证零件设计和工艺方案的合理性，避免昂贵耗时的物理原型的制造和实验，指导工艺设计和数控编程，优化切削参数、刀具路径和装夹方案，辅助刀具设计、校核和优选等，是提升铣削技术水平、提高产品质量、增强加工能力的重要手段。在某一仿真位置处铣刀切入毛坯的径向宽度，可以用相对于刀轴进入毛坯的角度 (称为“切入角”)和离开毛坯的角度(称为“切出角”)之间的角度范围(称为“切角区间”)来表示。切角区间是铣削仿真模型求解的几何边界条件之一，也称啮合参数，需要根据刀具、毛坯的切削啮合状况来提取，其提取方法的适应性、提取精度和效率在很大程度上决定了铣削仿真系统的应用范围，并且直接影响到铣削力的计算效果。以实体法进行铣削力仿真是采用三维实体造型作为毛坯、刀具表示和布尔运算的基础，切入判断、材料切除以及工件更新的仿真通过刀具及其扫过体与毛坯的直接实体布尔操作实现。通常的实体法铣削力仿真在具体执行过程中，在目标路径的每一个计算位置， 需要进行的内容包括产生上一个位置到本位置之间的刀具扫过体、从上一个位置更新后的毛坯上通过布尔差去除刀具扫过体形成用于当前位置切入判断的中间毛坯、通过刀具实体与中间毛坯的布尔交生成用于啮合参数提取的切除体、在切除体上根据刀具和切削路径特点提取切角区间等啮合参数、完成啮合参数提取后通过布尔差从中间毛坯上去除刀具实体完成毛坯更新，在每个计算位置共需要四次实体操作，其中三次布尔运算。由此造成的主要问题是计算速度慢、仿真效率低。若以N表示需要仿真的目标路径数目，每条路径离散成 m个计算位置，根据理论分析，在最差情况下仿真的时间复杂度为0(m4N4)，由于在模拟材料从毛坯上去除的过程中在很短的距离内产生频繁、大量的三维实体布尔运算，导致计算机内存等资源快速消耗，仿真速度急剧下降甚至出现系统死机的现象，制约了铣削仿真系统在工程实际中的应用。
技术实现思路
本专利技术解决的问题是克服现有的实体法铣削力仿真提取切角区间方法中，在仿真路径的每一个计算位置都要进行包含三次布尔运算的四次实体运算，造成系统资源消耗快、仿真速度慢、容易产生实体操作失败等问题，在每个计算位置将三次布尔运算简化为一次，从而在保证切角区间准确提取的前提下显著提高了铣削力仿真系统的运行效率和稳定性。本专利技术的技术解决方案是，步骤如下(1)将实际铣削时的原始毛坯、刀具尺寸、拟切削路径作为原始参数输入至实体造型平台中，根据刀具尺寸建立刀具旋转包络体的实体造型作为刀具实体造型，将拟切削路径作为目标路径，将刀具实体造型沿目标路径切削之前的原始毛坯作为目标毛坯；所述的目标路径包括以起终点坐标和刀轴方向矢量描述的直线路径，以及以起终点坐标、圆弧所在平面法矢量和圆弧半径描述的圆弧路径；(2)将目标路径离散成一系列连续的前后相继的仿真计算位置；(3)对于每一个仿真计算位置，将刀具实体造型置于该仿真计算位置，进行刀具实体造型与目标毛坯的布尔求交运算，生成该仿真计算位置的切除体；(4)在与每一个仿真计算位置对应的切除体上，通过识别有效交面产生切削层交线，提取出刀具实体造型切入和切出目标毛坯造型的切入角0fsi和切出角(41)如果刀具实体造型的刀轴方向与切削进给方向的夹角小于或等于90度，若 θ mei- θ msi = 2 π，则 θ fsi = 0，θ fei = π ;若 0 彡 θ msi < j!且 0 < θ mei 彡 π，则 θ fsi =0msi，0fei= 0mei ；若 1 彡 0msi<o 且0< 0mei 彡沉，则 0fsi = o，0fei = 0mei； 若彡且0< emei 彡 π，则 efsi = 0，efei = 0mei, Θ ' fsi= Θ msi+2 π , θ ' fei= π ;若0彡 emsi< j!且 π < emei彡2π，efsi= emsi, 0fei= π ；^-π ^ emsi < ο 且 π < θ mei 彡 2 π，θ fsi = o，θ fei = π ;若 θ msi > j!或者 θ mei < o，θ fsi = o，θ fei =o;其中和θ msi为在铣削模型坐标系下的切削层交线起始角和终止角数值，Θ ' fsi 和Θ' M为新增加的切入段的起始角和终止角数值；铣削模型坐标系的原点OJi于刀具的自由端，Zffl轴与刀轴平行并指向刀具夹持端，Xffl轴指向路径进给方向，当进给方向不与刀轴方向垂直时，Xm轴指向进给方向在垂直于刀轴平面上的投影方向，Ym根据右手定则确定， 切角范围以Y1^i正向为基准，按顺时针方向增加，i表示切削层的交线序数；(42)如果刀具实体造型的刀轴方向与切削进给方向的夹角大于90度而小于180 度，则先将Qmsi和Θ转换到平行于进给方向的平面内，再应用步骤Gi)的方法计算真实切削范围，最后再将真实切削范围转换回垂直于刀轴的平面内；(5)在目标切削路径的全部仿真计算位置都完成计算后，利用实体造型平台的二次开发函数沿目标路径创建刀具扫过体；(6)从目标毛坯上通过布尔差去除刀具扫过体，完成毛坯更新。所述的实体造型平台为Unigraphics造型系统、ProE造型系统、CATIA造型系统、 ACIS造型开发平台、或者Parasolid造型开发平台。本专利技术与现有技术相比的优点在于本专利技术方法相对于实体法铣削力仿真中现有的提取切削角度区间的方法，减少了在目标路径的每一个计算位置都要产生刀具扫过体、 从目标毛坯上去除刀具扫过体形成中间毛坯、从中间毛坯上去除切除体更新毛坯的三次实体运算，使得理论上的时间复杂度降低为(m+l)0(N4)，显著降低了仿真运算时间和计算机硬件资源的消耗，并由于避免了现有方法中在很近的距离内频繁的布尔运算从而增强了仿真计算的鲁棒性，在确保切削角度区间提取准确性的同时提高了实体法铣削力仿真的效率。附图说明图1为本专利技术方法的流程图2为本专利技术的坐标系定义示意图；图3为本专利技术方法中提取切削层交线的起始角和终止角的示意图；图中Om-XmYmZm 表示铣削力模型的计算坐标系，Ow-XmYmZm表示造型空间的工作坐标系，xa、Ya代表在造型空间中表示圆弧角度范围的圆弧坐标系的X轴和Y轴；θ asl、θ ael为切削层交线1在圆弧坐标系下的起始角和终止角，0as2、Θ ae2为切削层交线2在圆弧坐标系下的起始角和终止角； β表示根据工作坐标系WCS和圆弧坐标系ACS的关系，应用造型平台二次开发函数得到的从Xw到Xa的逆时针夹角；图4为采用本专利技术方法产生的切除体与通常方法切除体的对比示意图；图中F为铣刀进给方向，I3S和Pe为目标路径的起点和终点，Pi-I、Pi分别为第i_l个和第i个离散计算位置，Th、Ti为在相应位置处的刀具轴线方向，SRBO表示由通常方法产生的切除体， SRBl表示由本专利技术所述方法产生的切除体；图5为本专利技术方法过滤角度范围的流程图；图6为根据不同角度区间组合判断真实切入角和切出角的示意图。具体实施例方式本专利技术方法可以Urogr本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：刘胤，
申请(专利权)人：北京卫星制造厂，
类型：发明
国别省市：
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