点云模型五轴无局部干涉刀轴偏角范围计算方法技术

本发明专利技术公开了一种点云模型五轴无局部干涉刀轴偏角范围计算方法，包括如下步骤：输入待加工的点云模型，设置加工刀具、行距、步长等信息并规划刀触点；设置需要计算的前倾角范围和间距值，对刀触点计算无曲率干涉的最小前倾角数值，规划离散前倾角；对所有离散前倾角计算无局部干涉旋转角范围，组成刀触点的无局部干涉旋转角范围；最后规划出无局部干涉刀轨。通过上述方式，本发明专利技术提供了点云模型五轴无局部干涉刀轴偏角范围计算方法，实现了高效计算点云无局部干涉刀轴的偏角范围，是无局部干涉加工刀轨生成和优化的基础。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于计算机辅助制造(Computer Aided Manufacturing，CAM)的
，具体涉及一种点云模型五轴无局部干涉刀轴偏角范围计算方法。
技术介绍
与三轴相比，五轴数控加工在复杂零件和曲面零件加工中优势明显。五轴数控加工增加了两个偏转轴，使刀轴变化十分灵活，但刀轴的多变也会使干涉更容易发生，因此必须进行干涉的检测和避免。五轴加工中干涉包括局部干涉和全局干涉两种。全局干涉则是刀具除了切削点和刀具底面之外的其他部分，例如刀杆、刀夹等部位与加工零件发生的碰撞。局部干涉包括曲率干涉和刀底干涉两种，如果刀触点处的刀具曲率半径大于曲面曲率半径，则会发生曲率干涉，刀具底面附近有数据点位于刀具内部则会发生刀底干涉。加工自由曲面类零件时常使用平底刀，为了提高切削效率需要选取较小的前倾角和旋转角，但角度值太小容易发生局部干涉并引起过切，过切值超过允许值就会导致零件报废，因此需要对前倾角和旋转角进行计算以避免局部干涉。目前还没有商业CAM软件能够对包含海量数据点的点云直接计算无局部干涉刀轴偏角范围。常用的五轴无局部干涉刀轴偏角范围计算方法有两种：1.配置空间(C-space)法；2.离散法。方法1构造出一个二维极坐标系(即C-space)，半径坐标和角坐标分别为前倾角和旋转角，将障碍物映射到C-space获取障碍物边界、再根据刀具信息对障碍物边界进行等距获取无干涉刀轴范围，但这两个步骤都是过程复杂且计算量大。方法2选取许多离散的刀轴偏角构造刀轴矢量，逐一进行干涉检查以获取无干涉的偏角范围，这种方法计算过程相对简单，但想要获取精确的范围，只能增加离散偏角数目，使得计算量大幅增加。中国专利申请号为CN100435055C的专利技术专利公开了一种五轴数控加工无干涉刀具路径规划方法。该方法处理局部干涉时，通过对高斯球面进行均匀三角化，将三角网格的顶点作为离散的刀轴矢量，再对每个刀轴矢量进行干涉检查。该方法通过栅格化障碍物和刀具、测试刀轴矢量方向上的可达性，规划刀触点处的刀具可达方向锥，但一次只能对一个刀轴矢量进行判断，计算效率较低。该专利的无干涉偏角范围的精度取决于离散刀轴矢量的数目，只有对大量刀轴矢量进行干涉判断处理，才能提高精度，无疑增大了计算量。中国专利申请号为CN102621928B的专利技术专利公开了一种计算固定旋转角的无干涉前倾角范围的方法。该方法将旋转角在[0,2π]范围内等分成许多份，对每个细分旋转角计算其无干涉前倾角上下限，最后对所有上下限进行3次B样条拟合，获得无干涉偏角边界。该方法求出的无干涉偏角区域中，前倾角大的区域精度远低于前倾角小的区域，如果想提高精度，需要增大离散旋转角的数目，但增大的计算量中只有一半(即计算前倾角上限部分)用于提高前倾角大的区域精度。
技术实现思路
本专利技术主要解决的技术问题是提供一种点云模型五轴无局部干涉刀轴偏角范围计算方法，在无曲率干涉的前倾角范围内对前倾角进行离散，对每个前倾角计算出它的无全局干涉旋转角范围，最后获取完整的无局部干涉偏角范围。该方法与常规的C-space法相比，无需将障碍物映射到C-space进行复杂的边界等距，计算过程简便，与离散法相比，避免对许多刀轴进行逐一干涉判断，计算量大幅减少，且可以获得理论临界局部干涉旋转角，偏角范围更加精确。为解决上述技术问题，本专利技术采用的一个技术方案是：提供了一种点云模型五轴无局部干涉刀轴偏角范围计算方法，包括以下具体步骤：步骤1、输入需要加工的点云模型和加工参数，规划刀触点轨迹；步骤1.1、将点云中的所有数据点根据坐标划分到立方体小栅格中，任意一点(px,py,pz)所在的栅格序列号(i,j,k)可由下式求出，其中xmin、ymin、zmin为点云的三坐标最小值， i = int ( ( p x - x min ) / m c e l l ) j = int ( ( p y - y m i n ) / m c e l l ) k = int ( ( p z - z m i n 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种点云模型五轴无局部干涉刀轴偏角范围计算方法，其特征在于，包括以下具体步骤：步骤1、输入需要加工的点云模型和加工参数，规划刀触点轨迹；步骤1.1、将点云中的所有数据点根据坐标划分到立方体小栅格中，任意一点(px,py,pz)所在的栅格序列号(i,j,k)可由下式求出，其中xmin、ymin、zmin为点云的三坐标最小值，i=int((px-xmin)/mcell)j=int((py-ymin)/mcell)k=int((pz-zmin)/mcell);]]>步骤1.2、通过行距规划一组截平面与点云求交获得交点点集，根据步长在交点点集中筛选出刀触点；步骤2、输入前倾角参数，为刀触点建立局部坐标系；步骤2.1、输入前倾角α范围[αmin,αmax]，最大为[0,π/2]，输入前倾角间距值αΔ；步骤2.2、以第i行第j个刀触点为例，以为原点构建局部坐标系OLXLYLZL，对搜索K邻近点，运用最小二乘法构造切平面，切平面法矢为ZL轴方向向量kL，YL轴方向向量jL为切平面和截平面的交线，XL轴方向向量iL＝jL×kL，任意一点Pi在局部坐标系下的坐标的可由下式计算出，步骤3、对刀触点计算无曲率干涉的最小前倾角数值，规划离散前倾角；步骤3.1、为刀触点获取所有可能与刀具发生局部干涉的栅格，其序列号(X_index,Y_index,Z_index)需满足下式，其中R为刀具半径，(m,n,l)为点所在栅格的序列号，这些栅格中的数据点记为集合并去除中的所有局部坐标zL＜0的点，num=R/mcell+2X_index∈[m-num,m+num]Y_index∈[n-num,n+num]Z_index∈[l,l+num];]]>步骤3.2、XLZL平面与点集求交获得交点集合对于平底刀，将中任意一点代入以下方程求出其无曲率干涉时的前倾角α，F(α,xL,zL)=[zL-R sinα]2R2sin2α+xL2R2=1;]]>步骤3.3、所有点代入后可计算出前倾角最大值就是刀触点的无曲率干涉前倾角最小值，若则需要计算的前倾角范围为根据前倾角间距值αΔ，按照下式对前倾角范围进行等分，获取离散前倾角集合{αi}，n=int((αmax-αmaxL)/αΔ)+2αi=αmaxL+i·αΔ,0≤i<n-1αn-1=αmax;]]>步骤4、为所有离散前倾角计算无局部干涉旋转角范围，规划出无局部干涉刀轨；步骤4.1、获取集合中所有到局部坐标系原点OL距离小于半径R的点，记为集合PR；步骤4.2、对于PR中任意一点PR(xL,yL,zL)，如果是刀底干涉点，则点位于刀具内，且在平面zL＝PR.zL上，刀具在平面zL＝PR.zL上的轮廓线为一个不完整的椭圆，对于离散前倾角{αi}中任意前倾角αi，轮廓线方程如下式所示，F(αi,xL,yL)=xL2R2+(yL-PR.zLtanαi-PR.zL-R sinαisinαicosαiL)2(Rcosαi)2=1,YL>-zLtanαiYL=-zLtanαi,|xL|<R2-zL2(1-sinαi-cosαitanαi)2;]]>步骤4.3、在平面zL＝PR.zL上，点PR绕着ZL轴旋转过一定角度后可位于轮廓线上，此时干涉消除，转过的角度就是刀具需要转过的旋转角，据此可以计算点PR的无刀底干涉旋转角范围，设刀具不绕ZL轴旋转时旋转角为0，旋转角大于0时刀具顺时针旋转，点PR到旋转中心点O′L的距离不同计算方法也不同，具体计算如下：如果PRO′L≤Min(O′Lp1,O′Lp3)，其中则点PR无法旋转出刀具轮廓，无刀底干涉旋转角范围为空；如果PRO′L介于O′Lp1和O′Lp3之间，当O′Lp1＞O′Lp3时，通过刀具旋转PR可以从刀具底面即线段离开轮廓，通过下面两式可求出临界无干涉点PC1(‑xL,yL)、PC2(xL,yL)与PC1O′L和PRO′L的夹角PC2O′L和PRO′L的夹角(令)。刀具顺时针旋转角，PR到椭圆外，干涉被避免，所以无刀底干涉旋转角范围为若PR.xL＞0，范围为xL2+yL2=PROL′2yL=-zLtanα,]]>当O′Lp1＜O′Lp3时，PR从椭圆离开轮廓，通过下式可以求出PC3(‑xL,yL)、PC4(xL,yL...

【技术特征摘要】
1.一种点云模型五轴无局部干涉刀轴偏角范围计算方法，其特征在于，包括以下具体步骤：步骤1、输入需要加工的点云模型和加工参数，规划刀触点轨迹；步骤1.1、将点云中的所有数据点根据坐标划分到立方体小栅格中，任意一点(px,py,pz)所在的栅格序列号(i,j,k)可由下式求出，其中xmin、ymin、zmin为点云的三坐标最小值， i = int ( ( p x - x min ) / m c e l l ) j = int ( ( p y - y m i n ) / m c e l l ) k = int ( ( p z - z min ) / m c e l l ) ; ]]>步骤1.2、通过行距规划一组截平面与点云求交获得交点点集，根据步长在交点点集中筛选出刀触点；步骤2、输入前倾角参数，为刀触点建立局部坐标系；步骤2.1、输入前倾角α范围[αmin,αmax]，最大为[0,π/2]，输入前倾角间距值αΔ；步骤2.2、以第i行第j个刀触点为例，以为原点构建局部坐标系OLXLYLZL，对搜索K邻近点，运用最小二乘法构造切平面，切平面法矢为ZL轴方向向量kL，YL轴方向向量jL为切平面和截平面的交线，XL轴方向向量iL＝jL×kL，任意一点Pi在局部坐标系下的坐标的可由下式计算出，步骤3、对刀触点计算无...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘威，
申请(专利权)人：苏州科技学院，
类型：发明
国别省市：江苏;32