一种三角网格模型数控加工的多刀具优化组合选择方法技术

本发明专利技术公开了一种三角网格模型数控加工的多刀具优化组合选择方法，包括读入三角网格模型，建立拓扑信息；基于面片法矢和面片主曲率将模型分割为多个特征子区域；对可能产生干涉的特征区域进行快速的刀具干涉检查，获得刀具干涉区域；对不同类型的特征子区域采用不同的刀具轨迹生成策略，基于对应的行距计算公式，通过各特征区域的刀具轨迹长度估算模型估算轨迹长度；根据模型三角面片的最大主曲率及标准刀具尺寸确定最小刀具，采用遗传算法优化其他尺寸刀具。本发明专利技术能够更加有效、精准地获得复杂三角网格模型的高效加工刀具组合。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于数控加工
，特别涉及一种三角网格模型数控加工的多刀具优化组合选择方法。
技术介绍
在数控加工中，为了提高加工效率一般会尽量选用大尺寸的刀具，但对于复杂的几何模型，往往会存在大尺寸刀具无法加工的干涉区域，因此还需要小尺寸刀具进行干涉区域的加工。而对于复杂的几何模型，不同刀具组合的加工效率可能会存在较大差距，因此刀具的优化组合选择也是数控加工领域的重要研究内容。目前，在刀具组合优化方面，国内外已经对模具2.5D型腔做了大量研究且得到相对成熟的研究理论，这些理论已被推广到模具3D型腔，但很显然，这些研究无法应用到曲面加工中。针对连续的自由曲面，李海燕等人在学术期刊《制造装备技术》2007,(3),P18-20发表的学术论文“五轴数控加工中多刀加工自由曲面的刀具选择”、LiHY等人在学术会议“ProceedingsoftheIEEE.InternationalConferenceonAutomationandLogistics(2008)”发表的学术论文“Ageometricmethodforoptimalmulti-cutterselectionin5-axisfinishcutofsculpturedsurfaces”、GengL等人在学术期刊《Computer-AidedDesign》2011,8(2),P301-313发表的学术论文“Aneuralnetworkbasedapproachto5-axistool-pathlengthestimationforoptimalmulti-cutterselection”中基于不同尺寸刀具加工面积的统计进行最优刀具组合选择，没有考虑曲面几何形状对加工效率的影响。YangDCH等人在学术期刊《Computer-AidedDesign》1999,31(5),P303-315中发表的学术论文“Interferencedetectionandoptimaltoolselectionin3-axisNCmachiningoffree-formsurface”、LoC等人在学术期刊《Computer-AidedDesign》2000,32(10)，P597-603中发表的学术论文“Two-stagecutter-pathschedulingforball-endmillingofconcaveandwall-boundedsurfaces”和南京航空航天大学的赵世田在2011年的学位论文《自由曲面加工刀具路径轨迹规划算法研究》中基于刀具轨迹长度估算选取最优刀具组合。但此类方法进行轨迹长度估算时对整个模型采用单一的估算模型，也没有考虑不同表面特征对刀具轨迹长度的影响，轨迹长度估算不准确。BeyM等人在学术会议“InternationalConferenceonSmartManufacturingApplication,2008”发表的学术论文“CuttingToolCombinationandMachiningStrategyAffectationBasedontheDeterminationofLocalShapesforFreeformSurfaces”考虑了不同类型区域对加工时间的影响，但加工策略方面只考虑平行截面法和等高线法，且采用模拟方法获取加工时间时势必需要生成刀具轨迹，影响效率。总之，现有针对曲面模型的刀具组合优化的方法中，没有全面考虑模型几何形状对加工的影响，而是以精度不高的结果作为优化选择判断标准来选取最优刀具组合，导致算法的准确性有待进一步提高；同时也需要采用合适的刀具优化组合方法进一步增强适应性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提出一种三角网格模型数控加工的多刀具优化组合选择方法，可以通过将复杂三角网格模型分割后建立不同轨迹长度估算模型，并通过人工智能算法获得优化刀具组合，能够更加有效、精准地获得复杂三角网格模型的高效加工刀具组合。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种三角网格模型数控加工的多刀具优化组合选择方法，包括如下步骤：步骤1，基于读入到内存的三角网格模型数据，建立无冗余的点表和面表；基于半边数据结构，建立三角网格模型的面片、边和顶点的完整拓扑信息；步骤2，采用局部二次拟合方法计算三角网格顶点及面片的最大主曲率和最小主曲率，所述最大主曲率大于等于最小主曲率；基于面片法矢及面片的最大主曲率和最小主曲率，将三角网格模型曲面分为陡壁特征区域、平坦特征区域、阱特征区域、峰特征区域和混合特征区域五类特征区域；以三角面片为生长元素，采用区域生长法实现网格模型分割；步骤3，以三角面片为基本单元在阱特征和混合特征区域查找刀具干涉区域；步骤4，建立各特征区域的刀具轨迹长度计算公式：Li=Aigi+Si02+Si1]]>其中Li表示刀具轨迹长度，Ai表示加工区域i的面积，gi为行距，Si0和Si1分别表示区域i的外边界和内边界长度；步骤5，根据模型三角面片的最大主曲率及标准刀具尺寸确定最小刀具；采用遗传算法优化其他尺寸刀具。所述将三角网格模型曲面分为陡壁特征区域、平坦特征区域、阱特征区域、峰特征区域和混合特征区域五类特征区域，具体是：以最大主曲率k1为横坐标、最小主曲率k2为纵坐标建立主曲率坐标系，根据不同情况设定Z轴分量阈值Vσ、平坦曲率阈值kσ、阱特征区域曲率阈值kτ和峰特征区域曲率阈值kδ，各特征子区域表示为：陡壁特征区域：Vz≤Vσ，其中Vz为面片法矢的Z轴分量；平坦特征区域：k12+k22≤kσ2；阱特征区域：k12+k22>kσ2，且k2>kτ，其中kτ≤0.01；峰特征区域：k12+k22>kσ2，且k1<kδ，其中kδ≥-0.01；混合特征区域：k1>0、k2<0且不属于上述各区域。步骤3中所述的以三角面片为基本单元在阱特征和混合特征区域查找刀具干涉区域，包括：①在整个查找区域内，根据面片最大主曲率k1判断刀具Ri发生曲率干涉的面片并存储干涉面片，所述曲率干涉的判断原则是：若1/k1<Ri，则发生曲率干涉；②若步骤①中的面片不发生曲率干涉，以整个查找区域内所有面片的中心点及顶点建立K-D树；③将不发生曲率干涉的面片中心点、顶点分别沿面片法矢、顶点法矢偏置刀具半径Ri距离，以偏置点为搜索中心，以Ri-scallop/2为搜索范围进行K-D搜索，面片中心和面片顶点干涉的判断原则是：检测面片中心点时，若搜索到的干涉点数目大于1，则判定该面片中心点对应的面片发生干涉；一个三角面片内至少有两个本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三角网格模型数控加工的多刀具优化组合选择方法，其特征在于，包括：步骤1，基于读入到内存的三角网格模型数据，建立无冗余的点表和面表；基于半边数据结构，建立三角网格模型的面片、边和顶点的完整拓扑信息；步骤2，采用局部二次拟合方法计算三角网格顶点及面片的最大主曲率和最小主曲率；基于面片法矢及面片的最大主曲率和最小主曲率，将三角网格模型曲面分为陡壁特征区域、平坦特征区域、阱特征区域、峰特征区域和混合特征区域五类特征区域；以三角面片为生长元素，采用区域生长法实现网格模型分割；步骤3，以三角面片为基本单元在阱特征和混合特征区域查找刀具干涉区域；步骤4，建立各特征区域的刀具轨迹长度计算公式：Li=Aigi+Si02+Si1]]>其中Li表示刀具轨迹长度，Ai表示加工区域i的面积，gi为行距，Si0和Si1分别表示区域i的外边界和内边界长度；步骤5，根据模型三角面片的最大主曲率及标准刀具尺寸确定最小刀具；采用遗传算法优化大刀具组合。

【技术特征摘要】
1.一种三角网格模型数控加工的多刀具优化组合选择方法，其特征在于，包括：
步骤1，基于读入到内存的三角网格模型数据，建立无冗余的点表和面表；基于半边数
据结构，建立三角网格模型的面片、边和顶点的完整拓扑信息；
步骤2，采用局部二次拟合方法计算三角网格顶点及面片的最大主曲率和最小主曲率；
基于面片法矢及面片的最大主曲率和最小主曲率，将三角网格模型曲面分为陡壁特征区域、
平坦特征区域、阱特征区域、峰特征区域和混合特征区域五类特征区域；以三角面片为生长
元素，采用区域生长法实现网格模型分割；
步骤3，以三角面片为基本单元在阱特征和混合特征区域查找刀具干涉区域；
步骤4，建立各特征区域的刀具轨迹长度计算公式：
Li=Aigi+Si02+Si1]]>其中Li表示刀具轨迹长度，Ai表示加工区域i的面积，gi为行距，Si0和Si1分别表示区
域i的外边界和内边界长度；
步骤5，根据模型三角面片的最大主曲率及标准刀具尺寸确定最小刀具；采用遗传算法
优化大刀具组合。
2.根据权利要求1所述的三角网格模型数控加工的多刀具优化组合选择方法，其特征
在于，所述将三角网格模型曲面分为陡壁特征区域、平坦特征区域、阱特征区域、峰特征区
域和混合特征区域五类特征区域，具体是：
以最大主曲率k1为横坐标、最小主曲率k2为纵坐标建立主曲率坐标系，根据不同情况
设定Z轴分量阈值Vσ、平坦曲率阈值kσ、阱特征区域曲率阈值kτ和峰特征区域曲率阈值kδ，
各特征区域表示为：
陡壁特征区域：Vz≤Vσ，其中Vz为面片法矢的Z轴分量；
平坦特征区域：k12+k22≤kσ2；
阱特征区域：k12+k22>kσ2，且k2>kτ，其中kτ≤0.01；
峰特征区域：k12+k22>kσ2，且k1<kδ，其中kδ≥-0.01；
混合特征区域：k1>0、k2<0且不属于上述各区域。
3.根据权利要求1所述的三角网格模型数控加工的多刀具优化组合选择方法，其特征
在于，步骤3中所述的以三角面片为基本单元在阱特征和混合特征区域查找刀具干涉区域，
包括：
①在整个查找区域内，根据面片最大主曲率k1判断刀具Ri发生曲率干涉的面片并存储
干涉面片，所述曲率干涉的判断原则是：若1/k1<Ri，则发生曲率干涉；
②若步骤①中的面片不发生曲率干涉，以整个查找区域内所有面片的中心点及顶点建立
K-D树；
③将不发生曲率干涉的面片中心点、顶点分别沿面片法矢、...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄常标，叶丽斐，刘斌，江开勇，林俊义，曹伟，
申请(专利权)人：华侨大学，
类型：发明
国别省市：福建;35