一种叶轮加工刀具路径整体优化方法技术

本发明专利技术公开了一种叶轮加工刀具路径整体优化方法，包括如下步骤：S1：将叶轮模型和刀具模型离散三角化；S2：规划所示刀具与叶轮的接触点轨迹，并计算得到所述刀具位置点轨迹；S3：利用干涉检查判断所述刀具位置点的可达方向锥；S4：建立所述刀轴矢量的整体优化目标函数，构建有约束的单源有向图，将所述目标函数的优化求解问题转化为最短路径寻路问题；S5：利用最短路径寻路算法，对所述目标函数进行求解，得到最优刀具姿态。本发明专利技术的方法，可快速的计算刀具可达方向锥，并实现刀轴矢量的整体光顺。

【技术实现步骤摘要】
一种叶轮加工刀具路径整体优化方法
本专利技术涉及计算机辅助制造及数控加工
，更具体地，涉及一种叶轮加工刀具路径整体优化方法。
技术介绍
透平机械在航空、航天、能源、交通、水利、化工和石油等领域中具有广泛的应用。航空发动机核心三大部件中有两大部件属于透平机械，蒸汽、燃气轮机的关键部件也是透平机械。而叶轮是透平机械的核心部分，其质量的优劣对这类产品的工作性能起着决定性的影响。所以叶轮的设计和制造在直接影响着叶轮的质量与性能。五轴数控加工做为工业中复杂高性能零件加工的重要手段，与三轴加工相比，五轴数控加工的优势在于增加了两个旋转轴，通过改变刀具姿态，实现叶轮、叶片等复杂曲面零件的数控加工。然而，五轴数控加工存在以下缺点：(1)两个旋转自由度的增加导致刀具姿态控制复杂度提高，在一定程度上限制了它在实际加工中的应用；(2)同时，加工过程中刀轴矢量的剧烈变化，还会在零件表面产生切痕，甚至破坏零件表面，严重影响加工质量。因此，研究复杂曲面零件五轴数控加工中的刀具姿态整体优化方法具有重要的理论意义和应用价值。经过对现有技术的研究，目前国内外在刀轴方向规划方面的研究工作主要有两种思路，一种是先产生后调整的刀轴方向规划思路，另外一种是在可行空间中规划刀轴方向的思路。基于第一种思路，Ho等提出了刀轴光顺方法(TOS方法),论文“Five-axistoolorientationsmoothingusingquaternioninterpolationalgorithm”(InternationalJournalofMachineTools&Manufacture，HoMC,HwangYR,HuCH.2003,43(12):1259-1267.)通过分析机床运动学，证明刀轴方向光顺性影响五轴数控加工的运动学非线性误差，提出了用四元数插值光顺刀轴方向的方法，插值后仍需进行干涉检查。然而工业应用中，刀具路径往往包含几万甚至十几万个刀具位置点数据，因此先产生后调整的思路往往会花费大量的运算时间，难以在避免干涉的同时优化刀轴。第二种思路是首先在离散的刀具位置点处计算刀具的无干涉方向(即可达方向锥)，然后在可达方向锥中选择出可行方向锥，再从中规划刀轴矢量。这种思路的优点是在满足几何约束的前提下，可以考虑加工过程中的动态特性和切削力等因素，来优化选择刀轴方向。主要有C空间法和可视锥法。论文“Automaticgenerationofgouge-freeandangular-velocity-compliantfive-axistoolpath”(Computer-AidedDesign，WangN,TangK.2007,39(10):841-852)通过计算每一切触点处在角速度限制条件下刀轴可以达到的范围和该点的无干涉范围之间的交集来确定五轴加工中的刀轴矢量。这种思路也存在计算效率的问题，加工复杂零件时，障碍物模型往往由十几万甚至几十万的多边形网格组成，计算可达方向锥需要花费庞大的计算资源和时间，所以研究的重点集中在如何快速计算刀具可达方向锥方面。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种叶轮加工刀具路径整体优化方法，其目的在于快速的计算刀具可达方向锥，并实现刀轴矢量的整体光顺。为了实现上述目的，本专利技术提供一种叶轮加工刀具路径整体优化方法，包括如下步骤：S1：将叶轮模型和刀具模型离散三角化；S2：规划所示刀具与叶轮的接触点轨迹，并计算得到所述刀具位置点轨迹；S3：利用干涉检查判断所述刀具位置点的可达方向锥；S31：刀具与叶轮的接触点为CCt，障碍物模型为S，刀具T的连续可达方向锥AC(CCt,S)为：AC(CCt,S)＝{Vc∈S2:CCt∩T＝CCt,T∩S＝Φ}其中，Vc为一个刀具姿态，Φ表示空集；S32：对高斯球面进行离散获得离散的刀具参考方向对所述每个离散的刀具参考方向进行可达性判断，所述刀具T的离散可达方向锥AC(CCt,S)为：AC(CCt,S)＝{Vc∈S2:CCt∩T＝CCt,T∩S＝Φ}S33：假设初始的刀轴矢量为Taxis，初始的刀具位置点径矢为Tpos，经过旋转变换后的刀轴矢量为T′axis，经过平移变换后的刀具位置点径矢为T′pos，则T′pos＝M(xCL,yCL,zCL)TposT′axis＝R(Z,β)R(X,α)Taxis其中，M(xCL,yCL,zCL)为刀具在绝对坐标系下的平移变换，R(Z,β)表示所述刀具绕绝对坐标系的Z轴进行旋转变换，R(X,α)表示所述刀具绕绝对坐标系的X轴进行旋转变换；S34：重复步骤S33，对每一个经过旋转平移变换的刀具进行可达方向的判断，若刀具姿态可达，则保存两个旋转角度，否则继续变换刀具姿态，得到所述刀具的可达方向锥；S4：建立所述刀轴矢量的整体优化目标函数，构建有约束的单源有向图，将所述目标函数的优化求解问题转化为最短路径寻路问题，并对单源有向图的源点进行选取；S5：利用最短路径寻路算法，对所述目标函数进行求解，得到最优刀具姿态。进一步地，所述步骤S4中构建有约束的单源有向图包括如下步骤：S41：对于给定的刀具路径，当刀具从刀具与叶轮的接触点CCi运动到下一个刀具与叶轮的接触点CCi+1时，所述刀轴矢量从变换为则在绝对坐标下，从第i个刀具与叶轮的接触点到第i+1个刀具与叶轮的接触点刀轴矢量变化的度量为：S42：在绝对坐标系下，在所述刀具离散可达方向锥的基础上进行刀轴矢量的整体优化，使刀轴矢量整体光顺，所述刀轴矢量整体优化问题可以表述为如下最优化问题：S43：有向图的顶点是所述离散刀具可达方向锥的刀具方向，有向图的边表示相邻刀具与叶轮的接触点之间的刀具方向组合，所述边的权值为相邻刀具与叶轮的接触点间刀具方向的变化设定一个阈值θ，若相邻刀具与叶轮的接触点间刀具方向变化超过阈值θ，则不添加该边，即可构建所述有约束的单源有向图。进一步地，所述刀轴矢量整体光顺可用沿刀具与叶轮的接触点序列的刀轴矢量变化之和来衡量：其中，n为刀具路径中的所述刀具位置点的数目。进一步地，所述步骤S1中离散三角化包括如下步骤：S11：将所述叶轮模型的模型坐标系、加工坐标系与绝对坐标系重合，将所述刀具模型的模型坐标系建立在球心处，并与所述绝对坐标系重合；S12：将所述刀具模型进行处理，将其球头部分的球体剔除；S13：将所述叶轮模型和处理过的刀具模型三角化，导出为文本格式。5、如权利要求1或2所述的一种叶轮加工刀具路径整体优化方法，其特征在于，所述步骤S2中刀具位置点轨迹生成包括如下步骤：S21：对所述刀具与叶轮的接触点进行初步规划；S22：设定所述叶轮模型的切削深度，切削步长，生成所述刀具轨迹；S23：利用刀具与叶轮的接触点坐标和刀轴矢量计算出刀具位置点坐标。进一步地，所述步骤S5具体步骤为：用Dijsktra算法求解所述有约束的有向图模型，获得从源点到第N个刀具与叶轮的接触点的刀具可达方向的最短路径值和最短路径上的顶点。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：(1)本专利技术优化方法，采用干涉检查引擎，在全局坐标系下通过变换刀具姿态实现可达方向锥的快速计算。(2)本专利技术优化方法，通过构建有约束的单源有向图，减少了刀轴优化的空间存储本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种叶轮加工刀具路径整体优化方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：将叶轮模型和刀具模型离散三角化；S2：规划所示刀具与叶轮的接触点轨迹，并计算得到所述刀具位置点轨迹；S3：利用干涉检查判断所述刀具位置点的可达方向锥；S31：刀具与叶轮的接触点为CCt，障碍物模型为S，刀具T的连续可达方向锥AC(CCt,S)为：AC(CCt,S)＝{Vc∈S

【技术特征摘要】
1.一种叶轮加工刀具路径整体优化方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：将叶轮模型和刀具模型离散三角化；S2：规划所示刀具与叶轮的接触点轨迹，并计算得到所述刀具位置点轨迹；S3：利用干涉检查判断所述刀具位置点的可达方向锥；S31：刀具与叶轮的接触点为CCt，障碍物模型为S，刀具T的连续可达方向锥AC(CCt,S)为：AC(CCt,S)＝{Vc∈S2:CCt∩T＝CCt,T∩S＝Φ}其中，Vc为一个刀具姿态，Φ表示空集；S32：对高斯球面进行离散获得离散的刀具参考方向对所述每个离散的刀具参考方向进行可达性判断，所述刀具T的离散可达方向锥AC(CCt,S)为：AC(CCt,S)＝{Vc∈S2:CCt∩T＝CCt,T∩S＝Φ}S33：假设初始的刀轴矢量为Taxis，初始的刀具位置点径矢为Tpos，经过旋转变换后的刀轴矢量为T′axis，经过平移变换后的刀具位置点径矢为T′pos，则T′pos＝M(xCL,yCL,zCL)TposT′axis＝R(Z,β)R(X,α)Taxis其中，M(xCL,yCL,zCL)为刀具在绝对坐标系下的平移变换，R(Z,β)表示所述刀具绕绝对坐标系的Z轴进行旋转变换，R(X,α)表示所述刀具绕绝对坐标系的X轴进行旋转变换；S34：重复步骤S33，对每一个经过旋转平移变换的刀具进行可达方向的判断，若刀具姿态可达，则保存两个旋转角度，否则继续变换刀具姿态，得到所述刀具的可达方向锥；S4：建立所述刀轴矢量的整体优化目标函数，构建有约束的单源有向图，将所述目标函数的优化求解问题转化为最短路径寻路问题，并对单源有向图的源点进行选取；S5：利用最短路径寻路算法，对所述目标函数进行求解，得到最优刀具姿态。2.如权利要求1所述的一种叶轮加工刀具路径整体优化方法，其特征在于，所述步骤S4中构建有约束的单源有向图包括如下步骤：S41：对于给定的刀具路径，当刀具从刀具与叶轮的接触点CCi运动到下一个刀具与叶轮的接触点CCi+1时，所述刀轴矢量从变换为则在绝对坐标下，从第i个刀具与叶轮的接触点到第i+1个刀具与叶轮的接触点刀轴矢量变化的度量为：

【专利技术属性】
技术研发人员：杨建中，吴界，高嵩，张成磊，王天正，
申请(专利权)人：华中科技大学，武汉华中数控股份有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北,42