一种面向STEP-NC复杂型腔的最短刀具路径生成方法技术

本发明专利技术提供一种面向STEP‑NC复杂型腔的最短刀具路径生成方法。本发明专利技术方法，包括：S1、构建STEP‑NC复杂型腔封闭等距环；S2、基于图论将封闭等距环表示为带约束的赋权有向图；S3、通过增设待选择节点集合T对传统Dijkstra算法进行改进，采用改进的Dijkstra算法生成STEP‑NC复杂型腔的最短刀具路径。本发明专利技术将图论和改进的Dijkstra算法有机结合，提出了一种面向STEP‑NC复杂型腔的最短刀具路径生成方法，高效智能地实现了STEP‑NC复杂型腔最短刀具路径的生成，对STEP‑NC标准的进一步完善和实施具有积极的参考价值。

A method of shortest tool path generation for STEP-NC complex cavity

The invention provides a method for generating the shortest tool path for a step \u2011 NC complex cavity. The method of the invention includes: S1, constructing step \u2011 NC complex cavity closed isometric ring; S2, representing closed isometric ring as weighted digraph with constraints based on graph theory; S3, improving traditional Dijkstra algorithm by adding node set t to be selected, adopting improved Dijkstra algorithm to generate the shortest tool path of step \u2011 NC complex cavity. The invention combines the graph theory with the improved Dijkstra algorithm, proposes a method for generating the shortest tool path of step \u2011 NC complex cavity, efficiently and intelligently realizes the generation of the shortest tool path of step \u2011 NC complex cavity, which has a positive reference value for the further improvement and implementation of step \u2011 NC standard.

【技术实现步骤摘要】
一种面向STEP-NC复杂型腔的最短刀具路径生成方法
本专利技术涉及数控加工
，具体而言，尤其涉及一种面向STEP-NC复杂型腔的最短刀具路径生成方法。
技术介绍
智能制造是新一代信息通信技术与先进制造技术的深度融合，已成为未来制造业发展的重大趋势和核心内容。基于STEP-NC的智能数控系统是智能制造领域研究热点之一，而基于STEP-NC的刀具路径规划是实现STEP-NC智能数控系统的一项关键技术。国内外学者对STEP-NC刀具路径规划进行了许多有意义的研究。Suh等提出的新一代STEP-NC控制器，该控制器可以实现STEP-NC制造特征的刀具路径生成。刘涛等提出了一种基于STEP-NC数控程序的刀具路径规划方法。王军等通过建立STEP-NC知识库，实现了STEP-NC平面和孔特征的刀具运动轨迹规划。Laguionie等基于轮廓平行铣和双向铣削策略，提出了一种用于STEP-NC简单型腔特征加工的摆线铣削策略。Du等提出了一种基于多智能体的STEP-NC制造特征刀具路径规划方法。李刚年采用等距离步长法和等残留高度法得到了STEP-NC制造特征的刀具路径。Liang等开发了一个与STEP-NC兼容的CNC系统，该系统具有刀具路径规划、刀位点计算、刀具偏移和逆运动学变换的功能。山东大学的齐明开发了用于电路板加工的STEP-NCCAM模块，该模块采用基于像素的方法来进行轮廓计算，实现了STEP-NC制造特征刀具路径的生成。梁媛等提出了一种基于STEP-NC的NURBS曲面刀具轨迹生成技术，该技术采用等残留高度法对曲面加工刀具轨迹进行规划。由以上研究可以看出，虽然国内外学者和研究机构对刀具路径规划进行了很多有意义的研究，但是大多数研究主要集中在STEP-NC简单制造特征的刀具路径生成，对于STEP-NC复杂型腔的刀具路径生成方法研究很少。
技术实现思路
根据上述提出现有技术中缺乏对STEP-NC复杂型腔的刀具路径生成方法的研究的技术问题，针对STEP-NC复杂型腔，本专利技术提供了一种面向STEP-NC复杂型腔的最短刀具路径生成方法。本专利技术采用的技术手段如下：一种面向STEP-NC复杂型腔的最短刀具路径生成方法，包括如下步骤：S1、构建STEP-NC复杂型腔封闭等距环；S2、基于图论将封闭等距环表示为带约束的赋权有向图；S3、通过增设待选择节点集合T对传统Dijkstra算法进行改进，采用改进的Dijkstra算法生成STEP-NC复杂型腔的最短刀具路径。进一步地，所述步骤S1中构建STEP-NC复杂型腔封闭等距环的过程包括：走刀行距计算、基本元素等距偏置以及封闭等距环生成。进一步地，所述走刀行距计算的具体表达式如下：式中，d为走刀行距，R为刀柄半径，r为刀角圆头半径，h为残留高度；所述基本元素等距偏置包括：直线段的等距偏置以及圆弧段的等距偏置。所述直线段的等距偏置过程具体为：S11、假设R(Rx,Ry)和E(Ex,Ey)分别为直线段的起点和终点，则直线段的等距偏置法向矢量N为：S12、直线段等距后起点矢量值a和终点矢量值b分别为：a＝R±d·Nb＝E±d·N所述圆弧段的等距偏置过程具体为：S13、假设C(Cx,Cy)为圆弧的圆心，R'(Rx',Ry')，E'(Ex',Ey')分别为其起点和终点，则圆弧段起点等距偏置法向矢量Ns和终点等距偏置法向矢量Ne分别为：S14、圆弧段等距后起点矢量值a’和终点矢量值b’分别为：a’＝R’±d·Nsb’＝E‘±d·Ne上式中，d为走刀行距；所述封闭等距环生成具体过程如下：基本元素经过等距偏置后，相邻等距线之间会出现相交或者分离。为了生成一条连续的加工路径，相邻等距线之间需要进行过渡连接，即生成封闭等距环。封闭等距环生成的基本方法是：基本元素在进行等距偏置之后，若生成的等距线相交，则添加直线连接；若生成的等距线分离，则添加圆弧过渡，过渡圆弧的圆心是等距前两直线的公共端点，半径等于走刀行距，圆弧与两直线相切，进而生成封闭等距环。进一步地，所述步骤S2的具体过程如下：S21、标记封闭等距环赋权有向图中的节点vi及连接弧am，节点vi为封闭等距环中的直线段、圆弧段的端点以及它们相交的交点；连接弧am为封闭等距环中直线段和圆弧段；S22、确定连接弧am的方向，规定型腔轮廓等距环为逆时针取向，岛屿轮廓等距环为顺时针取向，进而确定封闭等距环的赋权有向图中各连接弧am的方向；S23、标记封闭等距环赋权有向图中转向约束标志为了防止生成无效路径，在由交点而来的节点处设置转向约束标志S24、确定封闭等距环赋权有向图中连接弧的权值，相邻节点vi和vj之间的连接弧对应的权值为弧长wij；S25、根据上述步骤S21-S24，得到带约束的封闭等距环赋权有向图D＝(V,A,Σ,W)，其中V为节点集合，A为弧集合，Σ为约束集合，W为权值集合。进一步地，所述步骤S3的具体过程如下：S31、令已访问节点集合未访问节点集合U＝Vl，待选择节点集合其中，Vl为第l次等距计算得到的封闭等距环赋权有向图中的节点集合，l＝1，2…k，k为能够进行等距操作的次数，令l的初始值为1；S32、令未访问节点集合U中节点vj的初始标号为[vi，uj]，若节点vj被选为起点，则令其标号为[vj，uj]；其中，vi为最短路径上节点vj的前一节点，将其初始化为任意节点M，uj是起点到节点vj的距离，其初始值为∞；vj为节点vj的本身，uj是节点vj到其本身的距离，其初始值为0；S33、从未访问节点集合U中选出任意一节点vj为起点和终点，并从U中删除vj；vi表示起点，表示终点，将vi加入到已访问节点集合S中，将存入U中，确定vi的标号[vi，ui]为[vi，0]；S34、判断未访问节点集合U中是否存在与vi直接连接的节点vj；若存在，则执行步骤S35；若不存在，则得到一条无效路径，将该路径的终点从U中删除，并执行步骤S310；S35、对于未访问节点集合U中与vi直接连接的节点vj，若uj＞ui+wij，则令uj＝ui+wij，并更新其标号[vi，uj]；S36、若节点vi不是起点且设置转向约束标志(σv)，在满足节点vj与节点vi之间的连接弧的方向不同于节点vi与其上一节点的连接弧方向的节点vj中选取uj(uj>0)最小的节点vj；否则，直接从U中找出uj最小的节点vj；S37、将被选取节点vj从U中删除，记为vi，并将其加入到S中，确定vi的标号为[vi’，ui]，若vi为交点，同时将其加入T中；其中，vi’为最短路径上节点vi的前一节点，ui是起点到节点vi的距离；S38、判断vi是否为终点若是，则得到一条最短路径，并执行步骤S39；若否，则返回步骤S34；S39、判断得到的最短路径对应的环是否为逆时针环；若是，则判本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种面向STEP-NC复杂型腔的最短刀具路径生成方法，其特征在于，包括如下步骤：/nS1、构建STEP-NC复杂型腔封闭等距环；/nS2、基于图论将封闭等距环表示为带约束的赋权有向图；/nS3、通过增设待选择节点集合T对传统Dijkstra算法进行改进，采用改进的Dijkstra算法生成STEP-NC复杂型腔的最短刀具路径。/n

【技术特征摘要】
1.一种面向STEP-NC复杂型腔的最短刀具路径生成方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、构建STEP-NC复杂型腔封闭等距环；
S2、基于图论将封闭等距环表示为带约束的赋权有向图；
S3、通过增设待选择节点集合T对传统Dijkstra算法进行改进，采用改进的Dijkstra算法生成STEP-NC复杂型腔的最短刀具路径。


2.根据权利要求1所述的面向STEP-NC复杂型腔的最短刀具路径生成方法，其特征在于，所述步骤S1中构建STEP-NC复杂型腔封闭等距环的过程包括：走刀行距计算、基本元素等距偏置以及封闭等距环生成。


3.根据权利要求1或2所述的面向STEP-NC复杂型腔的最短刀具路径生成方法，其特征在于，
所述走刀行距计算的具体表达式如下：



式中，d为走刀行距，R为刀柄半径，r为刀角圆头半径，h为残留高度；
所述基本元素等距偏置包括：直线段的等距偏置以及圆弧段的等距偏置。所述直线段的等距偏置过程具体为：
S11、假设R(Rx,Ry)和E(Ex,Ey)分别为直线段的起点和终点，则直线段的等距偏置法向矢量N为：



S12、直线段等距后起点矢量值a和终点矢量值b分别为：
a＝R±d·N
b＝E±d·N
所述圆弧段的等距偏置过程具体为：
S13、假设C(Cx,Cy)为圆弧的圆心，R'(Rx',Ry')，E'(Ex',Ey')分别为其起点和终点，则圆弧段起点等距偏置法向矢量Ns和终点等距偏置法向矢量Ne分别为：






S14、圆弧段等距后起点矢量值a’和终点矢量值b’分别为：
a’＝R’±d·Ns
b’＝E‘±d·Ne
上式中，d为走刀行距；
所述封闭等距环生成具体过程如下：
基本元素经过等距偏置后，相邻等距线之间会出现相交或者分离。为了生成一条连续的加工路径，相邻等距线之间需要进行过渡连接，即生成封闭等距环。封闭等距环生成的基本方法是：基本元素在进行等距偏置之后，若生成的等距线相交，则添加直线连接；若生成的等距线分离，则添加圆弧过渡，过渡圆弧的圆心是等距前两直线的公共端点，半径等于走刀行距，圆弧与两直线相切，进而生成封闭等距环。


4.根据权利要求1所述的面向STEP-NC复杂型腔的最短刀具路径生成方法，其特征在于，所述步骤S2的具体过程如下：
S21、标记封闭等距环赋权有向图中的节点vi及连接弧am，节点vi为封闭等距环中的直线段、圆弧段的端点以及它们相交的交点；连接弧am为封闭等距环中直线段和圆弧段；
S22、确定连接弧am的方向，规定型腔轮廓等距环为逆时针取向，岛屿轮廓等距环为顺时针取向，进而确定封闭等距环的赋权有向图中各连接弧am的方向；
S23、标记封闭等距环赋权有向图中转向约束标志为了防止生成无效路径，在由交点而...

【专利技术属性】
技术研发人员：张禹，王志伟，李东升，董小野，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21