五轴数控加工安全最短刀具长度的规划方法技术

本发明专利技术涉及一种五轴数控加工安全最短刀具长度的规划方法，同时分析零件的可制造性，并规划光顺的刀具路径。首先刀具长度设置一个工艺允许范围内的最大值，栅格化障碍物和刀位点处刀具回转圆柱面的圆盘，通过显卡的深度测试和遮挡查询功能获得在参考方向上的刀具可达性信息和安全最短刀具长度，规划刀具可达方向锥；然后根据方向连续性约束和加工环境约束计算可行方向锥并判断可制造性；如果可制造，在可行方向锥中，用动态规划方法规划刀位点序列的安全最短刀具长度，然后规划光顺的刀具路径。本发明专利技术计算效率高、编程实现简单，可以应用于复杂零件３＋２轴数控加工或者五轴联动数控加工的刀具选择和刀具路径规划。

A method for planning the shortest safe tool length in five axis NC machining

The invention relates to a method for planning the shortest safety tool length of a five axis NC machining, analyzing the manufacturability of a part and planning a smooth tool path at the same time. The first tool length set a process allows maximum range, grid obstacle and site of knife tool rotary cylindrical surface of the disk, the depth test graphics and occlusion query in reference on the direction of tool accessibility and security of information the shortest tool length, planning tool up to direction according to the direction of continuous cone; processing constraints and environmental constraints calculation feasible direction cone and determine the manufacturability; if can be made, in the feasible direction cone, using dynamic programming method to plan the tool safety site sequence of the shortest tool length, then the tool path planning of fairing. The invention has high calculation efficiency and simple programming, and can be applied to tool selection and tool path planning of complex parts 3 + 2 axis NC machining or five axis linkage NC machining.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种，适用于复杂 零件的五轴数控加工，属于计算机辅助制造(Computer Aided Manufacturing, CAM)

技术介绍
数控机床己经大量的应用到制造业中，与传统的三轴数控加工相比，五轴 数控加工可以显著提高加工效率、增强刀具可达性和縮短刀具长度，为复杂零 件的加工提供了有效的手段。由于刀具姿态的变化，可以在避免干涉的前提下 縮短刀具长度，但是刀具姿态的变化也大大增加了刀具参数选择和刀具路径规 划的难度，目前的刀具长度规划主要依赖试凑法。在加工复杂零件时，为避免 干涉通常需要选择较大的刀具长度值。刀具长度的增加往往会加剧加工过程中 刀具的变形和振动，从而降低加工精度、加快刀具磨损、提高加工成本，甚至 影响机床的使用寿命，因此针对五轴数控加工的安全最短刀具长度规划方法在 工业应用中有很重要的意义。仿真软件Vericut提供了最短刀具的计算功能，只能对已有刀具路径计算最 短的刀具长度，但是刀具的安全长度往往由刀具的方向决定。目前通用的的CAM 软件在规划刀具路径前不能提供安全刀具长度的参数，通常是由编程人员根据 经验设定一个刀具长度，选择工艺参数和加工策略后，利用CAM软件规划出刀 具的接触点和刀轴方向，通过数控仿真软件进行干涉检查，如果有干涉发生， 必须重新规划刀具长度和刀轴控制策略， 一般要经过多次反复才能获得无干涉 刀具路径。这样的迭代过程规划出的刀具路径无法保证最短的刀具长度的，同 时反复的修改工作也耗费大量的时间和成本。在数控加工中任何干涉都会导致零件报废、刀具折断甚至是机床的损坏， 所以干涉避免是刀具长度和刀具路径规划中首先要考虑的。传统的干涉检查方法大都需要耗费大量的计算时间，有时甚至超出计算机的计算能力，尤其是加 工复杂零件时，零件的几何模型由大量的自由曲面描述，计算复杂，所以现有 的CAM软件难以在规划刀具路径时规划安全最短的刀具长度。经对现有技术的文献检索发现，有一种利用安全空间规划安全最短刀具长 度的方法(Su-Jin Kim. Short and safe tool setting by safe space in NC machining. International Journal of Advanced Manufacturing Technology. (2007)33: 1017 -1023)，利用虚拟仿真获得刀具的安全工作空间，在安全空间中选择最短的刀具 长度，但是这种方法也仅仅是针对己有刀具路径进行规划，而且只用于三轴数 控加工，难以推广到五轴数控加工中。公开号为CN101109944A的中国专利技术专利介绍了一种五轴数控加工光滑 无干涉刀具路径的规划方法。该方法首先建立刀具、工件和障碍物的几何模型， 在计算机显卡上栅格化障碍物模型，利用显卡的深度缓存工作原理，在离散参 考方向上判断刀具的可达性，获得可达方向锥，在可达方向锥中，根据方向连 续性约束和加工环境约束计算可行方向锥，在可行方向锥中按照刀具路径中方 向变化最小的原则规划光滑无干涉的刀具路径，输出刀具路径文件。该专利提 供了一种规划刀具路径的方法，但是没有考虑到刀具长度的影响。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种五轴数控加工安全最短刀 具长度的规划方法，同时自动规划出无干涉刀具路径。该方法简单易行、计算 效率高，适用于多边形网格、自由曲面等任意能够渲染的几何模型。为实现这一目的，本专利技术首先建立刀具、工件和障碍物的几何模型，刀具 长度初始设定为工艺允许范围内的较大值；根据刀触点序列和刀具形状确定刀 位点的位置，在离散参考方向的反方向上栅格化障碍物和刀位点处刀具回转圆 柱的圆盘面；通过显卡的深度测试和遮挡査询功能，获得圆盘的完全可视信息 和刀柄处刀具圆盘到障碍物的最短距离；根据可视性信息判断刀具在离散方向 上的可达性，根据刀柄处圆盘到障碍物的最短距离确定可达方向的安全最短刀 具长度；在可达方向锥中，按照方向连续性约束和加工环境约束计算可行方向锥；根据可行方向锥判断零件的可制造性，如果可制造，综合刀具方向变化量、 刀位点序列的安全最短刀具长度和工艺要求，用动态规划方法规划刀具路径的 刀具最短安全刀具长度；然后规划方向光顺的刀具路径；最后输出安全最短刀 具长度和刀具路径。本专利技术的方法具体包括如下步骤1) 将刀具的回转圆柱面作为刀具的几何模型，设定初始的刀具长度，同时 建立工件及障碍物的几何模型；所述刀具长度指刀柄到刀位点的悬伸量，初始 的刀具长度是工艺允许范围内一个最大值；所述障碍物包括工件的夹具以及在 工件周围可能与刀具发生干涉的物体，所述工件及障碍物的几何模型是一种可 以栅格化的几何表述形式。2) 用等误差法、截面法或等参数法计算出刀具和工件的接触点，得到刀触 点序列，由刀触点序列、刀具形状来确定用来标识刀具位置的一组刀位点。3) 将高斯球面离散化，确定刀具轴线的离散参考方向；视线方向为离散参 考方向的反方向，将障碍物模型栅格化并进行标准深度测试；将刀具的轴向指 向离散参考方向，依次栅格化刀具回转圆柱面的圆盘并进行深度测试，把深度 测试函数的属性设置为深度值大于或等于当前深度值的栅格点通过测试，并且 关闭深度缓存的写入功能；用显卡的遮挡査询功能判断圆盘上的可见栅格数目， 如果可见栅格数目为零，圆盘沿视线方向完全可视，否则圆盘为不完全可视； 记录刀具回转圆柱面圆盘在视线方向的完全可视性，以及刀柄处圆盘到障碍物 的最短距离；根据刀具回转圆柱面圆盘的完全可视性确定每个刀触点处刀具在 离散参考方向上的可达性；根据刀柄处圆盘到障碍物的最短距离，确定沿该方 向时刀具的安全最短刀具长度；将各个刀触点处刀具可达的离散参考方向在高 斯球面上组成的集合规划为刀具可达方向锥。4) 在刀具可达方向锥中，根据方向连续性约束和加工环境约束计算刀具可 行方向锥；所述加工环境约束包括机床决定的工作行程约束、奇异方向约束和 加工工艺要求；所述方向连续性约束是选择的方向属于当前刀触点处刀具可达 方向锥和相邻两个刀触点处刀具可达方向锥的交集。5) 根据刀具可行方向锥判断工件的可制造性，即用当前刀具沿刀触点序列 加工工件的可行性，如果某个刀触点处的刀具可行方向锥为空，即为不可制造， 则输出不可制造信息，如果所有刀触点处的刀具可行方向锥都非空，即为可制 造。6) 在刀具可行方向锥中，综合刀具方向变化量、刀位点序列的安全最短刀 具长度和工艺要求，用动态规划方法规划得到刀具路径的安全最短刀具长度， 将规划获得的最优策略集合中的刀具方向定义为新的可行方向锥；所述动态规 划方法中，阶段是刀位点序列中的刀位点，状态变量包括刀位点的可行方向和 可行方向上的安全最短刀具长度，允许决策集合由刀具方向的光顺性和工艺要 求决定，状态转移方程是可行决策中可行刀具长度的最大值，指标函数为刀具 安全长度的最小值。7) 根据新的可行方向锥，沿刀触点序列构造有向图，用最短路径算法优化 刀触点处的刀具方向，得到光顺的刀具路径。本专利技术中，所述的几何模型为计算机可以渲染的几何模型，包括实体模型、 多边形网格模型、自由曲面模型、体素模型和点云模型。所述的刀位点对于球头铣刀是指端部半球面的球心，对于平底铣刀是端部 圆面的圆心本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种五轴数控加工安全最短刀具长度的规划方法，其特征在于包括如下步骤：１）将刀具的回转圆柱面作为刀具的几何模型，设定初始的刀具长度，同时建立工件及障碍物的几何模型；所述刀具长度指刀柄到刀位点的悬伸量，初始的刀具长度是工艺允许范围内的一 个最大值；所述障碍物包括工件的夹具以及在工件周围可能与刀具发生干涉的物体；所述工件及障碍物的几何模型是一种可以栅格化的几何表述形式；２）用等误差法、截面法或等参数法计算出刀具和工件的接触点，得到刀触点序列，由刀触点序列、刀具形状来确 定用来标识刀具位置的一组刀位点；３）将高斯球面离散化，确定刀具轴线的离散参考方向；视线方向为离散参考方向的反方向，将障碍物模型栅格化并进行标准深度测试；将刀具的轴向指向离散参考方向，依次栅格化刀具回转圆柱面的圆盘并进行深度测试，把深 度测试函数的属性设置为深度值大于或等于当前深度值的栅格点通过测试，并且关闭深度缓存的写入功能；用显卡的遮挡查询功能判断圆盘上的可见栅格数目，如果可见栅格数目为零，圆盘沿视线方向完全可视，否则圆盘为不完全可视；记录刀具回转圆柱面圆盘在视线方向的完全可视性，以及刀柄处圆盘到障碍物的最短距离；根据刀具回转圆柱面圆盘的完全可视性确定每个刀触点处刀具在离散参考方向上的可达性；根据刀柄处圆盘到障碍物的最短距离，确定沿该方向时刀具的安全最短刀具长度；将各个刀触点处刀具可达的离散参考方向在高斯球面上组成的集合规划为刀具可达方向锥；４）在刀具可达方向锥中，根据方向连续性约束和加工环境约束计算刀具可行方向锥；所述加工环境约束包括机床决定的工作行程约束、奇异方向约束和加工工艺要求；所述方向连续性约束是选择的方向属于当前刀触点 处刀具可达方向锥和相邻两个刀触点处刀具可达方向锥的交集；５）根据刀具可行方向锥判断工件的可制造性，即用当前刀具沿刀触点序列加工工件的可行性，如果某个刀触点处的刀具可行方向锥为空，即为不可制造，则输出不可制造信息，如果所有刀触点处的刀 具可行方向锥都非空，即为可制造；６）在刀具可行方向锥中，综合刀具方向变化量、刀位点序列的安全最短刀具长度和工艺要求，用动态规划方法规划得到刀具路径的安全最短刀具长度，将规划获得的最优策略集合中的刀具方向定义为新的可行方向锥；所述动态 规划方法中，阶段是刀位点序列中的刀位点，状态变量包括刀位点的可行方向和可行方向上的安全最短刀具长度，允许决策集合由刀具方向的光...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：毕庆贞，丁汉，王宇晗，朱向阳，朱利民，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]