应用于三维腔体摆线加工的最优刀具和加工路径的生成方法技术

本发明专利技术公开了一种应用于三维摆线加工的最优刀具和加工路径的生成方法，所述方法包括如下步骤：步骤一、计算刀具的形状及其在对两个侧面曲面S1和S2进行侧铣加工时得到的两个侧面加工路径R1和R2；步骤二、首先给出第一个前半程路径C1，然后依次计算每个摆线回路的前半程路径，得到前半程摆线路径的序列C1,C2,...形成对侧面的高精度加工，并在满足刀具—工件啮合度约束的同时最大化材料移除率；步骤三、生成所有的后半程路径，作为两个连续前半路径之间的过渡，从而生成整个摆线加工路径。本发明专利技术能够根据要加工的工件的形状特征对加工刀具的形状进行优化，得到适合被加工工件的有针对性的刀具形状，能够加工具有复杂曲面形状的3D腔体。形状的3D腔体。形状的3D腔体。

【技术实现步骤摘要】
应用于三维腔体摆线加工的最优刀具和加工路径的生成方法


[0001]本专利技术涉及一种三维腔体的摆线加工方法，具体涉及一种应用于三维摆线加工的最优刀具和加工路径的生成方法。

技术介绍

[0002]三维腔体是工业零部件中常见的类型，由一个底面和两个侧面组成，利用摆线加工技术对两个侧面进行加工有利于刀具热量的发散，提升刀具的寿命。现有的三维腔体的摆线加工方法使用给定的圆柱刀具类型，加工精度不高。

技术实现思路

[0003]针对现有技术存在的上述问题，本专利技术提供了一种应用于三维腔体摆线加工的最优刀具和加工路径的生成方法，生成的加工路径形成对腔体两个侧面(左侧面S1和右侧面S2)的加工摆线，加工路径由一些环路连接构成，每一个环路包括一个前半程路径和一个后半程路径。该方法能自动选择最优的刀具形状，并自动生成相应的加工路径，获得比现有摆线加工方法更高的加工精度。
[0004]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
[0005]一种应用于三维摆线加工的最优刀具和加工路径的生成方法，包括如下步骤：
[0006]步骤一、计算刀具的形状及其在对两个侧面曲面S1和S2进行侧铣加工时得到的两个侧面加工路径R1和R2，R1和R2称为引导路径，具体步骤如下：
[0007]步骤一一、用直纹曲面表示刀具的运动路径R1和R2，定义为：
[0008]R
j
(s,t)＝q
jT
(t)
·
(1
‑
s)+q
jB/>(t)
·
s,s,t∈[0,1],j＝1,2；
[0009]式中，q
jT
表示直纹面的上边界曲线，q
jB
表示下边界曲线，都采用B样条曲线表示，t是沿着运动方向的曲面参数，s是沿着刀具轴线的曲面参数；
[0010]步骤一二、为了消除过切，为侧面引入虚拟面作为逼近目标，定义如下：
[0011][0012]式中，n
j
表示指向空腔内部的曲面S
j
的法线，α
j
(s,t)是当前的加工误差函数；
[0013]步骤一三、距离函数是直纹面R
j
(s,t),j＝1,2上的采样点分别到对应的虚拟面的最近平方距离的总和，定义为：
[0014][0015]式中，*＝T,B；j＝1,2对应空腔的左侧面S1或右侧面S2；R
j
(s
k
,t
l
)是直纹面R
j
(s,t)在参数s＝s
k
、t＝t
l
处的采样点；α
j,k,l
是采样点R
j
(s
k
,t
l
)处的拟合误差；f
j,k,l
是R
j
(s
k
,t
l
)在侧面S
j
上的垂足点；n
j,k,l
是S
j
在f
j,k,l
点的单位法向量，方向指向需要加工的一侧；r
k
,k＝1,
…
,M是刀具轴线上采样点处的刀具半径；M和N分别对应在s和t方向的采样数量；
[0016]步骤一四、刀具运动的光顺性函数和刚性约束函数分别定义为：
[0017][0018][0019]式中，L是给定的刀具轴线的长度；
[0020]步骤一五、通过迭代如下最小化目标函数计算刀具形状以及逼近表面S1和S2的刀具路径：
[0021]min
P,R F
guide
＝F
dist
+λ1F
fair
+λ2F
rigid
；
[0022]式中，P是两个直纹曲面R1和R2的B样条控制点集合，R是沿刀具轴均匀采样的球面半径集合，即R＝{r1,r2,...,r
M
}，λ1和λ2是根据经验设置的标量权重；
[0023]步骤一六、使用高斯
‑
牛顿数值优化方法求解步骤一五中的极小化问题，得到对两个侧面进行加工的引导路径R1和R2，分别铣削侧表面S1和S2，同时得到刀具的形状，由半径向量r表示，r＝(r1,
…
,r
M
)。
[0024]步骤二、首先给出第一个前半程路径C1，然后依次计算每个摆线回路的前半程路径，得到前半程摆线路径的序列C1,C2,...，形成对侧面的高精度加工，并在满足刀具—工件啮合度(CWE)约束的同时最大化材料移除率(MRR)，具体步骤如下：
[0025]步骤二一、前半程路径C
i
使用B样条曲面表示，定义如下：
[0026][0027]式中，下标i表示第i个前半程路径，边界曲线c
iT
和c
iB
是路径直纹曲面的两个边界曲线，采用B样条曲线表示，定义为：
[0028][0029]式中，是控制点，B
k,d
(t)是B样条基函数，d是B样条曲线的次数，m表示B样条曲线控制点个数；
[0030]步骤二二、由C
i
计算出下一个前半程路径C
i+1
：
[0031]计算C
i+1
的方法交替执行步骤二二一和步骤二二二，直到没有违反CWE约束的采样点，或者迭代次数达到设定的最大值；
[0032]步骤二二一、路径前进阶段：
[0033]首先，通过设置t
i+1
,1＝t
i,1
和t
i+1,2
＝t
i,2
将C
i
的末端线设置为初始末端线，其中t
i,1
,t
i+1,1
是R1上的参数t的取值；t
i,2
,t
i+1,2
是R2上参数t的取值；然后，用相同的增量值Δt
i+1
对两侧参数t
i+1,1
,t
i+1,2
迭代增加，得到沿着侧面加工路径不断前进的一对线段R1(s,t
i+1,1
)和R2(s,t
i+1,2
)，作为要求的直纹面C
i+1
的两端母线；在线段移动的每一个时刻，求解如下路径优化问题，生成R1(s,t
i+1,1
)和R2(s,t
i+1,2
)之间的直纹面
[0034][0035]式中，P
Inner
是直纹曲面的边界曲线除了末端之外的控制点，β、λ1、λ2、λ3是对应函数项的权重，因为没有逼近目标曲面，因此设置β＝0；
[0036]F
length
是对路径的长度进行惩罚的函数项,目的是得到较短的路径,减少加工的时间，定义为：...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种应用于三维摆线加工的最优刀具和加工路径的生成方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：步骤一、计算刀具的形状及其在对两个侧面曲面S1和S2进行侧铣加工时得到的两个侧面加工路径R1和R2，R1和R2称为引导路径；步骤二、首先给出第一个前半程路径C1，然后依次计算每个摆线回路的前半程路径，得到前半程摆线路径的序列C1,C2,...，形成对侧面的高精度加工，并在满足刀具—工件啮合度CWE约束的同时最大化材料移除率MRR；步骤三、生成所有的后半程路径，作为两个连续前半路径之间的过渡，从而生成整个摆线加工路径。2.根据权利要求1所述的应用于三维摆线加工的最优刀具和加工路径的生成方法，其特征在于所述步骤一的具体步骤如下：步骤一一、用直纹曲面表示刀具的运动路径R1和R2，定义为：R
j
(s,t)＝q
jT
(t)
·
(1
‑
s)+q
jB
(t)
·
s,s,t∈[0,1],j＝1,2；式中，q
jT
表示直纹面的上边界曲线，q
jB
表示下边界曲线，都采用B样条曲线表示，t是沿着运动方向的曲面参数，s是沿着刀具轴线的曲面参数；步骤一二、为了消除过切，为侧面引入虚拟面作为逼近目标，定义如下：式中，n
j
表示指向空腔内部的曲面S
j
的法线，α
j
(s,t)是当前的加工误差函数；步骤一三、距离函数是直纹面R
j
(s,t),j＝1,2上的采样点分别到对应的虚拟面的最近平方距离的总和，定义为：式中，*＝T,B；j＝1,2对应空腔的左侧面S1或右侧面S2；R
j
(s
k
,t
l
)是直纹面R
j
(s,t)在参数s＝s
k
、t＝t
l
处的采样点；α
j,k,l
是采样点R
j
(s
k
,t
l
)处的拟合误差；f
j,k,l
是R
j
(s
k
,t
l
)在侧面S
j
上的垂足点；n
j,k,l
是S
j
在f
j,k,l
点的单位法向量，方向指向需要加工的一侧；rk,k＝1,
…
,M是刀具轴线上采样点处的刀具半径；M和N分别对应在s和t方向的采样数量；步骤一四、刀具运动的光顺性函数和刚性约束函数分别定义为：步骤一四、刀具运动的光顺性函数和刚性约束函数分别定义为：式中，L是给定的刀具轴线的长度；步骤一五、通过迭代如下最小化目标函数计算刀具形状以及逼近表面S1和S2的刀具路径：min
P,R F
guide
＝F
dist
+λ1F
fair
+λ2F
rigid
；式中，P是两个直纹曲面R1和R2的B样条控制点集合，R是沿刀具轴均匀采样的球面半径集合，即R＝＝{r1,r2,...,r
M
}，λ1和λ2是根据经验设置的标量权重；
步骤一六、使用高斯
‑
牛顿数值优化方法求解步骤一五中的极小化问题，得到对两个侧面进行加工的引导路径R1和R2，分别铣削侧表面S1和S2，同时得到刀具的形状，由半径向量r表示，r＝(r1,
…
,r
M
)。3.根据权利要求1所述的应用于三维摆线加工的最优刀具和加工路径的生成方法，其特征在于所述步骤二的具体步骤如下：步骤二一、前半程路径C
i
使用B样条曲面表示，定义如下：式中，下标i表示第i个前半程路径，边界曲线c
iT
和c
iB
是路径直纹曲面的两个边界曲线，采用...

【专利技术属性】
技术研发人员：伯彭波，范宏宇，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学威海，
类型：发明
国别省市：