[發明專利]基于改進型Butterfly細分的網格自由曲面環形刀具軌跡規劃方法

有效

• 申請號: 201610153828.X
• 申請日: 2016-03-17
• 公開（公告）號: CN105739432B
• 公開（公告）日: 2018-09-07
• 發明（設計）人: 馮毅雄;王琪瑞;程錦
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G05B19/19
• 分類號: G05B19/19
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 林松海

本發明公開了一種基于改進型Butterfly細分的網格自由曲面環形刀具軌跡規劃方法，包括環形刀具曲面建模、三角網格自由曲面建模，并結合環形刀的幾何特征對刀觸點（CC點）的刀具曲面及工件曲面進行幾何分析，根據切削刀具干涉原理計算刀具的最小前傾角以獲得切削路徑的最大寬度，并據此采用改進型Butterfly細分方法對進行三角網格曲面進行細分，使刀具軌跡的行距達到切削路徑寬度要求。以曲面輪廓曲線為初始刀具軌跡，沿著三角網格邊界進行螺旋型刀具軌跡刀觸點（CC點）的逐行規劃，最終根據環形刀幾何模型求解刀心（CL點）位置。本發明應用于高速加工中可提升形成刀具軌跡的連續性、降低刀具負載波動，在保證切削質量的前提下，提升切削穩定性，延長刀具壽命。

技術領域

本發明屬于銑削加工領域，更具體地，涉及一種基于改進型Butterfly細分的三角網格自由曲面環形刀具軌跡規劃方法。

技術背景

自由曲面被廣泛應用于航天、汽車、船舶等產品設計領域，對自由曲面加工的刀具軌跡規劃具有重要意義。自由曲面可以用參數面片和多邊形面片表示。但參數面片的精確建模困難，且參數面片的拼接和分割易出現干涉與間隙，步驟繁瑣，計算量大。但多邊形面片，尤其是三角面片分割及拼接準則簡單，具有較高魯棒性，在曲面相交運算中不存在高次曲線相交運算，具有較高的計算效率。

五軸數控加工中，圓柱或圓錐棒銑刀、環形棒銑刀及球頭棒銑刀多用于窄型腔結構曲面的側銑加工，球頭刀、尖齒平底刀和環形刀常用于復雜自由曲面的端銑加工。球頭刀尖位置切削速度為零，近刀尖部分切削速度低，切削成型表面質量低，為避免球頭刀在加工過程中產生干涉，刀具半徑一般較小，導致刀具軌跡排列過于緊密，降低加工效率。尖齒平底刀切觸點等效曲率隨刀具傾角的變化而變化，對曲率分布不均勻的曲面具有一定適應性，較球頭刀而言具有更高的加工效率，但尖齒平底刀切削刃為端面與側面交界邊緣線，磨損速度快，成形余量大，加工表面粗糙，常用于復雜自由曲面加工的粗加工階段。而環形刀切削刃上不存在切削速度極低的位置，且切觸點等效半徑隨傾角的變化而變化，對曲率分布不均勻的自由曲面具有較強適應性；且環形刀切削刃帶有圓角，避免了過度切削磨損后形成的加工誤差，具有更高的加工精度。自由曲面形狀復雜，曲率分布狀況復雜，精度和效率要求高，故采用環形刀進行加工更符合自由曲面端銑加工高效高精的特點。

當前的刀具軌跡規劃方法以等截面法和等參數法最為常用，雖然能夠保證表面加工精度，但自由曲面曲表面特征復雜，曲率分布不均勻，切削曲面與等高線曲面的法向偏角較小，規劃生成的刀具軌跡異常密集，加工效率低下。等殘余高度法以殘余高度作為刀具軌跡生成標準，能夠生成粗糙度均勻的工件表面，但生成的刀具軌跡常出現多次抬刀動作，連續性低，增加了刀具負載波動，降低刀具壽命和表面成型質量。

發明內容

為解決刀具軌跡規劃中生成刀具軌跡連續性差的問題，本發明提供了一種基于改進型Butterfly細分的網格自由曲面環形刀具軌跡規劃方法。

一種基于改進型Butterfly細分的網格自由曲面環形刀具軌跡規劃方法，包括以下步驟：

1)構建三角網格自由曲面的環形刀具切削模型，對環形刀具實際切削刃進行參數建模，并對三角網格自由曲面進行微分幾何分析，建立三角網格曲面的曲率特征模型；

2)以三角網格曲面環形刀具切削模型為基礎，對切觸點CC點處的幾何特征進行分析，并求解環形刀具在三角網格自由曲面上的切削路徑寬度；

3)以三角網格曲面為基礎構建局部遞歸分割曲面，對三角面片序列中的元素進行切削路徑寬度檢查，若三角面片不符合切削路徑寬度檢查準則，則采用改進型Butterfly細分方法對三角面片進行細分后對細分生成的三角面片再次進行切削路徑寬度檢查，直至每個三角面片符合切削路徑寬度檢查準則；

4)構建刀具軌跡規劃所需的數據結構模型，主要包括對基準點、基準列的定義和頂點數據結構的定義；

5)遍歷三角網格曲面上的三角面片并進行包容性判定，確定曲面模型的邊界；