[發明專利]點云五軸無全局干涉刀軸矢量可行域計算方法

有效

• 申請號: 201610289091.4
• 申請日: 2016-05-04
• 公開（公告）號: CN105785919B
• 公開（公告）日: 2018-06-19
• 發明（設計）人: 劉威
• 申請（專利權）人: 蘇州科技學院
• 主分類號: G05B19/408
• 分類號: G05B19/408
• 代理公司: 蘇州廣正知識產權代理有限公司 32234
• 代理人: 徐萍

本發明公開了一種點云五軸無全局干涉刀軸矢量可行域計算方法，包括如下步驟：輸入待加工的點云模型，設置加工刀具、行距、步長等信息并規劃刀觸點；設置可行域中前傾角的范圍和間距值，計算出所有離散前傾角數值；對每個前傾角計算無全局干涉旋轉角范圍，先計算出近似值，再計算出理論值；獲取所有前傾角的無干涉旋轉角范圍，組成無全局干涉刀軸矢量可行域。通過上述方式，本發明提供了點云五軸無全局干涉刀軸矢量可行域計算方法，實現了直接對點云計算出無全局干涉刀軸矢量可行域，可以高效計算出精確的可行域，并規劃出無干涉加工刀軌。

技術領域

本發明屬于計算機輔助制造(Computer Aided Manufacturing，CAM)的技術領域，具體涉及一種點云五軸無全局干涉刀軸矢量可行域計算方法。

背景技術

與三軸相比，五軸數控加工在復雜零件和曲面零件加工中優勢明顯。五軸數控加工增加了兩個偏轉軸，使刀軸變化十分靈活，可以加工許多三軸無法加工的零件，如整體葉輪等，但刀軸的多變也會使干涉更容易發生，尤其是加工復雜零件時，必須進行干涉的檢測和避免。

五軸加工中干涉包括局部干涉和全局干涉兩種，局部干涉又包括曲率干涉和刀底干涉。切削時，如果刀頭與曲面接觸處的刀具曲率半徑大于曲面曲率半徑，或者刀具前傾角不足導致刀具底面發生過切，就會發生局部干涉。而全局干涉則是刀具除了切削點和刀具底面之外的其他部分，例如刀桿、刀夾等部位與加工零件發生的碰撞。全局干涉不僅會導致零件表面發生嚴重過切、零件報廢，而且很可能會損壞刀具。目前還沒有商業CAM軟件能夠對包含海量數據點的點云直接生成無全局干涉刀軸可行域。

常用的五軸全局干涉刀軸可行域計算方法有兩種：1.配置空間(C-space)法；2.離散法。方法1構造出一個二維極坐標系，半徑坐標和角坐標分別為前傾角和旋轉角，然后將可行域表示在C-space中。這種表示方法接近實際的刀軸運動方式，難點在于將障礙物映射到C-space獲取障礙物邊界、再根據刀具信息對障礙物邊界進行等距獲取無干涉可行域，這兩個步驟都是過程復雜且計算量大。方法2在可行域中選取許多離散的刀軸矢量，逐一進行干涉檢查，所有無干涉的刀軸矢量組成了可行域。這種方法可行域構造簡單，但想要獲取精確的可行域，只能增加離散刀軸矢量數目，計算量大幅增加。

中國專利申請號為CN100435055C的發明專利公開了一種五軸數控加工無干涉刀具路徑規劃方法。該方法處理全局干涉時，通過對高斯球面進行均勻三角化，將三角網格的頂點作為離散的刀軸矢量，再對每個刀軸矢量進行干涉檢查。該方法通過柵格化障礙物和刀具、測試刀軸矢量方向上的可達性，規劃刀觸點處的刀具可達方向錐，但一次只能對一個刀軸矢量進行判斷，計算效率較低。該專利可將所有無干涉刀軸矢量組成可行域，可行域的精度取決于離散刀軸矢量的數目，只有對大量刀軸矢量進行干涉判斷處理，才能獲得高精度可行域，無疑增大了計算量。

中國專利申請號為CN102621928B的發明專利公開了一種刀具姿角可行域生成方法。該方法將旋轉角在[0,2π]范圍內等分成許多份，對每個細分旋轉角計算其前傾角上下限，最后對所有上下限進行3次B樣條擬合，獲得可行域邊界。該方法求出的可行域中，前傾角大的區域精度遠低于前傾角小的區域，如果想提高精度，需要增大離散旋轉角的數目，但增大的計算量中只有一半(即計算前傾角上限部分)用于提高前傾角大的區域精度。

發明內容

本發明主要解決的技術問題是提供一種點云五軸無全局干涉刀軸矢量可行域計算方法，具有C-space法易于表達可行域的優點，同時具有離散法可行域計算快捷的優點，在C-space內對前傾角進行離散，對每個前傾角計算出它的無全局干涉旋轉角范圍，最后將邊界進行連接獲取完整的可行域，該方法與常規的C-space法相比，無需將障礙物映射到C-space進行復雜的邊界等距，計算過程簡便，與離散法相比，避免對許多刀軸進行逐一干涉判斷，計算量大幅減少，且可以獲得理論臨界干涉旋轉角，可行域更加精確。

為解決上述技術問題，本發明采用的一個技術方案是：提供了一種點云五軸無全局干涉刀軸矢量可行域計算方法，包括以下具體步驟：