[發明專利]基于費馬螺旋線的自由曲面球頭刀具路徑規劃方法和系統

有效

• 申請號: 201810853512.0
• 申請日: 2018-07-30
• 公開（公告）號: CN108803481B
• 公開（公告）日: 2019-10-29
• 發明（設計）人: 陳寶權;趙海森;張皓;辛士慶;鄧園旻;屠長河;王文平;丹尼爾·科恩·奧爾
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: G05B19/19
• 分類號: G05B19/19
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 黃海麗

本發明公開了一種基于費馬螺旋線的自由曲面球頭刀具路徑規劃方法和系統，所述方法包括以下步驟：接收連通的自由曲面，計算距離標量場，所述距離標量場滿足均勻殘留高度約束；提取所述距離標量場中的等值線，生成連通費馬螺旋線；在最大殘留高度約束下，對生成的連通費馬螺旋線進行平滑處理。本發明基于費馬螺旋線，對于任意拓撲連通的自由曲面，生成連續不斷且平滑、區域邊界相關、殘留高度分布均勻的球頭刀精加工路徑，能夠在滿足加工質量的前提下顯著提升加工效率。

技術領域

本發明涉及銑床精加工路徑規劃技術領域，具體涉及一種基于費馬螺旋線的自由曲面球頭刀具路徑規劃方法和系統，應用于三軸數控銑床，或五軸數控銑床3+2工作模式加工自由曲面。

背景技術

銑床是數控加工(Numerical Control Machining)中一種用銑刀對工件多種表面進行加工的機床，適合加工比較復雜的曲面。加工流程通常為粗加工，精加工和清根。

粗加工一般采用大尺寸銑削刀頭，快速去除大部分不屬于目標形狀的毛坯部分，得到目標部件的近似形狀；該近似形狀實際上是目標部件的一個近似等距偏置面。精加工用較小尺寸的銑削刀頭，去除近似形狀上不屬于目標工件的余料。由于精加工刀頭尺寸及待加工部件本身結構限制，精加工后仍可能會遺留未加工部分，需在清根加工階段進行進一步清理。

最常用的銑床包括：一般用于加工平面型腔結構和高度場自由曲面的三軸銑床，可加工復雜自由曲面的五軸銑床。五軸銑床按照工作過程可分為3+2工作模式和5軸聯動工作模式。其中3+2的工作模式是指刀具在加工某一片區域的過程中采取定軸加工，銑削過程中只是三個移動軸聯動(亦稱為“定軸加工”)，另外兩個轉動軸不動。五軸聯動工作模式是指刀具在切削過程中五個運動軸同步運動銑削。

數控銑床加工過程的各個階段都存在刀具路徑規劃問題，其中精加工過程中的刀具規劃尤其重要，因為精加工直接影響成型工件的表面的質量，并且在整個加工過程中時間占比大。本發明關注自由曲面精加工過程中的刀具路徑規劃問題，精加工通常采用球頭刀加工，主要因為球頭刀對加工方向不敏感，也就是說球頭刀具相對于自由曲面的方向在一定范圍內任意變化，不影響其切削范圍。主要目標約束：1)加工路徑連續不斷；2)加工路徑平滑，減少急轉彎；3)滿足用戶指定的最大殘留高度的前提下，自由曲面上殘留高度均勻分布。其中，加工殘留高度是指兩條相鄰刀路切削后剩余殘留部分的高度。自由曲面上的等測地距離分布的路徑并不能產生均勻分布的殘留高度。為了獲得均勻分布的殘留高度，自由曲面上的路徑間距需要根據相鄰路徑對應點處的方向曲率去調節。

以制造過程的不同工藝來分類，數控加工屬于“減材制造”。與其對應的三維打印屬于“增材制造”，三維打印的路徑規劃同樣存在上述類似約束。申請號為CN201610242579.1的專利《一種基于費馬爾螺旋線的3D打印路徑規劃方法》，提出一種基于費馬螺旋線(Fermat Spiral)的3D打印路徑規劃方法，對于任意的拓撲連通區域，能夠生成同時具有連續和平滑兩種特性的打印噴頭路徑，顯著提高打印質量并減少打印時間。但該專利的路徑規劃算法是在二維平面上，且路徑間距相同，規劃出的路徑存在加工硬拐角，加工質量有待提升，且不利于刀具的使用壽命。

發明內容

為克服上述現有技術的不足，本發明提供了一種基于費馬螺旋線的自由曲面球頭刀具路徑規劃方法和系統，對于一塊拓撲連通的自由曲面區域，能夠計算得出一條連續不斷且平滑，區域邊界相關，殘留高度分布均勻的球頭刀精加工路徑。

為實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種基于費馬螺旋線的自由曲面球頭刀具路徑規劃方法，包括以下步驟：

接收連通的自由曲面，計算距離標量場，所述距離標量場滿足均勻殘留高度約束；

提取所述距離標量場中的等值線，生成連通費馬螺旋線；

在最大殘留高度約束下，對生成的連通費馬螺旋線進行平滑處理。