[發明專利]一種基于動力學約束的刀具路徑確定方法及系統

有效

• 申請號: 202011200917.8
• 申請日: 2020-11-02
• 公開（公告）號: CN112363455B
• 公開（公告）日: 2021-09-24
• 發明（設計）人: 袁春明;馬鴻宇;高小山;張立先
• 申請（專利權）人: 中國科學院數學與系統科學研究院
• 主分類號: G05B19/19
• 分類號: G05B19/19
• 代理公司: 北京方圓嘉禾知識產權代理有限公司 11385
• 代理人: 王月松

本發明涉及一種基于動力學約束的刀具路徑確定方法及系統。該方法包括獲取帶有邊界的三角網格曲面；根據帶有邊界的三角網格曲面進行邊界的提取；基于殘高約束，根據進給方向對當前偏置的邊界上的每一個點進行偏置，確定當前偏置的邊界的輪廓偏置曲線；基于殘高約束消除輪廓偏置曲線中自交的輪廓曲線；重復處理，直至帶有邊界的三角網格曲面中所有邊界偏置完成；根據每一輪廓偏置曲線，基于動力學約束確定帶有邊界的三角網格曲面每個子區域中的費馬螺旋線；根據所有子區域中的費馬螺旋線，采用spiral?contour樹確定連通的費馬螺旋線；根據連通的費馬螺旋線確定刀具路徑。本發明在生成路徑時考慮了動力學約束，從而有效提升了加工時的進給速率。

技術領域

本發明涉及刀具路徑確定領域，特別是涉及一種基于動力學約束的刀具路徑確定方法及系統。

背景技術

高精數控加工技術在復雜工件制造中占有越來越大的比重。數控加工的主要流程包含計算機輔助設計(ComputerAided Design，CAD)、計算機輔助制造(ComputerAidedManufacturing，CAM)、后處理過程以及機床加工。隨著數控機床的快速發展，人們在實際數控加工對CAM的精度和效率提出了更高的要求。而刀具路徑規劃在CAM中扮演了很重要的角色，因為刀具必須沿著規劃好的刀位點的軌跡行進。因此，刀位點軌跡的優劣在一定程度上決定了加工精度和加工效率。

關于刀具路徑規劃的研究可以大致分為兩類：基于參數形式的研究和基于拓撲形式的研究。基于參數形式的傳統路徑規劃方法主要有等參數法，等平面法和等殘高法。而基于拓撲形式的傳統路徑規劃方法主要分為方向平行軌跡規劃方法，螺旋軌跡規劃方法和空間填充曲線規劃方法。

等參數法主要應用在參數曲面S(u，v)上。在規劃路徑時，保持u和v兩個參數中任一參數不變，將參數平面上的等參數線映射到歐氏空間中參數曲面上，進而生成刀具路徑。但是這種方法可能會造成局部區域加工軌跡過于密集，殘高分布不均，影響表面加工質量以及整體加工效率。等平面法利用一簇平行平面(驅動面)與加工曲面的交線生成刀具路徑。這類方法的關鍵是如何選擇驅動面。Quinsat等人通過最大化材料去除率來選擇驅動面。Hu等人基于殘高約束和動力學約束構建標量場，之后利用標量場選擇最優驅動面。通過等平面法生成的路徑很難滿足殘高約束，因為其加工行距保持恒定而待加工曲面會比較復雜。而等殘高方法是在給定第i條路徑上的刀位點Pi，j后，利用預設的最大殘留高度，在垂直于當前進給方向的方向上，計算出下一條路徑對應的刀位點Pi+1，j。對于等殘高法，初始路徑的選擇非常重要。好的初始路徑可以有效提升加工效率。Giri等人通過分析曲面的曲率，給出了選取初始路徑的方法。Chiou等人首先利用能量場的原理提出勢場法，之后根據最大材料去除率選擇初始路徑。Lee等人利用有效切割橢圓來計算加工帶寬，進而生成等殘高刀具加工路徑。Min等人基于相鄰路徑的相似性提出了一種新的等殘高法，具有很高的計算效率。

在方向平行軌跡規劃方法中，所有路徑與預先設定的某條直線平行。所有軌跡首尾相連形成zigzag軌跡。這種方法由于比較簡單而被廣泛應用于粗加工中。螺旋軌跡規劃方法基于曲面邊界輪廓構造，每條路徑都是曲面邊界的偏置(offset)曲線。這類方法生成的路徑連續性較好，無需頻繁抬刀，切入，轉接，從而被廣泛應用于型腔加工。而對于空間填充曲線規劃方法，其生成的路徑雖然連續性較好，但是由于計算比較復雜，進給方向變化頻繁，所以不常用。

隨著近幾年CAD/CAM技術的快速發展，三角網格模型在離散幾何建模、CNC數控加工編程、圖形和圖像等領域得到了廣泛的應用。三角網格模型由于其簡單、成熟的特點，已成為計算機圖形學和數控加工中常用的自由曲面表示形式。因此，針對三角網格模型的刀具路徑規劃研究具有重要的現實意義。