平底銑刀加工凸輪廓平底型腔的等切寬刀具軌跡生成方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種平底銑刀加工凸輪廓平底型腔的等切寬刀具軌跡生成方法，屬于材料加工技術領域。所述方法以平底型腔的外圍凸輪廓的最大內(nèi)切圓的圓心為刀具的第一個下刀點，以所述的圓心為極坐標系的原點，做螺旋線，螺旋線會與凸輪廓相交被斷成很多段，以凸輪廓和在凸輪廓內(nèi)部的螺旋線段為限制，生成刀具軌跡，并對生成的軌跡中的空行程段進行優(yōu)化。本發(fā)明的優(yōu)點在于可以有效的通過切寬控制切削效率，加工過程的可控性增強；切寬得到有效控制，機床輸出功率基本保持穩(wěn)定；可以有效地保護機床刀具。
【專利說明】
平底銑刀加工凸輪廓平底型腔的等切寬刀具軌跡生成方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明屬于材料加工技術領域，具體涉及一種平底銑刀加工凸輪廓平底型腔的等 切寬刀具軌跡生成方法。
【背景技術】
[0002] 刀具運動軌跡算法與數(shù)學模型是實施數(shù)控加工的關鍵技術，零件加工的準確性只 能在正確合理的刀具路徑前提下才能予以保證。刀具路徑的合理規(guī)劃直接關系到切削效 率、加工質(zhì)量以及加工成本，而且還影響機床和刀具的使用壽命。
[0003] 型腔加工中刀具軌跡生成主要有行切法和環(huán)切法。按照平底型腔的形狀分類可以 分為圓形腔、方形腔、不規(guī)則型腔等?，F(xiàn)有的行切法和環(huán)切法，都可以對平底型腔生成有效 的加工軌跡，行切法的優(yōu)點是計算簡單，主要以一系列的直線作為加工軌跡。環(huán)切法以一圈 圈的主要以外輪廓的向內(nèi)等距的閉合曲線為加工軌跡，但是計算較復雜。兩種方法的不同 點是行切法的進給路線比環(huán)切法短，但行切法將在每次進給的起點與終點間留下殘留面 積，而達不到所要求的表面粗糙度。
[0004] 以上兩種方法，都沒有辦法在加工過程中有效的控制切削過程中的切削寬度。在 平面平底銑削中，如果切深和切削速度都保持恒定，則切寬便決定了切削過程中的切削效 率和機床的輸出功率，也決定了刀具上承載的負載的大小。生成能對加工過程中切寬進行 控制的刀具軌跡，使加工過程中的切寬基本保持恒定，就可以有效的提高加工的效率和保 護機床和刀具。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明提供一種專用于平底銑刀加工凸輪廓平底型腔的刀具軌跡生成方法，所述 方法包括如下步驟：
[0006] 第一步，設定刀具半徑R和切寬W，并使得刀具直徑大于切寬。
[0007] 第二步，找到要加工的平底型腔的外圍凸輪廓的最大內(nèi)切圓，該最大內(nèi)切圓的圓 心〇為刀具的第一個下刀點。
[0008] 第三步，以所述的圓心0為極坐標系的原點，做螺旋線，螺旋線的公式為 + 灼，0值的范圍是從〇到螺旋線剛好將凸輪廓完全覆蓋時的弧度值，設為 maxAng 1 e，所以螺旋線中，弧度9值的范圍為0到maxAng 1 e 〇
[0009] 第四步，螺旋線在弧度0從0變大到完全覆蓋凸輪廓的過程中，螺旋線會與凸輪廓 相交，從而被凸輪廓截斷成很多段，對包含在凸輪廓內(nèi)部的螺旋線段，按照9值從小到大的 順序排列。
[0010] 第五步，以凸輪廓和在凸輪廓內(nèi)部的螺旋線段為限制，生成刀具軌跡。
[0011] 具體的規(guī)則如下：
[0012] 以從0為0開始的螺旋線段開始，讓刀具沿著螺旋線段為限制加工，直到與凸輪廓 外輪廓相交，然后沿著凸輪廓的外輪廓為限制加工直到再遇到螺旋線段，再沿著螺旋線段 為限制加工;重復前述過程，直到將整個輪廓加工完，整個過程中，刀尖移動的軌跡便是所 求的刀具軌跡。
[0013] 第六步，對生成的軌跡中的空行程段進行優(yōu)化，結束。
[0014] 本發(fā)明的優(yōu)點在于：
[0015] 1.相比于以前的方法，可以有效的通過切寬控制切削效率，加工過程的可控性增 強；
[0016] 2.切寬得到有效控制，機床輸出功率基本保持穩(wěn)定；
[0017] 3.可以有效地保護機床刀具。
【附圖說明】
[0018] 圖1為本發(fā)明提供的刀具軌跡生成方法流程圖。
【具體實施方式】
[0019] 下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細說明。
[0020] 本發(fā)明設計了一種適用于平底銑刀加工凸輪廓平底型腔的等切寬刀具軌跡生成 方法，所述刀具軌跡生成方法可以有效的控制加工過程中切寬的變化，使其盡可能的穩(wěn)定 在設定的切寬值。如圖1所示，所述的刀具軌跡生成方法具體包括如下步驟：
[0021] 第一步，設定刀具半徑R和切寬W，并使得刀具直徑大于切寬。
[0022] 第二步，當加工時，首先找到要加工的平底型腔的外圍凸輪廓的最大內(nèi)切圓，該最 大內(nèi)切圓的圓心〇為刀具的第一個下刀點。
[0023]第三步，以所述的圓心0為極坐標系的原點，做螺旋線，螺旋線的公式為 (i?:+ ITx ^其中R為刀具半徑，ff為設定的切寬值，0為螺旋線上任意一點的弧度。0值的 171 范圍是從0到螺旋線剛好將凸輪廓完全覆蓋時的弧度值，設為maxAngle，所以螺旋線中，弧 度9值的范圍為〇到maxAngle。
[0024] 第四步，螺旋線在弧度0從0變大到完全覆蓋凸輪廓的過程中，螺旋線會與凸輪廓 相交，從而被凸輪廓截斷成很多螺旋線段，這些螺旋線段分為兩種，一種包含在凸輪廓內(nèi) 部，一種是在凸輪廓外部。在凸輪廓外部的螺旋線段對刀具軌跡沒有約束作用，所以不會被 利用。對包含在凸輪廓內(nèi)部的螺旋線段，將這些螺旋線段按照9值從小到大的順序排列，方 便后面生成軌跡。
[0025] 第五步，以凸輪廓和在凸輪廓內(nèi)部的螺旋線段為限制，生成刀具軌跡。具體的規(guī)則 如下：
[0026] 以從0為0開始的螺旋線段開始，讓刀具沿著螺旋線段為限制加工，直到與凸輪廓 外輪廓相交，然后沿著凸輪廓的外輪廓為限制加工直到再遇到螺旋線段，再沿著螺旋線段 為限制加工，重復前述過程，直到將整個輪廓加工完，整個過程中，刀尖移動的軌跡便是所 求的刀具軌跡。
[0027] 第六步，第五步中的刀具軌跡是由刀具軌跡段組合而成的，對上述生成的刀具軌 跡可能存在一些空行程段(未切削材料的刀具軌跡)進行優(yōu)化。
[0028] 在刀具軌跡生成完成以后，組成刀具軌跡的所有刀具軌跡段分為兩類，第一類為 以螺旋線為限制生成的軌跡段，簡稱螺旋加工軌跡段;第二類為以凸輪廓邊界為限制生成 的軌跡段，簡稱為邊界加工軌跡段。在刀具軌跡生成的過程中，以凸輪廓邊界為限制生成的 邊界加工軌跡段有可能會被多次重復利用到，所以邊界加工軌跡段可能有重復，對于重復 的邊界加工軌跡段，稱為空行程段。為了減少空行程走刀，提升加工的效率，需要對空行程 段進行優(yōu)化，具體步驟為：
[0029] (1)按照第五步中已生成好的刀具軌跡中的刀具軌跡段順序依次進行檢查；
[0030] (2)當檢查遇到螺旋加工軌跡段時，直接將其添加到刀具軌跡段集合中；當檢查遇 到邊界加工軌跡段時，判斷該邊界加工軌跡段是否已經(jīng)包含在刀具軌跡段集合中，如果沒 有，轉(zhuǎn)步驟(3)，否則轉(zhuǎn)步驟(4)。
[0031] (3)如果刀具軌跡段集合中沒有當前檢查到的邊界加工軌跡段，說明沒有重復，將 該邊界加工軌跡段加入到刀具軌跡段集合中；
[0032] (4)如果當前檢查到的邊界加工軌跡段已經(jīng)存在，則在還未檢查的刀具軌跡中，查 找一條刀具軌跡段，該刀具軌跡段的起點A與當前檢查到的邊界加工軌跡段的起點B距離最 近。
[0033] 連接起點A和起點B，構造一條新的直線加工軌跡段，將構造的直線加工軌跡段添 加到刀具軌跡段集合中。將查找到的刀具軌跡段做為下一條待檢查的加工軌跡段。
[0034] (5)對刀具軌跡中的所有刀具軌跡段都進行（2)~（4)的檢查，最終形成的刀具軌 跡段集合便是本發(fā)明中需要的減少了空行程的優(yōu)化后的刀具軌跡。
[0035] 上述刀具軌跡生成方法中，因為刀具軌跡主要是以螺旋線段為限制生成的，在螺 旋線上弧度相差2JI的兩個點，設所述兩個點的弧度分別為040 0^231，其坐標分別為
兩個點之間相對于極坐標原點的距離相減，寬 度剛好為W，則所述兩個點所在螺旋線上兩個位置之間的厚度(或距離)便是刀具切削這部 分時候的切寬W，這就是生成的軌跡能保持切寬恒定的原因，同時也沒有過多的進退刀軌 跡。
【主權項】
1. 平底銑刀加工凸輪廓平底型腔的等切寬刀具軌跡生成方法，其特征在于:所述方法 包括如下步驟： 第一步，設定刀具半徑R和切寬W，并使得刀具直徑大于切寬； 第二步，找到要加工的平底型腔的外圍凸輪廓的最大內(nèi)切圓，該最大內(nèi)切圓的圓心O為 刀具的第一個下刀點； 第三步，以所述的圓心〇為極坐標系的原點，做螺旋線，螺旋線的公式爻θ為螺旋線上任意一點的弧度，θ值的范圍是從O到螺旋線剛好將凸輪廓完全覆蓋時的弧度 值，設為maxAngI e，所以螺旋線中，弧度Θ值的范圍為O到maxAngI e; 第四步，螺旋線在弧度Θ從O變大到完全覆蓋凸輪廓的過程中，螺旋線會與凸輪廓相交， 從而被凸輪廓截斷成很多段，對包含在凸輪廓內(nèi)部的螺旋線段，按照Θ值從小到大的順序排 列； 第五步，以凸輪廓和在凸輪廓內(nèi)部的螺旋線段為限制，生成刀具軌跡。2. 根據(jù)權利要求1所述的平底銑刀加工凸輪廓平底型腔的等切寬刀具軌跡生成方法， 其特征在于:所述方法還包括對第五步中生成的刀具軌跡進行空行程段優(yōu)化的步驟，在刀 具軌跡生成完成以后，組成刀具軌跡的所有刀具軌跡段分為兩類，第一類為以螺旋線為限 制生成的軌跡段，簡稱螺旋加工軌跡段;第二類為以凸輪廓邊界為限制生成的軌跡段，簡稱 為邊界加工軌跡段;在刀具軌跡生成的過程中，以凸輪廓邊界為限制生成的邊界加工軌跡 段有可能會被多次重復利用到，所以邊界加工軌跡段可能有重復，對于重復的邊界加工軌 跡段，稱為空行程段;對空行程段進行優(yōu)化，具體步驟為： (1) 按照第五步中已生成好的刀具軌跡中的刀具軌跡段順序依次進行檢查； (2) 當檢查遇到螺旋加工軌跡段時，直接將其添加到刀具軌跡段集合中；當檢查遇到邊 界加工軌跡段時，判斷該邊界加工軌跡段是否已經(jīng)包含在刀具軌跡段集合中，如果沒有，轉(zhuǎn) 步驟(3)，否則轉(zhuǎn)步驟(4); (3) 如果刀具軌跡段集合中沒有當前檢查到的邊界加工軌跡段，說明沒有重復，將該邊 界加工軌跡段加入到刀具軌跡段集合中； (4) 如果當前檢查到的邊界加工軌跡段已經(jīng)存在，則在還未檢查的刀具軌跡中，查找一 條刀具軌跡段，該刀具軌跡段的起點A與當前檢查到的邊界加工軌跡段的起點B距離最近； 連接起點A和起點B，構造一條新的直線加工軌跡段，將構造的直線加工軌跡段添加到 刀具軌跡段集合中；將查找到的刀具軌跡段做為下一條待檢查的加工軌跡段； (5) 對刀具軌跡中的所有刀具軌跡段都進行步驟（2)~步驟(4)的檢查，最終形成優(yōu)化 后的刀具軌跡。3. 根據(jù)權利要求1所述的平底銑刀加工凸輪廓平底型腔的等切寬刀具軌跡生成方法， 其特征在于:第五步具體執(zhí)行如下： 以從Θ為O開始的螺旋線段開始，讓刀具沿著螺旋線段為限制加工，直到與凸輪廓外輪 廓相交，然后沿著凸輪廓的外輪廓為限制加工直到再遇到螺旋線段，再沿著螺旋線段為限 制加工;重復前述過程，直到將整個輪廓加工完，整個過程中，刀尖移動的軌跡便是所求的 刀具軌跡。
【文檔編號】B23C3/00GK106001719SQ201610531702
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月4日
【發(fā)明人】閆光榮, 汪再軍, 劉樂, 方磊
【申請人】北京航空航天大學