基于加工工件曲面形貌及曲面動力學(xué)的刀具路徑形成方法
【專利摘要】一種基于加工工件曲面形貌及曲面動力學(xué)的刀具路徑形成方法，它包括以下步驟：對工件工作過程進行受力分析，求出工件變形最大時的工件曲面的力場分布；對工件曲面的力場分布進行網(wǎng)格劃分，在同一力場區(qū)域內(nèi)，將受力大小相等的點進行曲線擬合，形成等力場線；以設(shè)定的加工行距為點與點之間的距離，對所有等力場線上進行離散點化處理；對等力場上的離散點進行曲線擬合，求得基于加工工件曲面形貌及曲面動力學(xué)的刀具路徑。本發(fā)明根據(jù)受力分析狀況確定出刀具路徑，使刀具路徑方向平行于曲面受力方向，最大程度上防止了工件由于刀具加工導(dǎo)致曲面出現(xiàn)裂紋的現(xiàn)象發(fā)生，不僅避免了插銑刀痕對工件曲面組織的破壞，而且提高了工件的使用壽命。
【專利說明】基于加工工件曲面形貌及曲面動力學(xué)的刀具路徑形成方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于加工工件曲面形貌及曲面動力學(xué)的刀具路徑形成方法，屬于計算機輔助制造(computer Aided Manufacturing, CAM)【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]復(fù)雜曲面類零部件在運載、能源和國防等行業(yè)有著廣泛應(yīng)用，其制造水平代表著國家制造業(yè)的核心競爭力。隨著復(fù)雜曲面數(shù)字化制造的新工藝技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的幾何學(xué)原理、模型和算法表現(xiàn)出了眾多弊病，在刀具路徑生成方面，現(xiàn)有等參數(shù)法、等距截平面法以及等殘高法等刀具路徑生成方法，這些方法也是現(xiàn)行復(fù)雜曲面五軸聯(lián)動加工中生成五軸刀具路徑的基本方法。等參數(shù)法的刀具路徑生成方法計算簡單可行，但可能會出現(xiàn)刀位冗余和刀位欠缺的問題，影響加工精度與效率；等距截平面法的刀具路徑生成方法不但計算截交線比較復(fù)雜，而且截平面間距離多少為最佳不好確定，同樣會出現(xiàn)刀位的冗余和欠缺的問題；等殘高法的刀具路徑生成方法能很好地避免刀位冗余和欠缺的問題，但計算比較復(fù)雜。
[0003]上述現(xiàn)有的刀具路徑生成方法皆有不足，且都沒有將刀具加工路徑對工件性能的影響考慮在內(nèi)，工件加工路徑對工件性能有著顯著的影響，主要表現(xiàn)在工件曲面形貌及曲面所受動力復(fù)雜，刀具加工時破壞了工件表面組織，導(dǎo)致工件在使用過程容易產(chǎn)生裂紋，縮短了工件使用壽命。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對上述不足，本發(fā)明提供了一種基于加工工件曲面形貌及曲面動力學(xué)的刀具路徑形成方法，能夠解決傳統(tǒng)工件加工路徑影響工件性能的問題。
[0005]本發(fā)明解決其技術(shù)問題采取的技術(shù)方案是:一種基于加工工件曲面形貌及曲面動力學(xué)的刀具路徑形成方法，其特征是，包括以下步驟:
步驟1:對工件工作過程進行受力分析，求出工件變形最大時的工件曲面的力場分布；步驟2:對工件曲面的力場分布進行網(wǎng)格劃分，在同一力場區(qū)域內(nèi)，將受力大小相等的點進行曲線擬合，形成等力場線；
步驟3:以設(shè)定的加工行距為點與點之間的距離，對所有等力場線上進行離散點化處
理；
步驟4:對等力場上的離散點進行曲線擬合，求得基于加工工件曲面形貌及曲面動力學(xué)的刀具路徑。
[0006]進一步地，在所述步驟I中，求出工件變形最大時的工件曲面的力場分布的步驟具體為:以工件曲面形貌為入口，對工件工作過程進行受力分析，在CAM軟件中建立工件實體模型，約束工件下表面六個自由度，選取實體單元對所述工件實體模型進行網(wǎng)格劃分，在實體模型上表面施加分布力P，在實體模型左側(cè)表面施加均勻布力Fl，在實體模型右側(cè)表面施加均勻布力F2，求解得出工件曲面的力場分布及工件各點處變形量，其中，均勻布力Fl和F2分別垂直于模型左、右側(cè)表面,且方向指向?qū)嶓w模型。
[0007]進一步地，在所述步驟2中，采用最小二乘法對同一力場區(qū)域內(nèi)受力大小相等的點進行曲線擬合。
[0008]進一步地，在所述步驟3中，采用Matlab函數(shù)對所有等力場線進行離散點化處理。
[0009]進一步地,在所述步驟4中，采用Matlab函數(shù)對等力場上的點用最小二乘法進行曲線擬合。
[0010]進一步地，所述對等力場上的點用最小二乘法進行曲線擬合的曲線擬合原則為:該條等力場線上的一點，尋找相鄰等力場線上最近的點，所述的擬合曲線在該點處的切向量垂直于等力場線在該點處的切向量。
[0011]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明基于工件曲面形貌將工件工作過程中受力狀況進行分析，根據(jù)受力分析情況確定出刀具路徑，使刀具路徑方向平行于曲面受力方向，最大程度上防止了工件由于刀具加工導(dǎo)致曲面出現(xiàn)裂紋的現(xiàn)象發(fā)生，不僅避免了插銑刀痕對工件曲面組織的破壞，而且提高了工件的使用壽命。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1是本發(fā)明的方法流程圖；
圖2是加工工件的受力示意圖，圖中P為分布力，F(xiàn)1、F2為均勻布力；
圖3是工件曲面的力場分布圖，圖中①-⑨為所劃分的力場區(qū)域代號；
圖4是工件曲面等力場線圖，圖中實線為等力場線；
圖5是等力場線離散點分布圖，圖中實線為等力場線，黑點為等力場線離散點；
圖6是基于加工工件曲面形貌及曲面動力學(xué)的刀具路徑圖，圖中實線為等力場線，虛線為刀具路徑。
【具體實施方式】
[0013]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例做進一步詳細的說明。
[0014]如圖1所示，本發(fā)明的一種基于加工工件曲面形貌及曲面動力學(xué)的刀具路徑形成方法，它包括以下步驟:
步驟1:如圖2所示，以工件曲面形貌為入口，對工件工作過程進行受力分析，在ANSYS軟件中建立工件實體模型，約束工件下表面六個自由度，選取實體單元Brick 8nbode 45對所述工件實體模型進行網(wǎng)格劃分，在實體模型上表面施加分布力P，在實體模型左側(cè)表面施加均勻布力F1，在實體模型右側(cè)表面施加均勻布力F2，求解得出工件曲面的力場分布及工件各點處變形量，如圖3所示。其中，均勻布力Fl和F2分別垂直于模型左、右側(cè)表面，且方向指向?qū)嶓w模型。
[0015]步驟2:對如圖3所示工件曲面的力場分布按照受力大小及各點變形量進行區(qū)域劃分，共劃分出①至⑨共9個力場區(qū)域。采集工件的實體模型數(shù)據(jù)及各力場受力大小數(shù)據(jù)，用Matlab軟件讀取所述數(shù)據(jù)，將工件上同一區(qū)域內(nèi)受力大小相等的點用最小二乘法函數(shù)進行擬合，生成的光滑曲線即為工件的等力場線，如圖4所示。
[0016]步驟3:以設(shè)定的加工行距為點與點之間的距離，在所有等力場線上用Matlab軟件進行離散點化，如圖5所示。[0017]步驟4:采用Matlab軟件對等力場上的點用最小二乘法函數(shù)進行曲線擬合，所得的擬合曲線即為刀具路徑，如圖6所示。其中，所述對等力場上的點用最小二乘法函數(shù)進行曲線擬合的曲線擬合原則為:該條等力場線上的一點，尋找相鄰等力場線上最近的點，所述的擬合曲線在該點處的切向量垂直于等力場線在該點處的切向量。
[0018]以上所述只是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也被視為本發(fā)明的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種基于加工工件曲面形貌及曲面動力學(xué)的刀具路徑形成方法，其特征是，包括以下步驟: 步驟1:對工件工作過程進行受力分析，求出工件變形最大時的工件曲面的力場分布； 步驟2:對工件曲面的力場分布進行網(wǎng)格劃分，在同一力場區(qū)域內(nèi)，將受力大小相等的點進行曲線擬合，形成等力場線； 步驟3:以設(shè)定的加工行距為點與點之間的距離，對所有等力場線上進行離散點化處理； 步驟4:對等力場上的離散點進行曲線擬合，求得基于加工工件曲面形貌及曲面動力學(xué)的刀具路徑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于加工工件曲面形貌及曲面動力學(xué)的刀具路徑形成方法，其特征是，在所述步驟I中，求出工件變形最大時的工件曲面的力場分布的步驟具體為:以工件曲面形貌為入口，對工件工作過程進行受力分析，在CAM軟件中建立工件實體模型，約束工件下表面六個自由度，選取實體單元對所述工件實體模型進行網(wǎng)格劃分，在實體模型上表面施加分布力P，在實體模型左側(cè)表面施加均勻布力Fl，在實體模型右側(cè)表面施加均勻布力F2，求解得出工件曲面的力場分布及工件各點處變形量，其中，均勻布力Fl和F2分別垂直于模型左、右側(cè)表面，且方向指向?qū)嶓w模型。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于加工工件曲面形貌及曲面動力學(xué)的刀具路徑形成方法，其特征是，在所述步驟2中，采用最小二乘法對同一力場區(qū)域內(nèi)受力大小相等的點進行曲線擬合。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于加工工件曲面形貌及曲面動力學(xué)的刀具路徑形成方法，其特征是，在所述步驟3中，采用Matlab函數(shù)對所有等力場線進行離散點化處理。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于加工工件曲面形貌及曲面動力學(xué)的刀具路徑形成方法，其特征是，在所述步驟4中，采用Matlab函數(shù)對等力場上的點用最小二乘法進行曲線擬合。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于加工工件曲面形貌及曲面動力學(xué)的刀具路徑形成方法，其特征是，所述對等力場上的點用最小二乘法進行曲線擬合的曲線擬合原則為:該條等力場線上的一點，尋找相鄰等力場線上最近的點，所述的擬合曲線在該點處的切向量垂直于等力場線在該點處的切向量。
【文檔編號】G05B19/4097GK103558807SQ201310542428
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年11月6日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月6日
【發(fā)明者】鄧永紅, 曹樹坤, 李棟, 孔強, 蔣楠, 李世建, 白楊, 田娜 申請人:濟南大學(xué)