一種基于銑削力預測的曲面加工軌跡生成方法
【專利摘要】一種基于銑削力預測的曲面加工軌跡生成方法，涉及金屬切削加工領域。它能限制加工過程中銑削力的波動，改善工件表面質量，提高加工效率。將工件曲面進行離散并劃分；建立離散點力的矢量圖并計算銑削力；任選一個離散點作為初始點，計算該初始點最近的八個離散點的位置；計算所述的初始點與最近離散點同方向銑削力的差值，并對差值進行比較，得到該初始切削點優(yōu)化連接方向；將該優(yōu)化連接方向上的最近離散點作為下一個切削點，計算距離所述的下一個切削點最近的八個離散點的位置；使用前述方法，得到該切削點優(yōu)化連接方向，重復上一步，直至將所有離散點均連接過為止，得到實際加工中的刀路軌跡。本發(fā)明用于自由曲面切削加工。
【專利說明】
-種基于鐵削力預測的曲面加工軌跡生成方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明設及金屬切削加工領域，尤其設及一種基于銳削力預測的曲面加工軌跡生 成方法。
【背景技術】
[0002] 在航空、造船、汽車制造等領域中，會經常設及一些如輪機葉片、艦船螺旋獎、汽車 外形等具有特殊過渡曲線的曲面，運種曲面稱作自由曲面。自由曲面可滿足現代產品的精 美外形及性能要求，但是，由于其對于精度較高的要求，使得自由曲面成為數控加工領域研 究的熱點和難點。自由曲面數控編程是其數字化設計與制造集成技術的重要環(huán)節(jié)，而自由 曲面加工刀具路徑軌跡規(guī)劃技術作為自由曲面數控編程的核屯、技術，具有舉足輕重的地 位。針對自由曲面進行刀具路徑軌跡規(guī)劃旨在提高自由曲面的加工質量和加工效率，傳統 刀具路徑軌跡規(guī)劃方法都是在只考慮刀具與工件之間幾何關系的情況下進行路徑規(guī)劃的， 而在實際切削加工過程中，各種物理因素對加工過程的影響也不容小勵，例如切削力、切削 溫度、切削振動、刀具磨損、不同工藝參數對加工質量的影響及危害等。運些因素對切削加 工的經濟性影響重大，在加工過程中考慮物理因素的影響勢在必行。

【發(fā)明內容】

[0003] 本發(fā)明的目的是提供一種可W限制加工過程中銳削力的波動，改善工件的表面質 量，并有效降低加工刀具路徑長度，提高曲面加工效率的基于銳削力預測的曲面加工軌跡 生成方法。
[0004] 本發(fā)明旨在分析傳統刀具路徑軌跡規(guī)劃方法的基礎上，彌補傳統刀具軌跡規(guī)劃方 法只考慮刀具與工件相對幾何關系，而未曾關注切削加工過程中各種物理因素對加工過程 影響的不足，將銳削力的變化引入到刀具路徑軌跡規(guī)劃中，并將刀具路徑軌跡規(guī)劃問題轉 化為TSP(旅行商）問題，提出一種基于銳削力預測的曲面加工軌跡生成新方法，目的是限制 加工過程中銳削力波動，提高曲面加工效率，并且改善工件表面質量。
[0005] 實現上述目的，本發(fā)明的技術方案是：
[0006] -種基于銳削力預測的曲面加工軌跡生成方法，所述的方法包括W下步驟：
[0007] 步驟1:將工件的自由曲面進行離散，并根據每個離散點曲率變化劃分該自由曲 面；
[000引步驟2:對每個離散點W水平向左為基準按順時針方向W45°為間隔分別建立八個 進給方向力的矢量圖并計算該八個方向的銳削力大?。?br>[0009] 步驟3:在所有的離散點中任選一個離散點作為初始切削點，計算距離該初始切削 點最近的八個離散點的位置；
[0010] 步驟4:利用遺傳算法計算所述的初始切削點與其最近的八個離散點同方向銳削 力的差值，并對銳削力的差值進行比較，得到該初始切削點優(yōu)化連接方向，并將該初始切削 點與優(yōu)化連接方向上的最近離散點連接；
[0011] 步驟5:將該優(yōu)化連接方向上的最近離散點作為下一個切削點，計算距離所述的下 一個切削點最近的八個離散點的位置；
[0012] 步驟6:利用遺傳算法計算所述的下一個切削點與其最近的八個離散點同方向銳 削力的差值，并對銳削力的差值進行比較，得到該切削點優(yōu)化連接方向后，執(zhí)行步驟5,直至 將所有離散點均連接過為止，得到實際加工過程中應用的刀路軌跡。
[0013] 本發(fā)明相對于現有技術的有益效果是：
[0014] 1.本發(fā)明將銳削力的變化引入到刀具路徑軌跡規(guī)劃中，解決了傳統刀具軌跡規(guī)劃 方法只考慮刀具與工件相對幾何關系，而未曾關注切削加工過程中物理因素對加工過程影 響的問題，限制了加工過程中銳削力的波動，保證了切削過程的平穩(wěn)。
[0015] 2.本發(fā)明在考慮銳削力的變化基礎上采用TSP(旅行商）問題來優(yōu)化刀路軌跡，能 夠快速有效地找到最優(yōu)刀具路徑，提高了曲面加工效率，加工的工件表面光順性更好，改善 了工件的表面質量。
【附圖說明】
[0016] 圖1為本發(fā)明基于銳削力預測的曲面加工軌跡生成方法流程框圖；
[0017] 圖2為二維曲面離散仿真結果圖；
[0018] 圖3為特征曲面劃分效果圖；
[0019] 圖4為離散點主要進給方向示意圖；
[0020] 圖5為離散點整體受力圖；
[0021] 圖6為圖5的局部放大圖；
[0022] 圖7為刀路軌跡仿真結果圖。
【具體實施方式】
[0023] 為了有助于本領域技術人員理解，下面結合附圖和相關實施例對本發(fā)明方案做進 一步的闡述，W下實施例并不構成對本發(fā)明的不當限定。
【具體實施方式】 [0024] 一:如圖1所示，本實施方式披露了一種基于銳削力預測的曲面加工 軌跡生成方法，所述的方法包括W下步驟：
[0025] 步驟1:將工件的自由曲面進行離散，并根據每個離散點曲率變化劃分該自由曲 面；
[0026] 步驟2:對每個離散點W水平向左為基準按順時針方向W45°為間隔分別建立八個 進給方向力的矢量圖并計算該八個方向的銳削力大?。?br>[0027] 步驟3:在所有的離散點中任選一個離散點作為初始切削點，計算距離該初始切削 點最近的八個離散點的位置；
[0028] 步驟4:利用遺傳算法計算所述的初始切削點與其最近的八個離散點同方向銳削 力的差值，并對銳削力的差值進行比較，得到該初始切削點優(yōu)化連接方向，并將該初始切削 點與優(yōu)化連接方向上的最近離散點連接；
[0029] 步驟5:將該優(yōu)化連接方向上的最近離散點作為下一個切削點，計算距離所述的下 一個切削點最近的八個離散點的位置；
[0030] 步驟6:利用遺傳算法計算所述的下一個切削點與其最近的八個離散點同方向銳 削力的差值，并對銳削力的差值進行比較，得到該切削點優(yōu)化連接方向后，執(zhí)行步驟5,直至 將所有離散點均連接過為止，得到實際加工過程中應用的刀路軌跡。如圖7所示，圖中的短 折線代表刀具走過的路徑，長線段代表經過曲面劃分后的邊界線，圓形代表抬刀，=角形代 表進刀。
【具體實施方式】 [0031] 二:一所述的一種基于銳削力預測的曲面加工軌跡生 成方法，步驟1中，將工件的自由曲面進行離散，并根據每個離散點曲率變化劃分該自由曲 面的具體方法步驟是：
[0032] 步驟1-1:將所述的工件自由曲面看做是由多個簡單曲面拼湊而成的，每個所述的 簡單曲面的形式描述為P(u，v)，其中P(u，v)是曲面的參數方程，u、v是滿足0《u、v《l的兩 個參數；
[0033] 本實施方式中，所選曲面參數方程如下：
[0034]
[0035] 所選曲面實例的MATLAB二維仿真離散結果如圖2所示；
[0036] 步驟1-2:根據每個離散點的曲率不同將工件的自由曲面整體劃分為凸曲面、凹曲 面和馬鞍面。
[0037] 工件的自由曲面劃分完成后，利用MATLAB軟件對所選的曲面（即凸曲面、凹曲面或 馬鞍面)進行曲面細分的仿真。圖3為實現的曲面分片效果，其中圓圈代表凹面、五角星代表 馬鞍面、立角形代表凸曲面，圖內的直線代表經過曲面劃分后的邊界線。
【具體實施方式】 [0038] 一所述的一種基于銳削力預測的曲面加工軌跡生 成方法，步驟2中，對每個離散點W水平向左為基準按順時針方向W45°為間隔分別建立八 個進給方向力的矢量圖并計算八個方向的銳削力大小的具體方法步驟是：
[0039] 步驟2-1:將每個簡單曲面近似看做為任意進給方向的斜平面微元加工，對運個簡 單曲面上的離散點建立W水平向左為基準按順時針方向W 45°為間隔八個進給方向力的矢 量圖，如圖4所示；
[0040] 步驟2-2:由于微元銳削力計算公式是在水平面上建立的，而斜平面和平面之間的 轉換只需進行相應的坐標變換就能實現，計算八個進給方向的銳削力大小所用銳削力模型 為下式：
[0041]
123 其中，j-表示第j個刀齒； 2 化-表示銳刀齒數； 3 O-表示銳刀旋轉角度；
[0045] 0 -表示球頭刃線處任意一點的位置角。
[0046] 仿真結果如圖5和圖6所示，圖中圓內線段所指的方向代表該離散點受力方向，線 段的長短代表該離散點在線段所指方向上受力的大小，線段越長代表該離散點所受的該方 向的力越大，反之，線段越短代表該離散點所受的該方向的力越小。
【具體實施方式】 [0047] 四：一所述的一種基于銳削力預測的曲面加工軌跡生 成方法，步驟3中，在所有的離散點中任選一個離散點作為初始切削點，計算距離該初始切 削點最近的八個離散點的位置的具體方法步驟是：
[0048] 步驟3-1:將刀具(銳刀）路徑優(yōu)化問題可歸結為TSP(旅行商）問題，其中刀具相當 于旅行商，每個刀位點相當于旅行商要經過的城市，而最優(yōu)走刀路徑的目標函數即為所有 路徑長度最短；
[0049] 步驟3-2:對路徑長度最短的計算通過W下方式實現：
[0050] 若對于城市W= (vi，V2,…乂。)的一個訪問順序為(ti，t2,…心），其中i G V= U， 2,…，n}，且TSP(旅行商）問題的數學模型為下式：
[0化1 ]
[0052] 其中，W-表示城市列表；
[0053] t廣表示第i個訪問城市；
[0054] d(titw)-表示城市ti和城市心込間的距離；
[0化日]k表示通過所有城市且每個城市僅通過一次時的距離。
【具體實施方式】 [0056] 五:四所述的一種基于銳削力預測的曲面加工軌跡生 成方法，步驟4中，利用遺傳算法計算所述的初始切削點與其最近的八個離散點同方向銳削 力的差值，并對銳削力的差值進行比較，得到該初始切削點優(yōu)化連接方向的具體方法為：
[0057] 利用遺傳算法計算所述的初始切削點八個方向的每個同方向力差值的大小，計算 初始切削點與其最近八個離散點每個同方向銳削力的差值，并對初始切削點與其最近八個 離散點同方向銳削力的差值進行比較，選擇八個切削力差值中最小的切削力的差值方向作 為優(yōu)化連接方向。
[0058] 遺傳算法的計算原理可參考文獻（1.衛(wèi)蔵，李建勇，王恒.基于遺傳算法的PCB數控 鉆孔路徑優(yōu)化[J].計算機工程與應用，2008，25:229-232.2.李明海，邢桂華.用MATLAB實現 中國旅行商問題的求解[J].微計算機應用，2004,02:218-222.);
[0059] 雖然本發(fā)明已W較佳實施例披露如上，然而并非用W限定本發(fā)明的，本領域技術 人員還可W在本發(fā)明精神內做其他變化，W及應用到本發(fā)明未提及的領域中，當然，運些依 據本發(fā)明精神所做的變化都應包含在本發(fā)明所要求保護的范圍內。
【主權項】
1. 一種基于銑削力預測的曲面加工軌跡生成方法，其特征在于:所述的方法包括以下 步驟： 步驟1:將工件的自由曲面進行離散，并根據每個離散點曲率變化劃分該自由曲面； 步驟2:對每個離散點以水平向左為基準按順時針方向以45°為間隔分別建立八個進給 方向力的矢量圖并計算該+八個方向的銑削力大小； 步驟3:在所有的離散點中任選一個離散點作為初始切削點，計算距離該初始切削點最 近的八個離散點的位置； 步驟4:利用遺傳算法計算所述的初始切削點與其最近的八個離散點同方向銑削力的 差值，并對銑削力的差值進行比較，得到該初始切削點優(yōu)化連接方向，并將該初始切削點與 優(yōu)化連接方向上的最近離散點連接； 步驟5:將該優(yōu)化連接方向上的最近離散點作為下一個切削點，計算距離所述的下一個 切削點最近的八個離散點的位置； 步驟6:利用遺傳算法計算所述的下一個切削點與其最近的八個離散點同方向銑削力 的差值，并對銑削力的差值進行比較，得到該切削點優(yōu)化連接方向后，執(zhí)行步驟5,直至將所 有離散點均連接過為止，得到實際加工過程中應用的刀路軌跡。2. 根據權利要求1所述的一種基于銑削力預測的曲面加工軌跡生成方法，其特征在于： 步驟1中，將工件的自由曲面進行離散，并根據每個離散點曲率變化劃分該自由曲面的具體 方法步驟是： 步驟1-1:將所述的工件自由曲面看做是由多個簡單曲面拼湊而成的，每個所述的簡單 曲面的形式描述為P(u，v)，其中P(u，v)是曲面的參數方程，u、v是滿足0<U、V<1的兩個參 數； 步驟1-2:根據每個離散點的曲率不同將工件的自由曲面整體劃分為凸曲面、凹曲面和 馬鞍面。3. 根據權利要求1所述的一種基于銑削力預測的曲面加工軌跡生成方法，其特征在于： 步驟2中，對每個離散點以水平向左為基準按順時針方向以45°為間隔分別建立八個進 給方向力的矢量圖并計算八個方向的銑削力大小的具體方法步驟是： 步驟2-1:將每個簡單曲面近似看做為任意進給方向的斜平面微元加工，對這個簡單曲 面上的離散點建立以水平向左為基準按順時針方向以45°為間隔八個進給方向力的矢量 圖； 步驟2-2:由于微元銑削力計算公式是在水平面上建立的，而斜平面和平面之間的轉換 只需進行相應的坐標變換就能實現，計算八個進給方向的銑削力大小所用銑削力模型為下 式： 其中，j_表示第j個刀齒；Nf-表示銑刀齒數； Φ-表示銑刀旋轉角度； ? -表示球頭刃線處任意一點的位置角。4. 根據權利要求1所述的一種基于銑削力預測的曲面加工軌跡生成方法，其特征在于： 步驟3中，在所有的離散點中任選一個離散點作為初始切削點，計算距離該初始切削點最近 的八個離散點的位置的具體方法步驟是： 步驟3-1:將刀具(銑刀）路徑優(yōu)化問題可歸結為TSP(旅行商）問題，其中刀具相當于旅 行商，每個刀位點相當于旅行商要經過的城市，而最優(yōu)走刀路徑的目標函數即為所有路徑 長度最短； 步驟3-2:對路徑長度最短的計算通過以下方式實現： 若對于城市w= ( VI，V2，…vn)的一個訪問順序為T彡（ti，t2，"_tn)A*ieV={l，2，···， η}，且TSP(旅行商）問題的數學模型為下式： 其中，W-表不城市列表；ti-表示第i個訪問城市； d(titi+i)_表示城市ti和城市ti+i之間的距離； L-表示通過所有城市且每個城市僅通過一次時的距離。5. 根據權利要求4所述的一種基于銑削力預測的曲面加工軌跡生成方法，其特征在于： 步驟4中，利用遺傳算法計算所述的初始切削點與其最近的八個離散點同方向銑削力的差 值，并對銑削力的差值進行比較，得到該初始切削點優(yōu)化連接方向的具體方法為： 利用遺傳算法計算所述的初始切削點八個方向的每個同方向力差值的大小，計算初始 切削點與其最近八個離散點每個同方向銑削力的差值，并對初始切削點與其最近八個離散 點同方向銑削力的差值進行比較，選擇八個切削力差值中最小的切削力的差值方向作為優(yōu) 化連接方向。
【文檔編號】G05B19/19GK105955195SQ201610321865
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年5月16日
【發(fā)明人】吳明陽, 陳勇, 程耀楠, 張芮, 趙旭
【申請人】哈爾濱理工大學