專利名稱：一種復(fù)雜組合曲面的數(shù)控側(cè)銑加工刀軌生成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種復(fù)雜組合曲面五軸數(shù)控側(cè)銑加工刀軌生成方法，屬于CAD(計算機輔助設(shè)計)/CAPP (計算機輔助工藝規(guī)劃)/CAM(計算機輔助加工)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著CAD/CAM技術(shù)的發(fā)展以及產(chǎn)品性能上的要求，產(chǎn)品的幾何設(shè)計越來越復(fù)雜，對于制造技術(shù)的要求也越來越高。組合曲面是指由具有公共邊界的多片曲面組成的曲面，更一般地，曲面與曲面之間可以重疊、搭接甚至有裂縫。組合曲面在飛機結(jié)構(gòu)件中十分普遍，其產(chǎn)生主要有以下幾方面的原因(1)由于零件設(shè)計的需要，零件數(shù)模表面往往由多張不規(guī)則曲面構(gòu)成；(2)曲面經(jīng)過若干次裁剪、拼接等處理后，最終成為組合曲面；(3)由于CAD系統(tǒng)的曲面造型功能不完善或產(chǎn)品數(shù)模在不同CAD/CAM系統(tǒng)之間轉(zhuǎn)換時，曲面片之間會出現(xiàn)碎片、裂縫和搭接等現(xiàn)象。出于產(chǎn)品質(zhì)量和外觀的需要，常要求組合曲面整體一次加工，盡量減少曲面與曲面邊界上的刀軌接痕。飛機結(jié)構(gòu)件中的組合曲面主要存在于輪廓中，通常需要五軸側(cè)銑加工完成，五軸側(cè)銑方法一般有單點偏置法、雙點偏置法和多點偏置法等。以上各種五軸側(cè)銑刀軌生成算法在單張曲面的側(cè)銑加工中能取得理想的效果，已經(jīng)可以滿足一般的加工需求。但對于實際生產(chǎn)過程中常見的組合曲面加工的情況，則需要人為地對組合曲面進行事先處理。目前組合曲面的加工方法通常采用投影法、截平面法及曲面三角離散化方法加工。但是，以上方法均是針對組合曲面端銑的情況提出的，對于五軸側(cè)銑加工中遇到的組合曲面加工問題很少有研究，目前還沒有一個公開發(fā)表的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種保證擬合精度，提高了加工的效率，自動化工作的復(fù)雜曲面?zhèn)茹娂庸し椒?。一種復(fù)雜組合曲面的數(shù)控側(cè)銑加工刀軌生成方法，包括以下步驟步驟I、對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理包括組合曲面的選取，引導(dǎo)線的選取，截平面間距的讀入、精度參數(shù)的讀入；所選的組合曲面是符合一定加工工藝、可以整體加工的一組曲面；所選取的引導(dǎo)線是一條貫穿組合曲面某一個參數(shù)方向并與曲面走向基本一致的曲線；步驟2、沿引導(dǎo)線等距離地生成截平面，使截平面的法線方向與引導(dǎo)線當前的切向一致生成截平面的規(guī)則是先沿引導(dǎo)線生成等距離的點，并求得當前點位置上引導(dǎo)線的切線方向，然后以該點為中心點，以對應(yīng)的切線方向為法向生成平面，由此得到一組沿引導(dǎo)線切線方向的截平面；步驟3，利用邊緣四分法逼近組合曲面邊緣，補充截平面；所述邊緣四分法為1)將上述步驟2中得到的截平面與組合曲面求交，分別得到一系列截面線，將第一個與組合曲面有交線的截平面稱為有效截平面S1 ；2)將有效截平面S1前面一個截平面稱為Stl ；3)在S0和S1之間等距離生成3個截平面Sa、Sb、S。；4)將截平面Sa、Sb、S。依次與組合曲面求交，將求得的第一個有效截平面作為組合曲面的第一個截平面，將求得的第一個截面線作為組合曲面的第一條截面線；5)對截平面族的末尾也做同樣的處理；步驟4、對步驟3得到的一組截面線，需要將其離散成數(shù)據(jù)點，離散點之間的間距由等弦高誤差和最大離散步長共同確定；通過對截面線的離散，在每個截平面上得到了一組點，將這組點排序得到一組有序點列，利用B樣條曲線插值方法將這些離散的數(shù)據(jù)點擬合出一條連續(xù)的B樣條曲線；步驟5、對步驟4的B樣條曲線進行排序、分層處理。分層的方法是計算當前截面線首端點與下一條截面線首端點之間的距離，以及前截面線末端點與下一條截面線末端 點之間的距離，如果這兩個距離中的任意一個超出設(shè)定的閾值，則將當前截面線作為第一個曲面片的最后一條截面線，將下一條截面線作為下一個曲面片的第一條截面線；步驟6、在得到所有截面的截面線之后，就可以利用蒙面法生成B樣條曲面，蒙面法對控制曲線有如下要求(I)每條控制曲線的次數(shù)要統(tǒng)一；(2)所有截面線都要求具有相同的定義域；(3)所有截面線都具有統(tǒng)一的節(jié)點矢量；(4)應(yīng)使所有截面線的端點與分段點沿曲線弧長分布比較接近；步驟7、計算擬合誤差，如果誤差超過允許最大誤差，則回到步驟4，以更高的精度生成離散點，并重新擬合曲線曲面，直到誤差小于允許誤差；步驟8、以擬合得到的完整曲線曲面作為驅(qū)動曲面計算數(shù)控加工刀軌。本發(fā)明的加工刀軌生成基于刀軸整體扇形擺動和局部去干涉微調(diào)相結(jié)合。從曲面左右邊界提取刀軸初始方向矢量，根據(jù)刀位點數(shù)量等分方向矢量夾角，使刀軸沿每個刀位點等角度擺動。在每個刀位點上，計算刀軸與曲面頂端引導(dǎo)線的最短距離，如果最短距離小于刀具半徑，則說明發(fā)生過切干涉，反之，則代表發(fā)生欠切。之后再將最小距離點沿曲面法向偏移一個刀具半徑的距離，連接刀位點和偏移點即可獲得最終的刀軸矢量。本發(fā)明方法可以有效地解決組合曲面五軸側(cè)銑加工刀具軌跡生成的問題，取得的有益效果如下(I)由于采用邊緣四分法逼近組合曲面邊緣，因此部分抵消了有截平面法產(chǎn)生的邊緣不重合度，對于余下的不重合部分，可以在生成刀軌時作適當?shù)钠糜枰韵?2)由于采用預(yù)設(shè)步長和等弦高誤差相結(jié)合的離散方法，有效地控制了精度和數(shù)據(jù)量的平衡，在曲線曲率較小的地方按預(yù)設(shè)步長生成離散點，在曲線曲率較大的地方自適應(yīng)地加密離散點，保證擬合精度；(3)由于采用分層擬合方法，有效地解決了不規(guī)則輪廓組合曲面的擬合問題。由于將組合曲面分成多邊規(guī)則曲面并分別生成刀軌，避免了生成空刀軌的情況，提高了加工的效率；(4)有誤差判斷和自動提高精度功能，故能保證擬合得到的曲面與原組合曲面誤差在允許范圍之內(nèi)，保證生成的刀軌能滿足精度要求。(5)基于刀軸整體扇形擺動和局部微調(diào)的刀軌生成算法生成的刀軌刀軸擺動均勻平穩(wěn)，加工干涉小，加工質(zhì)量高。


圖I本發(fā)明的復(fù)雜組合曲面五軸側(cè)銑數(shù)控加工方法流程圖。圖2為引導(dǎo)線和截平面生成的示意圖，圖中L代表引導(dǎo)線，S代表截平面。
圖3為邊緣四分法示意圖，圖中Sp S2為第0、1、2個截平面，Sa、Sb、S。為S1之間等距離生成的截平面。圖4為弦高誤差示意圖，圖中PiPp1為曲率圓上的弦，PiS曲線在當前點的曲率半徑，δ為弦高。圖5為未分層的不規(guī)則輪廓的組合曲面。圖6為將不規(guī)則輪廓的組合曲面分為上下兩片完整的曲面；圖中Ck為第k條截面線，Ck+1為第k+Ι條截面線。
圖7為刀軸扇形擺動方法示意圖，圖中Axi. O和Axi. m為刀軸的首末方向矢量，
Aangle為刀軸始末方向矢量的矢量差。圖8為刀軸去干涉微調(diào)方法示意圖，圖中Axi. i為利用扇形離散方法得到的刀位點Pi的刀軸方向矢量，Axi. i’為平移到刀位點Pi的方向矢量，Axi. i”為經(jīng)過調(diào)整后的最終刀軸方向。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案進行詳細說明圖I是本發(fā)明的復(fù)雜組合曲面五軸側(cè)銑加工方法流程圖，如圖所示，包括以下步驟首先是選取各種元素，包括組合曲面和引導(dǎo)線，設(shè)置各種參數(shù)，包括截平面間距，離散最大步長，最大弦高誤差。如圖2所示，所選的組合曲面是符合一定加工工藝、可以整體加工的一組曲面；所選取的引導(dǎo)線是一條貫穿組合曲面某一個參數(shù)方向并與曲面走向基本一致的曲線，可以超出組合曲面的外輪廓。截平面間距視組合曲面的尺寸大小而定，一般取5-20mm。最大離散步長視組合曲面尺寸大小而定,一般取5_20mm。最大弦高誤差一般取O. Imm0然后生成截平面，截平面的生成規(guī)則是1)沿引導(dǎo)線按預(yù)先設(shè)定截平面間距取數(shù)據(jù)點；2)依次求得每個數(shù)據(jù)點上引導(dǎo)線的切向矢量；3)以每個數(shù)據(jù)點為中心點，以對應(yīng)引導(dǎo)線的切向為法矢創(chuàng)建平面。由此得到一組沿引導(dǎo)線切線方向的截平面。采用截平面法的一個問題是無法精確獲取組合曲面的輪廓邊界，因此本發(fā)明提出邊緣四分法逼近組合曲面邊界，如圖3所示。邊緣四分法的規(guī)則是1)將截平面與組合曲面求交，得到一系列截面線，將第一個與組合曲面有交線的截平面稱為有效截平面S1 ；2)將S1前面一個截平面稱為Stl ；3)在Stl和S1之間等距離生成3個截平面Sa、Sb、S。，平面生成規(guī)則參照前一節(jié)；4)將截平面Sa、Sb、S。依次與組合曲面求交，將求得的第一個有效截平面作為組合曲面的第一個截平面，將求得的第一個截面線作為組合曲面的第一條截面線；5)對截平面族的末尾也做同樣的處理。在得到一組截面線之后，由于各個平面內(nèi)的截面線可能是多條曲線段，甚至是不連續(xù)的，因此需要先將截面線離散成數(shù)據(jù)點，然后再擬合成B樣條曲線。離散點之間的間距由等弦高誤差和最大離散步長共同確定。如圖3所示，取曲線在第i個離散點Pi處的曲率圓代替曲線，由于離散距離微小，所以這樣的處理造成的誤差可以忽略不計。根據(jù)簡單的幾何關(guān)系可知，參數(shù)曲線的弦高誤差δ如式(I)所示。δ = Ρι-^-(JPiPm1Z2)2(I)
式中=PiPw為第i個離散點與第i+Ι個離散點點間的弦長，P i為曲線在Pi處的曲率半徑，IPiPwI為離散步長。變換上式可得式(2):
權(quán)利要求
1.一種復(fù)雜組合曲面的數(shù)控側(cè)銑加工刀軌生成方法，其特征在于，包括以下步驟 步驟I、對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理包括組合曲面的選取，引導(dǎo)線的選取，截平面間距的讀入、離散精度的讀入；所選的組合曲面是符合一定加工工藝、整體加工的一組曲面；所選取的引導(dǎo)線是一條貫穿組合曲面某一個參數(shù)方向并與曲面走向基本一致的曲線； 步驟2、沿引導(dǎo)線等距離地生成截平面，使截平面的法線方向與當前引導(dǎo)線的切向一致生成截平面的規(guī)則是先沿引導(dǎo)線生成等距離的點，并求得當前點位置上引導(dǎo)線的切線方向，然后以該點為中心點，以對應(yīng)的切線方向為法向生成平面，由此得到一組沿引導(dǎo)線切線方向的截平面； 步驟3，利用邊緣四分法逼近組合曲面邊緣，補充截平面；所述邊緣四分法為1)將上述步驟2中得到的截平面與組合曲面求交，得到一系列截面線，將第一個與組合曲面有交線的截平面稱為有效截平面S1 ；2)將有效截平面S1前面一個截平面稱為Stl ；3)在Stl和S1之間等距離生成3個截平面Sa、Sb、S。；4)將截平面Sa、Sb、S。依次與組合曲面求交，將求得的第一個有效截平面作為組合曲面的第一個截平面，將求得的第一個截面線作為組合曲面的第一條截面線；5)對截平面族的末尾也做同樣的處理； 步驟4、對步驟3得到的一組截面線，需要將其離散成數(shù)據(jù)點，離散點之間的間距由最大弦高誤差和最大離散步長共同確定；通過對截面線的離散，在每個截平面上得到了一組點，將這組點排序得到一組有序點列，利用B樣條曲線插值方法將這些離散的數(shù)據(jù)點擬合出一條連續(xù)的B樣條曲線； 步驟5、對步驟4的B樣條曲線進行排序、分層處理；分層的方法是計算當前截面線首端點與下一條截面線首端點之間的距離，以及前截面線末端點與下一條截面線末端點之間的距離，如果這兩個距離中的任意一個超出設(shè)定的閾值，則將當前截面線作為第一個曲面片的最后一條截面線，將下一條截面線作為下一個曲面片的第一條截面線； 步驟6、在得到所有截面的截面線之后，就可以利用蒙面法生成B樣條曲面，蒙面法對控制曲線有如下要求(I)每條控制曲線的次數(shù)要統(tǒng)一；(2)所有截面線都要求具有相同的定義域；(3)所有截面線都具有統(tǒng)一的節(jié)點矢量；(4)應(yīng)使所有截面線的端點與分段點沿曲線弧長分布比較接近； 步驟7、計算擬合誤差，如果誤差超過允許最大誤差，則回到步驟4，以更高的精度生成離散點，并重新擬合曲線曲面，直到誤差小于允許誤差； 步驟8、以擬合得到的完整曲面作為驅(qū)動曲面計算數(shù)控加工刀軌。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的復(fù)雜組合曲面的數(shù)控側(cè)銑加工刀軌生成方法，其特征在于上述步驟I中截平面間距為5-20mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的復(fù)雜組合曲面的數(shù)控側(cè)銑加工刀軌生成方法，其特征在于上述步驟I中最大離散步長為5-20mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的復(fù)雜組合曲面的數(shù)控側(cè)銑加工刀軌生成方法，其特征在于上述步驟I中最大弦高誤差為0. 1mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的復(fù)雜組合曲面的數(shù)控側(cè)銑加工刀軌生成方法，其特征在于上述步驟8中的刀軌生成算法利用角度扇形離散方法控制刀軸擺角，利用局部干涉檢查微調(diào)刀軸擺角，使生成的刀軌刀軸擺動均勻平穩(wěn)，加工干涉小。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種復(fù)雜組合曲面的五軸數(shù)控側(cè)銑加工刀軌生成方法。該方法首先用截平面與組合曲面求交得到截面線，將截面線按一定精度規(guī)則離散成點，然后用B樣條曲線插值擬合各截平面上的離散點，之后采用蒙面法將截面線擬合成B樣條曲面。計算擬合曲面與原組合曲面的誤差，如果不滿足精度，則返回曲線離散步驟，以更高的精度進行離散，擬合曲線、擬合曲面，直到擬合得到的曲面誤差滿足精度要求，最后利于刀軸擺角整體控制和局部微調(diào)相結(jié)合的刀軌生成算法，將擬合得到的曲面作為驅(qū)動曲面計算加工刀軌。該方法的效率高、精度高，解決了組合曲面?zhèn)茹娂庸さ盾壣傻膯栴}，刀軸擺動平穩(wěn)均勻，加工質(zhì)量高。
文檔編號G06F17/50GK102637216SQ20111041946
公開日2012年8月15日 申請日期2011年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月14日
發(fā)明者傅浩杰, 劉旭, 劉長青, 李迎光, 王偉 申請人:南京航空航天大學