點(diǎn)云模型五軸無局部干涉刀軸偏角范圍計算方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種點(diǎn)云模型五軸無局部干涉刀軸偏角范圍計算方法，包括如下步驟：輸入待加工的點(diǎn)云模型，設(shè)置加工刀具、行距、步長等信息并規(guī)劃刀觸點(diǎn)；設(shè)置需要計算的前傾角范圍和間距值，對刀觸點(diǎn)計算無曲率干涉的最小前傾角數(shù)值，規(guī)劃離散前傾角；對所有離散前傾角計算無局部干涉旋轉(zhuǎn)角范圍，組成刀觸點(diǎn)的無局部干涉旋轉(zhuǎn)角范圍；最后規(guī)劃出無局部干涉刀軌。通過上述方式，本發(fā)明專利技術(shù)提供了點(diǎn)云模型五軸無局部干涉刀軸偏角范圍計算方法，實(shí)現(xiàn)了高效計算點(diǎn)云無局部干涉刀軸的偏角范圍，是無局部干涉加工刀軌生成和優(yōu)化的基礎(chǔ)。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)屬于計算機(jī)輔助制造(Computer Aided Manufacturing，CAM)的
，具體涉及一種點(diǎn)云模型五軸無局部干涉刀軸偏角范圍計算方法。
技術(shù)介紹
與三軸相比，五軸數(shù)控加工在復(fù)雜零件和曲面零件加工中優(yōu)勢明顯。五軸數(shù)控加工增加了兩個偏轉(zhuǎn)軸，使刀軸變化十分靈活，但刀軸的多變也會使干涉更容易發(fā)生，因此必須進(jìn)行干涉的檢測和避免。五軸加工中干涉包括局部干涉和全局干涉兩種。全局干涉則是刀具除了切削點(diǎn)和刀具底面之外的其他部分，例如刀桿、刀夾等部位與加工零件發(fā)生的碰撞。局部干涉包括曲率干涉和刀底干涉兩種，如果刀觸點(diǎn)處的刀具曲率半徑大于曲面曲率半徑，則會發(fā)生曲率干涉，刀具底面附近有數(shù)據(jù)點(diǎn)位于刀具內(nèi)部則會發(fā)生刀底干涉。加工自由曲面類零件時常使用平底刀，為了提高切削效率需要選取較小的前傾角和旋轉(zhuǎn)角，但角度值太小容易發(fā)生局部干涉并引起過切，過切值超過允許值就會導(dǎo)致零件報廢，因此需要對前傾角和旋轉(zhuǎn)角進(jìn)行計算以避免局部干涉。目前還沒有商業(yè)CAM軟件能夠?qū)ΠＡ繑?shù)據(jù)點(diǎn)的點(diǎn)云直接計算無局部干涉刀軸偏角范圍。常用的五軸無局部干涉刀軸偏角范圍計算方法有兩種：1.配置空間(C-space)法；2.離散法。方法1構(gòu)造出一個二維極坐標(biāo)系(即C-space)，半徑坐標(biāo)和角坐標(biāo)分別為前傾角和旋轉(zhuǎn)角，將障礙物映射到C-space獲取障礙物邊界、再根據(jù)刀具信息對障礙物邊界進(jìn)行等距獲取無干涉刀軸范圍，但這兩個步驟都是過程復(fù)雜且計算量大。方法2選取許多離散的刀軸偏角構(gòu)造刀軸矢量，逐一進(jìn)行干涉檢查以獲取無干涉的偏角范圍，這種方法計算過程相對簡單，但想要獲取精確的范圍，只能增加離散偏角數(shù)目，使得計算量大幅增加。中國專利申請?zhí)枮镃N100435055C的專利技術(shù)專利公開了一種五軸數(shù)控加工無干涉刀具路徑規(guī)劃方法。該方法處理局部干涉時，通過對高斯球面進(jìn)行均勻三角化，將三角網(wǎng)格的頂點(diǎn)作為離散的刀軸矢量，再對每個刀軸矢量進(jìn)行干涉檢查。該方法通過柵格化障礙物和刀具、測試刀軸矢量方向上的可達(dá)性，規(guī)劃刀觸點(diǎn)處的刀具可達(dá)方向錐，但一次只能對一個刀軸矢量進(jìn)行判斷，計算效率較低。該專利的無干涉偏角范圍的精度取決于離散刀軸矢量的數(shù)目，只有對大量刀軸矢量進(jìn)行干涉判斷處理，才能提高精度，無疑增大了計算量。中國專利申請?zhí)枮镃N102621928B的專利技術(shù)專利公開了一種計算固定旋轉(zhuǎn)角的無干涉前傾角范圍的方法。該方法將旋轉(zhuǎn)角在[0,2π]范圍內(nèi)等分成許多份，對每個細(xì)分旋轉(zhuǎn)角計算其無干涉前傾角上下限，最后對所有上下限進(jìn)行3次B樣條擬合，獲得無干涉偏角邊界。該方法求出的無干涉偏角區(qū)域中，前傾角大的區(qū)域精度遠(yuǎn)低于前傾角小的區(qū)域，如果想提高精度，需要增大離散旋轉(zhuǎn)角的數(shù)目，但增大的計算量中只有一半(即計算前傾角上限部分)用于提高前傾角大的區(qū)域精度。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)主要解決的技術(shù)問題是提供一種點(diǎn)云模型五軸無局部干涉刀軸偏角范圍計算方法，在無曲率干涉的前傾角范圍內(nèi)對前傾角進(jìn)行離散，對每個前傾角計算出它的無全局干涉旋轉(zhuǎn)角范圍，最后獲取完整的無局部干涉偏角范圍。該方法與常規(guī)的C-space法相比，無需將障礙物映射到C-space進(jìn)行復(fù)雜的邊界等距，計算過程簡便，與離散法相比，避免對許多刀軸進(jìn)行逐一干涉判斷，計算量大幅減少，且可以獲得理論臨界局部干涉旋轉(zhuǎn)角，偏角范圍更加精確。為解決上述技術(shù)問題，本專利技術(shù)采用的一個技術(shù)方案是：提供了一種點(diǎn)云模型五軸無局部干涉刀軸偏角范圍計算方法，包括以下具體步驟：步驟1、輸入需要加工的點(diǎn)云模型和加工參數(shù)，規(guī)劃刀觸點(diǎn)軌跡；步驟1.1、將點(diǎn)云中的所有數(shù)據(jù)點(diǎn)根據(jù)坐標(biāo)劃分到立方體小柵格中，任意一點(diǎn)(px,py,pz)所在的柵格序列號(i,j,k)可由下式求出，其中xmin、ymin、zmin為點(diǎn)云的三坐標(biāo)最小值， i = int ( ( p x - x min ) / m c e l l ) j = int ( ( p y - y m i n ) / m c e l l ) k = int ( ( p z - z m i n 本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種點(diǎn)云模型五軸無局部干涉刀軸偏角范圍計算方法，其特征在于，包括以下具體步驟：步驟1、輸入需要加工的點(diǎn)云模型和加工參數(shù)，規(guī)劃刀觸點(diǎn)軌跡；步驟1.1、將點(diǎn)云中的所有數(shù)據(jù)點(diǎn)根據(jù)坐標(biāo)劃分到立方體小柵格中，任意一點(diǎn)(px,py,pz)所在的柵格序列號(i,j,k)可由下式求出，其中xmin、ymin、zmin為點(diǎn)云的三坐標(biāo)最小值，i=int((px-xmin)/mcell)j=int((py-ymin)/mcell)k=int((pz-zmin)/mcell);]]>步驟1.2、通過行距規(guī)劃一組截平面與點(diǎn)云求交獲得交點(diǎn)點(diǎn)集，根據(jù)步長在交點(diǎn)點(diǎn)集中篩選出刀觸點(diǎn)；步驟2、輸入前傾角參數(shù)，為刀觸點(diǎn)建立局部坐標(biāo)系；步驟2.1、輸入前傾角α范圍[αmin,αmax]，最大為[0,π/2]，輸入前傾角間距值αΔ；步驟2.2、以第i行第j個刀觸點(diǎn)為例，以為原點(diǎn)構(gòu)建局部坐標(biāo)系OLXLYLZL，對搜索K鄰近點(diǎn)，運(yùn)用最小二乘法構(gòu)造切平面，切平面法矢為ZL軸方向向量kL，YL軸方向向量jL為切平面和截平面的交線，XL軸方向向量iL＝j(luò)L×kL，任意一點(diǎn)Pi在局部坐標(biāo)系下的坐標(biāo)的可由下式計算出，步驟3、對刀觸點(diǎn)計算無曲率干涉的最小前傾角數(shù)值，規(guī)劃離散前傾角；步驟3.1、為刀觸點(diǎn)獲取所有可能與刀具發(fā)生局部干涉的柵格，其序列號(X_index,Y_index,Z_index)需滿足下式，其中R為刀具半徑，(m,n,l)為點(diǎn)所在柵格的序列號，這些柵格中的數(shù)據(jù)點(diǎn)記為集合并去除中的所有局部坐標(biāo)zL＜0的點(diǎn)，num=R/mcell+2X_index∈[m-num,m+num]Y_index∈[n-num,n+num]Z_index∈[l,l+num];]]>步驟3.2、XLZL平面與點(diǎn)集求交獲得交點(diǎn)集合對于平底刀，將中任意一點(diǎn)代入以下方程求出其無曲率干涉時的前傾角α，F(xiàn)(α,xL,zL)=[zL-R sinα]2R2sin2α+xL2R2=1;]]>步驟3.3、所有點(diǎn)代入后可計算出前傾角最大值就是刀觸點(diǎn)的無曲率干涉前傾角最小值，若則需要計算的前傾角范圍為根據(jù)前傾角間距值αΔ，按照下式對前傾角范圍進(jìn)行等分，獲取離散前傾角集合{αi}，n=int((αmax-αmaxL)/αΔ)+2αi=αmaxL+i·αΔ,0≤i<n-1αn-1=αmax;]]>步驟4、為所有離散前傾角計算無局部干涉旋轉(zhuǎn)角范圍，規(guī)劃出無局部干涉刀軌；步驟4.1、獲取集合中所有到局部坐標(biāo)系原點(diǎn)OL距離小于半徑R的點(diǎn)，記為集合PR；步驟4.2、對于PR中任意一點(diǎn)PR(xL,yL,zL)，如果是刀底干涉點(diǎn)，則點(diǎn)位于刀具內(nèi)，且在平面zL＝PR.zL上，刀具在平面zL＝PR.zL上的輪廓線為一個不完整的橢圓，對于離散前傾角{αi}中任意前傾角αi，輪廓線方程如下式所示，F(xiàn)(αi,xL,yL)=xL2R2+(yL-PR.zLtanαi-PR.zL-R sinαisinαicosαiL)2(Rcosαi)2=1,YL>-zLtanαiYL=-zLtanαi,|xL|<R2-zL2(1-sinαi-cosαitanαi)2;]]>步驟4.3、在平面zL＝PR.zL上，點(diǎn)PR繞著ZL軸旋轉(zhuǎn)過一定角度后可位于輪廓線上，此時干涉消除，轉(zhuǎn)過的角度就是刀具需要轉(zhuǎn)過的旋轉(zhuǎn)角，據(jù)此可以計算點(diǎn)PR的無刀底干涉旋轉(zhuǎn)角范圍，設(shè)刀具不繞ZL軸旋轉(zhuǎn)時旋轉(zhuǎn)角為0，旋轉(zhuǎn)角大于0時刀具順時針旋轉(zhuǎn)，點(diǎn)PR到旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)O′L的距離不同計算方法也不同，具體計算如下：如果PRO′L≤Min(O′Lp1,O′Lp3)，其中則點(diǎn)PR無法旋轉(zhuǎn)出刀具輪廓，無刀底干涉旋轉(zhuǎn)角范圍為空；如果PRO′L介于O′Lp1和O′Lp3之間，當(dāng)O′Lp1＞O′Lp3時，通過刀具旋轉(zhuǎn)PR可以從刀具底面即線段離開輪廓，通過下面兩式可求出臨界無干涉點(diǎn)PC1(?xL,yL)、PC2(xL,yL)與PC1O′L和PRO′L的夾角PC2O′L和PRO′L的夾角(令)。刀具順時針旋轉(zhuǎn)角，PR到橢圓外，干涉被避免，所以無刀底干涉旋轉(zhuǎn)角范圍為若PR.xL＞0，范圍為xL2+yL2=PROL′2yL=-zLtanα,]]>當(dāng)O′Lp1＜O′Lp3時，PR從橢圓離開輪廓，通過下式可以求出PC3(?xL,yL)、PC4(xL,yL...

【技術(shù)特征摘要】
1.一種點(diǎn)云模型五軸無局部干涉刀軸偏角范圍計算方法，其特征在于，包括以下具體步驟：步驟1、輸入需要加工的點(diǎn)云模型和加工參數(shù)，規(guī)劃刀觸點(diǎn)軌跡；步驟1.1、將點(diǎn)云中的所有數(shù)據(jù)點(diǎn)根據(jù)坐標(biāo)劃分到立方體小柵格中，任意一點(diǎn)(px,py,pz)所在的柵格序列號(i,j,k)可由下式求出，其中xmin、ymin、zmin為點(diǎn)云的三坐標(biāo)最小值， i = int ( ( p x - x min ) / m c e l l ) j = int ( ( p y - y m i n ) / m c e l l ) k = int ( ( p z - z min ) / m c e l l ) ; ]]>步驟1.2、通過行距規(guī)劃一組截平面與點(diǎn)云求交獲得交點(diǎn)點(diǎn)集，根據(jù)步長在交點(diǎn)點(diǎn)集中篩選出刀觸點(diǎn)；步驟2、輸入前傾角參數(shù)，為刀觸點(diǎn)建立局部坐標(biāo)系；步驟2.1、輸入前傾角α范圍[αmin,αmax]，最大為[0,π/2]，輸入前傾角間距值αΔ；步驟2.2、以第i行第j個刀觸點(diǎn)為例，以為原點(diǎn)構(gòu)建局部坐標(biāo)系OLXLYLZL，對搜索K鄰近點(diǎn)，運(yùn)用最小二乘法構(gòu)造切平面，切平面法矢為ZL軸方向向量kL，YL軸方向向量jL為切平面和截平面的交線，XL軸方向向量iL＝j(luò)L×kL，任意一點(diǎn)Pi在局部坐標(biāo)系下的坐標(biāo)的可由下式計算出，步驟3、對刀觸點(diǎn)計算無...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：劉威，
申請(專利權(quán))人：蘇州科技學(xué)院，
類型：發(fā)明
國別省市：江蘇;32