基于三掃描線刀具有效加工區(qū)域計(jì)算和刀具軌跡生成方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種基于三掃描線的刀具有效加工區(qū)域計(jì)算和刀具軌跡生成方法，該方法提出了三掃描線的模型，并基于三掃描線掃描原理結(jié)合特定的刀具參數(shù)，確定刀具中心軌跡的有效范圍，以此簡(jiǎn)化干涉檢查和刀具軌跡計(jì)算；同時(shí)，由于刀具的有效加工區(qū)域描述了刀具在加工過(guò)程中的實(shí)際切削面積，它是計(jì)算刀具軌跡和刀具磨損成本的主要依據(jù)，本發(fā)明專利技術(shù)借助掃描線填充方法的思想，提出了一種基于掃描線算法的刀具有效加工區(qū)域的計(jì)算方法；通過(guò)上下兩條掃描線確定刀具的初始進(jìn)刀位置和刀具離開工件位置，有效地控制了刀具與工件干涉檢查的搜索范圍，使計(jì)算效率大大提高；利用刀具與工件的干涉檢查方法和無(wú)干涉刀具軌跡的計(jì)算原理和方法生成最優(yōu)刀具路徑。

Effective machining area calculation and tool path generation method based on three scan line tool

The invention discloses a method for generating a three scan line based on effective machining region and the tool path calculation tool, the method provides a three scan line model, and based on the three scan line scanning principle combining with tool specific parameters, determine the effective range of cutter center track, the simplified calculation of interference checking and tool path; at the same time because the effective area of cutter processing, describes the actual cutting area in cutting process, it is the calculation of tool path and tool wear is mainly based on the cost of the invention with the scan line filling method, this paper proposes a calculation method based on scan line algorithm of the cutter effective machining region; by two. The scan line tool to determine the initial position and the tool away from the workpiece position, effectively control the scope of the search tool and workpiece interference check, make The calculation efficiency is greatly improved. The optimal tool path is generated by the interference checking method of tool and workpiece and the principle and method of non interference tool path.

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及機(jī)械制造領(lǐng)域中加工零件的數(shù)控機(jī)床加工方法，特別是一種 ，該方法運(yùn)用在多 刀具組合加工時(shí)的加工方案評(píng)價(jià)和刀具軌跡的生成。
技術(shù)介紹
隨著現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)控加工已成為機(jī)械制造行業(yè)的主要加 工形式，在現(xiàn)代制造環(huán)境下，制定刀具選擇的目的和規(guī)范也變得愈來(lái)愈重要。 在傳統(tǒng)的制造過(guò)程中，刀具的選擇往往由機(jī)床操作者自行選擇，其技術(shù)水平 的高低對(duì)于各加工工序刀具選擇的好壞和工件的加工精度具有決定性的作 用。可是，在現(xiàn)代制造環(huán)境下，這種現(xiàn)象將不再是可行的和被人們所接受。因?yàn)樵贑NC機(jī)床中，有大量不同類型和規(guī)格的刀具形成一個(gè)刀具庫(kù)，加上有 些刀具成本非常昂貴，甚至可以為不同的設(shè)備所共用。因此，對(duì)加工操作者 來(lái)說(shuō)，要選擇正確的刀具類型、規(guī)格和切削參數(shù)已變得非常復(fù)雜，尤其對(duì)于 復(fù)雜的零件加工來(lái)說(shuō)，采用這種方式再進(jìn)行刀具類型、規(guī)格和切削參數(shù)選擇，刀具選擇不合理將不可避免。 一般來(lái)說(shuō)，選擇合理的刀具的復(fù)雜之處在于 它除了要滿足基本加工要求之外，而且能夠取得最優(yōu)加工效果，如滿足加 工成本最低或加工時(shí)間最短等目標(biāo)。要做到這一點(diǎn)，就需要一個(gè)包含具體企 業(yè)的制造資源信息和加工經(jīng)驗(yàn)的知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)支持下的專門的軟件系統(tǒng)來(lái)完 成。數(shù)控程序的自動(dòng)生成，特別是刀具路徑的生成是實(shí)現(xiàn)制造系統(tǒng)自動(dòng)化的 關(guān)鍵所在。到目前為止，人們已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，并取 得了許多研究成果。目前比較實(shí)用的軟件包，像MasterCAM能根據(jù)零件幾何形狀和一定的刀具參數(shù)自動(dòng)地生成NC代碼。可是，使用MasterCAM軟件來(lái) 產(chǎn)生刀具路徑需要提供刀具路徑參數(shù)等豐富的專業(yè)知識(shí)，尤其是刀具路徑的 優(yōu)化問(wèn)題還沒(méi)有得到很好地解決。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目標(biāo)是針對(duì)工件的幾何形狀和所選刀具參數(shù)，尋找一種簡(jiǎn)便而 且有效的方法生成最優(yōu)刀具組合方案和刀具軌跡生成。提出了一種應(yīng)用三根 掃描線實(shí)現(xiàn)刀具有效加工區(qū)域計(jì)算和刀具軌跡生成方法。為實(shí)現(xiàn)上述任務(wù)，本專利技術(shù)采用如下的技術(shù)解決方案一種基于三掃描線的刀具有效加工區(qū)域計(jì)算和刀具路徑生成方法，其特 征在于包括下列步驟-步驟l)在三掃描線中，由三條等間距的平行線代替?zhèn)鹘y(tǒng)的一條掃描線， 其中上下兩條掃描線的距離等于所選擇刀具的直徑，同時(shí)上下兩條掃描線 也用來(lái)定位刀具沿掃描方向加工時(shí)的初始進(jìn)刀位置和結(jié)束位置，并且在工作 時(shí)這兩條掃描線之間所覆蓋的區(qū)域被用來(lái)確定刀具沿當(dāng)前掃描中心線加工 時(shí)進(jìn)行干涉檢查的有效區(qū)域；刀具軌跡的方向由中間的掃描線確定；該掃描線在工作時(shí)，按照掃描方向，在笛卡兒坐標(biāo)系將工件輪廓通過(guò)坐標(biāo)變換將其變換到x坐標(biāo)與掃描方向平行，再按照各頂點(diǎn)y排序，按照最小的Y坐標(biāo)確定底掃描線的初始位置，通過(guò)計(jì)算底掃描線和頂掃描線與工件輪廓的交點(diǎn)，確定出刀具幾何沿該中心掃描線切削時(shí)的可能的活動(dòng)區(qū)域；接著， 根據(jù)該區(qū)域的工件輪廓與刀具幾何不發(fā)生干涉為前提條件，判斷刀具沿該中 心掃描線切削時(shí)的起點(diǎn)和終點(diǎn)位置，最后，掃描過(guò)程由下向上依據(jù)刀具進(jìn)給 速度逐次進(jìn)行，直到頂掃描線到達(dá)或超越工件輪廓為止；步驟2)在利用底掃描線和頂掃描線確定刀具沿當(dāng)前掃描線加工的有效 區(qū)域時(shí)，按照掃描線填充方法首先計(jì)算兩條掃描線與工件輪廓的交點(diǎn)'，即假 定工件輪廓由直線段組成的多邊形，對(duì)于曲線輪廓按照其加工公差要求利用線段進(jìn)行逼近，根據(jù)交點(diǎn)個(gè)數(shù)和沿掃描線方向的奇偶性確定有效線段，并與這兩條掃描線之間所包括的物體的邊形成多邊形；對(duì)于生成的多邊形區(qū)域， 由于刀具幾何的掃描區(qū)域沿上下掃描線方向已被限定，所以刀具與工件的干 涉只可能發(fā)生在刀具起始位置和終止位置；步驟3)對(duì)刀具的每一次沿掃描線的運(yùn)動(dòng)行程，刀具的上下位置已由兩 條邊界掃描線限定， 一旦刀具的起點(diǎn)位置和終止位置被確定，即可獲得刀具 軌跡和刀具有效加工區(qū)域；刀具的起點(diǎn)位置的確定是，首先根據(jù)刀具中心掃描線按照掃描線填充算 法計(jì)算兩個(gè)待填充線段的兩個(gè)端點(diǎn)，考慮到刀具到工件輪廓的最短距離為刀 具半徑大小，將那兩個(gè)端點(diǎn)分別向內(nèi)側(cè)偏移一個(gè)刀具半徑，作為刀具的初始 起點(diǎn)位置和終止位置，再以此為初值，向步驟2)獲得的臨時(shí)多邊形的每一 條邊作垂線，判斷該點(diǎn)到邊的垂直距離，若該距離小于刀具半徑，就需要沿 掃描線方向向內(nèi)側(cè)調(diào)整刀具的起點(diǎn)或終點(diǎn)，使該距離等于刀具半徑，直到多 邊形的所有邊到刀具的起點(diǎn)或終點(diǎn)的距離均大于或等于刀具半徑為止；步驟4)為了獲得最優(yōu)刀具路徑，刀具軌跡的總長(zhǎng)度和刀具往復(fù)次數(shù)被 用來(lái)計(jì)算整個(gè)加工時(shí)間開銷，尤其在多刀具組合加工中，要確定最優(yōu)刀具組 合方式都需要計(jì)算各刀具有效加工區(qū)域以便確定總加工成本。同時(shí)考慮到沿 著不同掃描方向加工時(shí)，所需的加工成本也不同。因此，為了確定最優(yōu)刀具 掃描方向，將圓周分成18等分，對(duì)工件進(jìn)行圖形變換，每20度改變一次掃描 角度進(jìn)行計(jì)算和比較。首先計(jì)算出刀具軌跡沿各掃描線的總長(zhǎng)度，再加上刀 具從一條掃描線轉(zhuǎn)到下一個(gè)掃描線的路徑長(zhǎng)度，從而獲得刀具軌跡總長(zhǎng)度， 最后以刀具軌跡最短為優(yōu)化目標(biāo)，確定刀具軌跡。該方法提出了三掃描線的模型，并基于三掃描線掃描原理結(jié)合特定的刀 具參數(shù)，確定刀具中心軌跡的有效范圍，并以此簡(jiǎn)化干涉檢查和刀具軌跡計(jì) 算；利用刀具與工件的干涉檢査方法和無(wú)干涉刀具軌跡的計(jì)算原理和方法生成最優(yōu)刀具路徑。本專利技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是利用上下兩條掃描線不僅解決了刀具的初始進(jìn)刀位置 和刀具離開工件位置的確定，而且有效地控制了刀具與工件干涉檢査的搜索 范圍，使計(jì)算效率大大提高；同時(shí)，由于刀具的有效加工區(qū)域描述了刀具在 加工過(guò)程中的實(shí)際切削面積，它是計(jì)算刀具軌跡和刀具磨損成本的主要依 據(jù)，本專利技術(shù)借助掃描線填充方法的思想，提出了一種基于掃描線算法的刀具 有效加工區(qū)域的計(jì)算方法。附圖說(shuō)明圖l是基于三掃描線方法的最優(yōu)刀具路徑生成的流程圖； 圖2是三掃描線的刀具軌跡計(jì)算過(guò)程。圖(a)是初始狀態(tài)(底掃描線控制最初切入位置)；圖(b)是利用上下兩條掃描線確定刀具干涉檢查的區(qū)域范圍；圖(c)是頂掃描線控制刀具最后一條掃描線的位置； 圖3是沿掃描線方向進(jìn)行干涉檢査；圖4是確定刀具中心沿當(dāng)前掃描線方向的起點(diǎn)位置和終點(diǎn)位置；圖5是刀具中心到臨時(shí)多邊形的距離小于刀具半徑的情形； 圖6是刀具中心到臨時(shí)多邊形的距離大于刀具半徑的情形；圖7是調(diào)整后刀具中心的起點(diǎn)位置o,(&,:0和終點(diǎn)位置o,(^，:^); 圖8是計(jì)算刀具沿掃描線方向所覆蓋的區(qū)域面積； 圖9是確定刀具中心掃描線的最低位置和最高位置。圖(a)是利用底掃描線確定刀具切入工件的最低位置，即在不產(chǎn)生根切的情況下，刀具中心掃 描線的最低位置。圖(b)是頂掃描線的最高位置，即在不產(chǎn)生根切的情況下， 刀具中心掃描線的最高位置；圖10是采用多把尺寸不同的刀具組合完成對(duì)同一區(qū)域的加工；具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖對(duì)本專利技術(shù)作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。圖l是基于三掃描線方法的最優(yōu)刀具路徑生成的流程圖，參照流程圖對(duì) 最優(yōu)刀具路徑的生成的過(guò)程說(shuō)明如下步驟l，確定多邊形，掃描方向，步距(進(jìn)給量)。步驟2，將多邊形各頂點(diǎn)變換到以掃描線方向?yàn)閄軸的新坐標(biāo)系下。步驟3，將掃描線的底掃描線對(duì)準(zhǔn)多邊形的最低點(diǎn)(線)。步驟4，每條雙掃描線(頂掃描線和底掃描線)執(zhí)行步驟5到步驟9循環(huán) 操作，直到存在合理刀軌為止。步驟5，計(jì)算兩條直線與多邊形交點(diǎn)，利用拓?fù)潢P(guān)系確定相應(yīng)邊集，這 些邊集將被用來(lái)確定刀具軌跡本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種基于三掃描線的刀具有效加工區(qū)域計(jì)算和刀具軌跡生成方法，其特征在于包括下列步驟：步驟１）在三掃描線中，由三條等間距的平行線代替?zhèn)鹘y(tǒng)的一條掃描線，其中：上下兩條掃描線的距離等于所選擇刀具的直徑，同時(shí)上下兩條掃描線也用來(lái)定位刀具沿掃描方向加工時(shí)的初始進(jìn)刀位置和結(jié)束位置，并且在工作時(shí)這兩條掃描線之間所覆蓋的區(qū)域被用來(lái)確定刀具沿當(dāng)前掃描中心線加工時(shí)進(jìn)行干涉檢查的有效區(qū)域，刀具軌跡的方向由中間的掃描線確定；該掃描線在工作時(shí)，按照掃描方向，在笛卡兒坐標(biāo)系將工件輪廓通過(guò)坐標(biāo)變換將其變換到ｘ坐標(biāo)與掃描方向平行，再按照各頂點(diǎn)ｙ排序，按照最小的ｙ坐標(biāo)確定底掃描線的初始位置，通過(guò)計(jì)算底掃描線和頂掃描線與工件輪廓的交點(diǎn)，確定出刀具幾何沿該中心掃描線切削時(shí)的可能的活動(dòng)區(qū)域；接著，根據(jù)該區(qū)域的工件輪廓與刀具幾何不發(fā)生干涉為前提條件，判斷刀具沿該中心掃描線切削時(shí)的起點(diǎn)和終點(diǎn)位置；最后，掃描過(guò)程由下向上依據(jù)刀具進(jìn)給速度逐次進(jìn)行，直到頂掃描線到達(dá)或超越工件輪廓為止；步驟２）在利用底掃描線和頂掃描線確定刀具沿當(dāng)前掃描線加工的有效區(qū)域時(shí)，按照掃描線填充方法首先計(jì)算兩條掃描線與工件輪廓的交點(diǎn)，即假定工件輪廓由直線段組成的多邊形，對(duì)于曲線輪廓按照其加工公差要求利用線段進(jìn)行逼近，根據(jù)交點(diǎn)個(gè)數(shù)和沿掃描線方向的奇偶性確定有效線段，并與這兩條掃描線之間所包括的物體的邊形成多邊形；對(duì)于生成的多邊形區(qū)域，由于刀具幾何的掃描區(qū)域沿上下掃描線方向已被限定，所以刀具與工件的干涉只可能發(fā)生在刀具起始位置和終止位置；步驟３）對(duì)刀具的每一次沿掃描線的運(yùn)動(dòng)行程，刀具的上下位置已由兩條邊界掃描線限定，一旦刀具的起點(diǎn)位置和終止位置被確定，即可獲得刀具軌跡和刀具有效加工區(qū)域；刀具的起點(diǎn)位置的確定是，首先根據(jù)刀具中心掃描線按照掃描線填充算法計(jì)算兩個(gè)待填充線段的兩個(gè)端點(diǎn)，考慮到刀具到工件輪廓的最短距離為刀具半徑大小，將那兩個(gè)端點(diǎn)分別向內(nèi)側(cè)偏移一個(gè)刀具半徑，作為刀具的初始起點(diǎn)位置和終止位置，再以此為初值，向步驟２）獲得的臨時(shí)多邊形的每一條邊作垂線，判斷該點(diǎn)到邊的垂直距離，若該距離小于刀具半徑，就需要沿掃描線方向向內(nèi)側(cè)調(diào)整刀具的起點(diǎn)或終點(diǎn)，使該距離等于刀具半徑，直到多邊形的所有邊到刀具的起點(diǎn)或終點(diǎn)的距離均大于或等于刀具半徑為止；步驟４）為了確定最優(yōu)刀具掃描方向，將圓周分成１８等分，對(duì)工件進(jìn)行圖形變換，每２０度改變一次掃描角度進(jìn)行計(jì)算和比較，首先計(jì)算出刀具軌跡沿各掃描線的總長(zhǎng)度，再加上刀具從...

【技術(shù)特征摘要】

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：張英杰，高建民，陳富民，李云龍，張瑜，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：西安交通大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：87[]