一種適用于擺線高速銑削的加工路徑的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種適用于擺線高速銑削的加工路徑的方法，首先輸入零件模型和零件特征信息，對加工區(qū)域進行自動劃分，劃分出擺線加工的關(guān)鍵和傳統(tǒng)加工區(qū)域。根據(jù)關(guān)鍵區(qū)域的邊界信息，計算擺線中心路徑并離散，利用單純形法，迭代計算每個離散點的擺線單周期最大徑向深度；之后根據(jù)該最大徑向切深篩選變半徑擺線中心軸的離散點。篩選完成后按照變半徑擺線的數(shù)學(xué)模型計算關(guān)鍵區(qū)域的擺線加工路徑，再對刀位點進行離散；最后利用傳統(tǒng)加工方法加工剩余的區(qū)域。該方法的擺線路徑短，走空切路徑的時間少，冗余度低。而刀具接觸角和徑向切深也能保持相對穩(wěn)定，解決了高速銑削過程中的刀具切觸角容易突變，空切路徑長等問題，加工路徑平穩(wěn)，提高了銑削效率。
【專利說明】一種適用于擺線高速銑削的加工路徑的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于CAD (計算機輔助設(shè)計）/CAM(計算機輔助制造）【技術(shù)領(lǐng)域】，具體地說， 涉及工件加工制造領(lǐng)域，尤其涉及一種適用于擺線高速銑削的加工路徑的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 在實際的加工中，傳統(tǒng)的環(huán)切路徑會產(chǎn)生一些問題.環(huán)切刀軌的生成往往伴隨產(chǎn) 生很多凹凸拐角，尖銳的拐角會引起嚴重的刀具接觸角變化，從而導(dǎo)致材料去除率和刀具 負載的突變。尤其在對堅硬材料的高速加工中，刀具負載的突變會產(chǎn)生各種不利的結(jié)果，如 刀具壽命的縮短，機器震動甚至是刀具斷裂。因此在高速銑削刀軌中，材料去除率的波動是 設(shè)置進給率，軸向深度等加工參數(shù)的主要考慮因素，而保持相對穩(wěn)定的加工路徑材料去除 率是提高加工效率的關(guān)鍵。
[0003] 擺線銑削方式能夠很好地解決切削負載的突變問題，常應(yīng)用在難以加工的區(qū)域。 其價值已經(jīng)被越來越多的學(xué)者研究和認可。一個擺線周期包括加工段和空切段。擺線的軌 跡是連續(xù)的，其加工段的刀具接觸角和徑向深度變化平緩且可控，且不會受到加工區(qū)域形 狀改變的影響，因此適用于特殊的加工區(qū)域，例如尖銳的拐角或是需要全切的狹槽。
[0004] 由于擺線加工存在空切段，與傳統(tǒng)的加工方法比，其加工效率比較低。但是由于擺 線的引入，整個加工區(qū)域的切觸角和徑向深度都能保持相對穩(wěn)定，避免了刀具負載的突變， 這使得加工路徑更適應(yīng)于高速銑削加工，軸向深度得以大大提高，總的加工效率也得到提 商。
[0005] Elber. Et al提出了一種應(yīng)用于高速加工的加工路徑生成方法MATHSM。MATHSM 方法在狹長區(qū)域展現(xiàn)出了優(yōu)勢，但是該方法沒有解決在大的圓形型腔中擺線低效的問題， Soichi Ibaraki et al.提出了一種結(jié)合擺線和環(huán)切的方法，用于2. ?的高速統(tǒng)削。該 方法僅限于半徑不變的擺線加工路徑的設(shè)計，關(guān)鍵區(qū)域被設(shè)定在型腔的中心軸附近。但這 種分布情況對加工方法的選擇是有限制的，且沒有考慮針對內(nèi)部包含島嶼的型腔的優(yōu)化方 法。
[0006] 現(xiàn)有高速加工中的擺線加工路徑生成方法采用恒定擺線半徑，沒有利用變半徑擺 線模型進行分析和應(yīng)用，因而復(fù)雜型腔的加工路徑的冗余度較高；且擺線加工的分布方法 單一，導(dǎo)致擺線加工路徑普遍較長，總的加工效率不高，在高速銑削的領(lǐng)域中，這些都是亟 待解決的問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種適用于擺線高速銑削的加工路徑 的方法，以解決現(xiàn)有高速銑削加工路徑冗余，效率低下的問題，為復(fù)雜區(qū)域的高速銑削提供 更優(yōu)化的加工模式。
[0008] 為了實現(xiàn)這一目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案，劃分加工區(qū)域為需擺線加工的關(guān) 鍵區(qū)域和其它區(qū)域，通過節(jié)距自適應(yīng)的變半徑的擺線路徑的應(yīng)用，使得關(guān)鍵區(qū)域的面積減 小，同時加工路徑的冗余度減?。辉陉P(guān)鍵區(qū)域加工完成后，最后采用環(huán)切的方式加工其它區(qū) 域，從而使整個加工路徑的效率得到提升。
[0009] 本發(fā)明的方法，具體包括以下步驟：
[0010] 1)零件模型和零件特征信息的輸入：在三維CAD軟件中讀取模型信息，選取加工 區(qū)域，設(shè)置截平面間距，設(shè)置其它加工參數(shù)，包括刀具半徑，主軸轉(zhuǎn)速，最大徑向切深，加工 精度；
[0011] 2)對加工區(qū)域進行劃分，得到變半徑擺線加工的區(qū)域，此處定義該區(qū)域為關(guān)鍵區(qū) 域；
[0012] 3)在擺線加工區(qū)域中，設(shè)計變半徑擺線的加工路徑，所述的擺線路徑的方法包括 以下步驟：
[0013] 3. 1 :首先計算步驟2)所述關(guān)鍵區(qū)域的中心軸，將其離散得到Pi ;
[0014] 3. 2 :計算每個離散點的區(qū)域內(nèi)切圓半徑R ;
[0015] 3. 3:通過迭代計算每個離散點處的單周期擺線的刀具最大徑向深度，篩選離散 點，取得相鄰擺線周期間的節(jié)距Si ;
[0016] 3. 4 :依據(jù)變半徑擺線的數(shù)學(xué)模型計算關(guān)鍵區(qū)域的擺線路徑，離散并輸出到后置處 理程序；
[0017] 4)在對關(guān)鍵區(qū)域加工完成后，設(shè)計未加工區(qū)域的加工路徑，離散并輸出到后置處 理程序；
[0018] 5)對步驟3和步驟4輸出的加工路徑進行后置處理，輸出到機床加工。
[0019] 在本發(fā)明中，所述步驟2)對加工區(qū)域劃分的具體方法為：
[0020] 2. 1 :若加工區(qū)域為內(nèi)部不包含島嶼的型腔，則關(guān)鍵區(qū)域分布于加工區(qū)域的中心軸 的周邊區(qū)域，區(qū)域半徑設(shè)定為N(N>1)倍刀具直徑，區(qū)域邊界的幾何結(jié)構(gòu)是基于等距型腔的 邊界形成的加工輪廓；
[0021] 2. 2 :若加工區(qū)域為內(nèi)部包含島嶼的型腔，則關(guān)鍵區(qū)域分布于島嶼周邊，區(qū)域半徑 為：(N>1)，區(qū)域邊界的幾何結(jié)構(gòu)是基于等距型腔的邊界形成的加工 輪廓。
[0022] 所述步驟3. 1的中心路徑的初始離散精度應(yīng)小于等于加工精度。
[0023] 所述步驟3. 3中單周期擺線的刀具最大徑向深度的計算方法為：
[0024] 3. 3. 1 :選取擺線周期起始點作為初始刀位點；
[0025] 3. 3. 2 :利用單純形法計算當前的刀位點與前一周期擺線加工輪廓的交點Pi ;
[0026] 3. 3. 3 :以Pi為起點，計算刀具在前進方向的法向量U方向上的徑向進給深度；
[0027] 3. 3. 4 :通過迭代遍歷本擺線周期的刀位點，重復(fù)步驟3. 3. 2、步驟3. 3. 3過程，求 得本周期徑向深度的最大值，迭代精度小于等于加工精度。
[0028] 所述步驟3. 3中變半徑擺線中心軸離散點的篩選方法為：
[0029] 1. 1 :每個離散點處的單周期最大徑向深度小于等于初始設(shè)定值；
[0030] 1. 2 :篩選出滿足步驟1. 1所述條件，且滿足點間距盡可能大的離散點序列，該點 序列的間距作為實際擺線的加工節(jié)距Si。
[0031] 所述步驟4)中未加工區(qū)域的具體加工方法為：
[0032] 4. 1 :為縮短下刀時間，下刀位置按照該區(qū)域加工路徑規(guī)劃的需求選在關(guān)鍵區(qū)域的 任意位置；
[0033] 4. 2 :加工路徑采用環(huán)切的方法。
[0034] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點：
[0035] (1)對加工區(qū)域進行了合理的劃分，使得擺線能夠處理包含島嶼的復(fù)雜型腔；
[0036] (2)在保證小的刀具徑向深度和切觸角的前提下，應(yīng)用變半徑擺線模型，減少了加 工路徑的冗余度；
[0037] (3)基于區(qū)域劃分的擺線加工方法，使得擺線加工路徑長度減小，總的加工效率得 到提升；
[0038] (4)嚴格按照擺線數(shù)學(xué)模型，能夠?qū)崿F(xiàn)高階連續(xù)的加工路徑（刀軌），特別適用于 商速加工。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0039] 圖1為本發(fā)明的適用于擺線高速銑削的加工路徑的方法流程圖；
[0040] 圖2為對型腔的加工區(qū)域的劃分，標記區(qū)域為關(guān)鍵加工區(qū)域，非標記區(qū)域為關(guān)鍵 區(qū)域加工后需處理的未加工區(qū)域；
[0041] 圖3為借助V0R0N0I圖的計算得出的關(guān)鍵區(qū)域擺線加工路徑；
[0042] 圖4為單周期擺線加工路徑的徑向切深的變化示意圖，0PM為前一周期的擺線中 心，〇_為當前周期的擺線中心，R d。為一個刀位點處徑向切深；
[0043] 圖5為單刀位點徑向切深幾何分析圖，0。為當前的刀位點，Pi為刀具輪廓與前一 周期擺線加工輪廓的交點，R d。為徑向切深，U為當前周期擺線前進方向；
[0044] 圖6為按照擺線數(shù)學(xué)模型計算并離散的擺線加工路徑；
[0045] 圖7為整個加工區(qū)域的加工路徑的設(shè)計，島嶼周邊為擺線加工路徑，未加工區(qū)域 采用環(huán)切的方式加工。

【具體實施方式】
[0046] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案進行詳細說明。
[0047] 圖1是本發(fā)明的適用于擺線高速銑削的加工路徑的方法的流程圖。如圖所示，包 括以下步驟：
[0048] 本發(fā)明涉及的零件模型和零件特征信息的輸入：在三維CAD軟件（例如： SolidWorks)中讀取模型信息，選取加工區(qū)域，設(shè)置截平面間距；設(shè)置其它加工參數(shù)，包括 刀具半徑，主軸轉(zhuǎn)速，最大徑向切深，設(shè)置加工精度（即尺寸精度，本實例采用的精度為 0. 01mm)等。
[0049] 對選取的加工區(qū)域進行區(qū)域劃分，得到變半徑擺線路徑加工的關(guān)鍵區(qū)域和未加工 區(qū)域，如圖2所示。圖中標記區(qū)域為已劃分出的關(guān)鍵區(qū)域，若采用環(huán)切加工，則這部分的刀 具切觸角的變化會比較劇烈，不適宜進行高速加工，而變半徑的擺線加工路徑則會避免切 觸角的突變，因此可以較好地解決這個問題，區(qū)域劃分的具體方法如下所示：
[0050] (1)對于內(nèi)部不包含島嶼的型腔，關(guān)鍵區(qū)域分布于加工區(qū)域的中心軸的周邊區(qū) 域。區(qū)域半徑設(shè)置過小或過大都會導(dǎo)致加工效率降低，因此區(qū)域半徑N的取值推薦設(shè)定在 1. 5?2. 5個刀具直徑之間。區(qū)域構(gòu)建方法為：對加工區(qū)域向內(nèi)等距得到子環(huán)Q，i表示等 距次數(shù)，i = 1，2, 3. . . N，直到CN滿足區(qū)域半徑1. 5r73具<R〈2. 5r?w，則該環(huán)內(nèi)區(qū)域即為關(guān)鍵 區(qū)域；
[0051] (2)對于內(nèi)部包含島嶼的型腔，關(guān)鍵區(qū)域分布于島嶼周邊，區(qū)域半徑為：RKJS￥e = Ri^+NXR；^ (N值推薦范圍：1.5〈N〈2. 5)，區(qū)域構(gòu)建方法為：首先提取島嶼輪廓形狀 之后對加工區(qū)域向內(nèi)等距得到子環(huán)Cpi表示等距次數(shù)，i = 1，2,3···Ν，定義u = cN n C島 ?，若U滿足區(qū)域半徑1.51'7^〈^〈2.51'7^，則該環(huán)內(nèi)區(qū)域即為關(guān)鍵區(qū)域。
[0052] 區(qū)域劃分完成后，在擺線加工的關(guān)鍵區(qū)域中，設(shè)計變半徑擺線的加工路徑。首先， 要計算關(guān)鍵區(qū)域的擺線中心路徑，如圖3所示，計算方法為 ：
[0053] (1)提取關(guān)鍵區(qū)域的輪廓信息，這既包括關(guān)鍵區(qū)域的外部輪廓信息，也包括關(guān)鍵區(qū) 域內(nèi)島嶼的輪廓信息，提取的內(nèi)容包括線條類型、參數(shù)和坐標值；
[0054] (2)利用步驟⑴所述的信息，中心路徑的初始軌跡由輪廓區(qū)域的V0R0N0I圖計算 得出；
[0055] (3)計算步驟⑵所述圖中的每點在關(guān)鍵區(qū)域的內(nèi)切圓半徑，若半徑不在小于1. 5 個刀具范圍，則刪除該點所在部分，于是得到擺線加工的中心路徑I ;
[0056] 然后對該中心路徑再次進行離散，離散精度應(yīng)小于加工精度，在本實例中選取加 工精度的1/2作為離散精度。
[0057] 隨后提取離散點的坐標信息Pi = (Xi，yi，Zi)T，計算該點在關(guān)鍵區(qū)域的內(nèi)切圓半徑 Rin。
[0058] 將中心軸離散的每個點設(shè)定為一個擺線周期的中心Op按照變半徑擺線模型，計 算單周期刀具最大徑向深度R dcJAX，RdcJAX的具體計算方法為：
[0059] (1)選取擺線周期的起始點作為初始刀位點，本實例定義擺線周期的初始位置％ 在擺線前進方向的法向量位置：
[0060]

【權(quán)利要求】
1. 一種適用于擺線高速銑削的加工路徑的方法，其特征在于，包括以下步驟： 1) 零件模型和零件特征信息的輸入：在三維CAD軟件中讀取模型信息，選取加工區(qū)域， 設(shè)置截平面間距，設(shè)置其它加工參數(shù)，包括刀具半徑，主軸轉(zhuǎn)速，最大徑向切深，加工精度； 2) 對加工區(qū)域進行劃分，得到變半徑擺線加工的區(qū)域，此處定義該區(qū)域為關(guān)鍵區(qū)域； 3) 在擺線加工區(qū)域中，設(shè)計變半徑擺線的加工路徑，所述的擺線路徑的方法包括以下 步驟： 3. 1 :首先計算步驟2)所述關(guān)鍵區(qū)域的中心軸，將其離散得到Pi ; 3. 2 :計算每個離散點的區(qū)域內(nèi)切圓半徑R ; 3.3 :通過迭代計算每個離散點處的單周期擺線的刀具最大徑向深度，篩選離散點，取 得相鄰擺線周期間的節(jié)距Si ; 3. 4 :依據(jù)變半徑擺線的數(shù)學(xué)模型計算關(guān)鍵區(qū)域的擺線路徑，完成后離散并輸出到后置 處理程序； 4) 在對關(guān)鍵區(qū)域加工完成后，設(shè)計未加工區(qū)域的加工路徑，完成后離散并輸出到后置 處理程序； 5) 對步驟3和步驟4輸出的加工路徑進行后置處理，輸出到機床加工。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：所述步驟2)對加工區(qū)域劃分的具體方法 為： 2. 1 :若加工區(qū)域為內(nèi)部不包含島嶼的型腔，則關(guān)鍵區(qū)域分布于加工區(qū)域的中心軸的周 邊區(qū)域，區(qū)域半徑設(shè)定為N(N>1)倍刀具直徑，區(qū)域邊界的幾何結(jié)構(gòu)是基于等距型腔的邊界 形成的加工輪廓； 2. 2 :若加工區(qū)域為內(nèi)部包含島嶼的型腔，則關(guān)鍵區(qū)域分布于島嶼周邊，區(qū)域半徑為：R 區(qū)域半e= R_+NXR；m (N>1)，區(qū)域邊界的幾何結(jié)構(gòu)是基于等距型腔的邊界形成的加工輪廓。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：所述步驟3. 1的中心路徑的初始離散精 度應(yīng)小于等于加工精度。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：所述步驟3. 3中單周期擺線的刀具最大 徑向深度的計算方法為： 3. 3. 1 :選取擺線周期起始點作為初始刀位點； 3. 3. 2 :利用單純形法計算當前的刀位點與前一周期擺線加工輪廓的交點Pi ; 3. 3.3 :以Pi為起點，計算刀具在前進方向的法向量U方向上的徑向進給深度； 3. 3. 4 :通過迭代遍歷本擺線周期的刀位點，重復(fù)步驟3. 3. 2、步驟3. 3. 3過程，求得本 周期徑向深度的最大值，迭代精度小于等于加工精度。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：所述步驟3. 3中變半徑擺線中心軸離散 點的篩選方法為： 1. 1 :每個離散點處的單周期最大徑向深度小于等于初始設(shè)定值； 1. 2 :篩選出滿足步驟1. 1所述條件，且滿足點間距盡可能大的離散點序列，該點序列 的間距作為實際擺線的加工節(jié)距Sp
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：所述步驟4)中未加工區(qū)域的具體加工方 法為： 4. 1 :為縮短下刀時間，下刀位置按照該區(qū)域加工路徑規(guī)劃的需求選在關(guān)鍵區(qū)域的任意 位置； 4. 2 :加工路徑采用環(huán)切的方法。
【文檔編號】G05B19/4097GK104090528SQ201410310464
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年6月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月30日
【發(fā)明者】王清輝, 王帥, 李靜蓉 申請人:華南理工大學(xué)