[发明专利]型腔数控加工螺旋曲线轨迹规划方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种型腔数控加工螺旋曲线轨迹规划方法，可用于型腔的高速切削加工，属于数字化制造领域。

背景技术

在型腔的数字化制造领域，刀具轨迹直接影响型腔的加工效率、加工表面质量与加工区域的振动。因此，如何规划合理、高效的刀具轨迹一直是工业界和学术界重要的研究内容。当前型腔的刀具轨迹形式主要为行切方式与环切方式。行切方式存在的问题为：型腔内包含多个岛屿且边界与岛屿轮廓可能包括自由形状曲线的复杂型腔的行切刀具轨迹，要经常进刀与退刀、或顺铣与逆铣交替使用，加工效率低，且切削路径不连续，在高速切削的时候容易引起工件与刀具的振动与变形，从而影响型腔的加工精度，缩短刀具寿命。环切方式指刀具轨迹为型腔边界的偏置线，是型腔加工的主要刀具轨迹方式，存在的问题为：偏置线算法复杂，在偏置型腔边界时，不仅要考虑型腔轮廓本身的拓扑变化问题，还要考虑偏置的轮廓与岛屿间复杂的拓扑变化问题，如自交和互交问题，造成计算量庞大。环切加工方式同样存在频繁的进退刀、边界角点的加工存在刀具振动问题，而且对于自由曲线型腔边界的轨迹规划处理极其复杂。对于摆线刀具路径，刀具空行程多，加工效率低，而且加工行距难于控制，所以很难实现等残留高度切削。

经对现有的技术文献检索发现，美国专利US6591158B1公布了基于求解偏微分方程技术的低曲率螺旋曲线轨迹构造方法，这种方法的基本思想是将型腔的加工区域作为椭圆型偏微分方程的求解区域，然后通过给出偏微分方程的边界条件求其数值解。根据偏微分方程的数值解形成互不相交的解的等高线族，通过修正等高线族构造光滑的螺旋曲线，生成满足平面型腔高速切削加工的低曲率刀具轨迹。通过偏微分方程的数值解构造光滑的螺旋线，其优点是加工轨迹连续且光滑，加工过程中只有一次进刀与退刀，而且在高速加工过程中没有切削力突变。其缺点是：这种方法的应用仍局限在处理圆形或接近圆形的外形轮廓型腔，还不能直接应用到带岛的、狭长复杂型腔的切削加工，而且不满足复杂型腔的高速加工要求。

发明内容

本发明的目的在于针对现有型腔数控加工刀具轨迹存在的不足，提出一种型腔数控加工螺旋曲线轨迹规划方法，能处理狭长型腔及带岛型腔的高速切削加工，提高加工效率、减少加工区域振动和提高加工表面质量。

为实现上述目的，本发明首先将型腔边界嵌入到高一维空间的水平集函数中去，水平集函数的零水平集即为型腔边界，将水平集函数初始化为符号距离函数。通过求解水平集方程得到型腔边界的偏置，修正水平集方程的速度函数，使高曲率区域在生成偏置线时能够光滑。通过控制边界推进的时间来控制偏置线间的距离，型腔边界推进的过程中，自然处理复杂的拓扑变化，然后分别在不同区域进行螺旋曲线轨迹规划。

本发明的方法具体包括如下步骤：

1、将型腔边界嵌入到高一维空间的水平集函数中去，水平集函数的零水平集即为型腔边界；将水平集函数初始化为符号距离函数，目的是在求解水平集方程的时候能保证数值解的稳定性与提高解的精度。

2、控制型腔边界运动的方程为水平集方程，通过求解水平集方程得到型腔边界的偏置，引入曲率项来修正水平集方程的速度函数，使高曲率区域在生成偏置线时能够光滑。根据加工要求，给定偏置线间的距离；型腔边界推进的速度由两部分组成，一部分为法向速度项，通常取常数为1，另外一部分为曲率项。根据型腔边界推进的距离为推进的速度与推进时间的乘积的关系式，通过控制型腔边界推进的时间以控制偏置线间的距离；在曲率为零的地方产生原象的等距线，在曲率不为零的地方产生光滑的偏置线。

3、对于型腔内包含多个岛屿且型腔边界与岛屿轮廓可能包括自由形状曲线的复杂型腔，型腔边界向内推进时，当遇到岛屿的时候则停止推进，然后将岛屿与型腔边界共同推进，形成区域分割；或者，将岛屿的边界向外推进，当遇到型腔边界的时候则停止岛屿边界的推进，然后将岛屿与型腔的边界共同推进；由此在型腔边界推进的过程中产生区域的自动分割。

4、对于每一个分割区域，利用计算几何理论，在每一条偏置线上按照等弧长原则选择N个离散点，然后通过求解偏置线的法线微分方程，获取在离散点处相邻偏置线间的N条横截线；将N条横截线进行N等分，在每条横截线上选择一个点，所选择的点与内轮廓的距离逐渐增加，然后依次连接所选择的点，构造螺旋曲线；

5、所有不同分割区域的螺旋曲线构造完成后，即完成型腔数控加工螺旋曲线轨迹规划。