[发明专利]基于球头铣削加工的工件三维表面形貌的仿真方法

权利要求书

1.一种工件三维表面形貌的建模及仿真方法，包括如下步骤：

(一)在加工表面上选取任意区域S_sim(u，v)作为仿真区域，并根据所设定的仿真区域边界选取刀位文件中影响该仿真区域内三维表面形貌生成的刀位点，其中，u、v为参数域，u∈[0，1]，v∈[0，1]；

(二)根据提取出的刀位点，建立仿真区域刀刃扫掠点云模型，刀位轨迹中任意位置的刀刃扫掠点云模型表达式为：

其中，B₀为刀具坐标系{TCS}下刀刃离散点坐标；B_i为刀具在平移和绕自身Z轴旋转后，刀刃离散点在工件坐标系中的坐标；T₁(t_i，N，θ)为刀具坐标系下绕Z轴旋转的4×4阶旋转矩阵；T₂(t_i，p₀，p₁，f₀)为刀具坐标系相对于工件坐标系的4×4阶平移矩阵；t_i为从p₀点运动到p₀、p₁点之间任意点p_i所经历时间；N为刀具转速，θ为初始切入时的刀刃相位角，p₀为三维表面形貌仿真起始刀位点坐标，p₁为三维表面形貌仿真的终止刀位点坐标，f为刀具进给速度；

对影响仿真区域所有刀位点产生的刀刃离散点云B_i叠加在一起就构成了仿真区域刀刃扫掠点云模型；

(三)提取三维表面形貌控制点，获得工件三维表面形貌

(1)根据仿真区域刀刃扫掠点云模型，提取出影响最终表面形貌的点云集合B_extract；

(2)设定仿真区域三维表面形貌采样点数p_u、p_v，其中p_u为u向采样数目，p_v为v向采样数目，进而对仿真区域进行网格划分，生成网格节点P_knot(m，n)，其中m、n为整数且m∈[1，p_u-1]，n∈[1，p_v-1]；

(3)在仿真区域网格上建立包容盒，该包容盒边界方向与节点P_knot(m，n)在加工曲面处法矢方向平行，包容盒边界与对应网格边界相同；

(4)通过节点P_knot(m，n)所对应的包容盒将点云集合B_extract中处于该包容盒内的点云提取出来，构成点云B_box(m，n)，并找出其中离网格距离最近的点作为该网格区域三维表面形貌的表征点P_s(m，n)，即为三维表面形貌控制点；

根据上述三维表面形貌控制点，即可生成工件三维表面形貌。

2.根据权利要求1所述的一种工件三维表面形貌的建模及仿真方法，其特征在于，上述步骤(二)中刀刃扫掠点云模型的建立过程如下：

(1)根据工件加工的刀位轨迹、加工参数以及每行刀路的初始相位角，确定刀位轨迹上任意位置的刀刃相位角；

(2)根据加工参数、影响仿真区域的刀位点和任意位置的刀刃相位角，利用刀具平移矩阵和旋转矩阵即可获得刀刃扫掠点云模型。

3.根据权利要求2中所述的一种基于球头铣刀超精密三轴铣削加工的工件三维表面形貌仿真方法，其特征在于，所述刀具变换矩阵包括刀具旋转矩阵T₁(t_i，N，θ)和刀具平移矩阵T₂(t_i，p₀，p₁，f)分别为：

其中e₁^T、e₂^T、e₃^T分别为矢量P₀P₁的单位矢量的X、Y、Z方向的分量。