[发明专利]基于包络理论的数控加工仿真中通用刀具扫描体生成方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种数控加工仿真技术，具体的说，是一种基于包络理论的数控加工仿真中通用刀具扫描体生成方法。

背景技术

随着自由曲面零件在航空、船舶、汽车等先进制造行业的广泛应用，如何实现自由曲面零件的高效加工已成为计算机辅助设计与制造领域的热点和难点问题。NC程序的正确性是提高数控加工的生产率和零件质量的必要条件。作为一种高效的NC程序验证方法的数控加工仿真已成为研究热点。

利用计算机进行数控加工仿真，从软件上实现零件的试切过程，将数控程序的执行过程在计算机屏幕上显示出来，是一种高效的NC程序验证方法。在动态模拟时，刀具可以实时在屏幕上移动，刀具与工件接触之处，工件的形状就会按刀具移动的轨迹发生相应的变化。观察者可在屏幕上看到的是连续的、逼真的加工过程。利用这种视觉检验装置，就可以很容易发现刀具和工件之间的碰撞及其它错误的程序指令。

数控加工三维仿真的主要实现过程是建立刀具和毛胚的实体模型，运行NC加工程序，通过刀具对毛胚的切削操作来模拟实际加工过程中的动态材料去除过程，实现对实际加工过程仿真的目的。刀具对毛胚的切削操作主要是通过刀具在某个运动指令中形成的刀具扫描体与毛胚求交来完成的。因此，刀具扫描体的计算是数控加工仿真中的一项重要内容，其生成算法的优劣直接影响刀具扫描体与毛胚的求交算法的效率，进而影响加工仿真算法的效率和仿真过程的三维视觉效果。并且，扫描体对判断刀具与周围物体的碰撞和干涉情况有重要的作用。

关于数控加工仿真中刀具扫描体的生成方法的研究工作主要可以分为两类：精确求解方法和近似求解方法。但目前的工作存在如下问题和局限性：一、只针对三轴数控加工仿真中刀具扫描体的生成。二、只适用于特定刀具类型的扫描体生成。而实际数控加工中，刀具的类型和运动方式都是多样化的。五轴数控加工的因其高效加工的特点已被广泛应用，其比三轴加工多了两个自由度，增加了刀具运动的灵活性和复杂性，因而，刀具扫描体的生成的难度也大大增加。

发明内容

为了克服现有的数控加工仿真中扫描体成算法的不足，本发明要解决的技术问题是提供一种真实感强，适用范围广、可用于多种刀具类型和刀具的运动方的基于包络理论的数控加工仿真中通用刀具扫描体生成方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

本发明基于包络理论的数控加工仿真中通用刀具扫描体生成方法包括以下步骤：

根据NC程序确定刀具参数，利用参数根据图1的通用刀具模型的定义构建刀具模型，利用刀具模型计算刀具初始位置数据；

如果没有刀位数据结束信息，则读入下一组刀位数据，根据相邻两组刀位数据计算刀具扫描体，得到两个刀具位置之间的刀具扫描体数据。

其特征在于所述根据相邻两组刀位数据计算刀具扫描体的过程为：

根据读入的下一组刀位数据，建立刀具的运动坐标系，在该坐标系下计算刀具表面法矢量和刀具的曲面族方程；

根据刀位数据，计算刀具的平移速度和旋转速度；

根据刀具的表面法矢量和刀具的平移速度及旋转速度，构建刀具扫描体的临界线方程，求解该方程，得到刀具位置的临界线；

利用临界线和刀具曲面族的表达式，计算刀具扫描体的包络面，生成刀具扫描体。

所述的刀具表面法矢量的计算过程为：

式中Q是刀具圆环面上任一点，该点的法矢量为N(Q)，是刀具圆环表面的参数，e₁、e₂、e₃为刀具运动坐标系的三个分量。

所述的刀具曲面族的计算过程为：

是刀具圆环部分曲面族，P(t)是刀心点运动轨迹，是刀具圆环表面的参数，e₁、e₂、e₃为刀具运动坐标系的三个分量，rtc为刀角半径，e为圆环圆心点到刀轴的径向距离。

所述的刀具速度的计算过程为：

式中Q是刀具圆环面上任一点，该点的速度为V(Q)，Vo是该点的平移速度，rtc为刀角半径，e为圆环圆心点到刀轴的径向距离，是刀具圆环表面的参数，e₁、e₂、e₃为刀具运动坐标系的三个分量，ω是角速度。

所述的平移速度Vo通过以下公式得到：