[发明专利]基于双螺旋空间填充曲线的数控加工刀具轨迹生成方法

说明书

技术领域

本发明涉及机床技术领域的刀具轨迹规划方法，具体地说，是一种基于双螺旋空间填充曲线的数控加工刀具轨迹生成方法。 

背景技术

自由曲面广泛的应用于产品的设计中，刀具轨迹生成是自由曲面零件数控加工中最重要的内容。刀具轨迹的优劣直接影响其加工精度和加工效率。目前刀具轨迹的生成方法中传统的方法有等残留高度法、参数线法等，常用的有曲率匹配法、等梯度法，但是这些方法都有各自的缺点，而且很难将加工效率和加工质量同时兼顾。为此，我们提出了一种新的刀具轨迹生成方法，即双螺旋填充曲线，同时对其拐角部分进行了圆角处理，可以有效的满足减小冲击载荷和提高加工效率的要求。 

经对现有技术的文献检索发现，Ali Lasemi等发表的《Recent development in CNC machining of freeform surfaces:a state-of-the-art review》(刊物《Computer-Aided Design》2010.42,p641-654)，总结了目前的刀具轨迹规划方法，通过概述讲述了该方法的发展过程及其优劣，但是并未对刀具轨迹进行深入的研究。检索中还发现，李德信等发表的《Hilbert填充曲线用于刀具路径生成的算法及改进研究》（刊物《中国机械工程》2011.11.22（22），p2739-2743），详细的描述了Hilbert曲线的生成原理，并提出了用倒角的办法进行过渡来替代原来的直角过渡的方法生成加工刀具轨迹。从而减少刀具轨迹中存在的转向过于频繁对机床、刀具和工件的冲击。而且其生成的Hilbert填充曲线变向较多，且仅提出了这个思路，却并未详细的对圆弧的大小进行研究。 

发明内容

本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种基于双螺旋空间填充曲线 的数控加工刀具轨迹生成方法，对原有的Hilbert曲线进行基元的改进，提出了双螺旋填充曲线，并通过采用圆弧来圆滑处理拐角处的过渡，可以减小在拐角处发生对机床的冲击，有效的提高刀具的寿命，获得更高的加工效率和表面质量。 

本发明是通过以下技术方案实现的。 

一种基于双螺旋空间填充曲线的数控加工刀具轨迹生成方法，包括以下步骤： 

步骤1，根据残留高度和曲面形状确定填充曲线的阶数，在二维平面上生成符合要求阶数的双螺旋填充曲线； 

步骤2，对刀具轨迹的拐角部分进行改进，优化刀具轨迹； 

步骤3，根据映射原理将二维的填充曲线映射到空间曲面上从而得到符合要求的数控加工中的刀具轨迹。 

所述双螺旋填充曲线采用矩阵生成方法，包括以下步骤： 

第一步，首先得到基元； 

第二步，将各个小正方形再细分为四个不同的小正方形，并按照生成规则连接各个区域的基元； 

第三步，重复第二步不断细分下去，得到不同阶数的双螺旋填充曲线。 

所述生成规则为：F_K+1表示当前阶数K+1阶的填充曲线，F_K表示上一阶K阶的填充曲线，将F_K所形成的正方体细分为四个同等大小的小正方体，当K为奇数的时候，将F_K缩小放置在左下角的小正方体中，右上角的小正方体中的填充曲线为将其顺时针旋转90°所得，剩余两个小正方体中的填充曲线则是上下对称得到；当K时偶数的时候，将F_K缩小放置在左上角的小正方体中，右上角的小正方体中的填充曲线跟其一致，左下角的的小正方体中的填充曲线为将其顺时针旋转90°所得，右下角的小正方体中的填充曲线为将其逆时针旋转90°所得，得到四个小正方体中的填充曲线后，用直线水平或垂直连接各个小正方体中的填充曲线即可以得到F_K+1的填充曲线。 

所述刀具轨迹为从头到尾是一笔画成，并采用双螺旋线形式的基元，通过变换公式生成不同阶数的刀具轨迹，对刀具轨迹中拐角部分进行圆弧处理，再使用映射原理从而得到曲面上的刀具轨迹。 

所述圆弧处理为，当两条刀具轨迹不在同一条直线上时，将形成一拐点，使用 一个半径为r的圆弧来连接两条刀轨对其进行圆滑处理，根据残留高度h和刀具有效切削半径R来计算得知满足曲面加工精度要求的行距L，根据L计算得知r。 

所述过渡圆弧的半径大小约为r，其中，适用的最小半径公式为：                                                   所述L为刀具轨迹的行距。