[发明专利]一种用于生成无干涉的五轴加工轨迹的投影算法

说明书

技术领域

本发明属于铣削加工相关技术领域，更具体地，涉及一种用于生成无干涉的五轴加工轨迹的投影算法。

背景技术

计算机数控(CNC)加工在制造业中占据重要位置。相比于三轴加工，五轴加工增加了两个旋转轴的自由度，可实现刀具和被加工表面之间更好的贴合性，减少加工时间，提高表面加工精度。无论是三轴加工还是五轴加工都涉及加工刀具轨迹的计算，目前常用的刀具轨迹计算策略大致可分成三种：(1)CL-surface策略；(2)Contact-driven策略；(3)Projection-based策略，如图1所示。对于CL-surface策略，将刀具与工件恰好相切时的刀位点(CL)的集合定义为CL surface，刀具轨迹可直接通过确定的CL surface计算得到，如文献《Mesh-based tool path generation for constant scallop-height machining》公开了将驱动面和偏置曲面离散的的三角片模型求交确定CL轨迹，该方法可在计算CL轨迹的过程中检测并消除干涉，可适用于所有的APT(Automatically Programmed Tools)刀具三轴加工和球头刀五轴加工，但是不能适用于平底刀、环形刀和一般的APT刀具五轴加工；在Contact-driven策略中，首先计算CC轨迹，然后决定刀轴，再计算CL轨迹，如文献《Adaptive iso-planar tool path generation for machining of free-form surfaces》及《Five-axis tool path generation based on machine-dependent potential field》中均有介绍，这些方法最终生成的轨迹可能存在过切，导致加工精度不高，加工表面质量较差；对于Projection-based策略，首先确定驱动面，规划驱动轨迹，然后利用投影算法生成加工轨迹。如文献《Fixed-axis tool positioning with built-in global interference checking for NC path generation》公开了采用基于驱动轨迹的刀具向曲面离散的三角片投影的算法生成刀具加工轨迹，专利CN201410597489.5记载了一种用于五轴数控加工的等残留高度刀触点轨迹的生成方法，针对复杂网格模型的五轴加工，提出自适应的投影偏置方法来生成五轴等残留刀触点轨迹，该算法可直接生成无过切的加工轨迹，适用于任意APT刀具，但是轨迹计算效率较低。

目前刀具轨迹的投影算法还主要存在如下主要局限性：1、大多的投影算法关于防过切处理的研究仅适用于三轴加工；2、投影算法用于生成加工轨迹，加工轨迹计算效率往往较低，需要求解非线性高阶方程，方程的根即投影点位置，如果方程有多个根，极易遗漏一些根，即找不到最优解，从而导致投影算法失败，得不到正确的刀触点，使得加工轨迹缺失，严重影响被加工件表面质量；3、由于五轴加工增加了两个旋转轴自由度，导致每一个刀触点的刀轴方向都是任意的，而目前的投影算法没有给出沿任意方向投影到三角片的具体实现方案，限制了投影算法在五轴加工中的使用，使得加工轨迹相对于驱动轨迹没有规律且不均匀。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于生成无干涉的五轴加工轨迹的投影算法，其基于Projection-based策略中的投影算法的特点，针对用于生成加工轨迹的投影算法进行了设计。所述投影算法选择最短投影距离对应的刀具与三角片模型的接触点作为刀触点，其可适用于三轴及五轴、任意工件表面的加工及任意APT刀具，且可保证生成的轨迹无过切；所述投影算法给出了刀具-面和刀具向三角片的边投影的原理，将刀触点的计算集中于刀具坐标系CCS下，然后转化到工件坐标系WCS下，提高了投影效率；所述投影算法针对刀具圆环体-边投影，将刀具沿刀轴方向的投影转化为对一个一元四次方程的直接求解，避免了采用数值迭代，提高了计算效率；所述投影算法针对刀具圆环体-边投影，提出了将刀具沿任意方向投影转化为采用Bezier截断的方法求得仅包含一个实根的解区间集合并利用二分法求得一元8次方程的所有实根，进一步计算投影点，以得到加工轨迹，提高了搜索算法的灵活性，使得投影算法适用于五轴加工，保证了加工轨迹的均匀和规律性。

为实现上述目的，本发明提供了一种用于生成无干涉的五轴加工轨迹的投影算法，其包括以下步骤：

(1)将工件表面离散成三角片模型；

(2)对每一个刀具初始位置，沿投影方向对刀具建立AABB box；