[发明专利]一种三角网格模型的多约束数控加工轨迹生成方法

说明书

本发明提供一种三角网格模型的多约束数控加工轨迹生成方法，包括在读入三网格模型并建立拓扑信息后，以加工带宽为约束进行自适应网格细分；以细分后网格曲面上的某一未标记顶点作为轨迹初始点，计算当前刀触点一阶领域内各未标记顶点的选择度量指标，其值最大的顶点作为下一个刀触点，其中选择度量指标为当前刀触点到各候选点方向的最大进给速度、加工带宽、最优走刀方向权值的加权和；所有被选刀触点及加工带宽范围内刀触点均被做标记，当某一个刀触点的一阶邻域没有未标记点时，该轨迹结束；重复生成下一条轨迹直到网格所有顶点被标记。该方法能够由复杂三角面片模型有效地生成满足机床运动学约束和几何加工精度等约束。

技术领域

本发明涉及CAM技术领域，尤其涉及三角网格模型的多约束数控加工轨迹生成方法。

背景技术

在对三角网格模型进行刀具轨迹规划时，传统的方法如等残留高度法、等参数线法和截平面法等大多都是基于曲面的局部几何信息而忽略了机床的运动学特性对刀触点轨迹生成的影响，在实际加工时，机床也往往是按照恒定的进给速度运行。在进行五轴数控加工时，即使机床在恒定的进给速度下，当加工过程中遇到工件局部曲率变化剧烈、形状变化较大时，刀具将产生较大的振动起伏，机床本身的进给速度和加速度也将产生很大的波动，甚至会超出速度和加速度的最大限制，这将严重影响刀具的寿命和加工精度，甚至会损伤机床，严重制约了五轴数控加工效率和精度的提高。因此，在进行刀具轨迹规划时既要满足工件曲面几何特性的约束，也要满足机床运动学特性的约束，使机床在各刀触点进行走刀时不超过其最大速度和加速度的约束，保证机床运动的平稳性，充分发挥机床本身的作用，提高加工效率和精度。

现有研究方法中基于运动学及动力学约束的刀具轨迹规划方法主要有两类，一类是在刀具轨迹生成之后基于运动学或动力学约束对刀具轨迹进行优化，使机床加工时的走刀路径满足机床运动学或动力学的约束。例如，Castagnetti C等在学术期刊《Computer-Aided Design》2008,40(9):938-950发表的学术论文“The Domain of AdmissibleOrientation concept:A new method for five-axis tool path optimisation”中提出相同二次曲线的概念，为减小加工时机床各轴的振动和冲击，根据倾斜角最小原则生成无局部干涉且满足机床运动学约束的刀具轨迹；Lavernhe S等在学术期刊《Computer-AidedDesign》2008,40(10–11):1015-1023发表的学术论文“Optimization of 5-axis high-speed machining using a surface based approach”中提出用一组或一个曲面来表达刀具轨迹上的某一特定点并对加工曲面施加运动学约束和几何约束，通过解耦得到满足刀具走刀最大进给速度的刀具轨迹；Wang N等在学术期刊《Computer-Aided Design》2008,40(12):1067-1079发表的学术论文“Five-axis tool path generation for a flat-endtool based on iso-conic partitioning”中提出等圆锥的概念，把各个刀触点处的法矢映射到高斯球面适当范围内，并根据倾斜角最小原则确定刀轴矢量，采用等圆锥刀具轨迹规划方法，使机床回转轴角速度、角加速度和刀轴矢量的起伏波动满足了机床的运动学和动力学约束的要求；Liu X等在学术期刊《International Journal of Machine ToolsManufacture》2005,45(4):433-444发表的学术论文“Adaptive interpolation schemefor NURBS curves with the integration of machining dynamics”中提出利用NURBS曲线插补时从轨迹上的曲率较大处和速率敏感点，可能与机床固有频率吻合的高频响应以及过大的加加速度三个方面考虑了机床的动力学特性因素；Sherwin S J等在学术期刊《Machining ScienceTechnology》2007,11(3):287-311发表的学术论文“MODELING OF5-AXIS MILLING PROCESSES”中比较了在用不一样的后跟角和侧偏角加工时球头刀的切削力的变化,从其比较分析结果中找出最佳的走刀方向；Morishige K等在学术期刊《Journalof the Japan Society for Precision Engineering》2006,72(5):652-656发表的学术论文“Tool Path Generation for 5-Axis Control Machining Considering Change inTool Attitude for whole of Machining Surface”中认为球头刀加工切削工件的质量和走刀方向有关,相邻两行走刀轨迹间的走刀方向光顺时也需考虑机床的动力学特性。这类后优化算法在一定程度上能够提高轨迹的运动学或动力学性能，但由于轨迹已经确定，这类优化难以从根本上优化轨迹的运动学或动力学性能，另外，由于其在优化后可能改变轨迹参数，以致影响轨迹加工精度。