CN102495593A - 一种自由曲面的数控铣削加工优化选刀方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自由曲面的数控铣削加工优化选刀方法，步骤如下：(1)获取自由曲面点云并重构自由曲面；(2)根据手动选刀的刀具类型和几何参数，生成刀位面；(3)提供刀具干涉结果；(4)自动选刀时，采用快速排序算法进行常用刀具干涉检验；(5)最优化加工刀具推荐；(6)手动验证刀具干涉情况。本发明针对自由曲面数控铣削加工建立***，根据所选刀具参数能实现刀位面的自动生成，并可视化的判别刀具干涉结果，可自动计算并推荐最优化加工刀具，避免刀具干涉且能提高加工效率。

Description

一种自由曲面的数控铣削加工优化选刀方法

技术领域

本发明涉及计算机辅助制造领域，具体设计一种自由曲面的数控铣削加工优化选刀方法。

背景技术

在形状表达领域中以复杂方式自由地变化的曲线曲面称为自由曲线曲面。曲面造型是计算机辅助几何设计和计算机图形学的一项重要内容，主要研究在计算机图形图像环境下对曲面的表示、设计、显示和分析。经过三十多年的发展，曲面造型现在已形成了以有理B样条曲面参数化特征设计和隐式代数曲面表示这两类方法为主体，以插值、拟合、逼近等手段的几何理论体系。

自由曲面已广泛应用于装备制造、汽车、造船、模具、航天等行业的复杂产品设计中。目前，自由曲面的加工主要依赖于编程工程师的经验和CAM/CNC***的仿真功能。由于自由曲面的几何复杂性，容易造成曲面内的刀具干涉现象。自由曲面数控加工的刀具干涉是影响加工质量、加工效率、损坏设备甚至威胁操作者人身安全的重要因素。国内外针对自由曲面数控加工刀具干涉的研究主要集中在数学建模等理论分析和计算上，缺少成熟的自由曲面刀具干涉可视化判别***的设计，尤其是自由曲面数控加工智能选刀的方法研究与开发至今仍是空白。当前的CAM软件中，均具备刀具管理***，建立了刀具几何尺寸及结构的数据库，操作者仅能凭借经验手工选取刀具，缺乏智能选刀功能。因此，如何在避免刀具干涉的前提下，智能选取最合适的加工刀具，以满足高精、高效的自由曲面数控加工成为了自由曲面加工的关键。

发明内容

为了解决自由曲面数控加工时单靠手工选取刀具容易引起刀具干涉现象的技术问题，本发明提供自由曲面的数控铣削加工优化选刀方法，该方法实现了自由曲面的智能选刀，避免刀具干涉且提高了数控加工的精度和效率。

本发明采用以下技术方案来解决上述技术问题：

包括以下步骤：

打开自由曲面文件，获取自由曲面的点云数据，采取MATLAB工具对原始曲面上的散乱点数据进行聚类并重构自由曲面。

手动选刀时，按照刀具类型和几何参数，根据曲面的情况(单一曲面或者复合曲面)，建立自由曲面加工的刀位面数学模型。

***自动生成偏置后的刀位面，如刀位面出现了扭曲、交叉或重叠现象，即可判断发生了刀具干涉。***能可视化的提供干涉区域和详细情况。

采用自动选刀模式时，将数据结构中的快速排序原理应用到自动选刀模块，在避免刀具干涉的基础上，自动计算并推荐最优化加工刀具，提高加工效率和效果。

自动选刀的最终结果，可通过手动选刀验证，以确定其结果的准确性、可靠性。

和现有技术相比，本发明提供的方法具有以下有益效果：本发明针对自由曲面的数控铣削加工建立优化选刀***，有手动选刀和自动选刀两种操作模式。手动选刀时，根据刀具参数和曲面类型，并可视化的判别刀具干涉结果，显著标记干涉区域以提示用户；自动选刀时，可智能计算并推荐最优化加工刀具，避免刀具干涉且能提高加工效率。为保证自动选刀的准确性，在得到自动选刀的最终结果后，可采用手动选刀验证结果。

附图说明

图1是本发明自由曲面数控加工刀具选刀的流程图；

图2是自由曲面数控加工手动选刀流程图；

图3是自由曲面数控加工自动选刀流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例：

本发明通过点云构造出一待加工的曲面，为三次NURBS曲面。可采用直径为φ4、φ6、φ8、φ10、φ16及φ20六种常用尺寸规格的球形铣刀针对同一自由曲面进行刀位面的等距生成；进而应用可识别***，生成的基于点云的自由曲面。再通过观察刀位面，可判别是否发生刀具干涉现象。

参见图1，本发明自由曲面的数控铣削加工优化选刀方法，包括以下步骤：

S101、获取自由曲面图形的点云数据或CAD三维图形；

S102、处理点云数据，重构自由曲面；

S103、是否采用自动选刀方式，如果采用自动选刀方式则转入步骤S201，否则采用的是手动选刀模式则转入步骤S301；

S201、采用快速排序算法进行刀具干涉检验；

快速排序算法检验刀具干涉的一个例子如下：在自动选刀操作模式中，采用快速排序算法，设定常用的球刀集合，为从直径φ2到直径φ32的球刀集合。首先选用直径φ2球刀，未发生干涉，***即选用直径φ32球刀，发生干涉；然后，自动选取球刀集合的中间数值，即直径φ16(为从2到32集合的中间数值)球刀检验，若也发生干涉，则再次自动选取中间数值，即直径φ8(为从2到16集合的中间数值)球刀检验，判断得出无干涉。***自动选取φ10刀具，发现有干涉现象，至此，***可判别出针对该曲面直径φ8刀具为避免干涉的最大尺寸球刀。

S202、根据刀具的类型和尺寸对刀具进行排查，选取最优化的加工刀具，避免了刀具干涉且能实现高效加工；

S203、根据所选取的最优化加工刀具，自动形成优化加工方案；

S204、若需要手动验证所形成的优化加工方案则转入步骤S301，若不需要手动验证所形成的优化加工方案则转入步骤S104；

S301、手动选取刀具；

S302、根据刀具参数和所重构的自由曲面，采用等距法等方法建立自由曲面的刀位面；

S303、可视化刀位面，判别刀位面是否存在扭曲、交叉等刀具干涉现象；一旦存在干涉现象，可返回步骤S301选取尺寸比步骤S301手动选取的刀具要小的刀具，一直到未有刀具干涉为止；如果没有干涉，即可认为步骤S301手工选取的刀具可以用来加工步骤S102所重构的自由曲面；

S304、确定刀具是否为最优化的刀具(无干涉且加工效率最高)，若是则转入步骤S104，若否则返回步骤S301继续手动选取刀具。

S104、完成刀具选择。

图2是自由曲面数控加工手动选刀流程图。优选地，若生成的刀位面发生扭曲、交叉等干涉现象，则转入步骤S3031重新选取尺寸比步骤S301手动选取的刀具要小的刀具，重新生成刀位面，一直到未有干涉为止，即可确定适合的刀具；若生成的刀位面未发生扭曲、交叉等干涉现象，则转入步骤S3032重新选取尺寸比步骤S301手动选取的刀具要大的刀具来判断是否发生几何干涉，直至发生干涉为止，则发生干涉前的刀具尺寸为可避免刀具干涉且加工效率最高的刀具尺寸，即最优化的刀具尺寸。

上述手动选刀优选实施方式的一个实例如下：采用直径φ4的球刀生成的刀位面光顺性良好，无干涉现象。选取尺寸大一点的刀具，采用直径φ8的球刀生成的刀位面光顺性良好，无干涉现象。再选取尺寸大一点的刀具，采用直径φ16大球刀生成刀位面，刀位面扭曲交叉，有干涉现象。依次采用直径φ14、φ12及φ10的球刀进行测试，发现均有干涉现象。综上可以得知，采用直径φ8球刀加工曲面，***生成刀位面未有干涉现象，该刀具为未发生干涉现象且加工效率最高刀具。

因此，在避免干涉的前提下，可选用直径φ16的球刀先行加工，在将发生曲面的平面开始选用直径φ8的刀具进行加工，即***能指导曲面加工在避免干涉的基础上提高加工效率。

在本发明中，如有刀具干涉，还会将干涉的显著位置提示给用户并可查看干涉位置和范围。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.自由曲面的数控铣削加工优化选刀方法，其特征在于，包括以下步骤：

S101、获取自由曲面图形的点云数据；

S102、处理点云数据，重构自由曲面；

S103、如果采用自动选刀方式则转入步骤S201，如果采用手动选刀模式则转入步骤S301；

S201、采用快速排序算法进行刀具干涉检验；

S202、根据刀具的类型和尺寸对刀具进行排查，选取最优化的加工刀具；

S203、根据所选取的最优化加工刀具，自动形成优化加工方案；

S204、若需要手动验证所形成的优化加工方案则转入步骤S301，否则转入步骤S104；

S301、手动选取刀具；

S302、根据刀具参数和所重构的自由曲面，建立自由曲面的刀位面；

S303、可视化刀位面，判别刀位面是否存在刀具干涉现象；若存在干涉现象，返回步骤S301选取尺寸比步骤S301手动选取的刀具要小的刀具，一直到未有刀具干涉为止；

S304、确定刀具是否为最优化的刀具，若是则转入步骤S104，若否则返回步骤S301继续手动选取刀具；

S104、完成刀具选择。

2.如权利要求1所述的自由曲面的数控铣削加工优化选刀方法，其特征在于，所述步骤303还包括：若不存在干涉现象，则重新选取尺寸比步骤S301手动选取的刀具要大的刀具来判断是否发生刀具干涉，直至发生刀具干涉为止，则发生刀具干涉前的刀具尺寸为最优化的刀具尺寸。

3.如权利要求1所述的自由曲面的数控铣削加工优化选刀方法，其特征在于，在步骤S302中采用等距法建立自由曲面的刀位面。

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