一种基于三点定弧的扇环形高速加工区域生成方法技术

本发明专利技术提供一种三点定弧的扇环形高速加工区域生成方法，该生成方法通过对待加工区域的边界曲线进行偏置，求取定弧的三点，并进一步确定弧线及其参数方程，再通过布尔运算确定边界曲线内近似最长的弧线，最后输出扇环形高速加工区域；并可以通过不断迭代实现整个待加工区域的高速加工分区和光顺刀路路径规划，有效提高加工效率，降低加工成本。且本发明专利技术的生成方法具有较高的普适性和鲁棒性。成方法具有较高的普适性和鲁棒性。成方法具有较高的普适性和鲁棒性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于三点定弧的扇环形高速加工区域生成方法


[0001]本专利技术属于自由曲面高速加工区域划分和刀具路径规划
，具体涉及一种基于三点定弧的扇环形高速加工区域生成方法。

技术介绍

[0002]高速加工技术是现今模具制造中收效最为显著的一项先进制造技术，它是指利用高主轴转速和高进给速度来实现高材料去除率的一种领先技术。根据高速切削的基本原理，在切削速度达到某一点后，切削机理发生本质变化，提高主轴转速实际上会降低切削热和切削力。对比传统切削加工，高速加工单位切削力降低30％，刀具寿命增加70％。除此之外，高速加工具有加工效率高、表面光洁度好、工件热应力变形小等优点。
[0003]随着高速加工在实际生产中的应用范围扩大，对新型刀具材料的研究、刀具设计结构的改进、数控刀具路径新策略的产生和切削条件的改善等各方面均有所突破。首先，为实现高速切削加工，目前主流机床已经配备了刚性极高的主轴和性能强大的伺服驱动系统以及带有快速插补功能的先进数字控制器。其次，一方面，目前电主轴、直线电机等一系列高速执行机构已被广泛应用。另一方面，是对主轴转速、进给速度、轴向和径向切削深度等切削参数。在过去几十年里，许多研究都为探索高速加工中，不同切削条件下硬质材料的最佳切削参数做出了贡献。第三，实现高速切削，刀具路径特性也非常重要。一方面，为了满足运动约束和适应高进给速度，刀具路径应尽可能平滑，即至少G1连续；否则会导致轨迹上的不连续点(如拐角)完全停止，并显著降低平均进给速度。另一方面，为了减少刀具颤振和刀具磨损，最好在整个高速切削过程中实现材料的持续去除。
[0004]针对数控加工中刀具路径的新策略，现有的研究集中在提高工件表面高速加工区域的占比上。然而现有研究普适性较强，但对提高特殊形状(如弯曲环状等)的工件表面高速加工区域的面积占比讨论较少且效果不是特别显著。在定制化产品生产制造逐渐推行的当下，针对特殊形状工件的加工效率亟待提高。

技术实现思路

[0005]为了更大幅度地提高特殊形状工件高速加工区域面积占比，弥补现有普适性分区算法的性能不足，本专利技术提供一种基于三点定弧的扇环形高速加工区域生成方法。该方法相对于其他普适性的分区刀路规划算法，在保持普适性和鲁棒性的基础上，针对某些特殊形状工件在进行层切之后的边界曲线，通过三点确定弧线和布尔运算来获取边界曲线内近似最长“中心弧线”，由“中心弧线”参数，输出包含四段圆弧线的参数及最大扇环形边界，通过不断迭代，实现整个加工表面的高速加工分区和光顺刀路路径规划。
[0006]一种基于三点定弧的扇环形高速加工区域生成方法，包括以下步骤：
[0007](1)输入当前层待加工区域的边界曲线b0、刀具半径ρ、构造偏置次数N、初始最小路径面积S
min
；
[0008](2)将边界曲线b0向内偏置一次，并对偏置后的曲线上的全部顶点进行多段线简
化，得到曲线b
s
；
[0009](3)遍历曲线b
s
上所有顶点，按每两个顶点间的距离排序组对，并存入集合{Pverts}；
[0010](4)取集合{Pverts}中距离最大的一对顶点作为当前顶点对，连接当前顶点对得长度为D的线段K，求曲线b
s
与线段K垂直平分线的交点，存入集合{P}；
[0011](5)计算{P}中每个交点与线段K中点P
m
的距离，根据该距离与0.5D的关系确定定弧点；
[0012](6)采用三点定弧法确定弧线，利用得到的定弧点与当前顶点对确定弧线及其参数；
[0013](7)离散得到的弧线构造多段线，判断该多段线与曲线b
s
是否干涉；
[0014]若不干涉，直接进入步骤(8)；
[0015]若干涉，则将步骤(5)中得到的定弧点向靠近P
m
的方向平移设定距离，同时更新定弧点，并重复步骤(6)和(7)；
[0016](8)输出弧线的参数，根据弧线的参数和边界曲线b0的偏置距离构造所述扇环形高速加工区域。
[0017]上述步骤(1)中，输入的边界曲线b0是经过固定方向层切工件三维模型后得到的某一层的轮廓曲线，其为包含多个点的封闭的多段线；构造偏置次数N是为了求最大面积的扇环区域，对边界曲线b0进行偏置的次数；初始最小路径面积S
min
用以限定刀具的最小加工区域面积。
[0018]步骤(2)中，对边界曲线b0进行偏置时，应满足偏置后的曲线所限定的区域面积S＞S
min
；若S<＝S
min
，则不再进行偏置。
[0019]步骤(3)中，将曲线b
s
上所有顶点两两组成一个顶点对，并将所有顶点对按照顶点对之间的距离大小进行排序后存入集合{Pverts}中。
[0020]步骤(4)中，曲线b
s
与线段K垂直平分线的交点通常存在至少两个。
[0021]步骤(6)中，弧线的参数方程包括弧线所在虚拟圆的圆心P
ct
、半径R
arc
、弧线的起始角θ
st
、终止角θ
ed
。由步骤(5)中得到的定弧点与步骤(4)中取出的距离最大的一对顶点共三点，根据几何关系可以构造唯一确定的圆弧(弧线)，并确定弧线所在虚拟圆的圆心、半径、圆心角、起始角和终止角。
[0022]步骤(8)中，输出的弧线作为中心弧线，边界曲线b0的偏置距离即指为得到曲线b
s
边界曲线b0最终的偏置距离d。得到的扇环形高速加工区域的边界曲线由两个分别与中心弧线平行的弧线以及分别连接两个弧线两端的半圆弧组成，其中半圆弧的半径即为偏置距离d；得到所述扇环形高速加工区域后，按刀具半径填充该扇环形高速加工区域即可获得高速加工光顺刀路。
[0023]作为优选，步骤(2)中，边界曲线b0进行偏置的偏置距离d
i
通过偏置次数N计算得到：
[0024]利用clipper对边界曲线b0做偏置运算，偏置距离从微小值ε(通常设定为ε＝1)开始，按次数依次累加ε(即第一次偏置距离为ε，第二次偏置距离为2ε，以此类推)，直至偏置后的曲线所限定的面积S<＝S
min
时，记录此时的偏移量d
m
，则每次的平均偏移量即所求的偏置距离d
i
＝d
m
/N。
[0025]作为优选，步骤(2)中，对偏置后的曲线上的全部顶点进行多段线简化，采用按距离抽取顶点的方式进行，具体操作为：
[0026]按顺序由第一个顶点开始，将第一个顶点作为当前顶点，删除与其距离小于设定距离d
p
的顶点，至与当前顶点的距离大于或等于设定距离d
p
的下一顶点，以下一顶点作为当前顶点，以此类推，直到最后一个顶点；将保留下的点依次相连即为简化后的多段线，即曲线b
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于三点定弧的扇环形高速加工区域生成方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)输入当前层待加工区域的边界曲线b0、刀具半径ρ、构造偏置次数N、初始最小路径面积S
min
；(2)将边界曲线b0向内偏置一次，并对偏置后的曲线上的全部顶点进行多段线简化，得到曲线b
s
；(3)遍历曲线b
s
上所有顶点，按每两个顶点间的距离排序组对，并存入集合{Pverts}；(4)取集合{Pverts}中距离最大的一对顶点作为当前顶点对，连接当前顶点对得长度为D的线段K，求曲线b
s
与线段K垂直平分线的交点，存入集合{P}；(5)计算{P}中每个交点与线段K中点P
m
的距离，根据该距离与0.5D的关系确定定弧点；(6)采用三点定弧法确定弧线，利用得到的定弧点与当前顶点对确定弧线及其参数方程；(7)离散得到的弧线构造多段线，判断该多段线与曲线b
s
是否干涉；若不干涉，直接进入步骤(8)；若干涉，则将步骤(5)中得到的定弧点向靠近P
m
的方向平移设定距离，同时更新定弧点，重复步骤(6)和(7)；(8)输出弧线的参数，根据弧线的参数和边界曲线b0的偏置距离构造所述扇环形高速加工区域。2.根据权利要求1所述的基于三点定弧的扇环形高速加工区域生成方法，其特征在于，步骤(5)中，若{P}中每个交点与P
m
的距离均大于0.5D，则对于任一未遍历交点，将该交点向靠近P
m
的方向平移使其与P
m
的距离等于0.5D，得到新的点，并将该新的点作为定弧点；遍历{P}中所有交点，得到所有交点对应的定弧点，对每个定弧点分别按照步骤(6)、(7)和(8)处理，得到多个扇环形高速加工区域，取面积最大的扇环形高速加工区域作为最终的输出结果。3.根据权利要求2所述的基于三点定弧的扇环形高速加工区域生成方法，其特征在于，若步骤(5)中得到的多个定弧点分别经过步骤(6)，并进入步骤(7)后得到的多条多段线中，存在一条或多条多段线与曲线b
s
不干涉，则以与曲线b
s
不干涉的一条多段线对应的...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛勇，林志伟，张富能，刘继辉，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：