一种基于指导方向场生成数控机床加工路径的方法技术

本发明专利技术公开了一种基于指导方向场生成数控机床加工路径的方法，包括：获得目标曲面中各三角面上的法向与主曲率方向，并构建局部坐标系；将各三角面上的方向设置为最大速度约束函数取极大值的方向；判断目标曲面中是否存在奇异面，若存在，则基于法向分割所述目标曲面，并初始化目标曲面各片中三角面上的方向，接着迭代合并相邻片并改变被合并片中三角面上设置的方向；然后应用优化算法提升方向场的光滑性，同时使生成的指导方向场具有高材料去除率；应用等值线算法计算目标曲面上各顶点对应的函数值，并提取等值线作为数控机床加工路径。该方法有效避免了现有方案生成指导方向场时不能保证方向场内部光滑性以及将目标曲面分成过多片的缺点。分成过多片的缺点。分成过多片的缺点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于指导方向场生成数控机床加工路径的方法


[0001]本专利技术涉及计算机辅助制造
，尤其涉及一种基于指导方向场生成数控机床加工路径的方法。

技术介绍

[0002]基于指导方向场生成数控机床加工路径是指通过在目标曲面上设计一个带有加工意义的指导方向场来指导生成数控机床加工路径，使得机床按照生成的数控机床加工路径对目标曲面的切削是高效的。现有的考虑机床加工中材料去除率指标的指导方向场生成方法通常首先在目标曲面上均匀采样一系列点，并设置采样点处的方向为对应最大材料去除率的方向。在后续生成数控机床加工路径时，为提升加工效率，现有方法通常基于指导方向场内部方向的连续性或生成的加工路径与指导方向场之间偏离的程度对目标曲面进行分割。
[0003]上述传统的指导方向场生成与目标曲面分割技术主要存在以下两方面的问题：一方面指导方向场内部的光滑性没有保证；另一方面基于工程经验的启发式方向场分割算法往往导致目标曲面被分成过多片，使得机床在实际加工中难以加速到理论速度上限，最终导致加工效率的降低。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种基于指导方向场生成数控机床加工路径的方法，该方法有效避免了现有方案生成指导方向场时不能保证方向场内部光滑性以及将目标曲面分成过多片的缺点，能够方便地生成想要的指导方向场与数控机床加工路径，适用于对五轴数控机床和球头刀具的情形，尤其适用于对目标曲面进行精加工。
[0005]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种基于指导方向场生成数控机床加工路径的方法，所述方法包括：步骤1、获得目标曲面中各三角面上的法向与主曲率方向，并构建局部坐标系；步骤2、获得目标曲面中各三角面上最大速度约束函数取极大值对应的方向；步骤3、将所述目标曲面中各三角面上的方向设置为步骤2中最大速度约束函数取极大值对应的方向；步骤4、判断所述目标曲面中是否存在奇异面；步骤5、若所述目标曲面中存在奇异面，则基于法向分割所述目标曲面，并初始化目标曲面各片中三角面上的方向为高斯映射对应球面上的最大速度约束函数取极大值的方向，接着迭代合并相邻片并改变被合并片中三角面上设置的方向；步骤6、对所述目标曲面上设置的指导方向场应用优化算法提升光滑性，同时使指导方向场具有高材料去除率；步骤7、然后应用等值线算法计算所述目标曲面上各顶点对应的函数值，并提取等值线作为数控机床加工路径。
[0006]由上述本专利技术提供的技术方案可以看出，上述方法有效避免了现有方案生成指导方向场时不能保证方向场内部光滑性以及将目标曲面分成过多片的缺点，能够方便地生成想要的指导方向场与数控机床加工路径，尤其适用于对目标曲面进行精加工。
附图说明
[0007]为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
[0008]图1为本专利技术实施例提供的基于指导方向场生成数控机床加工路径的方法流程示意图。
[0009]图2为本专利技术实施例提供的目标曲面分割与指导方向场生成过程示意图。
[0010]图3为本专利技术实施例提供的基于指导方向场生成数控机床加工路径的示意图。
具体实施方式
[0011]下面结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例，这并不构成对本专利技术的限制。基于本专利技术的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术的保护范围。
[0012]如图1所示为本专利技术实施例提供的基于指导方向场生成数控机床加工路径的方法流程示意图，所述方法包括：步骤1、获得目标曲面中各三角面上的法向与主曲率方向，并构建局部坐标系；在该步骤中，首先读取目标曲面，目标曲面以三角网格的形式表示；对目标曲面中的各三角面，计算三角面上的法向，令三角面的三个顶点分别为，，，并令对应顶点的边为，j为0、1和2；则对应的法向，顶点，，对应的法向，，取为顶点相邻面法向的平均；令,为三角面上的局部坐标系，为三角面上的第二基本型，应用最小二乘法求解如下线性方程组：用最小二乘法求解如下线性方程组：用最小二乘法求解如下线性方程组：得到后，计算的最大特征值与最小特征值，以及对应的特征向量；再将最大特征值对应的特征向量与最小特征值对应的特征向量还原到全局坐标系中，令为三角面上局部坐标系的轴方向，为三角面上局部坐标系的轴方向，进而得到三角面上的局部坐标系；其中，三角面上的单位向量表示为角度形式，其中为与的夹角，有：。
[0013]步骤2、获得目标曲面中各三角面上最大速度约束函数取极大值对应的方向；在该步骤中，对于五轴机床，两个旋转轴主要负责定位刀头至预设的方向，三个线
性轴负责移动刀头切削来去除多余的材料。由于两个旋转轴的旋转半径很小，刀头处的切削速度主要由三个线性轴决定，而两个旋转轴对切削速度的贡献很小，故在本实例中假设两个旋转轴对切削速度的贡献为零，各线性轴的最大速度是相同的，故由三个线性轴组成的速度多胞形是一个立方体。
[0014]针对目标曲面，采样目标曲面中各三角面的重心为三角面上的刀头接触点；对每个三角面，刀头接触点处速度多胞形的中心为该点的坐标；过刀头接触点的切平面与速度多胞形相交得到的平面多边形即为二维速度多胞形；从刀头接触点处出发沿进给方向的射线与二维速度多胞形的交点与刀头接触点之间的距离即为沿该进给方向的最大速度；以从刀头接触点出发的进给方向为自变量，对应的最大速度为应变量，得到该刀头接触点处的最大速度约束函数；其中，最大速度约束函数取极大值的方向在所述二维速度多胞形的顶点处得到。
[0015]步骤3、将所述目标曲面中各三角面上的方向设置为步骤2中最大速度约束函数取极大值对应的方向；在该步骤中，随机选取所述目标曲面中的一个三角面，表示为，设置该三角面上的方向为最大速度约束函数取最大值对应的方向；从该三角面出发，首先遍历与相邻的面，若相邻面上未设置方向，则按照LC联络(Levi
‑
Civita联络)将该三角面上设置的方向传递到所述相邻面上，并在所述相邻面最大速度约束函数取极大值对应的方向中选取最接近的方向，设置为所述相邻面的方向；重复上述操作，直至所述目标曲面中所有的三角面都设置方向。
[0016]步骤4、判断所述目标曲面中是否存在奇异面；在该步骤中，对每个三角面，遍历与三角面相邻的面，若三角面与相邻面上设置方向的夹角在LC联络下大于30度，则判断所述目标曲面中存在奇异面。
[0017]步骤5、若所述目标曲面中存在奇异面，则基于法向分割所述目标曲面，并初始化目标曲面各片中三角面上的方向为高斯映射对应球面上的最大速度约束函数取极大值的方向，接着迭代合并相邻片并改变被合并片中三角面上设置的方向；在该步骤中，根据最大速度约束函数的定义，给定五轴机床参数，仅与采样点处的法向有关本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于指导方向场生成数控机床加工路径的方法，其特征在于，所述方法包括：步骤1、获得目标曲面中各三角面上的法向与主曲率方向，并构建局部坐标系；步骤2、获得目标曲面中各三角面上最大速度约束函数取极大值对应的方向；步骤3、将所述目标曲面中各三角面上的方向设置为步骤2中最大速度约束函数取极大值对应的方向；步骤4、判断所述目标曲面中是否存在奇异面；步骤5、若所述目标曲面中存在奇异面，则基于法向分割所述目标曲面，并初始化目标曲面各片中三角面上的方向为高斯映射对应球面上的最大速度约束函数取极大值的方向，接着迭代合并相邻片并改变被合并片中三角面上设置的方向；步骤6、对所述目标曲面上设置的指导方向场应用优化算法提升光滑性，同时使指导方向场具有高材料去除率；步骤7、然后应用等值线算法计算所述目标曲面上各顶点对应的函数值，并提取等值线作为数控机床加工路径。2.根据权利要求1所述基于指导方向场生成数控机床加工路径的方法，其特征在于，在步骤1中，首先读取目标曲面 ，目标曲面以三角网格的形式表示，对目标曲面中的各三角面，计算三角面上的法向，令三角面的三个顶点分别为，，，并令对应顶点的边为，j为0、1和2；则对应的法向，顶点，，对应的法向，，取为顶点相邻面法向的平均；令,为三角面上的局部坐标系，为三角面上的第二基本型，应用最小二乘法求解如下线性方程组：小二乘法求解如下线性方程组：小二乘法求解如下线性方程组：得到后，计算的最大特征值与最小特征值，以及对应的特征向量；再将最大特征值对应的特征向量与最小特征值对应的特征向量还原到全局坐标系中，令为三角面上局部坐标系的轴方向，为三角面上局部坐标系的轴方向，进而得到三角面上的局部坐标系；其中，三角面上的单位向量表示为角度形式，其中为与的夹角，有：。3.根据权利要求1所述基于指导方向场生成数控机床加工路径的方法，其特征在于，在步骤2中，针对目标曲面，采样目标曲面中各三角面的重心为三角面上的刀头接触点；对每个三角面，刀头接触点处速度多胞形的中心为该点的坐标；过刀头接触点的切平面与速度多胞形相交得到的平面多边形即为二维速度多胞形；从刀头接触点处出发沿进给方向的射线与二维速度多胞形的交点与刀头接触点之间的距离即为沿该进给方向的最大速度；以从刀头接触点出发的进给方向为自变量，对应的最大速度为应变量，得到该刀头接触点处的最大速度约束函数；其中，最大速度约束函数取极大值的方向在所述二维速度多胞形的顶点处得到。4.根据权利要求1所述基于指导方向场生成数控机床加工路径的方法，其特征在于，所
述步骤3的过程具体为：随机选取所述目标曲面中的一个三角面，表示为，设置该三角面上的方向为最大速度约束函数取最大值对应的方向；从该三角面出发，首先遍历与相邻的面，若相邻面上未设置方向，则按照LC联络将该三角面上设置的方向传递到所述相邻面上，并在所述相邻面最大速度约束函数取极大值对应的方向中选取最接近的方向，设置为所述相邻面的方向；重复上述操作，直至所述目标曲面中所有的三角面都设置方向。5.根据权利要求1所述基于指导方向场生成数控机床加工路径的方法，其特征在于，在步骤4中，对每个三角面，遍历与三角面相邻的面，若三角面与相邻面上设置方向的夹角在LC联络下大于30度，则判断所述目标曲面中存在奇异面。6.根据权利要求2所...

【专利技术属性】
技术研发人员：王梓睿，傅孝明，刘利刚，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：