專(zhuān)利名稱(chēng)：一種自由曲面的數(shù)控銑削加工優(yōu)化選刀方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)輔助制造領(lǐng)域，具體設(shè)計(jì)一種自由曲面的數(shù)控銑削加工優(yōu)化選刀方法。
背景技術(shù)：
在形狀表達(dá)領(lǐng)域中以復(fù)雜方式自由地變化的曲線曲面稱(chēng)為自由曲線曲面。曲面造型是計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的一項(xiàng)重要內(nèi)容，主要研究在計(jì)算機(jī)圖形圖像環(huán)境下對(duì)曲面的表示、設(shè)計(jì)、顯示和分析。經(jīng)過(guò)三十多年的發(fā)展，曲面造型現(xiàn)在已形成了以有理B樣條曲面參數(shù)化特征設(shè)計(jì)和隱式代數(shù)曲面表示這兩類(lèi)方法為主體，以插值、擬合、逼近等手段的幾何理論體系。自由曲面已廣泛應(yīng)用于裝備制造、汽車(chē)、造船、模具、航天等行業(yè)的復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)中。目前，自由曲面的加工主要依賴(lài)于編程工程師的經(jīng)驗(yàn)和CAM/CNC系統(tǒng)的仿真功能。由于自由曲面的幾何復(fù)雜性，容易造成曲面內(nèi)的刀具干涉現(xiàn)象。自由曲面數(shù)控加工的刀具干涉是影響加工質(zhì)量、加工效率、損壞設(shè)備甚至威脅操作者人身安全的重要因素。國(guó)內(nèi)外針對(duì)自由曲面數(shù)控加工刀具干涉的研究主要集中在數(shù)學(xué)建模等理論分析和計(jì)算上，缺少成熟的自由曲面刀具干涉可視化判別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，尤其是自由曲面數(shù)控加工智能選刀的方法研究與開(kāi)發(fā)至今仍是空白。當(dāng)前的CAM軟件中，均具備刀具管理系統(tǒng)，建立了刀具幾何尺寸及結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)庫(kù)，操作者僅能憑借經(jīng)驗(yàn)手工選取刀具，缺乏智能選刀功能。因此，如何在避免刀具干涉的前提下，智能選取最合適的加工刀具，以滿(mǎn)足高精、高效的自由曲面數(shù)控加工成為了自由曲面加工的關(guān)鍵。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決自由曲面數(shù)控加工時(shí)單靠手工選取刀具容易引起刀具干涉現(xiàn)象的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供自由曲面的數(shù)控銑削加工優(yōu)化選刀方法，該方法實(shí)現(xiàn)了自由曲面的智能選刀，避免刀具干涉且提高了數(shù)控加工的精度和效率。本發(fā)明采用以下技術(shù)方案來(lái)解決上述技術(shù)問(wèn)題包括以下步驟打開(kāi)自由曲面文件，獲取自由曲面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，采取MATLAB工具對(duì)原始曲面上的散亂點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類(lèi)并重構(gòu)自由曲面。手動(dòng)選刀時(shí)，按照刀具類(lèi)型和幾何參數(shù)，根據(jù)曲面的情況(單一曲面或者復(fù)合曲面)，建立自由曲面加工的刀位面數(shù)學(xué)模型。系統(tǒng)自動(dòng)生成偏置后的刀位面，如刀位面出現(xiàn)了扭曲、交叉或重疊現(xiàn)象，即可判斷發(fā)生了刀具干涉。系統(tǒng)能可視化的提供干涉區(qū)域和詳細(xì)情況。采用自動(dòng)選刀模式時(shí)，將數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的快速排序原理應(yīng)用到自動(dòng)選刀模塊，在避免刀具干涉的基礎(chǔ)上，自動(dòng)計(jì)算并推薦最優(yōu)化加工刀具，提高加工效率和效果。自動(dòng)選刀的最終結(jié)果，可通過(guò)手動(dòng)選刀驗(yàn)證，以確定其結(jié)果的準(zhǔn)確性、可靠性。
和現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的方法具有以下有益效果本發(fā)明針對(duì)自由曲面的數(shù)控銑削加工建立優(yōu)化選刀系統(tǒng)，有手動(dòng)選刀和自動(dòng)選刀兩種操作模式。手動(dòng)選刀時(shí)，根據(jù)刀具參數(shù)和曲面類(lèi)型，并可視化的判別刀具干涉結(jié)果，顯著標(biāo)記干涉區(qū)域以提示用戶(hù)；自動(dòng)選刀時(shí)，可智能計(jì)算并推薦最優(yōu)化加工刀具，避免刀具干涉且能提高加工效率。為保證自動(dòng)選刀的準(zhǔn)確性，在得到自動(dòng)選刀的最終結(jié)果后，可采用手動(dòng)選刀驗(yàn)證結(jié)果。


圖1是本發(fā)明自由曲面數(shù)控加工刀具選刀的流程圖；圖2是自由曲面數(shù)控加工手動(dòng)選刀流程圖；圖3是自由曲面數(shù)控加工自動(dòng)選刀流程圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。實(shí)施例本發(fā)明通過(guò)點(diǎn)云構(gòu)造出一待加工的曲面，為三次NURBS曲面?？刹捎弥睆綖棣?4、 Φ6、Φ8、Φ 10、Φ 16及Φ 20六種常用尺寸規(guī)格的球形銑刀針對(duì)同一自由曲面進(jìn)行刀位面的等距生成；進(jìn)而應(yīng)用可識(shí)別系統(tǒng)，生成的基于點(diǎn)云的自由曲面。再通過(guò)觀察刀位面，可判別是否發(fā)生刀具干涉現(xiàn)象。參見(jiàn)圖1，本發(fā)明自由曲面的數(shù)控銑削加工優(yōu)化選刀方法，包括以下步驟S101、獲取自由曲面圖形的點(diǎn)云數(shù)據(jù)或CAD三維圖形；S102、處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)，重構(gòu)自由曲面；S103、是否采用自動(dòng)選刀方式，如果采用自動(dòng)選刀方式則轉(zhuǎn)入步驟S201，否則采用的是手動(dòng)選刀模式則轉(zhuǎn)入步驟S301 ；S201、采用快速排序算法進(jìn)行刀具干涉檢驗(yàn)；快速排序算法檢驗(yàn)刀具干涉的一個(gè)例子如下在自動(dòng)選刀操作模式中，采用快速排序算法，設(shè)定常用的球刀集合，為從直徑Φ 2到直徑Φ 32的球刀集合。首先選用直徑Φ 2 球刀，未發(fā)生干涉，系統(tǒng)即選用直徑Φ32球刀，發(fā)生干涉；然后，自動(dòng)選取球刀集合的中間數(shù)值，即直徑Φ16(為從2到32集合的中間數(shù)值)球刀檢驗(yàn)，若也發(fā)生干涉，則再次自動(dòng)選取中間數(shù)值，即直徑Φ8(為從2到16集合的中間數(shù)值)球刀檢驗(yàn)，判斷得出無(wú)干涉。系統(tǒng)自動(dòng)選取Φ10刀具，發(fā)現(xiàn)有干涉現(xiàn)象，至此，系統(tǒng)可判別出針對(duì)該曲面直徑Φ8刀具為避免干涉的最大尺寸球刀。S202、根據(jù)刀具的類(lèi)型和尺寸對(duì)刀具進(jìn)行排查，選取最優(yōu)化的加工刀具，避免了刀具干涉且能實(shí)現(xiàn)高效加工；S203、根據(jù)所選取的最優(yōu)化加工刀具，自動(dòng)形成優(yōu)化加工方案；S204、若需要手動(dòng)驗(yàn)證所形成的優(yōu)化加工方案則轉(zhuǎn)入步驟S301，若不需要手動(dòng)驗(yàn)證所形成的優(yōu)化加工方案則轉(zhuǎn)入步驟S104 ；S301、手動(dòng)選取刀具；S302、根據(jù)刀具參數(shù)和所重構(gòu)的自由曲面，采用等距法等方法建立自由曲面的刀位面；S303、可視化刀位面，判別刀位面是否存在扭曲、交叉等刀具干涉現(xiàn)象；一旦存在干涉現(xiàn)象，可返回步驟S301選取尺寸比步驟S301手動(dòng)選取的刀具要小的刀具，一直到未有刀具干涉為止；如果沒(méi)有干涉，即可認(rèn)為步驟S301手工選取的刀具可以用來(lái)加工步驟S102 所重構(gòu)的自由曲面；S304、確定刀具是否為最優(yōu)化的刀具(無(wú)干涉且加工效率最高)，若是則轉(zhuǎn)入步驟 S104，若否則返回步驟S301繼續(xù)手動(dòng)選取刀具。S104、完成刀具選擇。圖2是自由曲面數(shù)控加工手動(dòng)選刀流程圖。優(yōu)選地，若生成的刀位面發(fā)生扭曲、交叉等干涉現(xiàn)象，則轉(zhuǎn)入步驟S3031重新選取尺寸比步驟S301手動(dòng)選取的刀具要小的刀具， 重新生成刀位面，一直到未有干涉為止，即可確定適合的刀具；若生成的刀位面未發(fā)生扭曲、交叉等干涉現(xiàn)象，則轉(zhuǎn)入步驟S3032重新選取尺寸比步驟S301手動(dòng)選取的刀具要大的刀具來(lái)判斷是否發(fā)生幾何干涉，直至發(fā)生干涉為止，則發(fā)生干涉前的刀具尺寸為可避免刀具干涉且加工效率最高的刀具尺寸，即最優(yōu)化的刀具尺寸。上述手動(dòng)選刀優(yōu)選實(shí)施方式的一個(gè)實(shí)例如下采用直徑Φ 4的球刀生成的刀位面光順性良好，無(wú)干涉現(xiàn)象。選取尺寸大一點(diǎn)的刀具，采用直徑Φ8的球刀生成的刀位面光順性良好，無(wú)干涉現(xiàn)象。再選取尺寸大一點(diǎn)的刀具，采用直徑Φ 16大球刀生成刀位面，刀位面扭曲交叉，有干涉現(xiàn)象。依次采用直徑Φ 14、Φ 12及Φ 10的球刀進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)均有干涉現(xiàn)象。綜上可以得知，采用直徑Φ8球刀加工曲面，系統(tǒng)生成刀位面未有干涉現(xiàn)象，該刀具為未發(fā)生干涉現(xiàn)象且加工效率最高刀具。因此，在避免干涉的前提下，可選用直徑Φ 16的球刀先行加工，在將發(fā)生曲面的平面開(kāi)始選用直徑Φ8的刀具進(jìn)行加工，即系統(tǒng)能指導(dǎo)曲面加工在避免干涉的基礎(chǔ)上提高加工效率。在本發(fā)明中，如有刀具干涉，還會(huì)將干涉的顯著位置提示給用戶(hù)并可查看干涉位置和范圍。上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化， 均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.自由曲面的數(shù)控銑削加工優(yōu)化選刀方法，其特征在于，包括以下步驟5101、獲取自由曲面圖形的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；5102、處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)，重構(gòu)自由曲面；5103、如果采用自動(dòng)選刀方式則轉(zhuǎn)入步驟S201，如果采用手動(dòng)選刀模式則轉(zhuǎn)入步驟 S301 ；5201、采用快速排序算法進(jìn)行刀具干涉檢驗(yàn)；5202、根據(jù)刀具的類(lèi)型和尺寸對(duì)刀具進(jìn)行排查，選取最優(yōu)化的加工刀具；5203、根據(jù)所選取的最優(yōu)化加工刀具，自動(dòng)形成優(yōu)化加工方案；5204、若需要手動(dòng)驗(yàn)證所形成的優(yōu)化加工方案則轉(zhuǎn)入步驟S301，否則轉(zhuǎn)入步驟S104；5301、手動(dòng)選取刀具；5302、根據(jù)刀具參數(shù)和所重構(gòu)的自由曲面，建立自由曲面的刀位面；5303、可視化刀位面，判別刀位面是否存在刀具干涉現(xiàn)象；若存在干涉現(xiàn)象，返回步驟 S301選取尺寸比步驟S301手動(dòng)選取的刀具要小的刀具，一直到未有刀具干涉為止；5304、確定刀具是否為最優(yōu)化的刀具，若是則轉(zhuǎn)入步驟S104，若否則返回步驟S301繼續(xù)手動(dòng)選取刀具；5104、完成刀具選擇。
2.如權(quán)利要求1所述的自由曲面的數(shù)控銑削加工優(yōu)化選刀方法，其特征在于，所述步驟303還包括若不存在干涉現(xiàn)象，則重新選取尺寸比步驟S301手動(dòng)選取的刀具要大的刀具來(lái)判斷是否發(fā)生刀具干涉，直至發(fā)生刀具干涉為止，則發(fā)生刀具干涉前的刀具尺寸為最優(yōu)化的刀具尺寸。
3.如權(quán)利要求1所述的自由曲面的數(shù)控銑削加工優(yōu)化選刀方法，其特征在于，在步驟 S302中采用等距法建立自由曲面的刀位面。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種自由曲面的數(shù)控銑削加工優(yōu)化選刀方法，步驟如下(1)獲取自由曲面點(diǎn)云并重構(gòu)自由曲面；(2)根據(jù)手動(dòng)選刀的刀具類(lèi)型和幾何參數(shù)，生成刀位面；(3)提供刀具干涉結(jié)果；(4)自動(dòng)選刀時(shí)，采用快速排序算法進(jìn)行常用刀具干涉檢驗(yàn)；(5)最優(yōu)化加工刀具推薦；(6)手動(dòng)驗(yàn)證刀具干涉情況。本發(fā)明針對(duì)自由曲面數(shù)控銑削加工建立系統(tǒng)，根據(jù)所選刀具參數(shù)能實(shí)現(xiàn)刀位面的自動(dòng)生成，并可視化的判別刀具干涉結(jié)果，可自動(dòng)計(jì)算并推薦最優(yōu)化加工刀具，避免刀具干涉且能提高加工效率。
文檔編號(hào)G05B19/4097GK102495593SQ20111036743
公開(kāi)日2012年6月13日 申請(qǐng)日期2011年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月18日
發(fā)明者肖蘇華, 陳建環(huán), 龔雄文 申請(qǐng)人:廣州城市職業(yè)學(xué)院