一种螺旋线制导的曲面数控加工方法.pdf

本发明一种螺旋线制导的曲面数控加工方法属于数控轨迹规划和加工领域。一种螺旋线制导的曲面数控加工方法，将被加工工件的三维曲面网格化，以基于样条插值的平面等距或非等距螺旋线为参数线，通过映射生成三维物理空间的加工轨迹，即用具有明确数学表达的平面螺旋线制导，而螺旋线的螺距要根据被加工轨迹的行距要求确定。首先根据被加工工件的三维曲面进行加工轨迹规划：然后根据所使用的数控机床对规划好的轨迹做后处理。使用这种螺旋线制导曲面加工方法，刀具运动平稳、磨损小，机床噪音低，效率高，节省了大量加工时间，降低了生产成本。

1.  一种螺旋线制导的曲面数控加工方法，其特征是，将被加工零件的三维曲面网格化，以基于样条插值的平面等距或非等距螺旋线为参数线，通过映射生成三维物理空间的加工轨迹，即用具有明确数学表达的平面螺旋线制导，而螺旋线的螺距要根据被加工轨迹的行距要求确定；加工方法步骤如下：
(1)首先根据被加工工件的三维曲面进行加工轨迹规划：
a.对被加工曲面进行网格化；若被加工曲面是参数曲面，则采用已有的一些方法将参数曲面离散成网格曲面；若被加工件是实体模型，可借助Solidworks软件转化；通常网格的边长在2-10mm；
b.将网格化的被加工曲面映射到任意给定平面的圆形域上，采用的映射技术为线性参数化和协调映射；由此建立起网格模型与圆形域上映射模型的对应关系；如果网格的数量过多达到1万以上，可采用分区映射或多分辨率映射方式；
c.确定等距或非等距螺线的螺距：首先以圆形域的圆心为起点，沿圆周方向按一定角度(3°≤α≤45°)进行行距测试，取所有测试点的最小值作为该起始圆周的行距，然后再以该行距为半径得到下一圆周，继续按一定角度取点进行行距测试，仍然取测试点处的最小行距作为该环的行距，依此类推，直到圆形域的最外周停止；
d.根据步骤c得到的行距以圆形域的圆心为起点，在离散同心圆的基础生成等距或非等距螺旋线，当该螺旋线的螺距为非等距时，即该螺旋线为非线性螺线时，螺距可根据步骤c得到的系列行距插值得到；
e.将平面螺旋线上的轨迹离散点反向映射到三维网格曲面，得到其在网格面上的对应点；对应点的得到形式有两种，一种是直接利用协调映射的逆映射得到，另一种是根据网格的顶点信息利用面积坐标参数化和线性插值得到对应点；
f.将由步骤e计算得到的对应点的参数带入被加工曲面的方程就得到了所需要的加工轨迹离散点；轨迹规划好后进行使轨迹分布更为合理的迭代优化处理；
(2)根据所使用的数控机床对规划好的轨迹做后处理，将工件坐标系下的刀位点坐标转换成数控机床坐标系中各轴对应的平动和转动，通过计算机和5轴数控加工中心的接口驱动机床，加工过程中刀具沿规划好的螺旋线连续切削运动，直至完成对整个曲面的加工。

一种螺旋线制导的曲面数控加工方法
技术领域
本发明属于数控轨迹规划和加工领域。
背景技术
等截面线法是加工网格曲面和组合曲面等复杂曲面的传统方法。该方法原理简单且计算效率较高，但生成轨迹形式过分单一，难以适应形状与功能各异的各类轨迹规划的不同需求。尤其当曲面边界形状复杂时，截面线形轨迹难以保证与边界的一致性，易产生较多较短的路径，从而大大降低了加工效率也加速了刀具的磨损。为此，有必要提出适应性更强的加工方法。螺旋型轨迹具有良好的工艺特性，走刀方向变化平缓，容易保证被加工曲面的质量。但由于其生成算法复杂，目前仅用于二维型腔和具有参数表达的简单曲面的加工。
有关螺旋型数控加工轨迹生成方法的专利有美国专利No.6,591,158。该专利采用了在二维型腔边界范围内求解椭圆偏微分方程边值问题的方法得到螺旋型加工轨迹。具体过程是，首先以型腔的外部轮廓为边界值求解拉普拉斯方程，在此基础上得到一系列离散的等值线，然后在系列等值线间进行光滑连接来生成螺旋轨迹(smooth low-curvature spiral path)。采用这种方法生成的轨迹较光滑，而且在加工过程中刀具的进给方向不发生突变，较好地满足了高速加工的要求，但该方法仅适用于二维型腔加工，不能直接用于复杂自由曲面的加工，且计算较烦琐。Lee在文献[Contour offsetapproach to spiral toolpath generation with constant scallop height]中提出了一种针对具有参数表达的简单曲面的螺旋型轨迹设计方法，该方法保证了刀具在加工中运动方向一致和较少的抬刀次数，但涉及繁琐的求交计算以及对偏置线自交和互交的判断，而且存在尖点复制问题，从而使得该方法并不能有效地满足高速加工对高进给率的要求。
发明内容
本发明的目的是发明一种螺旋制导的曲面数控加工方法。这种方法克服了现有技术的缺陷，避免了现有方法中繁琐的求交计算以及自交和互交的判断，且轨迹连续光滑不存在尖点复制问题。这种方法通过建立复杂曲面与平面上简单圆形域之间的映射关系，使轨迹规划首先在平面圆形域上进行，通过将平面圆形参数域内的等距和非等距螺旋线反向映射至被加工曲面，生成加工轨迹，然后对规划好的轨迹做后处理，生成多轴数控机床各轴对应的运动参数，进行曲面的加工。
本发明的技术方案是一种螺旋线制导的曲面数控加工方法，将被加工工件的三维曲面网格化，以基于样条插值的平面等距或非等距螺旋线为参数线，通过映射生成三维物理空间的加工轨迹，即用具有明确数学表达的平面螺旋线制导，而螺旋线的螺距要根据被加工轨迹的行距要求确定；加工方法具体步骤如下：
1.首先根据被加工工件的三维曲面进行加工轨迹规划：
a.对被加工曲面进行网格化；若被加工曲面是参数曲面，则采用已有的一些方法将参数曲面离散成网格曲面；若被加工件是实体模型，可借助Solidworks软件转化；通常网格的边长取在8-10mm；
b.将网格化的被加工曲面映射到任意给定平面的圆形域上，采用的映射技术为线性参数化和协调映射；由此建立起网格模型与圆形域上映射模型的对应关系；如果网格的数量过多达到1万以上，可采用分区映射或多分辨率映射方式；
c.确定等距或非等距螺线的螺距：首先以圆形域的圆心为起点，沿圆周方向按一定角度(3°≤α≤45°)进行行距测试，取所有测试点的最小值作为该起始圆周的行距，然后再以该行距为半径得到下一圆周，继续按一定角度取点进行行距测试，仍然取测试点处的最小行距作为该环的行距，依此类推，直到圆形域的最外周停止；
d.根据步骤c得到的行距以圆形域的圆心为起点，在离散同心圆的基础生成等距或非等距螺旋线，当该螺旋线的螺距为非等距时，即该螺旋线为非线性螺线时，螺距可根据步骤c得到的系列行距插值得到；
e.将平面螺旋线上的轨迹离散点反向映射到三维网格曲面，得到其在网格面上的对应点；对应点的得到形式有两种，一种是直接利用协调映射的逆映射得到，另一种是根据网格的顶点信息利用面积坐标参数化和线性插值得到对应点；
f.将由步骤e计算得到的对应点的参数带入被加工曲面的方程就得到了所需要的加工轨迹离散点；轨迹规划好后进行使轨迹分布更为合理的迭代优化处理。
2.根据所使用的数控机床对规划好的轨迹做后处理，将工件坐标系下的刀位点坐标转换成数控机床坐标系中各轴对应的平动和转动，通过计算机和5轴数控加工中心的接口驱动机床，加工过程中刀具沿规划好的螺旋线连续切削运动，直至完成对整个曲面的加工。
本发明最佳效果是这种新的加工方法大大简化了现有螺旋轨迹复杂的生成过程，保证加工轨迹具有边界一致性。同时，新方法保留了轨迹线映射前的连续性和光滑性，与现有数控机床加工轨迹(见附图7)相比不存在尖点复制问题，因此较好的改善了切削过程的动力学性能，提高了加工效率。采用螺旋型轨迹加工曲面，刀具运动平稳，机床噪声小，刀具磨损小，可以减少刀具磨损最高30％左右，提高加工效率，最高可达50％以上，节省大量时间和降低成本。
附图说明
附图1是螺旋加工轨迹的具体实施方案示意图；附图2是复杂边界自由曲面模型；附图3是复杂边界自由曲面的平面参数网格；附图4是加工复杂边界自由曲面的螺旋轨迹；附图5是等螺距螺旋线；附图6是变螺距螺旋线；附图7是现有螺旋数控加工轨迹。
具体实施方案
结合附图详细说明本发明的具体实施方案。附图1是螺旋加工轨迹的方法示意图，如图所示，离散曲面首先基于映射建立起与参数圆域的对应关系，进而通过平面螺旋制导生成自由曲面的加工轨迹。具体步骤如下：
1.首先根据被加工工件的三维图纸进行加工轨迹规划：
a.本实施例使用的是实体三维模型，首先借助Solidworks软件对被加工曲面进行网格化，三角网格的边长为3-5mm，见附图2。
b.将网格化的被加工曲面映射到任意给定平面的圆形域上，采用的映射技术为线性参数化和协调映射；由此建立起网格模型与圆形域上映射模型的对应关系，见附图3。
c.确定等距或非等距螺旋线的螺距：首先以圆形域的圆心为起点，沿圆周方向按一定角度(3°≤α≤36°)进行行距测试，第一圈选择36°，以后各圈测试点角度依次减小，测试过程中取该圈所有测试点的最小值作为当前行距，然后再以该行距为半径得到下一圆周，减小测试角度，继续取点进行行距测试，仍然取测试点处的最小行距作为该环的行距，依此类推，直到圆形域的最外周停止；
d.根据步骤c得到的行距以圆形域的圆心为起点，生成系列同心圆，进而在离散同心圆的基础上对行距进行插值生成非等距螺旋线，见附图5、6。
e.将平面螺旋线上的轨迹离散点反向映射到三维网格曲面，在实施例中通过根据网格的顶点信息利用面积坐标参数化和线性插值的方式得到对应点。
f.将由步骤e计算得到的对应点的参数带入被加工曲面的方程就得到了所需要的加工轨迹离散点，见附图4。
2.根据所使用的DECKEL MAHO 70V五轴联动数控加工中心机床，对规划好的轨迹做后处理，将工件坐标系下螺旋型的离散刀位点转换成数控机床坐标系中各轴对应的平动和转动。加工过程中刀具沿规划好的螺旋线连续切削运动，直至完成对整个曲面的加工。本发明特别适合于高速加工轨迹的路径规划，能一次性加工整张曲面。