[发明专利]复杂曲面无干涉刀路的几何与力学集成优化信息处理方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种计算机辅助制造技术，尤其是涉及一种复杂曲面无干涉刀路的几何与力学集成优化信息处理方法。

背景技术

五轴数控加工是由传统的三轴加工增加两个旋转自由度构成，最大优势是通过一次装夹就可以加工出复杂的零件，减少了重新装夹时间，提高了加工质量。五轴数控加工运动复杂，难以直观判断机床和刀具的实际运动轨迹，十分需要数控加工仿真技术检验刀具路径的安全性。数控加工仿真分为几何仿真和物理仿真两个方面。几何仿真不考虑切削参数、切削力及其它物理因素的影响，只仿真刀具和工件几何形体的相对运动，验证NC程序的正确性。物理仿真则是通过使用相关的力学模型预测切削力、刀具变形以及加工表面精度来仿真切削过程的动态特性，为调整和优化切削参数提供依据，达到优化切削过程的目的。

几何仿真确认为正确的程序，未必能加工出合格的零件，主要原因是几何仿真没有考虑切削过程中包括力、热等众多因素的影响；物理仿真需要大量的几何信息，尤其是在加工表面形状与工件形体较为复杂时；只有将几何仿真与物理仿真结合起来才能构成完整的加工过程仿真系统。因此针对复杂曲面刀路规划的几何与力学集成优化方法在数控加工中具有非常重要的意义。

目前商业化CAD/CAM系统的仿真模块和专门NC加工仿真系统几乎都不具备物理验证的能力。国外的CAM软件如UG、CATIA以及一些专用仿真软件如Vericut等只局限在工件的几何建模和验证部分，仅能提供刀具轨迹的自动生成和加工路径规划等几何运动学方面的功能。由于仿真系统形体描述所基于的基本元素点、边、面和体均由理想形状几何体构成，体现不出物体相互作用时物质微观结构的物理变化。

经对现有技术的文献检索发现，有一种基于八叉树几何模型与瞬时切削力模型来优化进给速度的方法(K.P.Karun.Octree-based NC simulation for optimizationof feedrate in milling using instantaneous force model.International Journal ofAdvanced Manufacturing Technology.(2010)46：465-490)，该方法利用基于八叉树的几何仿真系统来预测铣削力和优化进给速度，但其主要应用于三轴数控加工，未能充分利用几何仿真系统来分析刀具与工具的瞬时接触信息来预测铣削力。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种复杂曲面无干涉刀路的几何与力学集成优化信息处理方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种复杂曲面无干涉刀路的几何与力学集成优化信息处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)基于深度元素模型(Depth Pixel，dexel)的球头铣刀空间扫描体构造方法，将球头铣刀离散为深度元素模型，该模型包含深度信息的离散长方体元素集，通过与工件模型之间的布尔运算来去除材料，利用模型轮廓点为元素单元构建三角面片对工件进行渲染显示；

2)对刀具与机床环境的二维图像采样，利用深度信息判别两者间的干涉情况，若有干涉则修正刀位；判断刀具与工件之间是否相交，若为是，执行步骤3)，若为否，继续执行步骤2)；

3)基于深度元素模型，将刀具沿轴向离散为一系列微元，每一微元具有不同的五轴运动进给矢量，每一单元上总的进给速度矢量分解为水平进给与垂直进给分量，以此计算切屑厚度沿切削刃的变化分布；通过深度元素模型对刀具与工件切触区域分析，得到加工中刀具在不同瞬时的轴向范围以及该瞬时刀具沿轴向各微元的切入角和切出角，转换为铣削力模型所需的几何信息，计算出球头铣刀瞬时切削力；

4)依据加工时间和表面加工质量为目标函数，以切削扭矩、切屑厚度、刀具变形以及刀具瞬时切削力为约束条件，采用序列二次规划方法对五轴铣削加工中的进给速度进行优化。

所述的步骤2)中的对二维图像采样来判断球头刀与工件之间是否相交的步骤如下：

1)对加工环境进行裁剪；

2)对干涉分析图进行检测，得到干涉信息图；

3)判断在干涉信息图的内切圆区域中是否出现非零值像素，若为是，则判定为一定相交，若为否，判断为无相交。

所述的深度元素模型由一组长方体紧簇而成，在dexel单元更新过程中，每一dexel单元作为一矢量单元来处理。

所述的dexel单元由两部分组成，即一个Top值与一个Gaps链表。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：