[发明专利]一种基于实体的切削角度区间高效提取的铣削仿真方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于实体法铣削力仿真中，提取和确定每个离散的计算位置处刀具切入毛坯的切削角度区间的高效方法。

背景技术

铣削力建模仿真，通过在制造之前预测加工结果，从而帮助验证零件设计和工艺方案的合理性，避免昂贵耗时的物理原型的制造和实验，指导工艺设计和数控编程，优化切削参数、刀具路径和装夹方案，辅助刀具设计、校核和优选等，是提升铣削技术水平、提高产品质量、增强加工能力的重要手段。

在某一仿真位置处铣刀切入毛坯的径向宽度，可以用相对于刀轴进入毛坯的角度(称为“切入角”)和离开毛坯的角度(称为“切出角”)之间的角度范围(称为“切角区间”)来表示。切角区间是铣削仿真模型求解的几何边界条件之一，也称啮合参数，需要根据刀具、毛坯的切削啮合状况来提取，其提取方法的适应性、提取精度和效率在很大程度上决定了铣削仿真系统的应用范围，并且直接影响到铣削力的计算效果。

以实体法进行铣削力仿真是采用三维实体造型作为毛坯、刀具表示和布尔运算的基础，切入判断、材料切除以及工件更新的仿真通过刀具及其扫过体与毛坯的直接实体布尔操作实现。通常的实体法铣削力仿真在具体执行过程中，在目标路径的每一个计算位置，需要进行的内容包括：产生上一个位置到本位置之间的刀具扫过体、从上一个位置更新后的毛坯上通过布尔差去除刀具扫过体形成用于当前位置切入判断的中间毛坯、通过刀具实体与中间毛坯的布尔交生成用于啮合参数提取的切除体、在切除体上根据刀具和切削路径特点提取切角区间等啮合参数、完成啮合参数提取后通过布尔差从中间毛坯上去除刀具实体完成毛坯更新，在每个计算位置共需要四次实体操作，其中三次布尔运算。由此造成的主要问题是计算速度慢、仿真效率低。若以N表示需要仿真的目标路径数目，每条路径离散成m个计算位置，根据理论分析，在最差情况下仿真的时间复杂度为O(m⁴N⁴)，由于在模拟材料从毛坯上去除的过程中在很短的距离内产生频繁、大量的三维实体布尔运算，导致计算机内存等资源快速消耗，仿真速度急剧下降甚至出现系统死机的现象，制约了铣削仿真系统在工程实际中的应用。

发明内容

本发明解决的问题是：克服现有的实体法铣削力仿真提取切角区间方法中，在仿真路径的每一个计算位置都要进行包含三次布尔运算的四次实体运算，造成系统资源消耗快、仿真速度慢、容易产生实体操作失败等问题，在每个计算位置将三次布尔运算简化为一次，从而在保证切角区间准确提取的前提下显著提高了铣削力仿真系统的运行效率和稳定性。

本发明的技术解决方案是：一种基于实体的切削角度区间高效提取的铣削仿真方法，步骤如下：

(1)将实际铣削时的原始毛坯、刀具尺寸、拟切削路径作为原始参数输入至实体造型平台中，根据刀具尺寸建立刀具旋转包络体的实体造型作为刀具实体造型，将拟切削路径作为目标路径，将刀具实体造型沿目标路径切削之前的原始毛坯作为目标毛坯；所述的目标路径包括以起终点坐标和刀轴方向矢量描述的直线路径，以及以起终点坐标、圆弧所在平面法矢量和圆弧半径描述的圆弧路径；

(2)将目标路径离散成一系列连续的前后相继的仿真计算位置；

(3)对于每一个仿真计算位置，将刀具实体造型置于该仿真计算位置，进行刀具实体造型与目标毛坯的布尔求交运算，生成该仿真计算位置的切除体；

(4)在与每一个仿真计算位置对应的切除体上，通过识别有效交面产生切削层交线，提取出刀具实体造型切入和切出目标毛坯造型的切入角θ_fsi和切出角θ_fei：