[发明专利]一种基于势能场及能量泛函优化的刀具轨迹路径产生方法

说明书

技术领域

本发明属于铣削加工领域，更具体地，涉及一种基于势能场及能量泛函优化的刀具轨迹路径产生方法。

背景技术

高质量、高效的数控加工要求计算机辅助制造系统（Computer Aided Manufacturing，简称CAM）产生的刀具轨迹具有光滑和行距均匀（即稳定的材料去除率）的特点。利用传统的参数曲面等参线或者轮廓等距偏置方法产生的曲线刀轨在一定程度上能有效控制行距（包括行切，环切等），但其形状严重受制于加工区域的参数构成或边界形状，光滑性不好；新发展的曲线轨迹方法如螺旋线加工在加工区域产生类似于电势场的等势轮廓线族，然后通过离散、修正的方式构造尽可能均匀分布的偏置轮廓线，在此基础上形成螺旋线轨迹。这种方法在应用到轮廓外形或者加工区域几何形状特别复杂时，各偏置轮廓线之间的距离变化剧烈，难以产生只需一次进退刀并且行距变化稳定的刀轨。

美国专利US6591158B1在加工区域的内外边界设置电荷，并利用计算的电场线作为辅助线来构建偏置轮廓线，进而构造螺旋状刀具轨迹。该方法中对电场线的求解依赖于毛坯与成型零件轮廓上的起始电荷分布。在电荷分布不均的情况下会严重影响所生成的电场辅助线的形状，最终影响刀具轨迹质量，例如造成螺旋刀轨的不均匀。另外由于需要根据电荷分布求电场线，涉及到对一个平面向量，即2个标量的求解，计算相对复杂，且不能对行距进行有效控制。该专利只适用于产生叶片粗加工刀轨，其计算模型要求必须具有内外边界，所以不能运用到无岛屿的型腔如狭长型的空腔加工中。

美国专利US6591158利用求解稳恒电磁场本征值的方法得到偏置轮廓线，进一步产生光滑的螺旋刀具轨迹。但是该方法只适用于无岛屿型腔加工，且同样存在不能控制切削行距的缺点。

申请号为200810207221.0的中国专利采用美国加州大学伯克利分校J.A.SETHIAN提出的波前传播方法构造水平集函数。该发明根据加工要求给定偏置距离，利用求解水平集方程得到型腔边界的偏置线，当遇到岛屿时型腔边界的推进停止。这种方法只能从外边界或者内边界进行偏置，缺乏全局范围内的偏置线分布优化（光滑性）和行距控制；同时在型腔的推进中会自动产生区域分割，形成多次进退刀路径；对于复杂加工曲面来说，由于偏置轮廓线之间的任意可能形状，在使用通用的渐变（morphing）算法构建螺旋线时，也不能完全避免实际切削轨迹的重叠。

中国专利“一种平面螺旋状或环形铣削刀具路径生成方法”发展了前述方法。该发明假设加工区域存在一个由调和方程（拉普拉斯方程）确定的边值问题界，通过有限元方求解该问题，形成光滑的等值线分布。然后按照边界特征进行分区，分区边界为该标量场中的梯度曲线（Gradient Curve），通过对最长梯度曲线按照行距要求进行优化布置得到一系列代表等势轮廓基准线的势能值，依据这些势能值形成偏置轮廓基准线并以此形成螺旋刀轨。该方法的优点在于满足了刀轨光滑性需求并进行了行距控制，但行距控制未优化，且光滑性需求和行距控制是先后满足的，没有在一个统一的数学模型中一起优化。

叶片加工、三轴型腔加工等加工区域可能具有任意形状，或具有任意岛屿分布，前述的已有方法都不能产生全局光滑和稳定行距分布的刀轨，其原因在于前述算法都是将偏置轮廓线的生成转化为偏微分方程求解，而无法考虑除能量分布之外的其他约束如行距控制等，即使专利“一种平面螺旋状或环形铣削刀具路径生成方法”进行了有效行距控制，但未将刀轨形状与行距控制一起进行优化。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于势能场及能量泛函优化的刀具轨迹路径产生方法，其能够针对具体加工需求，将约束条件整合到问题求解中，进行统一的优化求解，从而实现刀轨形状与行距控制的同时优化，并可针对任意形状的加工区域产生光滑和行距全局优化的轮廓轨迹，在此基础上形成具有更精准和优化的行距控制且只有一次进退刀的螺旋轨迹曲线，以实现高速加工、优化切削力分布，并提高表面加工质量。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于势能场及能量泛函优化的刀具轨迹路径产生方法，包括以下步骤：

（1）为多轴刀具建立基于能量泛函优化的刀路轨迹计算模型，包括能量泛函、边界条件和行宽约束条件，并采用有限元方法获取刀路轨迹优化计算模型基于三角形离散网格的数值近似计算公式，具体包括以下子步骤：