[发明专利]一种基于轮廓中轴线的型腔高效螺旋铣削刀具路径规划方法

权利要求书

1.一种基于轮廓中轴线的型腔高效螺旋铣削刀具路径规划方法，首先，计算各层刀具路径，通过对中轴线回路进行裁剪，由各点实际径向切宽计算圆盘，以这些圆盘的包络曲线作为各层刀具路径；然后，计算出螺旋铣削刀具路径，通过对相邻两层刀具路径进行线性差值，使得相邻两层刀具路径光顺连接，得到螺旋铣削刀具路径，其特征在于：具体步骤如下：

步骤1、基于轮廓中轴线计算各层刀具路径；

步骤1.1、以中轴线上具有最大内切圆的点为起点，求解型腔轮廓中轴线树，生成轮廓中轴线回路，并保留轮廓中轴线树中各点对应的内切圆大小和节点信息；

步骤1.2、根据轮廓中轴线回路、预先设定的切削参数计算刀具可达区域，除去刀具不可达区域，形成新的轮廓中轴线回路，以避免加工过程中刀具与型腔轮廓发生干涉；

步骤1.3、根据轮廓中轴线回路起点和切削参数确定刀具路径层数，遍历中轴线回路计算各点径向切宽；

步骤1.4、以各叶子节点为起点，计算各层刀具路径需要裁剪的中轴曲线段；

步骤1.5、裁剪中轴线回路得到各层对应的中轴线子回路；

步骤2、根据各层刀具路径计算螺旋铣削刀具路径；

步骤2.1、通过改变各圆盘半径，使得各层刀路转化为螺旋形轨迹；

步骤2.2、部分圆盘被相邻圆盘完全覆盖，称为无效圆盘，删除不影响包络曲线计算的无效圆盘及其对应的中轴点；

步骤2.3、根据曲线与圆相切条件，计算圆盘包络曲线作为刀具刀心点的运动轨迹，即得到螺旋铣削刀具路径；

步骤2.4、计算光顺圆弧消除螺旋形轨迹中的拐点，实现刀具路径的光顺。

2.如权利要求1所述的一种基于轮廓中轴线的型腔高效螺旋铣削刀具路径规划方法，其特征在于：所述步骤1具体过程如下：

步骤1.1：遍历轮廓中轴线，找到具有最大内切圆的点P₁，并以此为起点，逆时针方向生成轮廓中轴线回路P₁P₂…P₁₀P₁₁，根据轮廓中轴线的定义，符号N表示节点，符号R和L分别表示根节点和叶子节点，点P_i对应的局部内切圆的半径表示为lic(P_i)，当1≤i≤j≤n时，点P_i沿轮廓中轴线移动到点P_j，移动长度记为len(P_i,P_j)，计算公式为

步骤1.2：遍历轮廓中轴线回路，根据切削参数判断是否存在局部内切圆小于刀具直径与两倍轮廓加工余量之和，若存在，表示在切削参数约束下刀具通过该区域会产生局部过切，需要对切削区域进行重新计算，反之则无需重新计算；

步骤1.3：根据切削参数得到完成型腔铣削需要的切削层数，即：

其中，符号表示不小于参数m的最小整数，D_tool表示刀具直径，a_p和a_a分别表示设定切宽和加工余量，轮廓中轴线上各点对应的计算切宽为：

步骤1.4：进而得到，第χ层刀具路径在轮廓中轴线上点P_i对应的圆盘的半径为R_χ(P_i)＝a_p(P_i)(χ-0.5)，为了提高平均实际径向切宽，缩短刀具路径总长度，提高加工效率，需要以各叶子节点为起点，对型腔轮廓中轴线回路进行裁剪，计算得到各层对应的中轴线子回路，第χ层刀具路径在叶子节点L处的中轴线裁剪长度表示为Trim(L,χ)＝(n_layer-χ)a_p+0.5D_tool+a_a+R_χ(C)，需要裁剪的中轴曲线段统一标记为LC；

步骤1.5：裁剪长度计算完成后，根据在根节点附近出现的各种分布情况确定裁剪方案，根据裁剪后得到的各层包含的轮廓中轴线子回路及各点对应的圆盘，进而得到各层刀具路径。

3.如权利要求1所述的一种基于轮廓中轴线的型腔高效螺旋铣削刀具路径规划方法，其特征在于：所述步骤2具体过程如下：

步骤2.1：根据各层刀具路径上任意点到轮廓中轴线子回路起点的长度相对于子回路总长的比值，对各层刀路进行线性插值，得到各点调整后的圆盘，具体计算公式如式(4)：

步骤2.2：通过计算圆盘包络曲线得到螺旋铣削刀具路径，在包络曲线计算过程中，无效圆盘与包络曲线无交点，需要删除无效圆盘，点P_i满足式(5)中任意式时，需要删除其对应圆盘；

步骤2.3：由几何关系可知，包络曲线与圆盘相切，当计算出包络曲线与所有圆盘的切点时，这些切点即构成了包络曲线，即K_i＝P_i+R_z(θ_i)r_in，其中K_i为需要求取的切点，为中轴线上的点，R_z(θ_i)为绕z轴旋转角度θ_i的齐次变换矩阵，r_i＝R′_χ(P_i)，由于过切点的圆盘半径与切向量垂直，得到t_i·(K_i-P_i)＝0，其中t_i为切向量，t_i＝P_i′+R_z(θ_t)r_i′n，求解得到切点θ_i的计算公式如式(6)，进而计算出各个圆盘与包络曲线的切点，得到包络曲线；

其中α根据三角函数和确定；

步骤2.4：在根节点位置附近，由于中轴线出现分支，易导致计算得到的螺旋铣削刀具路径不光顺，需利用圆弧过渡消除刀具路径中的拐点，找到与圆弧相切的圆盘P_j和P_k，以及拐点对应的圆盘P_i，计算圆弧的圆心O_i及其半径r_i以确定圆弧位置及其大小；

将拐点对应的圆盘半径扩大a_p-a_p(P_i)，得到新的圆盘，利用步骤2.3中圆盘包络曲线计算方法求取三个圆的切点，根据切点确定圆弧位置及其大小，从而实现刀具路径的光顺，圆弧半径计算公式如式(7)：

其中β由三角函数确定，圆弧圆心位置计算公式如式(8)：