[发明专利]一种深腔曲面加工刀路生成方法

权利要求书

1.一种深腔曲面加工刀路生成方法，其特征在于：包括以下步骤：

提取深腔曲面边界轮廓，生成初始刀路：完成深腔曲面特征部分边界轮廓的提取，并基于边界轮廓等距偏置的方法生成初始刀路；

考虑机床限制约束：基于所选机床对应各旋转轴的摆动角度范围，逆向推导出所对应的刀轴矢量可行域；

考虑无干涉约束：考虑加工时刀具的全局干涉和局部干涉，考虑装夹刀柄后的刀具为一整体进行无干涉判断，确定出考虑无干涉约束下的刀轴矢量可行域；

考虑无颤振约束：获取刀具工件相交区域，构建动力学模型，采用全离散法构建稳定性图，确认考虑无颤振约束下的刀轴矢量可行域；

确定每一刀位点刀轴矢量可行域：将考虑机床限制约束、考虑无干涉约束、考虑无颤振约束求得的刀轴矢量可行域进行求交，得到每一刀位点处的实际刀轴矢量可行域；

最短路径优化、输出优化刀路：基于Dijkstra最短路径光顺的方法从刀轴矢量可行域中确定每一刀位点对应的刀轴矢量，生成刀位文件，根据实际机床选择相应的后处理生成并输出最终优化后刀路；

考虑机床限制约束包括以下步骤：

根据零件加工所选择相应的机床，设定机床A轴的回转行程为：-120°~+60°，B轴的回转行程为：-360°~+360°；

设工件坐标系为：，进给坐标系为：，刀具坐标系为：，刀具坐标系由进给坐标系先绕交叉进给轴C轴旋转,再绕进给轴F旋转获得，刀具坐标系和进给坐标系的变换矩阵为：

；

根据机床的具体机构、机床运动链与工件坐标系、进给坐标系、刀具坐标系间的关系，建立刀轴矢量、机床轴A和机床轴B之间的关系方程为：

；

其中，T表示矩阵的转矩，A表示绕机床A轴的旋转角，B表示绕机床B轴的旋转角，表示机床旋转角转换到刀轴矢量的转换矩阵；

进给坐标系的方程为：

其中，和为第k条刀具路径上两个连续的刀触点；为当前刀位点处的工具表面法向量；为当前刀位点处的交叉进给方向，为进给坐标系原点，表示第k条刀具路径上第i个刀位点处的进给方向，R为球头铣刀半径，n_i、n_j和n_k均表示表面法向量的坐标值；

进给坐标在工件坐标系中定义，进给坐标和工件坐标系间的转换关系为：

其中，[]_3x3表示由第k条刀具路径上第i个刀位点处的进给方向、交叉进给方向和表面法向量组成的三阶矩阵；

因此，刀轴矢量与机床轴A、轴B之间的关系方程为：

；

其中，T_W-F表示工件坐标系到进给坐标系的转换矩阵，T_T-F表示刀具坐标系到进给坐标系的转换矩阵，W表示工件坐标系，T表示矩阵的转矩；

结合机床A轴、B轴的回转行程和刀轴矢量与机床轴A、轴B之间的关系方程，求得在机床限制约束下刀轴矢量所对应的前倾角和侧倾角的可行域；

考虑无干涉约束包括如下步骤：

在路径生成之初实施干涉检测与避免，将刀具与工件曲面的潜在干涉考虑在内；

考虑将刀具装夹刀柄后进行干涉检测，在刀具坐标系的Z轴的某一截平面上，刀具沿刀轴方向的半径变化公式为：

其中，为沿刀轴方向不同高度处半径，为刀柄长度，为热缩刀柄各部分处的长度，和分别为环形铣刀的底面圆角径和刀具半径，为热缩刀柄各部分处对应的半径值；

将曲面按一定精度要求离散成点云，对点云中的每个点，判断点是否落在刀具曲面内部，若点云中至少有一个点在刀具内部，则认为刀具和工件曲面干涉，否则认为不干涉；

对于深腔曲面点云数据任意点，设为点在刀轴上的投影，则可以由下式表示：

其中，为刀轴矢量，为到刀具坐标系原点的距离系数；

求得后,便可得到投影与刀轴的值坐标，将值坐标带入刀具沿刀轴方向的半径变化公式中，若值不在刀具沿刀轴方向的半径变化公式范围内，则点位于刀具两端以外空间，此时点不在刀具曲面内部，不会发生干涉；若值在刀具沿刀轴方向的半径变化公式范围内，将值代入刀具沿刀轴方向的半径变化公式中计算，若，则点位于刀具曲面外部，不发生干涉，反之发生干涉；

改变刀轴矢量，判断刀轴矢量是否会发生干涉，若不发生干涉，记录不发生干涉时的刀具姿态，构建无干涉刀具姿态可行域。