[发明专利]一种基于三点定弧的扇环形高速加工区域生成方法

说明书

本发明提供一种三点定弧的扇环形高速加工区域生成方法，该生成方法通过对待加工区域的边界曲线进行偏置，求取定弧的三点，并进一步确定弧线及其参数方程，再通过布尔运算确定边界曲线内近似最长的弧线，最后输出扇环形高速加工区域；并可以通过不断迭代实现整个待加工区域的高速加工分区和光顺刀路路径规划，有效提高加工效率，降低加工成本。且本发明的生成方法具有较高的普适性和鲁棒性。

技术领域

本发明属于自由曲面高速加工区域划分和刀具路径规划技术领域，具体涉及一种基于三点定弧的扇环形高速加工区域生成方法。

背景技术

高速加工技术是现今模具制造中收效最为显著的一项先进制造技术，它是指利用高主轴转速和高进给速度来实现高材料去除率的一种领先技术。根据高速切削的基本原理，在切削速度达到某一点后，切削机理发生本质变化，提高主轴转速实际上会降低切削热和切削力。对比传统切削加工，高速加工单位切削力降低30％，刀具寿命增加70％。除此之外，高速加工具有加工效率高、表面光洁度好、工件热应力变形小等优点。

随着高速加工在实际生产中的应用范围扩大，对新型刀具材料的研究、刀具设计结构的改进、数控刀具路径新策略的产生和切削条件的改善等各方面均有所突破。首先，为实现高速切削加工，目前主流机床已经配备了刚性极高的主轴和性能强大的伺服驱动系统以及带有快速插补功能的先进数字控制器。其次，一方面，目前电主轴、直线电机等一系列高速执行机构已被广泛应用。另一方面，是对主轴转速、进给速度、轴向和径向切削深度等切削参数。在过去几十年里，许多研究都为探索高速加工中，不同切削条件下硬质材料的最佳切削参数做出了贡献。第三，实现高速切削，刀具路径特性也非常重要。一方面，为了满足运动约束和适应高进给速度，刀具路径应尽可能平滑，即至少G1连续；否则会导致轨迹上的不连续点(如拐角)完全停止，并显著降低平均进给速度。另一方面，为了减少刀具颤振和刀具磨损，最好在整个高速切削过程中实现材料的持续去除。

针对数控加工中刀具路径的新策略，现有的研究集中在提高工件表面高速加工区域的占比上。然而现有研究普适性较强，但对提高特殊形状(如弯曲环状等)的工件表面高速加工区域的面积占比讨论较少且效果不是特别显著。在定制化产品生产制造逐渐推行的当下，针对特殊形状工件的加工效率亟待提高。

发明内容

为了更大幅度地提高特殊形状工件高速加工区域面积占比，弥补现有普适性分区算法的性能不足，本发明提供一种基于三点定弧的扇环形高速加工区域生成方法。该方法相对于其他普适性的分区刀路规划算法，在保持普适性和鲁棒性的基础上，针对某些特殊形状工件在进行层切之后的边界曲线，通过三点确定弧线和布尔运算来获取边界曲线内近似最长“中心弧线”，由“中心弧线”参数，输出包含四段圆弧线的参数及最大扇环形边界，通过不断迭代，实现整个加工表面的高速加工分区和光顺刀路路径规划。

一种基于三点定弧的扇环形高速加工区域生成方法，包括以下步骤：

(1)输入当前层待加工区域的边界曲线b₀、刀具半径ρ、构造偏置次数N、初始最小路径面积S_min；

(2)将边界曲线b₀向内偏置一次，并对偏置后的曲线上的全部顶点进行多段线简化，得到曲线b_s；

(3)遍历曲线b_s上所有顶点，按每两个顶点间的距离排序组对，并存入集合{Pverts}；

(4)取集合{Pverts}中距离最大的一对顶点作为当前顶点对，连接当前顶点对得长度为D的线段K，求曲线b_s与线段K垂直平分线的交点，存入集合{P}；

(5)计算{P}中每个交点与线段K中点P_m的距离，根据该距离与0.5D的关系确定定弧点；

(6)采用三点定弧法确定弧线，利用得到的定弧点与当前顶点对确定弧线及其参数；