[发明专利]点云模型五轴无局部干涉刀轴偏角范围计算方法

摘要

本发明公开了一种点云模型五轴无局部干涉刀轴偏角范围计算方法，包括如下步骤：输入待加工的点云模型，设置加工刀具、行距、步长等信息并规划刀触点；设置需要计算的前倾角范围和间距值，对刀触点计算无曲率干涉的最小前倾角数值，规划离散前倾角；对所有离散前倾角计算无局部干涉旋转角范围，组成刀触点的无局部干涉旋转角范围；最后规划出无局部干涉刀轨。通过上述方式，本发明提供了点云模型五轴无局部干涉刀轴偏角范围计算方法，实现了高效计算点云无局部干涉刀轴的偏角范围，是无局部干涉加工刀轨生成和优化的基础。

主权项

1.一种点云模型五轴无局部干涉刀轴偏角范围计算方法，其特征在于，包括以下具体步骤：步骤1、输入需要加工的点云模型和加工参数，规划刀触点轨迹，其中，所述的点云模型和加工参数，包括行距、步长、栅格尺寸mcell，输入刀具类型和尺寸；步骤1.1、将点云中的所有数据点根据坐标划分到立方体小栅格中，任意一点(px,py,pz)所在的栅格序列号(i,j,k)可由下式求出，其中xmin、ymin、zmin为点云的三坐标最小值，步骤1.2、通过行距规划一组截平面与点云求交获得交点点集，根据步长在交点点集中筛选出刀触点；步骤2、输入前倾角参数，为刀触点建立局部坐标系；步骤2.1、输入前倾角α范围[αmin,αmax]，最大为[0,π/2]，输入前倾角间距值αΔ；步骤2.2、以第i行第j个刀触点为例，以为原点构建局部坐标系O_LX_LY_LZ_L，对搜索K邻近点，运用最小二乘法构造切平面，切平面法矢为Z_L轴方向向量k_L，Y_L轴方向向量j_L为切平面和截平面的交线，X_L轴方向向量i_L＝j_L×k_L，任意一点P_i在局部坐标系下的坐标的可由下式计算出，步骤3、对刀触点计算无曲率干涉的最小前倾角数值，规划离散前倾角；步骤3.1、为刀触点获取所有可能与刀具发生局部干涉的栅格，其序列号(X_index,Y_index,Z_index)需满足下式，其中R为刀具半径，(m,n,l)为点所在栅格的序列号，这些栅格中的数据点记为集合并去除中的所有局部坐标z_L＜0的点，步骤3.2、X_LZ_L平面与点集求交获得交点集合对于平底刀，将中任意一点代入以下方程求出其无曲率干涉时的前倾角α，步骤3.3、所有点代入后可计算出前倾角最大值就是刀触点的无曲率干涉前倾角最小值，若则需要计算的前倾角范围为根据前倾角间距值α_Δ，按照下式对前倾角范围进行等分，获取离散前倾角集合{α_i}，步骤4、为所有离散前倾角计算无局部干涉旋转角范围，规划出无局部干涉刀轨；步骤4.1、获取集合中所有到局部坐标系原点O_L距离小于半径R的点，记为集合P^R；步骤4.2、对于PR中任意一点PR(xL,yL,zL)，如果是刀底干涉点，则点位于刀具内，且在平面zL＝PR.zL上，刀具在平面zL＝PR.zL上的轮廓线为一个不完整的椭圆，对于离散前倾角{αi}中任意前倾角αi，轮廓线方程如下式所示，步骤4.3、在平面zL＝PR.zL上，点PR绕着ZL轴旋转过一定角度后位于轮廓线上，此时干涉消除，转过的角度就是刀具需要转过的旋转角，据此计算点PR的无刀底干涉旋转角范围，设刀具不绕ZL轴旋转时旋转角为0，旋转角大于0时刀具顺时针旋转，点PR到旋转中心点O′L的距离不同计算方法也不同，具体计算如下：如果P^RO′_L≤Min(O′_Lp₁,O′_Lp₃)，其中则点P^R无法旋转出刀具轮廓，无刀底干涉旋转角范围为空；如果P^RO′_L介于O′_Lp₁和O′_Lp₃之间，当O′_Lp₁＞O′_Lp₃时，通过刀具旋转P^R从刀具底面即线段离开轮廓，通过下面两式求出临界无干涉点P_C1(‑x_L,y_L)、P_C2(x_L,y_L)与P_C1O′_L和P^RO′_L的夹角P_C2O′_L和P^RO′_L的夹角(令)，刀具顺时针旋转角，P^R到椭圆外，干涉被避免，所以无刀底干涉旋转角范围为若P^R.x_L＞0，范围为当O′_Lp₁＜O′_Lp₃时，P^R从椭圆离开轮廓，通过下式求出P_C3(‑x_L,y_L)、P_C4(x_L,y_L)，同理求出P_C3O′_L和P^RO′_L的夹角P_C4O′_L和P^RO′_L的夹角(令)，刀具逆时针旋转角或顺时针旋转角，P^R到椭圆外，干涉被避免，所以无刀底干涉区域为若P^R.x_L＞0，则范围为如果Max(O′_Lp₁,O′_Lp₃)＜P^RO′_L＜O′_Lp₄，P^R从线段、椭圆离开轮廓，分别运用上述两个方程组求出临界点P_C1，P_C2，P_C3和P_C4，并求出相应的夹角和则无刀底干涉旋转角范围为若P^R.x_L＞0，范围为如果PRO′L＞O′Lp4，PR始终在刀具轮廓外，无刀底干涉旋转角范围为[‑π/2,π/2]，对集合PR中每个点求出的其无刀底干涉范围，所有范围的交集就是离散前倾角αi的无局部干涉旋转角最终范围，所有集合{αi}中前倾角的无局部干涉范围通过步骤4.1至步骤4.3计算得到，从中选择合适的偏角求出无局部干涉刀轴矢量和刀位点，最后组成无局部干涉刀轨。