一種三角網(wǎng)格模型數(shù)控加工的多刀具優(yōu)化組合選擇方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于數(shù)控加工技術(shù)領(lǐng)域，特別設(shè)及一種Ξ角網(wǎng)格模型數(shù)控加工的多刀具優(yōu) 化組合選擇方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在數(shù)控加工中，為了提高加工效率一般會(huì)盡量選用大尺寸的刀具，但對(duì)于復(fù)雜的 幾何模型，往往會(huì)存在大尺寸刀具無(wú)法加工的干設(shè)區(qū)域，因此還需要小尺寸刀具進(jìn)行干設(shè) 區(qū)域的加工。而對(duì)于復(fù)雜的幾何模型，不同刀具組合的加工效率可能會(huì)存在較大差距，因此 刀具的優(yōu)化組合選擇也是數(shù)控加工領(lǐng)域的重要研究?jī)?nèi)容。
[0003] 目前，在刀具組合優(yōu)化方面，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)對(duì)模具2.加型腔做了大量研究且得到相 對(duì)成熟的研究理論，運(yùn)些理論已被推廣到模具3D型腔，但很顯然，運(yùn)些研究無(wú)法應(yīng)用到曲面 加工中。針對(duì)連續(xù)的自由曲面，李海燕等人在學(xué)術(shù)期刊《制造裝備技術(shù)》2007,（3)，Ρ18-20發(fā) 表的學(xué)術(shù)論文"五軸數(shù)控加工中多刀加工自由曲面的刀具選擇"、Li Η Υ等人在學(xué)術(shù)會(huì)議 "Proceedings of the IEEE. International Conference on Automation and Logistics (2008)"發(fā)表的學(xué)術(shù)論文"A geometric method for optimal multi-cutter selection in 5-axis finish cut of sculptured surfaces"、Geng L等人在學(xué)術(shù)其月干U《Computer- Aided Design》2011,8(2),P301-313發(fā)表的學(xué)術(shù)論文''A neural network based approach to 5-axis tool-path length estimation for optimal multi-cutter selection"中基 于不同尺寸刀具加工面積的統(tǒng)計(jì)進(jìn)行最優(yōu)刀具組合選擇，沒(méi)有考慮曲面幾何形狀對(duì)加工效 率的影響。化ng D C Η等人在學(xué)術(shù)期刊《Computer-Aided Desi即》1999,31(5)，P303-315中 發(fā)表的學(xué)術(shù)論文('Interference detection and optimal tool selection in 3-axis NC machining of free-form surface"、Lo C等人在學(xué)術(shù)其月干U《Computer-Aided Design》 2000,32(10)，P597-603中發(fā)表的學(xué)術(shù)論文"Two-stage cutter-path scheduling for ball-end milling of concave and wall-bounded surfaces"和南京航空航天大學(xué)的趙 世田在2011年的學(xué)位論文《自由曲面加工刀具路徑軌跡規(guī)劃算法研究》中基于刀具軌跡長(zhǎng) 度估算選取最優(yōu)刀具組合。但此類方法進(jìn)行軌跡長(zhǎng)度估算時(shí)對(duì)整個(gè)模型采用單一的估算模 型，也沒(méi)有考慮不同表面特征對(duì)刀具軌跡長(zhǎng)度的影響，軌跡長(zhǎng)度估算不準(zhǔn)確。Bey Μ等人在 學(xué)術(shù)會(huì)議('International Conference on Smart Manufacturin邑 Application,2008"發(fā) 表的學(xué)術(shù)論文"Cutting Tool Combination and Machining Strategy Affectation Based on the Determination of Local Shapes for Free form Surfaces"考慮了不同 類型區(qū)域?qū)庸r(shí)間的影響，但加工策略方面只考慮平行截面法和等高線法，且采用模擬 方法獲取加工時(shí)間時(shí)勢(shì)必需要生成刀具軌跡，影響效率。
[0004] 總之，現(xiàn)有針對(duì)曲面模型的刀具組合優(yōu)化的方法中，沒(méi)有全面考慮模型幾何形狀 對(duì)加工的影響，而是W精度不高的結(jié)果作為優(yōu)化選擇判斷標(biāo)準(zhǔn)來(lái)選取最優(yōu)刀具組合，導(dǎo)致 算法的準(zhǔn)確性有待進(jìn)一步提高；同時(shí)也需要采用合適的刀具優(yōu)化組合方法進(jìn)一步增強(qiáng)適應(yīng) 性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種Ξ角網(wǎng)格模型數(shù)控加工的多刀 具優(yōu)化組合選擇方法，可W通過(guò)將復(fù)雜Ξ角網(wǎng)格模型分割后建立不同軌跡長(zhǎng)度估算模型， 并通過(guò)人工智能算法獲得優(yōu)化刀具組合，能夠更加有效、精準(zhǔn)地獲得復(fù)雜Ξ角網(wǎng)格模型的 高效加工刀具組合。
[0006] 本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：
[0007] -種Ξ角網(wǎng)格模型數(shù)控加工的多刀具優(yōu)化組合選擇方法，包括如下步驟：
[0008] 步驟1，基于讀入到內(nèi)存的Ξ角網(wǎng)格模型數(shù)據(jù)，建立無(wú)冗余的點(diǎn)表和面表;基于半 邊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，建立Ξ角網(wǎng)格模型的面片、邊和頂點(diǎn)的完整拓?fù)湫畔ⅲ?br>[0009] 步驟2,采用局部二次擬合方法計(jì)算Ξ角網(wǎng)格頂點(diǎn)及面片的最大主曲率和最小主 曲率，所述最大主曲率大于等于最小主曲率;基于面片法矢及面片的最大主曲率和最小主 曲率，將Ξ角網(wǎng)格模型曲面分為睹壁特征區(qū)域、平坦特征區(qū)域、阱特征區(qū)域、峰特征區(qū)域和 混合特征區(qū)域五類特征區(qū)域;ΚΞ角面片為生長(zhǎng)元素，采用區(qū)域生長(zhǎng)法實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格模型分割；
[0010] 步驟3，ΚΞ角面片為基本單元在阱特征和混合特征區(qū)域查找刀具干設(shè)區(qū)域；
[0011] 步驟4,建立各特征區(qū)域的刀具軌跡長(zhǎng)度計(jì)算公式：
[0012]
[001引其中L康示刀具軌跡長(zhǎng)度，Ai表示加工區(qū)域i的面積，gi為行距，Si日和Sii分別表示 區(qū)域i的外邊界和內(nèi)邊界長(zhǎng)度；
[0014] 步驟5,根據(jù)模型Ξ角面片的最大主曲率及標(biāo)準(zhǔn)刀具尺寸確定最小刀具;采用遺傳 算法優(yōu)化其他尺寸刀具。
[0015] 所述將Ξ角網(wǎng)格模型曲面分為睹壁特征區(qū)域、平坦特征區(qū)域、阱特征區(qū)域、峰特征 區(qū)域和混合特征區(qū)域五類特征區(qū)域，具體是：
[0016] W最大主曲率ki為橫坐標(biāo)、最小主曲率k2為縱坐標(biāo)建立主曲率坐標(biāo)系，根據(jù)不同情 況設(shè)定Z軸分量闊值V。、平坦曲率闊值k。、阱特征區(qū)域曲率闊值kt和峰特征區(qū)域曲率闊值ks， 各特征子區(qū)域表示為：
[0017] 睹壁特征區(qū)域:Vz < V。，其中Vz為面片法矢的巧由分量；
[001引平坦特征區(qū)域:kl2+k22非。2;
[0019]阱特征區(qū)域:ki2+k22〉k。2，且k2〉kt，其中 kt 含 0.01;
[0020] 峰特征區(qū)域:山2+1?2〉心2，且kl<ks，其中ks > -0.01;
[0021] 混合特征區(qū)域:ki〉0、k2<0且不屬于上述各區(qū)域。
[0022] 步驟3中所述的ΚΞ角面片為基本單元在阱特征和混合特征區(qū)域查找刀具干設(shè)區(qū) 域，包括：
[0023] ①在整個(gè)查找區(qū)域內(nèi)，根據(jù)面片最大主曲率ki判斷刀具Ri發(fā)生曲率干設(shè)的面片并 存儲(chǔ)干設(shè)面片，所述曲率干設(shè)的判斷原則是:若l/ki<Ri，則發(fā)生曲率干設(shè)；
[0024] ②若步驟①中的面片不發(fā)生曲率干設(shè)，W整個(gè)查找區(qū)域內(nèi)所有面片的中屯、點(diǎn)及頂 點(diǎn)建立K-D樹(shù)；
[0025] ③將不發(fā)生曲率干設(shè)的面片中屯、點(diǎn)、頂點(diǎn)分別沿面片法矢、頂點(diǎn)法矢偏置刀具半 徑Ri距離，W偏置點(diǎn)為捜索中屯、，WRi-scallop/2為捜索范圍進(jìn)行K-D捜索，面片中屯、和面片 頂點(diǎn)干設(shè)的判斷原則是:檢測(cè)面片中屯、點(diǎn)時(shí)，若捜索到的干設(shè)點(diǎn)數(shù)目大于1，則判定該面片 中屯、點(diǎn)對(duì)應(yīng)的面片發(fā)生干設(shè);一個(gè)Ξ角面片內(nèi)至少有兩個(gè)頂點(diǎn)在干設(shè)檢測(cè)時(shí)，捜索到的干 設(shè)點(diǎn)數(shù)目大于1，則判定該面片發(fā)生干設(shè)；
[00%]所述scallop為殘留高度；
[0027] ④將已查找到的干設(shè)面片周圍刀具半徑范圍內(nèi)的面片設(shè)置為干設(shè)面片。
[0028] 所述偏置點(diǎn)計(jì)算公式如下：
[0029] 〇j = Pj+nRi
[0030] 其中化為偏置點(diǎn);門為面片中屯、點(diǎn)或面片頂點(diǎn);η對(duì)應(yīng)為面片法矢或面片頂點(diǎn)法矢； Ri為大刀具半徑。
[0031] 步驟4中計(jì)算刀具軌跡長(zhǎng)度時(shí)，不同特征區(qū)域采用不同的加工策略，在給定加工殘 留高度h、曲面法曲率K的情況下，刀具Ri加工各類型區(qū)域的行距gi具體是：
[0032] ①睹壁特征和平坦特征區(qū)域分別采用等高線法和行切等截面刀軌生成策略，行距 gi計(jì)算公式為：
[0033]
[0034] ②峰特征區(qū)域采用環(huán)切等殘留高度法刀軌生成策略，行距gi計(jì)算公式為：
[0035]
[0036] ③阱特征區(qū)域采用環(huán)切等殘留高度法刀軌生成策略，行距gi計(jì)算公式為：
[0037]
[0038] ④混合特征區(qū)域采用行切等殘留行切法刀軌生成策略，行距gi計(jì)算公式為：
[0039]
[0040] 在阱特征、峰特征和混合特征區(qū)域的行距計(jì)算公式中，運(yùn)Ξ種特征子區(qū)域按照曲 率值細(xì)分成幾個(gè)部分，每個(gè)部分取曲率中值代入到行距公式中計(jì)算刀軌長(zhǎng)度。
[0041] 步驟5中所述最小刀具的值是固定的，選擇方法為：
[0042] 小刀具尺寸的值小于1/ki，并從標(biāo)準(zhǔn)刀具尺寸系列中選擇小于1/ki且最接近1/ki 的一個(gè)尺寸。
[0043] 步驟5中所述其他尺寸刀具選擇方法為采用遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化選擇，適應(yīng)度函數(shù) 表不為：
[0044] F(x)=k/f(x)
[0045] 其中f(x)為估算的刀具軌跡長(zhǎng)度，k表示比例系數(shù)。
[0046] 本發(fā)明具有如下有益效果：
[0047] (1)本發(fā)明提供的Ξ角網(wǎng)格模型數(shù)控加工的多刀具優(yōu)化組合選擇方法，在特征分 割的基礎(chǔ)上，進(jìn)行有針對(duì)性的軌跡長(zhǎng)度估算