專利名稱：五軸數(shù)控加工安全最短刀具長(zhǎng)度的規(guī)劃方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種五軸數(shù)控加工安全最短刀具長(zhǎng)度的規(guī)劃方法，適用于復(fù)雜 零件的五軸數(shù)控加工，屬于計(jì)算機(jī)輔助制造(Computer Aided Manufacturing, CAM)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
數(shù)控機(jī)床己經(jīng)大量的應(yīng)用到制造業(yè)中，與傳統(tǒng)的三軸數(shù)控加工相比，五軸 數(shù)控加工可以顯著提高加工效率、增強(qiáng)刀具可達(dá)性和縮短刀具長(zhǎng)度，為復(fù)雜零 件的加工提供了有效的手段。由于刀具姿態(tài)的變化，可以在避免干涉的前提下 縮短刀具長(zhǎng)度，但是刀具姿態(tài)的變化也大大增加了刀具參數(shù)選擇和刀具路徑規(guī) 劃的難度，目前的刀具長(zhǎng)度規(guī)劃主要依賴試湊法。在加工復(fù)雜零件時(shí)，為避免 干涉通常需要選擇較大的刀具長(zhǎng)度值。刀具長(zhǎng)度的增加往往會(huì)加劇加工過(guò)程中 刀具的變形和振動(dòng)，從而降低加工精度、加快刀具磨損、提高加工成本，甚至 影響機(jī)床的使用壽命，因此針對(duì)五軸數(shù)控加工的安全最短刀具長(zhǎng)度規(guī)劃方法在 工業(yè)應(yīng)用中有很重要的意義。
仿真軟件Vericut提供了最短刀具的計(jì)算功能，只能對(duì)已有刀具路徑計(jì)算最 短的刀具長(zhǎng)度，但是刀具的安全長(zhǎng)度往往由刀具的方向決定。目前通用的的CAM 軟件在規(guī)劃刀具路徑前不能提供安全刀具長(zhǎng)度的參數(shù)，通常是由編程人員根據(jù) 經(jīng)驗(yàn)設(shè)定一個(gè)刀具長(zhǎng)度，選擇工藝參數(shù)和加工策略后，利用CAM軟件規(guī)劃出刀 具的接觸點(diǎn)和刀軸方向，通過(guò)數(shù)控仿真軟件進(jìn)行干涉檢查，如果有干涉發(fā)生， 必須重新規(guī)劃刀具長(zhǎng)度和刀軸控制策略， 一般要經(jīng)過(guò)多次反復(fù)才能獲得無(wú)干涉 刀具路徑。這樣的迭代過(guò)程規(guī)劃出的刀具路徑無(wú)法保證最短的刀具長(zhǎng)度的，同 時(shí)反復(fù)的修改工作也耗費(fèi)大量的時(shí)間和成本。
在數(shù)控加工中任何干涉都會(huì)導(dǎo)致零件報(bào)廢、刀具折斷甚至是機(jī)床的損壞， 所以干涉避免是刀具長(zhǎng)度和刀具路徑規(guī)劃中首先要考慮的。傳統(tǒng)的干涉檢查方法大都需要耗費(fèi)大量的計(jì)算時(shí)間，有時(shí)甚至超出計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力，尤其是加 工復(fù)雜零件時(shí)，零件的幾何模型由大量的自由曲面描述，計(jì)算復(fù)雜，所以現(xiàn)有 的CAM軟件難以在規(guī)劃刀具路徑時(shí)規(guī)劃安全最短的刀具長(zhǎng)度。
經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，有一種利用安全空間規(guī)劃安全最短刀具長(zhǎng) 度的方法(Su-Jin Kim. Short and safe tool setting by safe space in NC machining. International Journal of Advanced Manufacturing Technology. (2007)33: 1017 -1023)，利用虛擬仿真獲得刀具的安全工作空間，在安全空間中選擇最短的刀具 長(zhǎng)度，但是這種方法也僅僅是針對(duì)己有刀具路徑進(jìn)行規(guī)劃，而且只用于三軸數(shù) 控加工，難以推廣到五軸數(shù)控加工中。
公開號(hào)為CN101109944A的中國(guó)發(fā)明專利介紹了一種五軸數(shù)控加工光滑 無(wú)干涉刀具路徑的規(guī)劃方法。該方法首先建立刀具、工件和障礙物的幾何模型， 在計(jì)算機(jī)顯卡上柵格化障礙物模型，利用顯卡的深度緩存工作原理，在離散參 考方向上判斷刀具的可達(dá)性，獲得可達(dá)方向錐，在可達(dá)方向錐中，根據(jù)方向連 續(xù)性約束和加工環(huán)境約束計(jì)算可行方向錐，在可行方向錐中按照刀具路徑中方 向變化最小的原則規(guī)劃光滑無(wú)干涉的刀具路徑，輸出刀具路徑文件。該專利提 供了一種規(guī)劃刀具路徑的方法，但是沒(méi)有考慮到刀具長(zhǎng)度的影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種五軸數(shù)控加工安全最短刀 具長(zhǎng)度的規(guī)劃方法，同時(shí)自動(dòng)規(guī)劃出無(wú)干涉刀具路徑。該方法簡(jiǎn)單易行、計(jì)算 效率高，適用于多邊形網(wǎng)格、自由曲面等任意能夠渲染的幾何模型。
為實(shí)現(xiàn)這一目的，本發(fā)明首先建立刀具、工件和障礙物的幾何模型，刀具 長(zhǎng)度初始設(shè)定為工藝允許范圍內(nèi)的較大值；根據(jù)刀觸點(diǎn)序列和刀具形狀確定刀 位點(diǎn)的位置，在離散參考方向的反方向上柵格化障礙物和刀位點(diǎn)處刀具回轉(zhuǎn)圓 柱的圓盤面；通過(guò)顯卡的深度測(cè)試和遮擋査詢功能，獲得圓盤的完全可視信息 和刀柄處刀具圓盤到障礙物的最短距離；根據(jù)可視性信息判斷刀具在離散方向 上的可達(dá)性，根據(jù)刀柄處圓盤到障礙物的最短距離確定可達(dá)方向的安全最短刀 具長(zhǎng)度；在可達(dá)方向錐中，按照方向連續(xù)性約束和加工環(huán)境約束計(jì)算可行方向錐；根據(jù)可行方向錐判斷零件的可制造性，如果可制造，綜合刀具方向變化量、 刀位點(diǎn)序列的安全最短刀具長(zhǎng)度和工藝要求，用動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法規(guī)劃刀具路徑的 刀具最短安全刀具長(zhǎng)度；然后規(guī)劃方向光順的刀具路徑；最后輸出安全最短刀 具長(zhǎng)度和刀具路徑。
本發(fā)明的方法具體包括如下步驟
1) 將刀具的回轉(zhuǎn)圓柱面作為刀具的幾何模型，設(shè)定初始的刀具長(zhǎng)度，同時(shí) 建立工件及障礙物的幾何模型；所述刀具長(zhǎng)度指刀柄到刀位點(diǎn)的懸伸量，初始 的刀具長(zhǎng)度是工藝允許范圍內(nèi)一個(gè)最大值；所述障礙物包括工件的夾具以及在 工件周圍可能與刀具發(fā)生干涉的物體，所述工件及障礙物的幾何模型是一種可 以柵格化的幾何表述形式。
2) 用等誤差法、截面法或等參數(shù)法計(jì)算出刀具和工件的接觸點(diǎn)，得到刀觸 點(diǎn)序列，由刀觸點(diǎn)序列、刀具形狀來(lái)確定用來(lái)標(biāo)識(shí)刀具位置的一組刀位點(diǎn)。
3) 將高斯球面離散化，確定刀具軸線的離散參考方向；視線方向?yàn)殡x散參 考方向的反方向，將障礙物模型柵格化并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)深度測(cè)試；將刀具的軸向指 向離散參考方向，依次柵格化刀具回轉(zhuǎn)圓柱面的圓盤并進(jìn)行深度測(cè)試，把深度 測(cè)試函數(shù)的屬性設(shè)置為深度值大于或等于當(dāng)前深度值的柵格點(diǎn)通過(guò)測(cè)試，并且 關(guān)閉深度緩存的寫入功能；用顯卡的遮擋査詢功能判斷圓盤上的可見(jiàn)柵格數(shù)目， 如果可見(jiàn)柵格數(shù)目為零，圓盤沿視線方向完全可視，否則圓盤為不完全可視； 記錄刀具回轉(zhuǎn)圓柱面圓盤在視線方向的完全可視性，以及刀柄處圓盤到障礙物 的最短距離；根據(jù)刀具回轉(zhuǎn)圓柱面圓盤的完全可視性確定每個(gè)刀觸點(diǎn)處刀具在 離散參考方向上的可達(dá)性；根據(jù)刀柄處圓盤到障礙物的最短距離，確定沿該方 向時(shí)刀具的安全最短刀具長(zhǎng)度；將各個(gè)刀觸點(diǎn)處刀具可達(dá)的離散參考方向在高 斯球面上組成的集合規(guī)劃為刀具可達(dá)方向錐。
4) 在刀具可達(dá)方向錐中，根據(jù)方向連續(xù)性約束和加工環(huán)境約束計(jì)算刀具可 行方向錐；所述加工環(huán)境約束包括機(jī)床決定的工作行程約束、奇異方向約束和 加工工藝要求；所述方向連續(xù)性約束是選擇的方向?qū)儆诋?dāng)前刀觸點(diǎn)處刀具可達(dá) 方向錐和相鄰兩個(gè)刀觸點(diǎn)處刀具可達(dá)方向錐的交集。5) 根據(jù)刀具可行方向錐判斷工件的可制造性，即用當(dāng)前刀具沿刀觸點(diǎn)序列 加工工件的可行性，如果某個(gè)刀觸點(diǎn)處的刀具可行方向錐為空，即為不可制造， 則輸出不可制造信息，如果所有刀觸點(diǎn)處的刀具可行方向錐都非空，即為可制 造。
6) 在刀具可行方向錐中，綜合刀具方向變化量、刀位點(diǎn)序列的安全最短刀 具長(zhǎng)度和工藝要求，用動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法規(guī)劃得到刀具路徑的安全最短刀具長(zhǎng)度， 將規(guī)劃獲得的最優(yōu)策略集合中的刀具方向定義為新的可行方向錐；所述動(dòng)態(tài)規(guī) 劃方法中，階段是刀位點(diǎn)序列中的刀位點(diǎn)，狀態(tài)變量包括刀位點(diǎn)的可行方向和 可行方向上的安全最短刀具長(zhǎng)度，允許決策集合由刀具方向的光順性和工藝要 求決定，狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程是可行決策中可行刀具長(zhǎng)度的最大值，指標(biāo)函數(shù)為刀具 安全長(zhǎng)度的最小值。
7) 根據(jù)新的可行方向錐，沿刀觸點(diǎn)序列構(gòu)造有向圖，用最短路徑算法優(yōu)化 刀觸點(diǎn)處的刀具方向，得到光順的刀具路徑。
本發(fā)明中，所述的幾何模型為計(jì)算機(jī)可以渲染的幾何模型，包括實(shí)體模型、 多邊形網(wǎng)格模型、自由曲面模型、體素模型和點(diǎn)云模型。
所述的刀位點(diǎn)對(duì)于球頭銑刀是指端部半球面的球心，對(duì)于平底銑刀是端部 圓面的圓心，對(duì)于圓環(huán)銑刀是指端部圓環(huán)的圓環(huán)中心。
所述的刀具回轉(zhuǎn)圓柱面的圓盤是在垂直于離散參考方向的平面內(nèi)，以刀位 點(diǎn)為圓心，以刀具回轉(zhuǎn)面圓柱的半徑為半徑的圓盤面。
所述高斯球面離散化，包括兩種方法1)先將單位球面劃分為正四面體、 正八面體、或者正二十面體，每一個(gè)面對(duì)應(yīng)一個(gè)球面三角形，然后連接球面三 角形三條邊的中點(diǎn)，把每一個(gè)球面三角形劃分為四個(gè)球面三角形，如此遞歸劃 分直到達(dá)到需要的三角形個(gè)數(shù)。2)將高斯球面映射到機(jī)床旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，離散 化機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸的坐標(biāo)平面。
所述的圓盤完全可視性是指圓盤柵格化后所有柵格點(diǎn)處的可視性，如果圓 盤的所有柵格點(diǎn)都是可視的，則該圓盤是完全可視的，否則不是完全可視的。
所述的刀柄處圓盤到障礙物的最短距離是通過(guò)深度測(cè)試以后刀柄圓盤到被刀柄處圓盤覆蓋的障礙物柵格的最短距離。
所述的刀具方向變化量是指沿刀觸點(diǎn)序列的所有相鄰刀具方向的度量，包 括相鄰刀具方向在高斯球面上的度量和在機(jī)床工作空間中對(duì)應(yīng)旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)的度
本發(fā)明在構(gòu)造所述有向圖時(shí)，把每一個(gè)刀觸點(diǎn)處所有可行方向設(shè)置為有向 圖的頂點(diǎn)，把刀具路徑上每一個(gè)刀觸點(diǎn)處可行方向和下一個(gè)刀觸點(diǎn)處優(yōu)化方向 連接起來(lái)作為有向圖的邊，邊的長(zhǎng)度是這兩個(gè)可行方向變化的度量。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明第一次在五軸數(shù)控加工刀具路徑規(guī)劃中考慮了刀 具長(zhǎng)度的優(yōu)化，避免了必須先規(guī)劃刀具路徑，后優(yōu)化刀具長(zhǎng)度帶來(lái)的弊端。用 柵格化刀具回轉(zhuǎn)面圓盤的方法在每一個(gè)刀觸點(diǎn)處規(guī)劃刀具的可達(dá)方向錐，并直
接得到安全的刀具長(zhǎng)度值，根據(jù)加工環(huán)境約束和方向連續(xù)性約束計(jì)算可行方向 錐，然后規(guī)劃最短刀具長(zhǎng)度和刀具路徑，避免了刀具路徑方向規(guī)劃中的反復(fù)調(diào) 整。全部過(guò)程可以自動(dòng)完成，計(jì)算效率高，編程實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，可以應(yīng)用于復(fù)雜零 件的3+2軸數(shù)控加工或者五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工的刀具參數(shù)設(shè)置和刀具路徑規(guī)劃。


圖1是本發(fā)明安全最短刀具長(zhǎng)度規(guī)劃方法的流程圖。 圖2是對(duì)應(yīng)于不同銑刀的刀觸點(diǎn)和刀位點(diǎn)位置示意圖。 圖2中，(a)是球頭銑刀，(b)是平底銑刀，(c)是圓環(huán)銑刀，l是刀具軸 線，2是刀柄，3是刀具，4是刀位點(diǎn)，5是刀觸點(diǎn)。 圖3是離散高斯球面的三角網(wǎng)格和頂點(diǎn)。 圖3中，6是高斯球面上的頂點(diǎn)，7是離散高斯球面的網(wǎng)格。 圖4是刀位點(diǎn)處刀具回轉(zhuǎn)圓柱面的圓盤。
圖4中，4是刀位點(diǎn)，5是刀觸點(diǎn)，8是刀位圓盤，9是刀具長(zhǎng)度，10是刀 柄圓盤，ll是離散參考方向，12是視線方向，17是工件。 圖5是刀位圓盤柵格化示意圖。
圖5中，8是刀位圓盤，ll是刀具參考方向，12是視線方向，13是柵格坐 標(biāo)原點(diǎn)，18是柵格點(diǎn)。圖6是刀位圓盤完全可視性分析示意圖。
圖6中，4是刀位點(diǎn)，8是刀位圓盤，IO是刀柄圓盤，12是視線方向，14 是參考圓盤，17是工件，22是刀位點(diǎn)序列。 圖7是刀柄圓盤覆蓋的柵格。
圖7中，IO是刀柄圓盤，25是障礙物柵格化的柵格，26是被刀柄圓盤覆蓋 的柵格。
圖8是某一刀觸點(diǎn)對(duì)應(yīng)的刀具可達(dá)方向錐示意圖。
圖8中，5是刀觸點(diǎn)，20是工件模型，21是刀觸點(diǎn)5對(duì)應(yīng)的刀具可達(dá)方向 錐，22是刀觸點(diǎn)序列。
圖9是動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法優(yōu)化刀具長(zhǎng)度的模型。
圖IO是優(yōu)化刀具安全最短刀具長(zhǎng)度的有向圖模型。
圖11是規(guī)劃的光滑無(wú)干涉刀具路徑和刀具最短長(zhǎng)度；
圖11中，20是工件模型，24是光滑無(wú)干涉刀具路徑。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。以下實(shí)施 例不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限定。
本發(fā)明提出的五軸數(shù)控加工安全最短刀具長(zhǎng)度的規(guī)劃方法的流程如圖1所 示，首先建立刀具、工件和障礙物的幾何模型，障礙物包括工件的夾具以及在 工件周圍可能與刀具發(fā)生干涉的物體；用等殘高法、截面法或等參數(shù)法計(jì)算出 刀具和工件的接觸點(diǎn)，得到刀觸點(diǎn)序列，根據(jù)刀觸點(diǎn)序列和刀具形狀確定刀位 點(diǎn)的位置；均勻離散化將高斯球面規(guī)劃刀具軸線的離散參考方向；根據(jù)刀位點(diǎn) 的位置檢測(cè)所有刀觸點(diǎn)在離散參考方向上的可達(dá)性，并記錄每一個(gè)刀位點(diǎn)在每 一個(gè)離散參考方向上的的安全最短刀具長(zhǎng)度，由可達(dá)方向組成刀觸點(diǎn)處的可達(dá) 方向錐；在刀具可達(dá)方向錐中，根據(jù)方向連續(xù)性約束和加工環(huán)境約束確定可行 方向錐；根據(jù)可行方向錐是否為空決定刀具沿刀觸點(diǎn)序列的可制造性，如果不 可制造，輸出用當(dāng)前刀具不可制造的信息，如果可以制造，規(guī)劃安全最短刀具 長(zhǎng)度和光順的刀具路徑，輸出刀具路徑文件。本發(fā)明方法的實(shí)施步驟具體如下
1、 將刀具的回轉(zhuǎn)圓柱面作為刀具的幾何模型。刀具的模型如圖2所示，對(duì)
于球頭銑刀(a)、平底銑刀(b)和圓環(huán)銑刀(c),除了端部的形狀有差別外， 刀具圍繞刀具軸線l的回轉(zhuǎn)面是半徑遞增的階梯圓柱，分別是刀具圓柱3和刀 柄圓柱2。
設(shè)定初始的刀具長(zhǎng)度，同時(shí)建立工件及障礙物的幾何模型。所述刀具長(zhǎng)度 指刀柄到刀位點(diǎn)的懸伸量，初始刀具長(zhǎng)度是工藝允許范圍內(nèi)一個(gè)最大值Lmax。
所述障礙物包括工件的夾具以及在工件周圍可能與刀具發(fā)生干涉的物體， 工件及障礙物的幾何模型可以是能夠柵格化的任意幾何表述形式，為計(jì)算機(jī)可
以渲染的幾何模型，包括實(shí)體模型、多邊形網(wǎng)格模型、自由曲面模型、體素模 型。
2、 根據(jù)等誤差法、截面法或等參數(shù)線法計(jì)算出刀具和工件的接觸點(diǎn)，得到 刀觸點(diǎn)序列，其中的刀觸點(diǎn)如圖2中5所示。根據(jù)刀觸點(diǎn)5、刀具形狀確定用來(lái) 標(biāo)識(shí)刀具位置的一組刀位點(diǎn)，對(duì)應(yīng)對(duì)于球頭銑刀(a)、平底銑刀(b)和圓環(huán)銑 刀(c)，刀位點(diǎn)的位置如圖2中4所示，對(duì)于球頭銑刀(a)是指端部半球面的 球心，對(duì)于平底銑刀(b)是端部圓面的圓心，對(duì)于圓環(huán)銑刀(c)是指端部圓 環(huán)的圓環(huán)中心。
在以下實(shí)施例中，以球頭銑刀(a)為例，類似的方法可以應(yīng)用到平底銑刀 (b)和圓環(huán)銑刀(c)。對(duì)于球頭銑刀(a)，刀位點(diǎn)4在刀觸點(diǎn)5沿曲面的法線 上，距離刀觸點(diǎn)5的距離等于球頭銑刀(a)端部半球的半徑，所以球頭銑刀的 一個(gè)刀觸點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)刀位點(diǎn)。
3、 將高斯球面離散化。以三角網(wǎng)格化為例，取三角網(wǎng)格的頂點(diǎn)來(lái)確定刀具 軸線的離散參考方向。如圖3所示，將高斯球面離散為均勻的三角網(wǎng)格7，根據(jù) 三角網(wǎng)格的頂點(diǎn)6來(lái)獲得球面上均勻分布的點(diǎn)，從而確定刀具的離散參考方向。 將高斯球面均勻三角化時(shí)，可以先將單位球面劃分為正四面體、正八面體或正 二十面體，每一個(gè)面對(duì)應(yīng)一個(gè)球面三角形，然后連接球面三角形三條邊的中點(diǎn)， 把每一個(gè)球面三角形劃分為四個(gè)球面三角形，如此遞歸劃分直到達(dá)到需要的三角形個(gè)數(shù)。通常4或者5次遞歸劃分可以滿足一般的應(yīng)用。
視線方向?yàn)殡x散參考方向的反方向，將障礙物模型柵格化并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)深度 測(cè)試。柵格化坐標(biāo)如圖4所示，O點(diǎn)為視點(diǎn)，在以0點(diǎn)為原點(diǎn)13的坐標(biāo)系中， Y軸指向柵格坐標(biāo)系的上方，X軸指向柵格坐標(biāo)系的水平方向，Z軸是視線方向。 X軸和Y軸上都是整數(shù)坐標(biāo)，把幾何模型沿平行于Z軸的方向投影到XY平面 上，用二維整數(shù)柵格坐標(biāo)點(diǎn)18記錄對(duì)應(yīng)的位置，Z軸坐標(biāo)記錄了幾何模型到XY 平面的距離。通過(guò)深度測(cè)試，在每一個(gè)柵格坐標(biāo)上只存儲(chǔ)一個(gè)最小的Z值，也 就是到柵格平面最近的Z值。
將刀具的軸向指向離散參考方向，依次柵格化刀具回轉(zhuǎn)圓柱面的圓盤并進(jìn) 行深度測(cè)試，把深度測(cè)試函數(shù)的屬性設(shè)置為深度值大于或等于當(dāng)前深度值的柵 格點(diǎn)通過(guò)測(cè)試，并且關(guān)閉深度緩存的寫入功能。例如在OpenGL中設(shè)置深度測(cè)試 屬性為"GL_GEQUAL"，屏蔽深度緩存的寫入操作，進(jìn)行深度測(cè)試。圖5定義了 刀具回轉(zhuǎn)圓柱面在刀位點(diǎn)處的圓盤，刀具的軸向與離散參考方向ll一致，與柵 格坐標(biāo)的Z軸方向相反，圓盤包括刀位圓盤8和刀柄圓盤10，兩個(gè)圓盤之間的 距離等于刀具長(zhǎng)度9。
根據(jù)深度測(cè)試的結(jié)果判斷刀具回轉(zhuǎn)圓柱面圓盤的完全可視性。用顯卡的遮 擋查詢功能判斷圓盤上的可見(jiàn)柵格數(shù)目，如果可見(jiàn)柵格數(shù)目為零，圓盤沿視線 方向完全可視，否則圓盤為不完全可視。
記錄刀具回轉(zhuǎn)圓柱面圓盤在視線方向的完全可視性，以及刀柄處圓盤到障 礙物的最短距離；根據(jù)刀具回轉(zhuǎn)圓柱面圓盤的完全可視性確定每個(gè)刀觸點(diǎn)處刀 具在離散參考方向上的可達(dá)性。圖6說(shuō)明了刀具在該方向的計(jì)算原理，障礙物 模型為工件17在刀具路徑22中取一個(gè)刀位點(diǎn)4，根據(jù)刀具回轉(zhuǎn)圓柱面圓盤的定 義以及刀具離散參考方向和視線方向的關(guān)系，圓盤軸線平行于視線，從離散參 考方向的反方向看過(guò)去，圓盤面所在的平面平行于柵格的XY平面14,如果刀 位圓盤4和刀柄圓盤10完全可視，刀具在該方向是可達(dá)的；否則，如果刀位圓 盤或者刀柄圓盤不完全可視，刀具在該方向是不可達(dá)的。
根據(jù)刀柄處圓盤到障礙物的最短距離，確定沿該方向時(shí)刀具的安全最短刀具長(zhǎng)度。刀柄處圓盤到障礙物的最短距離是通過(guò)深度測(cè)試以后刀柄圓盤到被刀 柄處圓盤覆蓋的障礙物柵格的最短距離，從深度緩存中讀取渲染障礙物的深度 矩陣25，如圖7，獲取刀柄圓盤覆蓋的柵格26，考慮到柵格化產(chǎn)生的誤差，刀 柄圓盤的半徑設(shè)置為L(zhǎng)THD—e。 =L +dP。假設(shè)有N，個(gè)柵格被圓盤覆蓋，圓盤的深度 值為D ，那么刀具的安全最短長(zhǎng)度為L(zhǎng)saft=LM-(D -min{Di， i=l"'N })。
將各個(gè)刀觸點(diǎn)處刀具可達(dá)的離散參考方向在高斯球面上組成的集合規(guī)劃為 刀具可達(dá)方向錐，如圖8所示，刀觸點(diǎn)序列22是工件20的一個(gè)精加工刀觸點(diǎn) 序列，點(diǎn)5為刀觸點(diǎn)序列22中的一個(gè)刀觸點(diǎn)，三角網(wǎng)格21表示在刀觸點(diǎn)5處 可行方向在高斯球面上的集合，也就是刀觸點(diǎn)5的可達(dá)方向錐。在可達(dá)方向錐 中的每一個(gè)參考方向上都有一個(gè)安全最短刀具長(zhǎng)度值。
4、 在刀具可達(dá)方向錐中，根據(jù)方向連續(xù)性約束和加工環(huán)境約束計(jì)算刀具可 行方向錐。方向連續(xù)性約束是選擇的方向?qū)儆诋?dāng)前刀觸點(diǎn)處刀具可達(dá)方向錐和 相鄰兩個(gè)刀觸點(diǎn)處刀具可達(dá)方向錐的交集，這樣可以大大減少連接起來(lái)的刀具 路徑的干涉現(xiàn)象。加工環(huán)境約束包括機(jī)床決定的工作行程約束、奇異方向約束 和加工工藝要求，根據(jù)加工環(huán)境約束從刀具可達(dá)方向錐中過(guò)濾掉不可行的方向。 根據(jù)這兩個(gè)約束從刀具可達(dá)方向錐中刪除不合適的方向，獲得刀具可行方向錐。
5、 根據(jù)刀具可行方向錐判斷用該刀具加工時(shí)工件的可制造性，即用當(dāng)前刀 具沿刀觸點(diǎn)序列加工工件的可行性。如果某個(gè)刀觸點(diǎn)處的刀具可行方向錐為空， 即為不可制造，則輸出不可制造信息；如果所有刀觸點(diǎn)處的刀具可行方向錐都 非空，即為可制造。
6、 如果可制造，在可行方向錐中，綜合刀具方向變化量、刀位點(diǎn)序列的安 全最短刀具長(zhǎng)度和工藝要求，用動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法規(guī)劃得到安全最短刀具長(zhǎng)度，將 規(guī)劃獲得的最優(yōu)策略集合中的刀具方向定義為新的可行方向錐。如圖9所示， 動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法中，階段是刀位點(diǎn)序列中的刀位點(diǎn)，狀態(tài)變量包括刀位點(diǎn)的可行 方向和可行方向上的安全最短刀具長(zhǎng)度，允許決策集合由刀具方向的光順性和 工藝要求決定，狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程是可行決策中可行刀具長(zhǎng)度的最大值，指標(biāo)函數(shù) 為刀具安全長(zhǎng)度的最小值，然后用動(dòng)態(tài)規(guī)劃的順序或者逆序解法，求解出刀具的最短安全長(zhǎng)度Lsaf6_sh t，把最優(yōu)策略集合中的刀具方向定義為新的可行方向錐。 7、根據(jù)新的可行方向錐，沿刀觸點(diǎn)序列構(gòu)造有向圖，用最短路徑算法優(yōu)化 刀觸點(diǎn)處的刀具方向，得到光順的刀具路徑。
圖IO是有向圖模型建立的原理，在第一個(gè)刀觸點(diǎn)處的可行方向錐中規(guī)劃一 個(gè)初始的刀具方向，作為有向圖的起點(diǎn)，然后把其它刀觸點(diǎn)處所有可行方向設(shè) 置為有向圖的頂點(diǎn)，把刀具路徑上每一個(gè)刀觸點(diǎn)處所有可行方向和下一個(gè)刀觸 點(diǎn)處所有可行方向連接起來(lái)作為有向圖的邊，邊的長(zhǎng)度是這兩個(gè)可行方向在機(jī) 床旋轉(zhuǎn)軸的度量。刀具方向變化的度量可以用相鄰刀具方向在機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸上的 度量或者相鄰刀具方向在高斯球面上的最短弧長(zhǎng)。通過(guò)最短路徑算法求解有向 圖的最短路徑，如Dijkstra算法。最短路徑中沿刀觸點(diǎn)處的可行刀具方向確定了 對(duì)應(yīng)刀觸點(diǎn)處的刀具方向，如圖ll所示，工件20模型由139754個(gè)三角形組成， 離散參考方向?yàn)?026個(gè)，刀具路徑包含19310個(gè)刀位點(diǎn)，在普通PC上的計(jì)算 時(shí)間約為十五分鐘，刀具序列24其中一段刀具路徑中的離散刀位，安全最短刀 具長(zhǎng)度為38. 46mm。
輸出安全最短刀具長(zhǎng)度和刀具路徑。安全最短刀具長(zhǎng)度是Lsafe_sh。rt，刀具路 徑文件是與后處理程序?qū)?yīng)的刀位文件，描述了刀具的位置和方向，刀具的位 置是刀位序列，刀具的方向是對(duì)應(yīng)于刀位點(diǎn)處優(yōu)化的可行方向。
本實(shí)施例以球頭銑刀的精加工刀具路徑規(guī)劃為例，說(shuō)明了五軸數(shù)控加工安 全最短刀具路徑的規(guī)劃方法，可以為復(fù)雜零件規(guī)劃出安全最短的刀具長(zhǎng)度和高 質(zhì)量的刀具路徑。本發(fā)明的方法也可以應(yīng)用到平頭銑刀和圓環(huán)刀的五軸數(shù)控加 工中。
權(quán)利要求
1.一種五軸數(shù)控加工安全最短刀具長(zhǎng)度的規(guī)劃方法，其特征在于包括如下步驟1)將刀具的回轉(zhuǎn)圓柱面作為刀具的幾何模型，設(shè)定初始的刀具長(zhǎng)度，同時(shí)建立工件及障礙物的幾何模型；所述刀具長(zhǎng)度指刀柄到刀位點(diǎn)的懸伸量，初始的刀具長(zhǎng)度是工藝允許范圍內(nèi)的一個(gè)最大值；所述障礙物包括工件的夾具以及在工件周圍可能與刀具發(fā)生干涉的物體；所述工件及障礙物的幾何模型是一種可以柵格化的幾何表述形式；2)用等誤差法、截面法或等參數(shù)法計(jì)算出刀具和工件的接觸點(diǎn)，得到刀觸點(diǎn)序列，由刀觸點(diǎn)序列、刀具形狀來(lái)確定用來(lái)標(biāo)識(shí)刀具位置的一組刀位點(diǎn)；3)將高斯球面離散化，確定刀具軸線的離散參考方向；視線方向?yàn)殡x散參考方向的反方向，將障礙物模型柵格化并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)深度測(cè)試；將刀具的軸向指向離散參考方向，依次柵格化刀具回轉(zhuǎn)圓柱面的圓盤并進(jìn)行深度測(cè)試，把深度測(cè)試函數(shù)的屬性設(shè)置為深度值大于或等于當(dāng)前深度值的柵格點(diǎn)通過(guò)測(cè)試，并且關(guān)閉深度緩存的寫入功能；用顯卡的遮擋查詢功能判斷圓盤上的可見(jiàn)柵格數(shù)目，如果可見(jiàn)柵格數(shù)目為零，圓盤沿視線方向完全可視，否則圓盤為不完全可視；記錄刀具回轉(zhuǎn)圓柱面圓盤在視線方向的完全可視性，以及刀柄處圓盤到障礙物的最短距離；根據(jù)刀具回轉(zhuǎn)圓柱面圓盤的完全可視性確定每個(gè)刀觸點(diǎn)處刀具在離散參考方向上的可達(dá)性；根據(jù)刀柄處圓盤到障礙物的最短距離，確定沿該方向時(shí)刀具的安全最短刀具長(zhǎng)度；將各個(gè)刀觸點(diǎn)處刀具可達(dá)的離散參考方向在高斯球面上組成的集合規(guī)劃為刀具可達(dá)方向錐；4)在刀具可達(dá)方向錐中，根據(jù)方向連續(xù)性約束和加工環(huán)境約束計(jì)算刀具可行方向錐；所述加工環(huán)境約束包括機(jī)床決定的工作行程約束、奇異方向約束和加工工藝要求；所述方向連續(xù)性約束是選擇的方向?qū)儆诋?dāng)前刀觸點(diǎn)處刀具可達(dá)方向錐和相鄰兩個(gè)刀觸點(diǎn)處刀具可達(dá)方向錐的交集；5)根據(jù)刀具可行方向錐判斷工件的可制造性，即用當(dāng)前刀具沿刀觸點(diǎn)序列加工工件的可行性，如果某個(gè)刀觸點(diǎn)處的刀具可行方向錐為空，即為不可制造，則輸出不可制造信息，如果所有刀觸點(diǎn)處的刀具可行方向錐都非空，即為可制造；6)在刀具可行方向錐中，綜合刀具方向變化量、刀位點(diǎn)序列的安全最短刀具長(zhǎng)度和工藝要求，用動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法規(guī)劃得到刀具路徑的安全最短刀具長(zhǎng)度，將規(guī)劃獲得的最優(yōu)策略集合中的刀具方向定義為新的可行方向錐；所述動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法中，階段是刀位點(diǎn)序列中的刀位點(diǎn)，狀態(tài)變量包括刀位點(diǎn)的可行方向和可行方向上的安全最短刀具長(zhǎng)度，允許決策集合由刀具方向的光順性和工藝要求決定，狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程是可行決策中可行刀具長(zhǎng)度的最大值，指標(biāo)函數(shù)為刀具安全長(zhǎng)度的最小值；7)根據(jù)新的可行方向錐，沿刀觸點(diǎn)序列構(gòu)造有向圖，用最短路徑算法優(yōu)化刀觸點(diǎn)處的刀具方向，得到光順的刀具路徑。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的五軸數(shù)控加工安全最短刀具長(zhǎng)度的規(guī)劃方法，其特征 在于所述的幾何模型為計(jì)算機(jī)可以渲染的幾何模型，包括實(shí)體模型、多邊形網(wǎng) 格模型、自由曲面模型、體素模型和點(diǎn)云模型。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1的五軸數(shù)控加工安全最短刀具長(zhǎng)度的規(guī)劃方法，其特征 在于所述的刀位點(diǎn)對(duì)于球頭銑刀是指端部半球面的球心，對(duì)于平底銑刀是端部 圓面的圓心，對(duì)于圓環(huán)銑刀是指端部圓環(huán)的圓環(huán)中心。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1的五軸數(shù)控加工安全最短刀具長(zhǎng)度的規(guī)劃方法，其特征 在于所述的刀具回轉(zhuǎn)圓柱面的圓盤是在垂直于離散參考方向的平面內(nèi)，以刀位 點(diǎn)為圓心，以刀具回轉(zhuǎn)面圓柱的半徑為半徑的圓盤面。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1的五軸數(shù)控加工安全最短刀具長(zhǎng)度的規(guī)劃方法，其特征 在于所述的圓盤完全可視性是指圓盤柵格化后所有柵格點(diǎn)處的可視性，如果圓 盤的所有柵格點(diǎn)都是可視的，則該圓盤是完全可視的，否則不是完全可視的。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1的五軸數(shù)控加工安全最短刀具長(zhǎng)度的規(guī)劃方法，其特征 在于所述的刀柄處圓盤到障礙物的最短距離是通過(guò)深度測(cè)試以后刀柄圓盤到被 刀柄處圓盤覆蓋的障礙物柵格的最短距離。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1的五軸數(shù)控加工安全最短刀具長(zhǎng)度的規(guī)劃方法，其特征在于所述的刀具方向變化量是指沿刀觸點(diǎn)序列的所有相鄰刀具方向的度量，包 括相鄰刀具方向在高斯球面上的度量和在機(jī)床工作空間中對(duì)應(yīng)旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)的度
8. 根據(jù)權(quán)利要求1的五軸數(shù)控加工安全最短刀具長(zhǎng)度的規(guī)劃方法，其特征 在于構(gòu)造所述有向圖時(shí)，把每一個(gè)刀觸點(diǎn)處所有可行方向設(shè)置為有向圖的頂點(diǎn)， 把刀具路徑上每一個(gè)刀觸點(diǎn)處可行方向和下一個(gè)刀觸點(diǎn)處優(yōu)化方向連接起來(lái)作 為有向圖的邊，邊的長(zhǎng)度是這兩個(gè)可行方向變化的度量。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種五軸數(shù)控加工安全最短刀具長(zhǎng)度的規(guī)劃方法，同時(shí)分析零件的可制造性，并規(guī)劃光順的刀具路徑。首先刀具長(zhǎng)度設(shè)置一個(gè)工藝允許范圍內(nèi)的最大值，柵格化障礙物和刀位點(diǎn)處刀具回轉(zhuǎn)圓柱面的圓盤，通過(guò)顯卡的深度測(cè)試和遮擋查詢功能獲得在參考方向上的刀具可達(dá)性信息和安全最短刀具長(zhǎng)度，規(guī)劃刀具可達(dá)方向錐；然后根據(jù)方向連續(xù)性約束和加工環(huán)境約束計(jì)算可行方向錐并判斷可制造性；如果可制造，在可行方向錐中，用動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法規(guī)劃刀位點(diǎn)序列的安全最短刀具長(zhǎng)度，然后規(guī)劃光順的刀具路徑。本發(fā)明計(jì)算效率高、編程實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，可以應(yīng)用于復(fù)雜零件3+2軸數(shù)控加工或者五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工的刀具選擇和刀具路徑規(guī)劃。
文檔編號(hào)G05B19/4097GK101303583SQ200810039198
公開日2008年11月12日 申請(qǐng)日期2008年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月19日
發(fā)明者漢 丁, 朱利民, 朱向陽(yáng), 畢慶貞, 王宇晗 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)