基于空間填充曲線的數(shù)控加工刀具軌跡生成方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及刀具軌跡規(guī)劃方法，具體地，涉及一種采用最陡梯度的空間填充曲線 數(shù)控加工刀具軌跡生成方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著工業(yè)現(xiàn)代化程度的提高和人們生活消費(fèi)需求的不斷增強(qiáng)，具有復(fù)雜曲線曲面 造型的機(jī)械零件及產(chǎn)品越來越多，如何高精度、高效率的加工這些產(chǎn)品，是諸多工業(yè)領(lǐng)域?qū)?現(xiàn)代制造業(yè)提出的基本要求。刀具軌跡的優(yōu)劣直接影響其加工精度和加工效率。目前刀具 軌跡的生成方法有等殘留高度法、參數(shù)線法、曲率匹配法、最陡梯度法，但是這些方法都有 各自的缺點(diǎn)，而且很難將加工效率和加工質(zhì)量同時(shí)兼顧。為此，我們提出了一種新的刀具軌 跡生成方法，以提高自由曲面的表面加工質(zhì)量和加工效率為目標(biāo)，對(duì)自由曲面加工的刀具 路徑軌跡規(guī)劃的若干技術(shù)進(jìn)行了深入研究，即采用最陡梯度的空間填充曲線刀具軌跡的生 成方法，可以提高自由曲面的表面加工質(zhì)量和加工效率。
[0003] 經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，ZezhongC.Chen等發(fā)表的《ANewPrinciple ofCNCToolPathPlanningforThree-AxisSculpturedPartMachining-A Steepest-AscendingToolPath》，總結(jié)了最陡梯度法刀具軌跡的生成方法通過概述講述 了該方法的發(fā)展過程及其優(yōu)劣，指出了最陡梯度法在加工曲面時(shí)極高的效率?？臻g填充曲 線（SpaceFillingCurves，SFCs)首先是有意大利數(shù)學(xué)家Peano于1890提出的，德國(guó)數(shù)學(xué) 家Hilbert于1891年首先給出了構(gòu)造這種幾何填充曲線的幾何過程。Hilbert曲線已經(jīng)有 了廣泛的應(yīng)用，例如在圖像儲(chǔ)存和檢索，空間數(shù)據(jù)庫索引等領(lǐng)域得到了成功的應(yīng)用。近些年 來，Hilbert曲線也應(yīng)用于高質(zhì)量的數(shù)控加工的刀具軌跡規(guī)劃方面。空間填充曲線應(yīng)用數(shù)控 加工首先是Grifiths(1994)和Coxet.al(1994)。前者使用Hilbert曲線作為刀具軌跡， 并指出Hilbert曲線的優(yōu)點(diǎn)：復(fù)雜的局部細(xì)分能力、縮短不切削時(shí)間和減少切入切出點(diǎn)；而 后者使用了多種空間填充曲線形式如Moore曲線，討論了空間填充曲線用于刀具軌跡規(guī)劃 的可能性，并比較了空間填充曲線與單向切削和雙向切削加工的優(yōu)缺點(diǎn)，初步得出了空間 填充曲線用于數(shù)控加工的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)時(shí)，這兩種方法已經(jīng)運(yùn)用于三軸加工中而且是使用球頭 刀來進(jìn)行走刀，但是并未研究如何采用最陡梯度的空間填充曲線刀具軌跡生成方法，本文 詳細(xì)描述了采用最陡梯度的空間填充曲線的生成原理，從而既保證了曲面加工的高效率， 又保證了被加工曲面的高質(zhì)量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種采用最陡梯度的空間填充曲線 數(shù)控加工刀具軌跡生成方法。
[0005] 根據(jù)本發(fā)明提供的基于空間填充曲線的數(shù)控加工刀具軌跡生成方法，包括以下步 驟：
[0006] 步驟1 :根據(jù)曲面形狀和最陡梯度路徑對(duì)曲面進(jìn)行區(qū)域劃分并根據(jù)殘留高度確定 各個(gè)區(qū)域的二維區(qū)域填充曲線的階數(shù)，進(jìn)而生成相應(yīng)階數(shù)的二維區(qū)域填充曲線，相鄰區(qū)域 的二維區(qū)域填充曲線首尾相連得到二維填充曲線；
[0007] 步驟2 :根據(jù)映射原理將二維填充曲線映射到空間曲面上從而得到數(shù)控加工刀具 軌跡。
[0008] 優(yōu)選地，所述步驟1包括如下步驟：
[0009] 步驟1. 1 :根據(jù)曲面形狀和最陡梯度路徑對(duì)曲面進(jìn)行區(qū)域劃分，最陡梯度路徑包 括一組從最低點(diǎn)到最尚點(diǎn)的刀觸點(diǎn)；
[0010] 把最陡梯度路徑作為各區(qū)域的邊界，選取一條最陡梯度路徑為參考邊界，另一條 最陡梯度路徑作為檢查路徑；
[0011] 步驟1. 2 :選取一個(gè)最低點(diǎn)的刀觸點(diǎn)作為起點(diǎn)，計(jì)算下一個(gè)高于最低點(diǎn)的刀觸點(diǎn)； 判斷下一個(gè)刀觸點(diǎn)是否超過了檢查路徑，若下一個(gè)刀觸點(diǎn)超過了檢查路徑，則下一個(gè)刀觸 點(diǎn)將被曲面等高線和檢查路徑的交點(diǎn)所代替；
[0012] 步驟1. 3 :根據(jù)曲面形狀和殘留高度確定各個(gè)區(qū)域的二維區(qū)域填充曲線的階數(shù)； 重復(fù)步驟1. 2生成相應(yīng)階數(shù)的二維區(qū)域填充曲線，相鄰區(qū)域的二維區(qū)域填充曲線首尾相連 得到二維填充曲線。
[0013] 優(yōu)選地，所述步驟1還包括如下步驟：
[0014] -檢查所述二維填充曲線是否布滿整個(gè)曲面，若是，則進(jìn)如步驟2 ;否則，重新選擇 參考邊界和檢查路徑后重復(fù)步驟1. 2至1. 3。
[0015] 優(yōu)選地，所述二維區(qū)域填充曲線采用矩陣生成方法，具體包括以下步驟：
[0016] 步驟A1:首先得到基元；
[0017] 步驟A2 :將基元所在的各個(gè)第一正方形再細(xì)分為四個(gè)第二正方形，并按照生成規(guī) 則連接各個(gè)第二正方形的基元；
[0018] 步驟A3 :重復(fù)步驟A2不斷細(xì)分下去，得到不同階數(shù)的二維區(qū)域填充曲線。
[0019] 優(yōu)選地，所述生成規(guī)則為：FK+1表示當(dāng)前階數(shù)K+1階的填充曲線，F(xiàn)K表示上一階K階 的填充曲線，將FK所形成的第一正方形細(xì)分為四個(gè)同等大小的第二正方形，當(dāng)K為奇數(shù)的 時(shí)候，將FK縮小放置在左下角的第二正方形中，右上角的第二正方形中的填充曲線為將其 順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°所得，剩余兩個(gè)第二正方形中的填充曲線則是上下對(duì)稱得到；當(dāng)K時(shí)偶數(shù) 的時(shí)候，將FK縮小放置在左上角的第二正方形中，右上角的第二正方形中的填充曲線跟其 一致，左下角的的第二正方形中的填充曲線為將其順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°所得，右下角的第二正 方形中的填充曲線為將其逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°所得，得到四個(gè)第二正方形中的填充曲線后，用 直線水平或垂直連接各個(gè)第二正方形中的填充曲線即可以得到FK+1的填充曲線。
[0020] 優(yōu)選地，所述刀具軌跡為從頭到尾是一筆畫成，并采用雙螺旋線形式的基元，對(duì)刀 具軌跡中拐角部分進(jìn)行圓弧處理，再使用映射原理從而得到曲面上的刀具軌跡。
[0021] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：
[0022] 1、本發(fā)明采用了最陡梯度路徑對(duì)曲面進(jìn)行區(qū)域劃分，進(jìn)而生成二維填充曲線，不 僅整個(gè)刀具軌跡長(zhǎng)度變短，而且其轉(zhuǎn)向的次數(shù)減少為以前的八成左右，而且加工質(zhì)量?jī)?yōu)于 大部分方法；
[0023] 2、本發(fā)明適用于曲面的曲率變化比較明顯的區(qū)域，本發(fā)明中的方法刀路分布均 勻、連續(xù)，消除空行程，表面質(zhì)量良好；
[0024] 3、本發(fā)明在原有的空間填充曲線的基礎(chǔ)上進(jìn)行基元的改進(jìn)，使得整條刀具軌跡長(zhǎng) 度變短，而且整條刀具軌跡中的變向更少；不僅提高了加工效率，同時(shí)提高加工表面質(zhì)量。
【附圖說明】
[0025] 通過閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、 目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯：
[0026] 圖1為本發(fā)明中曲面的最陡梯度示意圖；
[0027]圖2為本發(fā)明中最陡梯度劃分區(qū)域取得的二維填充曲線示意圖；
[0028]圖3為本發(fā)明中最陡梯度的空間填充曲線的刀具軌跡的示意圖；
[0029] 圖4為本發(fā)明中空間填充曲線的基元。
【具體實(shí)施方式】
[0030] 下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù) 人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù) 人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明 的保護(hù)范圍。
[0031] 在本實(shí)施例中，本發(fā)明提供的基于空間填充曲線的數(shù)控加工刀具軌跡生成方法， 包括以下步驟：
[0032] 步驟1 :根據(jù)曲面形狀和最陡梯度路徑對(duì)曲面進(jìn)行區(qū)域劃分并根據(jù)殘留高度確定 各個(gè)區(qū)域的二維區(qū)域填充曲線的階數(shù)，進(jìn)而生成相應(yīng)階數(shù)的二維區(qū)域填充曲線，相鄰區(qū)域 的二維區(qū)域填充曲線首尾相連得到二維填充曲線；
[0033] 步驟2 :根據(jù)映射原理將二維填充曲線映射到空間曲面上從而得到數(shù)控加工刀具 軌跡。
[0034] 所述刀具軌跡為從頭到尾是一筆