平底铣刀加工凸轮廓平底型腔的等切宽刀具轨迹生成方法
【专利摘要】本发明公开了一种平底铣刀加工凸轮廓平底型腔的等切宽刀具轨迹生成方法，属于材料加工技术领域。所述方法以平底型腔的外围凸轮廓的最大内切圆的圆心为刀具的第一个下刀点，以所述的圆心为极坐标系的原点，做螺旋线，螺旋线会与凸轮廓相交被断成很多段，以凸轮廓和在凸轮廓内部的螺旋线段为限制，生成刀具轨迹，并对生成的轨迹中的空行程段进行优化。本发明的优点在于可以有效的通过切宽控制切削效率，加工过程的可控性增强；切宽得到有效控制，机床输出功率基本保持稳定；可以有效地保护机床刀具。
【专利说明】
平底铣刀加工凸轮廓平底型腔的等切宽刀具轨迹生成方法
技术领域
[0001] 本发明属于材料加工技术领域，具体涉及一种平底铣刀加工凸轮廓平底型腔的等 切宽刀具轨迹生成方法。
【背景技术】
[0002] 刀具运动轨迹算法与数学模型是实施数控加工的关键技术，零件加工的准确性只 能在正确合理的刀具路径前提下才能予以保证。刀具路径的合理规划直接关系到切削效 率、加工质量以及加工成本，而且还影响机床和刀具的使用寿命。
[0003] 型腔加工中刀具轨迹生成主要有行切法和环切法。按照平底型腔的形状分类可以 分为圆形腔、方形腔、不规则型腔等。现有的行切法和环切法，都可以对平底型腔生成有效 的加工轨迹，行切法的优点是计算简单，主要以一系列的直线作为加工轨迹。环切法以一圈 圈的主要以外轮廓的向内等距的闭合曲线为加工轨迹，但是计算较复杂。两种方法的不同 点是行切法的进给路线比环切法短，但行切法将在每次进给的起点与终点间留下残留面 积，而达不到所要求的表面粗糙度。
[0004] 以上两种方法，都没有办法在加工过程中有效的控制切削过程中的切削宽度。在 平面平底铣削中，如果切深和切削速度都保持恒定，则切宽便决定了切削过程中的切削效 率和机床的输出功率，也决定了刀具上承载的负载的大小。生成能对加工过程中切宽进行 控制的刀具轨迹，使加工过程中的切宽基本保持恒定，就可以有效的提高加工的效率和保 护机床和刀具。
【发明内容】
[0005] 本发明提供一种专用于平底铣刀加工凸轮廓平底型腔的刀具轨迹生成方法，所述 方法包括如下步骤：
[0006] 第一步，设定刀具半径R和切宽W，并使得刀具直径大于切宽。
[0007] 第二步，找到要加工的平底型腔的外围凸轮廓的最大内切圆，该最大内切圆的圆 心〇为刀具的第一个下刀点。
[0008] 第三步，以所述的圆心0为极坐标系的原点，做螺旋线，螺旋线的公式为 + 灼，0值的范围是从〇到螺旋线刚好将凸轮廓完全覆盖时的弧度值，设为 maxAng 1 e，所以螺旋线中，弧度9值的范围为0到maxAng 1 e 〇
[0009] 第四步，螺旋线在弧度0从0变大到完全覆盖凸轮廓的过程中，螺旋线会与凸轮廓 相交，从而被凸轮廓截断成很多段，对包含在凸轮廓内部的螺旋线段，按照9值从小到大的 顺序排列。
[0010] 第五步，以凸轮廓和在凸轮廓内部的螺旋线段为限制，生成刀具轨迹。
[0011] 具体的规则如下：
[0012] 以从0为0开始的螺旋线段开始，让刀具沿着螺旋线段为限制加工，直到与凸轮廓 外轮廓相交，然后沿着凸轮廓的外轮廓为限制加工直到再遇到螺旋线段，再沿着螺旋线段 为限制加工;重复前述过程，直到将整个轮廓加工完，整个过程中，刀尖移动的轨迹便是所 求的刀具轨迹。
[0013] 第六步，对生成的轨迹中的空行程段进行优化，结束。
[0014] 本发明的优点在于：
[0015] 1.相比于以前的方法，可以有效的通过切宽控制切削效率，加工过程的可控性增 强；
[0016] 2.切宽得到有效控制，机床输出功率基本保持稳定；
[0017] 3.可以有效地保护机床刀具。
【附图说明】
[0018] 图1为本发明提供的刀具轨迹生成方法流程图。
【具体实施方式】
[0019] 下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
[0020] 本发明设计了一种适用于平底铣刀加工凸轮廓平底型腔的等切宽刀具轨迹生成 方法，所述刀具轨迹生成方法可以有效的控制加工过程中切宽的变化，使其尽可能的稳定 在设定的切宽值。如图1所示，所述的刀具轨迹生成方法具体包括如下步骤：
[0021] 第一步，设定刀具半径R和切宽W，并使得刀具直径大于切宽。
[0022] 第二步，当加工时，首先找到要加工的平底型腔的外围凸轮廓的最大内切圆，该最 大内切圆的圆心〇为刀具的第一个下刀点。
[0023]第三步，以所述的圆心0为极坐标系的原点，做螺旋线，螺旋线的公式为 (i?:+ ITx ^其中R为刀具半径，ff为设定的切宽值，0为螺旋线上任意一点的弧度。0值的 171 范围是从0到螺旋线刚好将凸轮廓完全覆盖时的弧度值，设为maxAngle，所以螺旋线中，弧 度9值的范围为〇到maxAngle。
[0024] 第四步，螺旋线在弧度0从0变大到完全覆盖凸轮廓的过程中，螺旋线会与凸轮廓 相交，从而被凸轮廓截断成很多螺旋线段，这些螺旋线段分为两种，一种包含在凸轮廓内 部，一种是在凸轮廓外部。在凸轮廓外部的螺旋线段对刀具轨迹没有约束作用，所以不会被 利用。对包含在凸轮廓内部的螺旋线段，将这些螺旋线段按照9值从小到大的顺序排列，方 便后面生成轨迹。
[0025] 第五步，以凸轮廓和在凸轮廓内部的螺旋线段为限制，生成刀具轨迹。具体的规则 如下：
[0026] 以从0为0开始的螺旋线段开始，让刀具沿着螺旋线段为限制加工，直到与凸轮廓 外轮廓相交，然后沿着凸轮廓的外轮廓为限制加工直到再遇到螺旋线段，再沿着螺旋线段 为限制加工，重复前述过程，直到将整个轮廓加工完，整个过程中，刀尖移动的轨迹便是所 求的刀具轨迹。
[0027] 第六步，第五步中的刀具轨迹是由刀具轨迹段组合而成的，对上述生成的刀具轨 迹可能存在一些空行程段(未切削材料的刀具轨迹)进行优化。
[0028] 在刀具轨迹生成完成以后，组成刀具轨迹的所有刀具轨迹段分为两类，第一类为 以螺旋线为限制生成的轨迹段，简称螺旋加工轨迹段;第二类为以凸轮廓边界为限制生成 的轨迹段，简称为边界加工轨迹段。在刀具轨迹生成的过程中，以凸轮廓边界为限制生成的 边界加工轨迹段有可能会被多次重复利用到，所以边界加工轨迹段可能有重复，对于重复 的边界加工轨迹段，称为空行程段。为了减少空行程走刀，提升加工的效率，需要对空行程 段进行优化，具体步骤为：
[0029] (1)按照第五步中已生成好的刀具轨迹中的刀具轨迹段顺序依次进行检查；
[0030] (2)当检查遇到螺旋加工轨迹段时，直接将其添加到刀具轨迹段集合中；当检查遇 到边界加工轨迹段时，判断该边界加工轨迹段是否已经包含在刀具轨迹段集合中，如果没 有，转步骤(3)，否则转步骤(4)。
[0031] (3)如果刀具轨迹段集合中没有当前检查到的边界加工轨迹段，说明没有重复，将 该边界加工轨迹段加入到刀具轨迹段集合中；
[0032] (4)如果当前检查到的边界加工轨迹段已经存在，则在还未检查的刀具轨迹中，查 找一条刀具轨迹段，该刀具轨迹段的起点A与当前检查到的边界加工轨迹段的起点B距离最 近。
[0033] 连接起点A和起点B，构造一条新的直线加工轨迹段，将构造的直线加工轨迹段添 加到刀具轨迹段集合中。将查找到的刀具轨迹段做为下一条待检查的加工轨迹段。
[0034] (5)对刀具轨迹中的所有刀具轨迹段都进行（2)~（4)的检查，最终形成的刀具轨 迹段集合便是本发明中需要的减少了空行程的优化后的刀具轨迹。
[0035] 上述刀具轨迹生成方法中，因为刀具轨迹主要是以螺旋线段为限制生成的，在螺 旋线上弧度相差2JI的两个点，设所述两个点的弧度分别为040 0^231，其坐标分别为
两个点之间相对于极坐标原点的距离相减，宽 度刚好为W，则所述两个点所在螺旋线上两个位置之间的厚度(或距离)便是刀具切削这部 分时候的切宽W，这就是生成的轨迹能保持切宽恒定的原因，同时也没有过多的进退刀轨 迹。
【主权项】
1. 平底铣刀加工凸轮廓平底型腔的等切宽刀具轨迹生成方法，其特征在于:所述方法 包括如下步骤： 第一步，设定刀具半径R和切宽W，并使得刀具直径大于切宽； 第二步，找到要加工的平底型腔的外围凸轮廓的最大内切圆，该最大内切圆的圆心O为 刀具的第一个下刀点； 第三步，以所述的圆心〇为极坐标系的原点，做螺旋线，螺旋线的公式爻θ为螺旋线上任意一点的弧度，θ值的范围是从O到螺旋线刚好将凸轮廓完全覆盖时的弧度 值，设为maxAngI e，所以螺旋线中，弧度Θ值的范围为O到maxAngI e; 第四步，螺旋线在弧度Θ从O变大到完全覆盖凸轮廓的过程中，螺旋线会与凸轮廓相交， 从而被凸轮廓截断成很多段，对包含在凸轮廓内部的螺旋线段，按照Θ值从小到大的顺序排 列； 第五步，以凸轮廓和在凸轮廓内部的螺旋线段为限制，生成刀具轨迹。2. 根据权利要求1所述的平底铣刀加工凸轮廓平底型腔的等切宽刀具轨迹生成方法， 其特征在于:所述方法还包括对第五步中生成的刀具轨迹进行空行程段优化的步骤，在刀 具轨迹生成完成以后，组成刀具轨迹的所有刀具轨迹段分为两类，第一类为以螺旋线为限 制生成的轨迹段，简称螺旋加工轨迹段;第二类为以凸轮廓边界为限制生成的轨迹段，简称 为边界加工轨迹段;在刀具轨迹生成的过程中，以凸轮廓边界为限制生成的边界加工轨迹 段有可能会被多次重复利用到，所以边界加工轨迹段可能有重复，对于重复的边界加工轨 迹段，称为空行程段;对空行程段进行优化，具体步骤为： (1) 按照第五步中已生成好的刀具轨迹中的刀具轨迹段顺序依次进行检查； (2) 当检查遇到螺旋加工轨迹段时，直接将其添加到刀具轨迹段集合中；当检查遇到边 界加工轨迹段时，判断该边界加工轨迹段是否已经包含在刀具轨迹段集合中，如果没有，转 步骤(3)，否则转步骤(4); (3) 如果刀具轨迹段集合中没有当前检查到的边界加工轨迹段，说明没有重复，将该边 界加工轨迹段加入到刀具轨迹段集合中； (4) 如果当前检查到的边界加工轨迹段已经存在，则在还未检查的刀具轨迹中，查找一 条刀具轨迹段，该刀具轨迹段的起点A与当前检查到的边界加工轨迹段的起点B距离最近； 连接起点A和起点B，构造一条新的直线加工轨迹段，将构造的直线加工轨迹段添加到 刀具轨迹段集合中；将查找到的刀具轨迹段做为下一条待检查的加工轨迹段； (5) 对刀具轨迹中的所有刀具轨迹段都进行步骤（2)~步骤(4)的检查，最终形成优化 后的刀具轨迹。3. 根据权利要求1所述的平底铣刀加工凸轮廓平底型腔的等切宽刀具轨迹生成方法， 其特征在于:第五步具体执行如下： 以从Θ为O开始的螺旋线段开始，让刀具沿着螺旋线段为限制加工，直到与凸轮廓外轮 廓相交，然后沿着凸轮廓的外轮廓为限制加工直到再遇到螺旋线段，再沿着螺旋线段为限 制加工;重复前述过程，直到将整个轮廓加工完，整个过程中，刀尖移动的轨迹便是所求的 刀具轨迹。
【文档编号】B23C3/00GK106001719SQ201610531702
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月4日
【发明人】闫光荣, 汪再军, 刘乐, 方磊
【申请人】北京航空航天大学