基于可视锥理论的数控加工刀具-工件间无碰撞加工方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于工件加工技术领域，具体涉及一种基于可视锥理论的数控加工刀 具-工件间无碰撞加工方法。
【背景技术】
[0002] 随着工件的体积不断减小、加工空间越来越小、结构越来越复杂、约束条件越来越 多，刀具和工件间越来越容易产生碰撞。例如复杂曲面零件的五轴加工相邻叶片之间空间 较小，并且加工区域是半封闭螺旋漏洞型腔，型面变化角度大，加工时刀具和工件间极易产 生碰撞干涉，严重影响工件的加工质量、降低刀具使用寿命。因此，如何使刀具无碰撞、无干 涉地到达工件表面是刀具路径规划的关键问题。
【发明内容】
[0003] 有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于可视锥理论的数控加工刀具-工件间无 碰撞加工方法，该方法能够解决了现有技术中存在的碰撞检验程序复杂、运算量大，导致无 法快速高效实现无碰撞加工目的。
[0004] 实现本发明的技术方案如下：
[0005] 一种基于可视锥理论的数控加工刀具-工件间无碰撞加工方法，具体过程为：
[0006] 步骤一、针对工件曲面上的每一加工点，生成可视锥；
[0007] 步骤二、判断可视锥与刀轴矢量是否有交集，如果是则表示无碰撞，否则表示发生 碰撞；
[0008] 步骤三、针对发生碰撞对应的可视锥，计算刀轴矢量旋转至可视锥区域的最小旋 转角度，使刀轴矢量按所述最小旋转角度旋转，实现加工刀具与工件间的无碰撞加工。
[0009] 进一步地，本发明在执行步骤1前将工件曲面划分为易碰撞区和无碰撞区；划分 的规则为：计算曲面上的每一加工点P。所对应的// = ;0，其中；;表示曲面任意加工点P 的法向量，将n>〇对应的pc点所构成的区域定义为无碰撞区，将n<〇对应的pc点所 构成的区域定义为易碰撞区，所述步骤1中针对的工件曲面为易碰撞区。
[0010] 进一步地，本发明所述生成可视锥的具体过程为：
[0011] 101、提取曲面上所有加工点及其法向量友；
[0012] 102、针对每一加工点，沿加工点的刀具进给方向G和"及沿和r-丨方向，分别找 出与加工点法向量及夹角最小的四个方向向量，将其正规化为单位向量
[0013] 103、针对每一加工点，判断加工点位于凸面还是凹面，判断方法如下：
[0014] 计算=c〇s(^，及)或為=C〇S(€友），其中i= 1，2 ;
[0015] 若人i> 0时，判定加工点位于凹面上，此时将Wpv:四个方向向量记为可视锥 向量；否则判定加工点位于凸面上，将石四个方向向量投影至此加工点的法平面上， 并正规化为单位向量，然后将其记为可视锥向量；
[0016]104、根据所述可视锥向量确定可视锥。
[0017] 进一步地，本发明所述判断可视锥与刀轴矢量是否有交集的过程为：
[0018] 201、检查可视锥的四个向量，是否满足两个卩向量的x值异号且两个 向量的y值异号，或是两个向量y值异号且两个；向量x值异号；
[0019] 202、如果满足，将四个可视锥向量绕刀轴矢量旋转f，然后重复步骤201的检查；
[0020] 203、如果满足，且加工点的法向量友在刀轴矢量方向的分量大于0,则可视锥包含 刀轴矢量，判定无碰撞发生；否则，判定发生碰撞。
[0021] 进一步地，本发明所述计算刀轴矢量旋转至可视锥区域的最小旋转角度的过程 为：
[0022] 首先，计算M,;=cos-乂々"，)和M,,=cos-，其中i= 1，2,K表示刀轴矢量；
[0023] 然后，四个夹角AA&和A入最小者即为刀具避免碰撞干涉所需最小旋转角。
[0024] 有益效果
[0025] 本发明基于可视锥理论对数控加工刀具-工件间之间是否存在碰撞进行判断，并 根据判断的结果进行调整，从而避免刀具在加工过程中的碰撞，实现快速加工的目的。
【附图说明】
[0026] 图1为点p在点集S上的可视锥；
[0027] 图2为可视锥在单位球上的投影；
[0028] 图3为本发明方法的流程图；
[0029] 图4为无碰撞区域；
[0030] 图5为易碰撞区域；
[0031] 图6(a)加工点处于凹面上的可视锥，（b)为加工点处于凸面上的可视锥；
[0032] 图7为本发明数控加工刀具-工件间无碰撞加工方法的流程图；
[0033] 图8为五轴加工刀轴可行方位；（a)AB型五轴数控加工坐标系，（b)机床刀轴可行 方位球；
[0034] 图9为叶轮叶片上刀具发生碰撞的区域（A部分为碰撞部位）；
[0035] 图10主轴在加工中的两种情形（A代表点的可视锥1，B代表刀轴rpl'，C代表 刀轴rp'，D代表机床可达范围，E代表刀轴rp2'，F代表点的可视锥2);
[0036] 图11 (a)刀轴在可视锥区域外（A代表点的可视锥，B代表刀轴，C代表碰撞部位）， (b)旋转后刀轴位于可视锥区域内（A代表此点可视锥，B代表修正后刀轴）。
【具体实施方式】
[0037] 下面结合附图和具体实例对本发明进行详细说明。
[0038] 可视锥理论说明：
[0039] 可视性最初应用于计算机绘图、三维动画和几何模型设计，并应用于解决数控加 工的可制造性问题、确定CMM测量工件角度和模具分模线位置。随着计算机辅助软件功能 提升，曲线曲面设计日益复杂化，同时以多轴机床加工设计时需要考虑的加工条件也随之 增加，可视性的引入对于复杂曲面数控加工带来很大的帮助。
[0040] 设点P属于点集S，如果从点p发出的沿方向的射线不与点集S中的其他点相 交，那么点P在观察方向3可视（如图1中￥)，点P的所有可视方向的集合构成了点P的 可视锥VC(p，S)，图1中在石和尽之间部分均为可视范围，而超过这两条边界（如巧方 向）不可视。
[0041] 对于点集3中的采样点口，如果.(/，-^/')_'1-<>-=叭心:>0，则表明点口在观察方向泾上 可视，则其可视锥VC(p，S)定义为：
[0042]
【主权项】
1. 一种基于可视锥理论的数控加工刀具-工件间无碰撞加工方法，其特征在于，具体 过程为： 步骤一、针对工件曲面上的每一加工点，生成可视锥； 步骤二、判断可视锥与刀轴矢量是否有交集，如果是则表示无碰撞，否则表示发生碰 撞； 步骤三、针对发生碰撞对应的可视锥，计算刀轴矢量旋转至可视锥区域的最小旋转角 度，使刀轴矢量按所述最小旋转角度旋转，实现加工刀具与工件间的无碰撞加工。
2. 根据权利要求1所述基于可视锥理论的数控加工刀具-工件间无碰撞加工方法，其 特征在于，在执行步骤1前将工件曲面划分为易碰撞区和无碰撞区；划分的规则为：计算曲 面上的每一加工点P〇所对应的
，其中；;表示曲面任意加工点p的法向量，将n> 〇对应的P。点所构成的区域定义为无碰撞区，将n< 〇对应的P。点所构成的区域定义为 易碰撞区，所述步骤1中针对的工件曲面为易碰撞区。
3. 根据权利要求1所述基于可视锥理论的数控加工刀具-工件间无碰撞加工方法，其 特征在于，所述生成可视锥的具体过程为： 101、 提取曲面上所有加工点及其法向量.V; 102、 针对每一加工点，沿加工点的刀具进给方向卩和（、及沿和。方向，分别找出与 加工点法向量及夹角最小的四个方向向量，将其正规化为单位向量"; 103、 针对每一加工点，判断加工点位于凸面还是凹面，判断方法如下： 计算為=cos(tt,+,W)或A, =cos(l元），其中i = 1，2 ; 若Ai> 〇时，判定加工点位于凹面上，此时将'^^"石四个方向向量记为可视锥向量； 否则判定加工点位于凸面上，将"if四个方向向量投影至此加工点的法平面上，并正规 化为单位向量，然后将其记为可视锥向量； 104、 根据所述可视锥向量确定可视锥。
4. 根据权利要求3所述基于可视锥理论的数控加工刀具-工件间无碰撞加工方法，其 特征在于，所述判断可视锥与刀轴矢量是否有交集的过程为： 201、 检查可视锥的四个向是否满足两个&向量的x值异号且两个；向量的y值异号，或是两个卩向量y值异号且两个〖向量x值异号； 202、 如果满足，将四个可视锥向量绕刀轴矢量旋转
，然后重复步骤201的检查； 203、 如果满足，且加工点的法向量友在刀轴矢量方向的分量大于0,则可视锥包含刀轴 矢量，判定无碰撞发生；否则，判定发生碰撞。
5. 根据权利要求3或4所述基于可视锥理论的数控加工刀具-工件间无碰撞加工方 法，其特征在于，所述计算刀轴矢量旋转至可视锥区域的最小旋转角度的过程为： 首先，计算
，其中i= 1，2, $表示刀轴矢量； 然后，四个夹角A\&和AXvi*最小者即为刀具避免碰撞干涉所需最小旋转角。
【专利摘要】本发明提供一种基于可视锥理论的数控加工刀具-工件间无碰撞加工方法，具体过程为：步骤一、针对工件曲面上的每一加工点，生成可视锥；步骤二、判断可视锥与刀轴矢量是否有交集，如果是则表示无碰撞，否则表示发生碰撞；步骤三、针对发生碰撞对应的可视锥，计算刀轴矢量旋转至可视锥区域的最小旋转角度，使刀轴矢量按所述最小旋转角度旋转，实现加工刀具与工件间的无碰撞加工。本发明基于可视锥理论对数控加工刀具-工件间之间是否存在碰撞进行判断，并根据判断的结果进行调整，从而避免刀具在加工过程中的碰撞，实现快速加工的目的。
【IPC分类】G05B19-4061
【公开号】CN104570946
【申请号】CN201410599332
【发明人】刘志兵, 段裕刚, 王西彬, 何理论, 闫正虎, 刘彪
【申请人】北京理工大学
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2014年10月30日