一种通用铣刀材料去除仿真及切触面提取的方法

技术领域

本发明属于数控加工相关技术领域，更具体地，涉及一种通用铣刀材料去除仿真及切触面提取的方法。

背景技术

材料去除仿真是基于刀位文件模拟的仿真，其目的是检验刀具运动轨迹的正确性、安全性，验证零件是否存在过切与欠切情况，确保其加工质量。现有的用于材料去除仿真方法依据工件的表示方法可以总结为以下几种：构造实体几何法，空间分割表示法，离散矢量求交法。

以这些几何仿真技术为基础，为研究铣削过程，计算铣削力等重要的铣削参数，很多学者进一步对加工过程切触区域计算方法展开研究，现有的主要方法有：基于实体模型的布尔运算方法、解析建模法以及基于Z-Map的离散计算方法。基于实体建模法的求解精度较高，但计算效率极低的问题未得到有效解决，不适用于实际计算。解析建模法兼具高效率与高精度，但是通用性较差，对不同刀具类型以及刀具进给方向情况需要分开讨论，工业应用中难以实际应用。而基于Z-Map的离散计算方法通常未考虑刀具姿态的调整，一般只适用于三轴加工，计算效率与精度也存在着平衡矛盾。因此从通用性出发，本文提出了一种通用铣刀材料去除仿真及切触面提取的方法及系统，并且平衡计算效率和精度的需求，实现实时计算切触面并更新材料去除过程，对于下一步的计算切削力等参数提供数据。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种通用铣刀材料去除仿真及切触面提取的方法，解决材料去除仿真中仿真效率低下以及切触区域难以获取的问题。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种通用铣刀材料去除仿真及切触面提取的方法，该方法包括下列步骤：

S1对于待处理工件三维结构模型和刀位文件，将待处理工件的三维结构模型采用有向距离场转化为体素化模型，获取该体素化模型中每个体素上的每个采样点到待处理工件表面的最小距离d

S2从所述刀位文件中获得刀具参数并以此建立刀具的三维结构模型和数学模型；获取刀具轨迹并对该刀具轨迹中相邻刀位点的轨迹进行线性插补，获得相邻刀位点间轨迹函数；

S3利用所述相邻刀位点间轨迹函数和刀具的数学模型构建采样点到刀具表面的距离函数，利用该距离函数构建采样点的更新规则，并以此更新采样点的状态；

S4搜索所述体素化模型中所有节点的状态，判断每个节点的状态是否发生改变，将所有状态发生变化的节点进行面的重建，重建获得的面即为刀具-工件切触面，即为材料去除后的动态显示面。

进一步优选地，在步骤S2中，所述相邻刀位点之间的轨迹函数按照下列进行：

其中，(x

进一步优选地，在步骤S3中，诉讼采样点到刀具表面的距离函数按照下列进行：

其中，(R,R

进一步优选地，在步骤S3中共，所述更新规则按照下列进行：

S31利用所述轨迹函数求取每个采样点到刀具表面的距离d

S32将该d

进一步优选地，所述布尔运算按照下列进行：

d

其中，d

进一步优选地，在步骤S4中，所述节点的状态包括在待处理工件表面、在待处理工件内，在待处理工件外。

进一步优选地，在步骤S4中，所述节点的状态按照下列方式进行判断：

所述八叉树中每个节点包括的八个采样点中存储的距离均为正值，则节点状态为节点在待处理工件外；当八个采样点中存储的距离均为负值，则节点状态为节点在待处理工件内；当八个采样点中存储的距离有正值也有负值时，则节点状态为节点在待处理工件表面上。

进一步优选地，在步骤S2中，所述刀具由上锥面，圆环面和下锥面组成，所述刀具参数包括：刀具直径、刀具倒角半径、刀具倒角中心到刀轴距离、刀具倒角中心到刀尖距离在刀轴方向上的投影、下锥面母线与水平线的夹角、上锥面母线与刀轴的夹角和刀具切削刃长度。

进一步优选地，在步骤S4中，所述面的重建时将所有状态发生变化的节点的等值面采用移动立方体算法进行。

进一步优选地，在步骤S4中，获得所述切触面后还需对该切触面进行渲染，才能实现切触面的动态显示。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具备下列有益效果：

本发明基于有向距离场在三维空间的应用以及八叉树数据结构，简化数控加工过程中高达上万次的复杂布尔运算，在计算代表模型离散单元的采样点到刀具的距离时，建立在刀具回转面上的二维坐标系，距离的计算更加简洁明了，在对模型进行更新时，不是对整个模型进行更新，而是对模型的节点进行状态判断，区分参与加工的表面，确定其为切触面并单独进行表面重建，获取到了刀具-工件切触区域，方便更进一步的计算材料去除率以及切削力计算等物理仿真。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的通用铣刀材料去除仿真及切触面提取的方法的流程图；

图2是按照本发明的优选实施例所构建的八叉树划分过程示意图，其中，(a)是八叉树划分空间过程，(b)是八叉树节点关系；

图3是按照本发明的优选实施例所构建的移动立方体算法等值面生成过程示意图；

图4是按照本发明的优选实施例所构建的APT七参数刀具的模型及参数图；

图5是按照本发明的优选实施例所构建的刀位点轨迹插补的示意图；

图6是按照本发明的优选实施例所构建的建立距离计算坐标系的示意图，其中，(a)是采样点与刀具的空间位置关系，(b)是采样点转换至刀具二维平面坐标系下坐标；

图7是按照本发明的优选实施例所构建的切触面重建并显示的效果图；

图8是按照本发明的优选实施例所构建的材料去除仿真结果与Vericut的对比图，其中，(a)是本发明仿真结果，(b)是Vericut仿真结果。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

一种通用铣刀材料去除仿真及切触面提取的方法及系统，包括：

S1，读取初始工件模型，从STL面片模型体素化为有向距离场表示，以八叉树数据结构作为索引存储模型信息；

具体地，本文利用离散的距离场，采用基于八叉树数据结构的空间分隔法来表示三角面片网格模型。八叉树的每一个节点与空间中的一个立方体体素对应，节点具有八个顶点，通过相关算法计算每个顶点到模型表面的最小距离并存储，节点可以进一步局部细分，直到达到给定的最大划分深度。

首先读取STL面片数据，获取模型上相距最远的两个点间距，并以此距离作为根节点大小——即立方体边长，再根据计算机内存及性能确定最大划分深度，建立工件的八叉树体素模型。并通过Marching Cubes算法将存储在体素中的等值面——即工件表面进行重建，实现渲染。

八叉树划分过程如说明书附图2所示。

Marching Cubes算法生成等值面如说明书附图3所示。

S2，读取刀具信息，根据APT定义的七个刀具参数建立通用刀具的数学模型以及OpenGL下的绘制图元；

S3，读取仿真刀路的刀位信息文件，对相邻刀位点间的轨迹进行线性插补，引入时间参数t得到相邻刀位点间轨迹函数。

S4，依据S2中刀具的数学模型，写出工件模型上采样点到移动刀具表面的距离函数，数值方法求取最值，并更新体素的距离场。

S5，查询S4中状态发生改变的节点，将这些节点内等值面利用Marching Cubes算法进行表面重建，即为刀具工件-切触面，其余节点内等值面未发生切削，更新这些切削后重建的表面并在OpenGL中渲染，移动刀具图形至相应刀位点处，即实现了材料去除的动态显示。

更进一步地，步骤S1中用有向距离场表示工件模型，空间中八叉树节点存储每个顶点到工件表面的距离d

d

式中，d

更进一步地，如图4所示，步骤S2中刀具由上锥面，圆环面和下锥面组成，通常有以下七个参数定义：

D：刀具直径，大小为上下锥面母线交点到刀轴距离的2倍；

r：刀具倒角半径；

e：刀具倒角中心到刀轴距离；

f：刀具倒角中心到刀尖距离在刀轴方向上的投影；

α：下锥面母线与水平线的夹角；

β：上锥面母线与刀轴的夹角；

h：刀具切削刃长度；

更进一步地，如图5所示，步骤S3中刀位点轨迹线性插补方式首先将相邻两刀位点{(x

θ

θ

/>

刀位点运动轨迹经过线性插补为：

更进一步地，如图6所示，步骤S4中写出采样点P到刀具表面距离函数，首先根据刀具在切削过程中是回转体的特点，将问题简化为二维降低计算复杂度，以某时刻刀位点C为原点，以刀轴矢量

则P到APT刀具表面的距离函数可写为：

其中，根据刀轴方向上的z

根据数值方法求取一元函数d(t)的最值，依据前述的布尔运算规则，更新该点乃至整个体素的距离场。

更进一步地，S5查询仿真中状态发生改变的节点，并进行表面重建，材料去除过程中表示工件体素的节点有三种状态：在工件表面(Onsurface)、在工件内(Inside)与在工件外(Outside)，令节点八个顶点存储的到表面的距离为d

Inside：d

Outside：d

Onsurface：其余情况；

如图7所示，切触面即由状态从Inside变为Onsurface的节点内等值面构成，因此布尔运算后查询状态发生改变的八叉树上处在最大深度的叶节点，重建其表面，即可实时得到切触面并显示。

如图8所示，图中是本发明实例对比商业仿真软件vericut效果图，对同一个叶轮仿真实

例展开材料去除仿真，得到了同样的仿真结果，证明本发明相关算法真实有效。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。