刀具路径生成算法讲解.docx

刀具路径生成算法一、粗加工刀具路径生成算法1、粗加工路径算法等距切削分层切削（等高粗加工）适合的加工对象：单元切削截面线法插铣加工2、粗加工算法中要解决的主要问题l 切削边界提取l 边界偏置形成刀具路径（针对环切而言）3、粗加工走到方式行切环切4、构型空间（Configuration Space, C-Space） 将物体中心放在障碍物的边缘，通过Minkowski sum后，物体可作为点来处理示意图入下：5、粗加工刀具路径生成算法—G-buffer方法1）G-buffer模型生成l G-buffer模型：被加工零件的Configuration Space模型，也是CL Surfacel 构造方法：刀具遍历曲面、反转刀具形成G-buffer模型的示意图：2)G-buffer模型的构造l 在工件上方构造一网格平面，网格交点为点集{Pij}l 将刀具放在网格平面中的网格点P(i, j)上l 刀具向下移动（投影）直到触碰到工件停止，记录该网格点P(i, j)对应的Z坐标值Zijl 重复上述步骤，直到得到所有网格点的Z坐标值l 所有网格点的Z值构成了工件的G-buffer模型3）G-buffer模型与Z-buffer模型的区别4）切削区域边界Ø 用等高面Zc与G-buffer求交，形成切削区域边界l Zij < Zc，记录该网格点P(i, j)l Zij > Zc，不记录该网格点P(i, j)l 这些被记录的网格点集合{Pij}构成切削区域无干涉边界点见下图：Ø 切削区域边界追踪o 利用图像处理中轮廓算法，顺序连接位于切削区域边界上的网格点5）切削区域判定（从外到内：一层加工，一层不加工）边界描述树：用来保存切削区域的边界，并识别切削区域边界拓扑结构的一种树状结构，边界之间的包容关系决定了边界在边界描述树中的位置。

6）刀具路径生成l 环切法环切加工刀具路径生成：利用等距线计算方法，对每个切削区域的边界按走刀步距的数值计算等距线，不断循环偏置，从而产生环切加工刀具轨迹等距线计算：直接偏置法和Voronoi方法l 行切法行切加工刀具路径生成：从刀具路径角度方向，用一组平行于刀具路径角度的平行线分别与切削区域边界求交，得到交点，生成各切削行的刀具轨迹线段；下图表达了行切法的示意图：刀具轨迹线段的有序串联6、粗加工刀具路径生成算法—Z-map方法1）Z-map模型方法简介Z-map模型：被加工零件的近似模型，利用网格点逼近被加工曲面n 构造方法：线面求交2）Z-map模型与G-buffer模型的区别3）切削区域边界Ø 用等高面Zc与Z-map模型求交l Zij < Zc，记录该网格点P(i, j)l Zij > Zc，不记录该网格点P(i, j)l 这些被记录的网格点集合{Pij}构成切削区域初始边界点切削区域确定示意图：Ø 切削区域初始边界点筛选（比G-buffer要多的一步检查）l 切削区域的初始边界点可能是干涉点l 对每个初始边界点，搜索其邻域的非边界点l 沿初始边界点邻域的每个非边界点方向，利用投影法进行干涉检查l 如果干涉，则删除该边界点；否则，保留 切削区域边界追踪、切削区域判定和刀具路径生成（行切和环切）均可参照G-buffer方法。

7、粗加工刀具路径生成算法—直接求交法1）直接求交法简介直接求交法：根据等高面与被加工零件表面的交线，规划刀具路径n 构造方法：面面求交直接求交法示意图：2）具体方法l 被加工零件与平面交线：被加工曲面集合{Si}(i = 1, 2,…, n)，切削层平面Zc，则交线集合Curi = Si∩Zcl 计算曲面Si位于切削层平面Zc上方的轮廓线Profil 为每张被加工曲面规划切削区域：交线Curi与曲面Si的位于切削层平面Zc上方的轮廓线Profi在平面上的投影Prji构成曲面Si的非切削区域边界NonCutBndil 给定刀具半径D，对每个曲面Si的非切削区域边界NonCutBndi按照距离D/2偏置，获得偏置边界NonCutBndOffil 边界裁剪合并形成非切削区域 切削区域判定、刀具路径生成都可以直接参照G-buffer方法二、精加工刀具路径生成算法1、多面体法1）概述多面体法就是采用曲面的离散三角片模型计算刀具轨迹，它是目前各商业CAM系统中应用最广泛、计算最稳定的刀具轨迹生成方式之一2）算法思想Ø 在初始刀位点处，判断刀具表面与多面体中每个三角片的顶点、边和三角面片的干涉关系，计算干涉量并根据干涉量调整刀具，生成无干涉的刀位点。

Ø 即刀具竖直由上向下运动（平行于Z轴），当与多面体模型发生接触时刀具所在的位置3）算法步骤l 被加工曲面的多面体模型（UV参数域法）上图表示了对于参数曲面的三角片离散过程，不停给的细分l 干涉量计算l 为了提高计算速度，在刀具投影域内搜索干涉检查三角片；l 在每个初始刀位点处，计算刀具到每个干涉检查三角片的顶点、边和面的距离，得到抬刀量刀具与三角片顶点、边和面的关系：l 无干涉刀位点刀具以计算得到的最大抬刀量进行抬刀，从而生成无干涉的刀位点l 刀位轨迹生成n 顺序连接无干涉刀位点生成刀位轨迹2、投影法1）概述投影法是UG CAM中使用的三轴刀具轨迹生成算法n 投影法与多面体法的算法思想相同，区别在于：多面体法在消除干涉时，刀具沿着Z轴运动；而投影法在消除干涉时，刀具可以沿着指定的投影矢量运动，从而增加了算法的灵活性2）算法内容l 给定投影矢量Vectorl 将刀具放在Vector的反方向，且与工件不发生碰撞的初始位置l 刀具沿着投影方向向工件移动当刀具碰到工件的时候停止，则刀具停止的位置为初始位置的Projectionl 这里的“刀具”可包括：刀具本体、Holder和主轴3）投影法刀具路径生成示意图4）投影（Projection）计算l 计算工件的离散模型Primitives ，如Facet （ 三角片法） 、Finite-difference（UV参数域法）、Discrete volume（空间离散法）等l 将工件离散模型存放在空间数据结构中（Spatial directory），如Kd-tree、Octree、Surface-patch tree、3D Grid、OBBTree、AABBTree、Convex hull等l 在tree中搜索计算输入：工件模型、刀具形状，刀具在空间的初始位置，投影矢量输出：投影位置5) 三角片离散方式的投影计算（目的是用于干涉检查）将工件离散为三角片（Facet）,将三角片保存在Tree结构中，每个树节点保存了其对应了Bounding Volume（BV）。

示意图： 计算步骤及示意图：l 将刀具放在Tree中最上层节点的BV上，计算Z1l 将刀具放在Tree中第二层节点的BV上，计算Z1和Z2l 将刀具放在Tree中第三层节点的BV上，计算各节点对应的Z值l 以此类推，直到Tree中所有叶子节点的BV都计算了Z值l 搜索最底层叶子节点，选择其中Z最大值为最终位置2、偏置面法偏置面法思想：是最近几年研究比较多的一种方法直接在曲面的广义偏置面上生成刀具轨迹n 用三角片表示被加工曲面，分别偏置三角片的顶点、边和面，形成偏置元素（点偏置成球面、边偏置成柱面和面偏置成偏置面），这些偏置元素的包络面就是刀位面，用导动面与这些偏置元素求交得到交线，最后排序、裁剪和连接交线生成无干涉的刀具轨迹刀具轨迹由曲线段组成三、补加工（清根）刀具路径生成算法1、概述清根加工目的是去除精加工过程的残余体积，一般通过刀位曲面的清根曲线实现o 球头刀的球心沿工件表面的凹边区域滑动的轨迹称为铅笔曲线（Pencil curve）示意图如下图：o 清根曲线跟踪问题可以认为是一个边缘融合（Edge blending）问题，清根曲线可以用“滚动球”和“球位置采样”方法计算o 清根曲线生成算法可以基于Z-map模型、多面体模型和STL模型等多种方法。

2、补加工刀具路径生成算法_基于Z-map模型l 基本思想：在Z-map模型的各行和各列中寻找凹点（称为铅笔点，pencil-points），然后通过跟踪这些铅笔点构造笔式曲线l 计算铅笔点Ø 输入：CL Z-map模型Ø 输出：铅笔点、行进方向、质量Ø 过程l 在X方向的CVS曲线中寻找最大凹点ü 设置行进方向为+Y或-Y；ü 计算X向CVS上最大凹点处且垂直于行进方向的有效凹角αi；用质量等级规则确定铅笔的质量；ü 如果满足栅格条件，则将MCP定义为铅笔点；l 在Y方向的CVS曲线中寻找最大凹点ü 设置行进方向为+X或-X；ü 计算Y向CVS上最大凹点处且垂直于行进方向的有效凹角αi；用质量等级规则确定铅笔的质量；ü 如果满足栅格条件，则将MCP定义为铅笔点；l 如果铅笔点的X向质量比Y向质量好，则返回X方向的初始铅笔点和质量，初始行进方向为+Y或-Y ；反之亦然3、补加工刀具路径生成算法_基于多面体模型l 算法思想：利用多面体模型构造网格，利用网格计算补加工区域，从而生成补加工刀具路径l 算法步骤Ø 输入：多面体模型，刀具形状和尺寸Ø 输出：清根刀具路径Ø 过程：l 根据多面体模型计算刀触点网格（CC net）l 根据给定的间距采样刀触点网格l 计算干涉检查边界l 在干涉检查边界内产生清根路径。