一种三角网格模型数控加工的多刀具优化组合选择方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于数控加工技术领域，特别设及一种Ξ角网格模型数控加工的多刀具优 化组合选择方法。
【背景技术】
[0002] 在数控加工中，为了提高加工效率一般会尽量选用大尺寸的刀具，但对于复杂的 几何模型，往往会存在大尺寸刀具无法加工的干设区域，因此还需要小尺寸刀具进行干设 区域的加工。而对于复杂的几何模型，不同刀具组合的加工效率可能会存在较大差距，因此 刀具的优化组合选择也是数控加工领域的重要研究内容。
[0003] 目前，在刀具组合优化方面，国内外已经对模具2.加型腔做了大量研究且得到相 对成熟的研究理论，运些理论已被推广到模具3D型腔，但很显然，运些研究无法应用到曲面 加工中。针对连续的自由曲面，李海燕等人在学术期刊《制造装备技术》2007,（3)，Ρ18-20发 表的学术论文"五轴数控加工中多刀加工自由曲面的刀具选择"、Li Η Υ等人在学术会议 "Proceedings of the IEEE. International Conference on Automation and Logistics (2008)"发表的学术论文"A geometric method for optimal multi-cutter selection in 5-axis finish cut of sculptured surfaces"、Geng L等人在学术其月干U《Computer- Aided Design》2011,8(2),P301-313发表的学术论文''A neural network based approach to 5-axis tool-path length estimation for optimal multi-cutter selection"中基 于不同尺寸刀具加工面积的统计进行最优刀具组合选择，没有考虑曲面几何形状对加工效 率的影响。化ng D C Η等人在学术期刊《Computer-Aided Desi即》1999,31(5)，P303-315中 发表的学术论文('Interference detection and optimal tool selection in 3-axis NC machining of free-form surface"、Lo C等人在学术其月干U《Computer-Aided Design》 2000,32(10)，P597-603中发表的学术论文"Two-stage cutter-path scheduling for ball-end milling of concave and wall-bounded surfaces"和南京航空航天大学的赵 世田在2011年的学位论文《自由曲面加工刀具路径轨迹规划算法研究》中基于刀具轨迹长 度估算选取最优刀具组合。但此类方法进行轨迹长度估算时对整个模型采用单一的估算模 型，也没有考虑不同表面特征对刀具轨迹长度的影响，轨迹长度估算不准确。Bey Μ等人在 学术会议('International Conference on Smart Manufacturin邑 Application,2008"发 表的学术论文"Cutting Tool Combination and Machining Strategy Affectation Based on the Determination of Local Shapes for Free form Surfaces"考虑了不同 类型区域对加工时间的影响，但加工策略方面只考虑平行截面法和等高线法，且采用模拟 方法获取加工时间时势必需要生成刀具轨迹，影响效率。
[0004] 总之，现有针对曲面模型的刀具组合优化的方法中，没有全面考虑模型几何形状 对加工的影响，而是W精度不高的结果作为优化选择判断标准来选取最优刀具组合，导致 算法的准确性有待进一步提高；同时也需要采用合适的刀具优化组合方法进一步增强适应 性。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种Ξ角网格模型数控加工的多刀 具优化组合选择方法，可W通过将复杂Ξ角网格模型分割后建立不同轨迹长度估算模型， 并通过人工智能算法获得优化刀具组合，能够更加有效、精准地获得复杂Ξ角网格模型的 高效加工刀具组合。
[0006] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0007] -种Ξ角网格模型数控加工的多刀具优化组合选择方法，包括如下步骤：
[0008] 步骤1，基于读入到内存的Ξ角网格模型数据，建立无冗余的点表和面表;基于半 边数据结构，建立Ξ角网格模型的面片、边和顶点的完整拓扑信息；
[0009] 步骤2,采用局部二次拟合方法计算Ξ角网格顶点及面片的最大主曲率和最小主 曲率，所述最大主曲率大于等于最小主曲率;基于面片法矢及面片的最大主曲率和最小主 曲率，将Ξ角网格模型曲面分为睹壁特征区域、平坦特征区域、阱特征区域、峰特征区域和 混合特征区域五类特征区域;ΚΞ角面片为生长元素，采用区域生长法实现网格模型分割；
[0010] 步骤3，ΚΞ角面片为基本单元在阱特征和混合特征区域查找刀具干设区域；
[0011] 步骤4,建立各特征区域的刀具轨迹长度计算公式：
[0012]
[001引其中L康示刀具轨迹长度，Ai表示加工区域i的面积，gi为行距，Si日和Sii分别表示 区域i的外边界和内边界长度；
[0014] 步骤5,根据模型Ξ角面片的最大主曲率及标准刀具尺寸确定最小刀具;采用遗传 算法优化其他尺寸刀具。
[0015] 所述将Ξ角网格模型曲面分为睹壁特征区域、平坦特征区域、阱特征区域、峰特征 区域和混合特征区域五类特征区域，具体是：
[0016] W最大主曲率ki为横坐标、最小主曲率k2为纵坐标建立主曲率坐标系，根据不同情 况设定Z轴分量阔值V。、平坦曲率阔值k。、阱特征区域曲率阔值kt和峰特征区域曲率阔值ks， 各特征子区域表示为：
[0017] 睹壁特征区域:Vz < V。，其中Vz为面片法矢的巧由分量；
[001引平坦特征区域:kl2+k22非。2;
[0019]阱特征区域:ki2+k22〉k。2，且k2〉kt，其中 kt 含 0.01;
[0020] 峰特征区域:山2+1?2〉心2，且kl<ks，其中ks > -0.01;
[0021] 混合特征区域:ki〉0、k2<0且不属于上述各区域。
[0022] 步骤3中所述的ΚΞ角面片为基本单元在阱特征和混合特征区域查找刀具干设区 域，包括：
[0023] ①在整个查找区域内，根据面片最大主曲率ki判断刀具Ri发生曲率干设的面片并 存储干设面片，所述曲率干设的判断原则是:若l/ki<Ri，则发生曲率干设；
[0024] ②若步骤①中的面片不发生曲率干设，W整个查找区域内所有面片的中屯、点及顶 点建立K-D树；
[0025] ③将不发生曲率干设的面片中屯、点、顶点分别沿面片法矢、顶点法矢偏置刀具半 径Ri距离，W偏置点为捜索中屯、，WRi-scallop/2为捜索范围进行K-D捜索，面片中屯、和面片 顶点干设的判断原则是:检测面片中屯、点时，若捜索到的干设点数目大于1，则判定该面片 中屯、点对应的面片发生干设;一个Ξ角面片内至少有两个顶点在干设检测时，捜索到的干 设点数目大于1，则判定该面片发生干设；
[00%]所述scallop为残留高度；
[0027] ④将已查找到的干设面片周围刀具半径范围内的面片设置为干设面片。
[0028] 所述偏置点计算公式如下：
[0029] 〇j = Pj+nRi
[0030] 其中化为偏置点;門为面片中屯、点或面片顶点;η对应为面片法矢或面片顶点法矢； Ri为大刀具半径。
[0031] 步骤4中计算刀具轨迹长度时，不同特征区域采用不同的加工策略，在给定加工残 留高度h、曲面法曲率K的情况下，刀具Ri加工各类型区域的行距gi具体是：
[0032] ①睹壁特征和平坦特征区域分别采用等高线法和行切等截面刀轨生成策略，行距 gi计算公式为：
[0033]
[0034] ②峰特征区域采用环切等残留高度法刀轨生成策略，行距gi计算公式为：
[0035]
[0036] ③阱特征区域采用环切等残留高度法刀轨生成策略，行距gi计算公式为：
[0037]
[0038] ④混合特征区域采用行切等残留行切法刀轨生成策略，行距gi计算公式为：
[0039]
[0040] 在阱特征、峰特征和混合特征区域的行距计算公式中，运Ξ种特征子区域按照曲 率值细分成几个部分，每个部分取曲率中值代入到行距公式中计算刀轨长度。
[0041] 步骤5中所述最小刀具的值是固定的，选择方法为：
[0042] 小刀具尺寸的值小于1/ki，并从标准刀具尺寸系列中选择小于1/ki且最接近1/ki 的一个尺寸。
[0043] 步骤5中所述其他尺寸刀具选择方法为采用遗传算法进行优化选择，适应度函数 表不为：
[0044] F(x)=k/f(x)
[0045] 其中f(x)为估算的刀具轨迹长度，k表示比例系数。
[0046] 本发明具有如下有益效果：
[0047] (1)本发明提供的Ξ角网格模型数控加工的多刀具优化组合选择方法，在特征分 割的基础上，进行有针对性的轨迹长度估算