江苏中南  |  
基于连续费马螺旋线的数控加工刀路规划

发布时间:2020-12-18  |  来源:数学机械化重点实验室

江苏中南在数字化设计与制造中,CAM(计算机辅助制造)是非常重要的一部分。对于建模之后的自由曲面,需要通过CAM规划刀具路径以及刀轴方向,然后生成数控机床可以识别的加工指令。对于给定的自由曲面,如何规划刀具路径是重要而有意义的问题。在数控加工中,基于三角网格的刀位点路径规划作为CAM中的重要组成部分,一直是国内外学者们的研究焦点。刀位点的路径规划可以归结为拓扑形式和参数形式。两种形式生成的路径轨迹大致可以分为以下几种情况:

其中,Fermat spiral(费马螺旋线)具有显著优势,首先其转折角较少,而且可以一次加工成型,无需频繁抬刀。将待加工曲面上各个位置的Fermat spirals相连构成一条唯一的刀位点路径轨迹,我们称其为connected Fermat spirals(CFS)。在以前的工作中,zhao et al[ACM Trans. Graph 2016,2018]对CFS进行了深入的研究,设计了基于CFS的刀具路径规划方法。但是他的工作依然存在问题(如下图所示):他们通过随机撒点并通过解优化问题来得到最终路径,使得路径迂回曲折,存在过多的弯折,不利于高速加工;在生成Fermat spiral的时候没有考虑动力学约束, 生成的路径过于曲折,会显著影响后续的加工速度。基于以上两个问题,袁春明等提出改进型的基于等残高方法的connected Fermat spirals。首先生成填充整个曲面的偏置曲线:使用搜索算法生成满足残高约束的测地线距离的偏置(offset)线。从而在满足残高约束的前提下避免太多的弯折,如图所示:

对于偏置曲线会发生自交( self-intersection)的现象,采用一种自适应调整局部曲线的方法来避免残高超界。最后根据动力学约束对Fermat spirals 进行合适的转接,从而得到光滑的刀具路径,利于高速加工。

实验结果表明,我们的方法与原有方法比较,整体上具有更好的光滑性和易加工性,检验表明,我们最终生成的刀具路径严格满足残高约束。我们对我们的方法和已有方法(Zhao et al)进行了仿真测试,实验结果表明,与原有方法相比,根据机床参数的不同,我们的算法的加工效率提高2倍左右。


 

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