自由曲面加工理论与应用(第03讲--刀具路径生成算法概述)

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自由曲面铁削加工的刀位轨迹生成方法

自由曲面铁削加工的刀位轨迹生成方法

自由曲面铁削加工的刀位轨迹生成方法1 .与自由曲面刀位轨迹生成方法相关的术语l )切触点(Cutting Contact Point )刀具在加工过程中与被加上零件曲面的理论接触点。

对于曲面加工,不论采用什么刀具,从几何学的角度看,刀具与加工曲面的接触关系均为点接触。

2 )刀位点(Cutter Location Point )用来确定刀具在加工过程中所在的位置点。

一般来说,刀具在工件坐标系中的准确位置可以用刀具中心点和刀具轴矢量来描述,其中刀具中心点可以是刀心点,也可以是刀尖点。

采用刀尖点时刀具长度补偿比较方便,是目前的习惯用法。

由刀位点按一定的顺序连接而成的轨迹就是通常所说的刀位轨迹。

3 )导动面(Drive Surface )与导动点(Drive Point )由于待加工曲面的差别较大,有的曲面片组合相当复杂,如果直接对曲面片进行离散难度很大。

因此,通常采用映射方法来获得组合曲面的刀位轨迹,具体地说,就是先构造一张(组)比较简单的曲面,称为导动曲面,在导动曲面上按给定的加工工艺条件计算出刀位轨迹点,称导动点。

然后根据一定的规则(如沿主轴方向投影)把导动点映射到待加工表面上,经计算修正就可以获得待加工表面上相应的刀位点序列。

4 )干涉检查(Interference Check )对于用映射方法将导动点映射到待加工表面上的做法,不可避免地存在一个导动点对应多个刀位点的情况。

如果要从多个可能的映射点中确定出唯一的结果,就需要提供相应的附加判据:一是不可过切,二是欠切(一般由后续加工完成)最少。

对于直接对曲面进行离散也会碰到类似灼问题,我们把这一判断过程称为干涉检查。

干涉检查是自由曲面刀位轨迹生成算汰的关螃挤术之一。

在工程应用中,由CAM 软件自动判断,不需人工干预。

2 .基于参数空间的刃位饮迹生成方法自由曲面刀位轨迹生成方去可归纳为两类:一是基于参数空间的刀位轨迹生成方法;二是基于笛卡尔空司刀位轨迹生成方法。

刀具路径生成算法

刀具路径生成算法

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切削边界提取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G-buffer 模型:被加工零件的Configuration Space 模型,也是CL Surface 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 模型的构造在工件上方构造一网格平面,网格交点为点集{Pij}将刀具放在网格平面中的网格点P(i, j) 上刀具向下移动(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Zij重复上述步骤,直到得到所有网格点的Z 坐标值所有网格点的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)切削区域边界用等高面Zc 与G-buffer 求交,形成切削区域边界Zij < Zc ,记录该网格点P(i, j)Zij > Zc ,不记录该网格点P(i, j)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:切削区域边界追踪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。

数控加工中基于自由曲面表面特性的刀具路径安排

数控加工中基于自由曲面表面特性的刀具路径安排

2007年第26卷12月第12期机械科学与技术M echanical Science and T echno l ogy for A erospace Eng ineer i ng D ece m be r V o.l 262007N o .12收稿日期:2006-09-27基金项目:国家自然科学基金项目(50575082)资助作者简介:何雪明(1966-),男(汉),江苏,副教授,硕士,hxue m 2003@163.co m数控加工中基于自由曲面表面特性的刀具路径安排何雪明1,2,李成刚1,胡于进1,曲 萍2,马仙龙2(1华中科技大学机械科学与工程学院,武汉 430074;2江南大学机械工程学院,无锡 214122)摘 要:目前CNC 上的轨迹控制功能仍主要是直线和圆弧插补,因此当加工自由曲面时,大多只能采用直线或圆弧逼近算法来对曲线进行逼近处理。

针对数控加工的实际需求,现在数控系统技术人员对数控机床插补器进行研究并开发出了许多曲线和曲面插补功能。

基于曲线插补,在保持进给速度尽可能恒定的条件下,对刀位路径和刀位速度进行离线的曲线拟合,以便于得到用于数控加工的刀位文件。

这种方法能有效解决进给速度的波动问题,并能有效压缩刀位文件。

为此,提出几种算法来拟合刀位路径和刀位速度轮廓曲线。

曲线和曲面插补在数控代码数据量和逼近误差方面都有较大的改善。

关 键 词:刀位路径;刀位速度;曲线插补;曲线拟合中图分类号:TP391 文献标识码:A 文章编号:1003-8728(2007)12-1517-07CNC Tool Path Planni ng Base d on Characteristics of Free -for m SurfaceH e X ue m i ng 1,2,L i Chenggang 1,H u Y u ji n 1,Qu P i n g 2,M a X ian l ong2(1Schoo l o fM echan i ca l Sc i ence and Eng i neering ,H uaz hong U n i versity of Sc i ence and T echno logy ,W uhan 430074;2Schoo l ofM echan i ca l Eng i neering ,Southern Y ang tze U n i versity ,W ux i 214122)Abst ract :A t presen,t co m puter num erica l contr o l(C NC)m ach i n es still use li n ear i n terpo lation and arc interpo la -ti o n to contr o l their trajectories .Therefore ,i n m ac h i n i n g a free -fo r m surface ,m ost o f t h e m use the li n ear and arcapproach algo rithm to approach its curves .A cco r d i n g ly C NC techn icians study the i n ter polato r o f a CNC m achine too l and deve l o p m any functi o ns o f cur ve interpo lation and free -for m surface i n ter polati o n .U si n g the curve i n terpo -lation ,they perfor m the of-f li n e curve fitting o f cutter l o cation(CL)path and CL feeding ve l o c ity under the cond-i ti o n t h at t h e latter is kept as constant as possi b le .Thus they obta i n CL fil e s to be used i n CNC m achining .Th is m ethod can effectively reduce the fluctuation of feeding velocity and condense CL files .For these reasons ,w e pro -pose several algorithm s for fitting the pr o file curves of CL path and CL feeding ve l o c ity .The algorithm no tab l y i m -proves the curve and free -fo r m surface interpo lator i n ter m s o f the nu m ber o f C NC codes and approach errors .K ey w ords :cutter location path ;curve interpo lation ;cur ve fitti n g ;c u tter locati o n feeding veloc ity 曲面加工是数控技术和CAD /C AM 的重要应用与研究对象,如何经济地实现高效高质量的加工一直是其重点问题[1]。

刀具路径生成算法

刀具路径生成算法

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●切削边界提取●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●G-buffer模型:被加工零件的Configuration Space模型,也是CL Surface●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●在工件上方构造一网格平面,网格交点为点集{Pij}●将刀具放在网格平面中的网格点P(i, j)上●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Zij●重复上述步骤,直到得到所有网格点的Z坐标值●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➢用等高面Zc与G-buffer求交,形成切削区域边界●Zij < Zc,记录该网格点P(i, j)●Zij > Zc,不记录该网格点P(i, j)●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:➢切削区域边界追踪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。

自由曲面加工理论与应用(第04讲多轴加工刀具路径生成算法

自由曲面加工理论与应用(第04讲多轴加工刀具路径生成算法
HUAZHONG UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOG
SCHOOL OF MECHANICAL SCIENCE & ENGINEERING
自由曲面加工理论与应用
第04讲--刀具路径生成算法
11 June 2012
1
粗加工刀具路径生成算法 精加工刀具路径生成算法 补加工刀具路径生成算法 五轴加工刀具路径生成算法 基于点云数据的刀具路径生成算法 刀具轨迹后置处理技术 自由曲面加工刀具轨迹生成实例
一化就是所球包围盒的方向向量。 OBB的中心和半边长计算方法:将凸包上的点投影到方向向量上
向上的投影;
β1:过刀尖的水平线与下锥面母线的夹
角, ;
β2:刀轴与上锥面母线的夹角, ; h:刀具切削刃长度。
精加工刀具路径生成算法_多面体法
被加工曲面的多面体模型
10
11
0110 0111 00
0100
Root
00 01 10 11
0100 0101 0110 0111 0110 0110 0110 0110
切削区域边界
用等高面Zc与G-buffer求交
Zij < Zc,记录该网格点P(i, j) Zij > Zc,不记录该网格点P(i, j) 这些被记录的网格点集合{Pij}构成
切削区域无干涉边界点
切削区域边界追踪
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
切削区域
边界点筛选
粗加工刀具路径生成算法_Z-map方法
切削区域边界追踪 参照G-buffer方法
切削区域判定 边界描述树,参照G-buffer方法

曲面加工的刀路定义及自动编程

曲面加工的刀路定义及自动编程

曲面加工的刀路定义及自动编程一、实训目的( 1)、初步掌握 M aster CAM曲面粗、精加工的刀路定义方法( 2)、了解MasterCAM曲面加工刀路定义的主要参数设置( 3)、初步了解MasterCAM曲面加工工艺二、预习要求认真阅读教材中有关曲面加工的刀路定义及自动编程部分的内容。

三、实训理论基础1 .曲面的选取:在曲面数量不太多时,可一个一个地直接选取;在曲面数量很多时,就需要采用快捷的选取方式,可能大多数情况下是选“所有曲面”项,当只需要加工众多曲面中的部分,而另外部分曲面需要定义为干涉曲面时,最好事先将相应的曲面定义成群组。

这样在选取曲面时就可有选择性的选“群组”项。

对于全体曲面中刀具加工不到的曲面部分, MsterCAM 在进行刀路计算时会根据曲面干涉情况自动测算,因此大多数情形下不需要考虑要不要将这些曲面从加工群组中剔除。

2 .曲面深度设定图 14-1 深度分层控制曲面深度设定用于控制 Z 方向要加工的范围。

默认设定是顶部和底部都预留 0.2mm 的增量坐标方式(如图 14-1a ),即加工范围为曲面最高点下方 0.2mm 到曲面最低点上方 0.2mm ;如果需要人为控制 Z 加工范围,可设定绝对坐标方式,这样可以根据曲面的曲率变化情况有意识地将曲面按不同的 Z 区段以不同的 Z 步距进行刀路设计,从而有效地控制加工质量。

Z 向加工的分层控制,主要是设定 Z 向步距值。

3 .曲面粗加工1 ).挖槽式:以挖槽的方式,可将限制边界范围内的所有废料都切除掉,切削量分配合理,是块状料粗切的较理想的方式。

图14-2挖槽式曲面粗切刀路2 ).平行式:以垂直于 XY 面为主切削面(由加工角度决定),紧贴着曲面边廓产生刀路。

图14-3平行式曲面粗切3 ).径向扫射式:以指定的一点为扫射中心,以扇面的方式产生刀路。

该法适用于圆形坯件的切削。

图14-4径向扫射式4 ).等高外形方式:以 XY 为主切削面,紧挨着曲面边廓产生刀路,一层一层地往下推进。

自由曲面加工理论与应用(第02讲--自由曲面加工基础)

自由曲面加工理论与应用(第02讲--自由曲面加工基础)

一、自由曲面加工概述
SSM系统的信息处理需要解决的问题
根据SSM系统的3个输出,对应3个信息处理阶段 • 基于特征的处理阶段(feature-based processing stage)
以最小的P/M-rate生成UMOs
• 几何处理阶段(geometric processing stage)
自由曲面加工理论与应用 第02讲--自由曲面加工基础
一、自由曲面加工概述 二、自由曲面加工数学基础 三、刀具路径生成基础
一、自由曲面加工概述
自由曲面(Sculptured Surface or Free Formed Surface)
The term “sculptured surface” denotes those surface shapes which “cannot be continuously generated ” and have the arbitrary character of the forms traditrs —— Duncan and Mair (1983) 随着自由曲面复杂程度的增加,需要数控编程技术 的发展
基于特征的信息处理 (feature-based processing) • 特征提取:由设计曲面提取加工特征 • CAPP( computer-automated process planning): 根据加工特征产生一系列UMO。
需解决的问题:如何定义加工特征,如何根据特征定义和生成UMO
一、自由曲面加工概述
几何信息处理(Geometric information processing)
• 刀具路径规划( Tool-path planning):根据设计曲面为每个UMO生 成刀触点轨迹(CC-paths)或初始刀位点轨迹(initial CL-paths) • 刀位计算(CL-data computation):由CC-paths计算CL-paths • 加工仿真(Cutting simulation) • 干涉检查(过切检查,Gouge detection)

自由曲面数控加工刀具轨迹映射算法

自由曲面数控加工刀具轨迹映射算法

Internal Combustion Engine&Parts0引言实际工程应用中,形状相对比较复杂的自由曲面,其刀具路径规划技术仍然是研究的重点,因此学者们相继提出了不同的刀具轨迹规划技术。

通常,自由曲面包含多个不同的特征域,每个特征域对应的曲面信息、刀具轨迹及其他加工信息都有差异或相似性,对其分类规划,按一定规则,可自适应地实现同类特征面域的加工轨迹规划[1-2]。

为提高加工效率,已有研究者以典型的船用柴油机机架类零件为例,提出基于特征模板,应用重用技术研究同类别零件数控加工刀具轨迹的生成[3-4]。

典型的刀具轨迹生成算法中,投影法是计算稳定且较快的一种算法,广泛应用于参数曲面和三角网格曲面的数控加工。

Orazi等[5]提出了一种新的三角网格曲面点连续投影算法,该算法用三角曲面片顶点定义的法线来执行投影,投影方向取决于投影点,方向与用三角形网格逼近的原始曲面相一致,可有效应用于需要将大量点投影到网格曲面上的情形。

对于精加工,文章作者采用“投影法”思想,设计刀具轨迹映射算法,将已有的数控加工轨迹投影到同类型曲面上,得到待加工曲面的数控加工信息。

产生已有轨迹的曲面和待加工曲面是具有相似性的同类曲面,曲面点的曲率决定该点的投影方向,可减少投影后映射轨迹的失真,从而提高质量。

自由曲面数控加工刀具轨迹映射算法Tool Path Mapping Algorithm for Free-form Surface NC Machining汪雨蓉WANG Yu-rong(杨凌职业技术学院机电工程分院,杨凌712100)(School of Mechanical Engineering,YangLing Vocational and Technical College,Yangling712100,China)摘要:对自由曲面的数控加工,寻求最优的刀具轨迹生成方法至关重要。

本文基于开源3D库Open CASCADE(OCC)和编程开发环境Microsoft Visual Studio2010(VS2010),应用B样条表达的自由曲面,采用“投影法”思想,研究“重用已有相似刀具路径”方法,提出了处理自由曲面的NC刀具轨迹映射算法。

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自由曲面加工理论与应用
第03讲--刀具路径生成算法概述
刀具路径生成方法的分类
(Taxonomy of tool-path generation)
❑刀具路径生成方法包含的要素(Tool-path generation (TPG) mechanism)
•1)刀具路径规划的区域(Path-planning domain)
在二维区域内规划走刀模式(toolpath patterns),生成刀
具路径
(2D domain where tool-path patterns are planned)
•2)刀具路径生成的曲面(Path-generation surface)
在CC-surface或CL-surface等3D surface上生成刀具路径
(3D surface →CC-surface or CL-surface)。

三种刀具路径规划的区域(Three types of Path-planning domains)
1)参数区域(Parameter-domain(PD)): tool-paths are planned on the u,v-domain of the 3D surface r(u, v), and then they are mapped back to r(u, v).
2)导动平面(Guide-plane(GP)): tool-paths are planned on a separate “guide-plane”, and then they are projected on the surface.
3)导动曲面(Drive-surface(DS)): tool-path are defines as a series of intersection curves between “drive surfaces”and the pare-surface
❑TPG-mechanism = (PD CC , GP CC , DS CC , [PD CL ] , GP CL , DS CL )PD CC ——CC-based parameter-domain method
GP CC ——CC-based Cartesian tool-path
DS CC ——CC-based APT-type tool-path
PD CL ——CL-based parameter-domain method
GP CL ——CL-based Cartesian tool-path
DS CL ——CL-based APT-type tool-path
对3轴刀具路径生成而言,CL-based method have distinct advantedges over the traditional CC-based methods.
Note the combination ‘PD CL ’is optional because it is not likely to be employed in practice.
刀具路径生成方法(Tool-Path Generation Methods)
1) Conventional TPG Methods (CC-based methods)
2) CL-based Method (C-space method)
CC-based TPG methods
种类(对应于三种刀具路径规划的区域)
(1) Isoparametric method: CC-paths are planned on the parameter-domain
(2) CC-Cartesian method: Tool-paths are planned on a guide-plane
(3) APT method: Intersecting the part surface with a series of drive-surfaces.
过程(TPG procedure in CC-based methods):
1) Mapping: computation of a CL-point for a given ¡domain-point¡.
2) Marching: find the next domain-point from the current point on the path.
3) Side stepping: find the initial domain-point on the next path.
Isoparametric Tool-Path Generation
刀具干涉(Cutter-interference)
❑刀具干涉的种类(Cutter interference types)•曲率干涉(CL-point interference)
gouging occurs at a CL-point.
•运动干涉(CL-line interference)
gouging occurs on a CL-line.
•碰撞(collision)
Dead center collision (round-endmill), holder collision and
shank collision
1)曲率干涉(CL-point interference)
Sufficient condition for concave-gouging:d > 1/ρ ,
2)运动干涉(CL-line interference ,Convex gouge)(1)凸干涉(Convex-gouge)
凸干涉避免方法(Convex gouge avoidance)
method:insert additional CL-points at q i(for i=1,2)参见:Ball-end cutter
interference avoidance
in NC machining of
sculptured surfaces.
CAD
(2)Round-endmill gouge and Vertical gouge (convex)
3)碰撞(collision)
三种(three types):
Dead center collision (round-endmill) Holder collision
Shank collision
切削仿真和验证(Cutting Simulation and NC Verification)
❑切削仿真的几何模型(Geometric models used for cutting simulation)
Z-map model
Dexel model
Discrete vector model
Voxel model.
切削仿真的类型(Type of cut-sim)
•视觉仿真(Visual cut-sim)
To obtain a visual image of the machined-surface.
•几何仿真(Geometric cut-sim)
To examine the machined accuracy, usually down to 0.01mm.
•物理仿真(Physical cut-sim)
To verify cutting conditions (by computing excepted cutting forces).
Thanks…
谢谢!。

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