刀具路径生成算法Word下载.docx

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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ConfigurationSpace模型，也是CLSurface

●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

Ø

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：

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。

等距线计算：

直接偏置法和Voronoi方法。

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

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

用等高面Zc与Z-map模型求交

●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：

切削区域初始边界点筛选（比G-buffer要多的一步检查）

●切削区域的初始边界点可能是干涉点

●对每个初始边界点，搜索其邻域的非边界点

●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

●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。

面面求交

直接求交法示意图：

2）具体方法

●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∩Zc

●计算曲面Si位于切削层平面Zc上方的轮廓线Profi

●为每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NonCutBndi。

●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NonCutBndOffi

●边界裁剪合并形成非切削区域。

切削区域判定、刀具路径生可以直接参照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

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。

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

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。

干涉量计算

●为了提高计算速度，在刀具投影域搜索干涉检查三角片；

●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：

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。

刀位轨迹生成

顺序连接无干涉刀位点生成刀位轨迹。

2、投影法

投影法是UGCAM中使用的三轴刀具轨迹生成算法。

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）算法容

●给定投影矢量Vector

●将刀具放在Vector的反方向，且与工件不发生碰撞的初始位置

●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Projection

●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

●计算工件的离散模型Primitives，如Facet（三角片法）、Finite-difference（UV参数域法）、Discretevolume（空间离散法）等

●将工件离散模型存放在空间数据结构中（Spatialdirectory），如Kd-tree、Octree、Surface-patchtree、3DGrid、OBBTree、AABBTree、Convexhull等

●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BoundingVolume（BV）。

示意图：

计算步骤及示意图：

●将刀具放在Tree中最上层节点的BV上，计算Z1

●将刀具放在Tree中第二层节点的BV上，计算Z1和Z2

●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

●以此类推，直到Tree中所有叶子节点的BV都计算了Z值

●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。

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。

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（Pencilcurve）。

示意图如下图：

清根曲线跟踪问题可以认为是一个边缘融合（Edgeblending）问题，清根曲线可以用“滚动球”和“球位置采样”方法计算。

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

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。

计算铅笔点

输入：

CLZ-map模型

输出：

铅笔点、行进方向、质量

过程

●在X方向的CVS曲线中寻找最大凹点

✓设置行进方向为+Y或-Y；

✓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；

✓如果满足栅格条件，则将MCP定义为铅笔点；

●在Y方向的CVS曲线中寻找最大凹点

✓设置行进方向为+X或-X；

✓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；

●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

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。

算法步骤

多面体模型，刀具形状和尺寸

清根刀具路径

过程：

●根据多面体模型计算刀触点网格（CCnet）

●根据给定的间距采样刀触点网格

●计算干涉检查边界

●在干涉检查边界产生清根路径