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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。
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
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,在刀具投影域内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)算法内容
●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
●在干涉检查边界内产生清根路径
●
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