壳体零件数控加工刀具几何参数选取方法

摘要

一种壳体零件数控加工刀具几何参数选取方法，其包括以下步骤：1)确定加工工艺平面；2)以加工工艺平面为基础对原始零件以及毛坯模型进行剖切，同时分别生成原始零件剖视图以及毛坯模型剖视图；3)在毛坯模型剖视图M2i中确定原始零件剖视图M1i的骨架Li，同时确定骨架Li上的点到待加工零件的图像边界的距离；4)根据骨架Li上的点到待加工零件的图像Mi边界的距离以及刀具库中现有刀具参数对刀具几何参数进行选取。本发明提供的方法可降低对工艺规划人员的能力的要求、提高加工效率和加工质量。

说明书

技术领域

本发明属于零件的数控加工领域，涉及一种壳体零件数控加工刀具几何参 数选取方法。

背景技术

刀具在数控加工过程中非常重要，对其的合理选取会直接影响加工效率和 加工质量。目前，加工中刀具的选取主要采用保守的刀具选取原则或是根据工 艺人员的经验进行选取。然而采用第一种方式会大幅的降低加工效率，增加生 产成本；采用第二种方式对于工艺人员的个人素质和经验要求较高，同时对于 一些复杂零件，如发动机壳体类零件，很难根据经验选取合理的刀具几何尺寸 系列。而目前国内外对于刀具选取方式的研究主要集中于2.5轴腔体类零件的加 工中，并且该刀具的选取方式处于探索阶段，还不能用于实际作业中。其主要 原理是抽取零件截面线，并在截面线中计算截面线围成区域内的中轴线，并结 合智能算法得到最优的刀具尺寸系列。然而，对于三轴甚至多轴加工中的刀具 几何参数选取，由于受到刀具不同切削层所处状态不同、刀轴方位不确定等因 素影响，还没有好的解决办法。因此，人们对于实际加工过程中，尤其是复杂 特征零件数控加工中刀具几何参数的合理选取有着非常迫切的需求。

发明内容

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种可降低对工 艺规划人员的能力的要求、提高加工效率以及加工质量的壳体零件数控加工刀 具几何参数选取方法。

本发明的技术解决方案是：本发明提供了一种壳体零件数控加工刀具几何 参数选取方法，其特殊之处在于：所述壳体零件数控加工刀具几何参数选取方 法包括以下步骤：

1)确定加工工艺平面；所述加工工艺平面是与刀轴矢量垂直的平面；

2)以加工工艺平面为基础对原始零件以及毛坯模型进行剖切，同时分别生 成原始零件剖视图以及毛坯模型剖视图；

3)在毛坯模型剖视图M2_i中确定原始零件剖视图M1_i的骨架L_i，同时确定骨 架L_i上的点到待加工零件的图像边界的距离；

4)根据骨架L_i上的点到待加工零件的图像M_i边界的距离以及刀具库中现有 刀具参数对刀具几何参数进行选取。

上述步骤2)的具体实现方式是：

2.1)在加工工艺平面为基础上生成一系列的相互平行的平面；所述相互平 行的平面是剖平面A_i；所述i＝1，2，…，n；

2.2)由步骤2.1)所生成的一系列相互平行的剖平面A_i对原始零件以及毛坯 模型分别进行剖切；

2.3)将剖切后的原始零件以及毛坯模型按照剖视方向进行投影，分别得到 原始零件的剖视图M1_i以及毛坯模型的剖视图M2_i。

上述步骤3)的具体实现方式是：

3.1)根据毛坯模型剖视图M2_i的实际边界向外偏置，得到新的毛坯模型剖 视图M2_ifin；

3.2)将步骤3.1)所得到的新的毛坯模型剖视图M2_ifin与原始零件剖视图M1_i求交，得到待加工零件的图像M_i；

3.3)在步骤3.2)中所得到的待加工零件的图像M_i中确定原始零件剖视图 的骨架L_i；所述骨架L_i上的点是所有相切于图像边界的最大圆的圆心集合；

3.4)计算步骤3.3)中得到的原始零件剖视图的骨架L_i上的点到待加工零件 的图像M_i边界的距离。

上述步骤3.1)的具体实现方式是：

3.1.1)确定毛坯模型剖视图M2_i的柔边界；所述毛坯模型剖视图M2_i的柔边 界是刀具能够超出毛坯模型的边界；

3.1.2)给定可允许的最大刀具直径D_max；

3.1.3)将毛坯模型剖视图M2_i的柔边界向外偏置D_max/2的距离，得到新的毛 坯模型剖视图M2_ifin。

上述步骤3.3)中骨架L_i的确定方式是拓扑细化法、基于距离变换法、Voronoi 图法或偏微分方程法。

上述步骤3.4)中骨架L_i上的点到待加工零件的图像M_i边界的距离是通过欧 氏距离场的计算方法得到的。

上述4)的具体实现方式是：

4.1)提取出骨架L_i上所有点P_j对应的距待加工零件的图像M_i边界的最大距 离dis_j，其中j＝1，2，…，m；

4.2)根据刀具库中刀具系列T_k＝(H_k，D_k)，其中H_k是刀具长度序列，D_k是刀具直径序列，k＝1，2，…，l；首先由当前生成图像时采用的剖平面A_i距待 加工零件的图像M_i的最大距离E_i；在刀具库中刀具系列T_k中选取刀长大于E_i的 刀具，滤除其中的重复刀具直径，并将刀具库中刀具系列T_k按照直径由小到大 依次排列，得到刀具直径系列D_is，其中s＝1，2，…，p，在步骤4.1)中得到的 dis_j中确定合适的刀具直径，得到刀具直径D_is对应的骨架点集P_it(t＝1，2，…， m_s)；

4.3)在确定刀具直径系列D_is后，计算不同的刀具直径大小D_is能够去除的 区域面积S_is；

4.4)重复计算每个剖平面A_i距待加工零件的图像M_i的最大距离E_i及相应的 刀具直径系列D_is对应的加工区域面积S_is，确定最终刀具直径所有 可选刀具直径系列D_s对应的加工区域面积其中，i＝1，2，…，n；

4.5)在得到所有可选刀具直径系列D_s对应的加工区域面积S_s后，计算S_s对 应在总可加工面积中所占比例η_s＝S_s/S，画出η_s-D_s图，形成选取最终刀 具参数系列。

上述4.2)中确定合适的刀具直径的确定原则是令D_r≤dis_j<D_r+1，其中Dr， D_r+1∈D_is)时对应的刀具直径为D_r。

本发明的优点是：

本发明提供了一种壳体零件数控加工刀具几何参数选取方法，属于一种数 控加工中刀具几何尺寸的确定方法，涉及图形图像转换、图像骨架提取和加工 中各类型刀具尺寸加工区域分布计算等问题。该方法通过对工件和毛坯进行切 片处理并计算每个切片上刀具的分布情况，确定数控加工过程中刀具尺寸系 列，从而降低了对工艺规划人员的能力的要求，提高了加工效率和加工质量。 本发明提出的方法具有通用性，适合于三轴及多轴数控加工中刀具参数的选 择，能够适用于任何工件形状及毛坯形状，其能够最终给出加工过程中可用刀 具所能加工区域的比例分布图，方便工艺人员选取加工刀具时参考。经实际生 产验证，该方法计算准确、鲁棒性好。

附图说明

图1是加工工艺平面的结构示意图；

图2是剖平面的结构示意图；

图3剖切后的原始零件和毛坯模型的示意图；

图4是原始零件和毛坯模型所形成的剖视图；

图5是毛坯模型偏置示意图；

图6是求交后的图像；

图7是图像Mi的骨架Li示意图；

图8是图像Mi的欧氏距离场示意图；

图9是本发明所提供的刀具参数选取流程图；

图10是可选刀具与对应加工区域分布图。

具体实施方式

参见图9，本发明提供了一种壳体零件数控加工刀具几何参数选取方法，具 体包括以下步骤：

步骤一：确定加工工艺路线

在刀具参数选取过程中，刀具直径和长度值与加工的工艺路线有着密切的 联系，不同的切削方式和顺序，对应的刀具参数也不同，因此，在刀具参数计 算之前应该首先确定好给定零件的整个加工工艺路线。

由于后续的刀具参数选取方式主要是在三轴的基础上计算的，因此对于多 轴加工，在确定加工工艺路线时，应将其简化为分面定轴加工方式，即根据不 同的刀轴方向进行相应的刀具几何参数计算，再将其合并确定最终参数。这里 规定与刀轴矢量垂直的平面为加工工艺平面(如图1所示)。

步骤二：图形图像转换

在确定加工工艺平面后，需要在与此平面平行的基础上生成一系列的平行 平面(称为剖平面，如图2所示)，由这些剖平面对原始零件和毛坯模型分别进 行剖切(如图3所示)，并生成剖视图(如图4所示)。由于在获取剖视图边界 线时，需要经过复杂的裁剪操作，计算量庞大，并且计算不稳定，同时考虑到 加工精度的控制，这里将剖切后的模型按照剖视方向进行投影，得到相应的图 像，后面将依据这一得到的图像进行相关计算，确定刀具几何参数系列。

步骤三：图像骨架与欧氏距离场计算

设由上述方式得到的工件模型图像为M1_i，由毛坯生成的图像为M2_i。由于 直接以毛坯的外边界线为加工边界，显然不符合实际加工要求，由于加工过程 中允许刀具在毛坯边界之外而不影响工件的加工，因此这里将毛坯的实际外边 界称为柔边界(即刀具能够超出的边界)。然而如果不限定毛坯外边界，最大 刀具直径则可以无限制的放大，因此为了避免这一问题，这里需要由工艺人员 首先给定可允许的最大刀具直径D_max。之后，将原始毛坯边界向外偏置D_max/2 的距离得到新的毛坯图像M2_ifin(如图5所示)。

利用得到的新毛坯图像M2_ifin与工件图像M2_i求交即可得到图像M_i，即M_i＝M1_i∩M2_ifin(如图6所示)。其中图像M_i中黑色部分即是要去除材料的部分。

由骨架的定义可知，骨架上的点为所有相切于图像边界的最大圆的圆心集 合，因此，骨架可以作为最有效的刀具轨迹路径，而其上每一点对应的与图像 边界相切的圆的直径则为此点上的最大允许刀具直径，由此即可确定加工当前 图像对应模型区域时可采用的刀具几何参数。

在计算图像骨架时，目前只要有四种方式：拓扑细化法、基于距离变换法、 Voronoi图法以及偏微分方程法，由于第二种方法容易出现结果不连续、后两种 方法则计算量大，因此这里采用拓扑细化的方法。这种方法是建立在烧草模型 的基础上(即模拟一片草场燃烧时火线向前推进，进而火头相遇的轨迹。它的 物理模型可以这样描述：有一片长着干草的草场，同时在草场的四周点火，火 从草场的边界以相同的速度向内部推进，如果相邻的两条火线相遇，则记录下 相遇的火点，也即大火不断蔓延直到最后熄灭的点(也叫灭点，quenching point)， 直到所有的火线都变为灭点)，利用烧草模型能够很容易的获得图像M_i的骨架 L_i(如图7所示)。

在计算得到骨架后，需要再计算骨架上点到边界的距离，即最大相切圆的 直径。在计算过程中采用欧氏距离场的计算方法可以容易得到骨架上点距离边 界的距离，从而确定骨架上的最大相切圆直径。图8显示了计算欧氏距离场后的 图像，其中颜色越黑说明距离边界越远，反之说明越近，当为纯白时说明与边 界距离为零或在工件内。

步骤四：刀具几何参数选取

在上述得到的骨架和欧氏距离场后，即可得到骨架L_i上每一点对应的距边 界的最大距离，作为当前点的最大允许刀具半径。然而，一般刀具直径都是具 有一定系列且非连续变化的，因此这里可以根据用户刀具库中现有的刀具参数 系列，计算相应的刀具在当前加工中能够去除的面积，再综合各剖平面A_i(i＝1， 2，…，n)给出相应的图像供工艺人员从中选择。

(1)提取出骨架L_i上所有点P_j(j＝1，2，…，m)对应的距离边界的最大 距离dis_j(j＝1，2，…，m)；

(2)根据所给的刀具系列T_k＝(H_k，D_k)(k＝1，2，…，l)，首先由当前 生成图像时采用的剖平面A_i距离毛坯和工件的最大距离E_i，从而在刀具系列T_k中选取刀长大于E_i的刀具，滤除其中的重复刀具直径，并将其按照直径由小到 大依次排列，得到刀具直径系列D_is(s＝1，2，…，p)，在dis_j中确定合适的 刀具直径(确定的原则：令D_r≤dis_j<D_r+1(其中D_r，D_r+1∈D_is)时对应的刀具 直径为D_r)，得到刀具直径D_is对应的骨架点集P_it(t＝1，2，…，m_s)；

(3)在确定刀具直径系列后，计算不同的刀具直径大小D_is能够去除的区 域面积S_is；

(4)重复计算每个剖平面A_i(i＝1，2，…，n)距毛坯和工件的最大距离 E_i及相应的刀具直径系列D_is对应的加工区域面积S_is，从而确定最终刀具直径 所有可选刀具系列直径D_s对应的加工区域面积

(5)在得到D_s对应的加工区域面积S_s后，计算S_s对应在总可加工面积 中所占比例η_s＝S_s/S，画出η_s-D_s图供工艺人员选取最终刀具参数系列。

以某航空发动机壳体零件为例，该壳体最大长度123mm，最大宽度130mm， 最大高度96.5mm，毛坯尺寸为168×176×120，用户允许的刀具直径在8～20之间。 在制订加工工艺时，由于此零件加工中首先需要去除大量多余材料，因此选择 插铣方式实现粗加工，之后采用端铣的方式完成后续的粗加工、半精加工和精 加工工序。

在插铣时，为保证加工系统刚性，因此拟采用分面定轴插铣方式进行，即 首先确定加工工位，在此工位上刀轴保持不变，插铣完成后，将工件转到其他 预先设定好的工位上依次进行插铣，完成工件的插铣粗加工工作。在每个工位 上都需要选择合适的刀具参数进行切削，以保证尽量减少该工位上的加工时间。 按照前述计算流程，能够很容易得到指定工位上可选刀具加工区域分布情况(如 图10所示)，考虑到所选刀具系列中刀具数量的增多，会增加换刀时间，因此 应在保证加工要求的基础上尽可能选择少量的刀具。由图10(b)能够看出在按 照用户要求筛选刀具参数后刀具分布中最大刀具所占的比例非常大，因此直径 Φ20的刀具是必选的，由图10(c)可以看出Φ14和Φ15所占的比例也非常大， 但由于这里两个刀具参数相近，因此选择较小的刀具Φ14，其同时能够完成Φ15 区域的加工，此时考虑一下加工精度的要求，从而判断是否进一步选择较小的 刀具参数。由于这里是使用插铣完成壳体零件的粗加工，因此不需要在进行更 精细的加工，故在这里可以选择参数系列Φ20、Φ14。在完成该工位上刀具系列 选择后，进行其他工位上刀具参数的选择，方法与上述相同，不过这是输入的 毛坯应该为上一步中利用选择刀具系列加工完成后的毛坯模型。这样能够选取 利用插铣方式加工此零件所需的所有刀具参数。

在端铣时，同样按照上述步骤进行相应的刀具参数选取，即可得到加工此 工件所需的所有刀具系列。