一种基于测地距离的三维类摆线抛光路径生成方法

摘要

本发明公开了一种基于测地距离的三维类摆线抛光路径生成方法，包括步骤：提取工件的三维曲面信息，确定抛光路径起点；由起点位置和曲面的曲率变化情况，调整等距线与起点的测地距离，自适应生成均匀覆盖曲面的等距线；调整各层等距线的间距及三维类摆线路径的半径，使相邻抛光路径间的材料去除深度叠加均匀；沿等距线生成满足半径要求的测地摆线，并自适应调节测地摆线路径的步距值；生成沿所有等距线的摆线抛光路径，后置处理获得实际加工的三维类摆线抛光路径。本发明利用测地距离在网格上的优势，可避免使用投影或展平等方法规划曲面轨迹时的变形。同时，利用摆线轨迹的多方向性，能有效提高三维曲面抛光的均匀性，从而提升工件表面质量。

说明书

技术领域

本发明涉及一种机械加工的CAD/CAM技术，具体为一种针对复杂曲面抛光的基于测地距离的三维类摆线抛光路径生成方法。

背景技术

随着自由曲面在各领域的应用日益广泛，人们对零件的表面形状精度、表面粗糙度以及亚表面损伤程度的要求不断提高。抛光作为曲面加工的最后工序，对于自由曲面的表面质量和精度有着至关重要的影响。目前抛光工序多为手工完成，其速度和质量严重受限于抛光者的经验，而且抛光环境差，抛光效率低，影响了产品的加工周期和质量的稳定性。因此，抛光路径规划是抛光工艺中具有重要意义的环节。

目前自动化抛光主要针对简单曲面和特定模型，且自动化抛光路径沿用数控铣削中的方法，包括扫描轨迹和环形轨迹。由于这两种抛光路径运动模式比较单一，导致抛光工件表面有明显的痕迹，导致曲面抛光的不均匀覆盖，从而降低抛光工件的表面质量。这些抛光路径规划方法对于曲率变化较大的自由曲面存在抛光路径分布不均匀的问题。目前抛光路径的形式和工艺参数并没有得到深入的研究，还难以自动地生成针对复杂曲面抛光的轨迹，并且做到重叠率均匀，使曲面抛光材料去除均匀。为了提升抛光工件的表面质量，亟需能够实现自由曲面均匀覆盖的抛光路径生成方法。

测地距离是用来衡量曲面上两点之间关系的重要几何概念，通过测地距离的方法在曲面上求出等距线，是一种快速且精确的方法，非常适应复杂曲面，甚至全周曲面。这样的等距线可保证相邻两行刀轨之间测地距离始终保持相等，方便了曲面抛光时，两相邻刀轨之间重叠率的计算和优化。另外，相关研究表明，摆线抛光路径由于其具有多方向性，形式非常接近手工抛光，抛光后表面没有明显有规律的划痕，抛光均匀性更好，在抛光工件上产生的表面误差小于扫描轨迹和环形轨迹。

结合曲面上等距线的优势和摆线抛光路径多方向性的优势，在曲面上直接规划摆线抛光路径，可为复杂曲面抛光提供一种有效且可靠轨迹规划方法。

发明内容

为了解决以上技术问题，本发明提出一种基于测地距离的三维类摆线抛光路径生成方法。该方法针对复杂曲面抛光加工，自动在曲面上规划摆线抛光路径，并能够保持抛光过程中材料去除率的均匀，通过调节摆线步距值和等距线测地距离来控制抛光精度，从而为自由曲面的抛光加工提供更加均匀的抛光路径生成方法。

为达到以上目的，本发明采用了如下技术方案。

一种基于测地距离的三维类摆线抛光路径生成方法，包括以下步骤：

步骤1、提取待抛光工件的三维曲面信息，并确定计算抛光路径的起点；

步骤2、由步骤1所确定的起点位置，并根据曲面的曲率变化情况，调整等距线与起点的测地距离，自适应生成均匀覆盖曲面的等距线；

步骤3、根据相邻抛光路径的重叠率要求，调整各层等距线的间距及三维类摆线路径的半径，使相邻抛光路径间的材料去除深度叠加均匀；

步骤4、以步骤2生成的等距线作为引导线，生成满足步骤3半径要求的测地摆线，并自适应调节测地摆线路径的步距值，使得抛光路径沿引导线分布均匀；

步骤5、根据步骤3和步骤4生成沿所有等距线的摆线抛光路径，使得抛光路径在曲面上分布均匀，经后置处理获得实际加工的三维类摆线抛光路径。

进一步地，步骤1中，所述起点为一个点或若干点。

进一步地，步骤2中，所述测地距离是指：离散网格曲面上两点之间的最短路径的总距离，且此路径始终在曲面上。

进一步地，步骤2中，所述等距线是指：网格曲面上，与起点有相同测地距离的所有点组成的曲线。

进一步地，与起点有相同测地距离的所有点组成的曲线在构成上为封闭的或不封闭的，在数量上为单条曲线或多条曲线。

进一步地，步骤2中，所述自适应生成均匀覆盖曲面的等距线的步骤具包括：

步骤201、利用测地线相关算法，计算起点到网格上所有边的两个端点的测地距离d_i,1，d_i,2；

步骤202、根据要求的测地距离d，筛选出所有满足(d_i,1-d)(d_i,2-d)≤0的边；

步骤203、求出所有满足要求的边上，测地距离等于d的点P_i，并按进给方向将其有序连接，获得该层等距线，并用B样条曲线光顺，使轨迹变化更平滑。

进一步地，步骤4中，所述引导线是指：一条空间曲线，且摆线路径的周期中心始终沿着该曲线前进。

进一步地，步骤4中，所述测地摆线具有如下特征：

1)每一个周期的摆线，距离周期中心的测地距离都恒等于给定的半径值；

2)所述测地摆线路径的步距值是指：两摆线周期中心的测地距离。

9.根据权利要求1所述的一种基于测地距离的三维类摆线抛光路径方法，其特征在于，步骤4中，所述以步骤2生成的等距线作为引导线，生成满足步骤3半径要求的测地摆线的步骤具体包括：

步骤401、根据自适应调节摆线轨迹步距的方法，确定本周期中心点；

步骤402、使用根据测地距离生成等距线的方法，求出距离本周期中心点的测地距离为给定摆线半径的等距线；

步骤403、根据摆线轨迹中起始点的进给方向与引导线的方向一致的原则，确定该周期摆线轨迹的起点和进给方向。

进一步地，步骤4中，所述自适应调节测地摆线路径的步距值的步骤具体包括：

步骤411、基于材料去除深度方程计算出单点抛光在单位时间内的材料去除深度；

步骤412、通过迭代算法，计算出符合重叠率要求的摆线步距S，获得新的摆线周期的中心，两点的材料去除叠加；

步骤413、重复步骤411和步骤412,遍历整条引导线，生成沿引导线进给的摆线抛光路径。

与现有技术相比，本发明的优点和效果在于：

本发明利用测地距离在网格上的优势，可避免使用投影或展平等方法在曲面轨迹规划时的变形，更能适应复杂曲面，甚至全周曲面。同时，每层等距线之间能保持相等的测地距离，使得摆线轨迹的材料去除深度叠加更加方便并且更加均匀。另外，利用摆线轨迹的多方向性，能有效提高三维曲面抛光的均匀性，提升工件表面质量。

附图说明

图1是本发明的一种基于测地线的摆线抛光路径生成方法的流程图。

图2是根据测地距离要求筛选出网格上的边的示例图。

图3是根据测地距离要求计算出的一层等距线的示例图。

图4是沿着等距生成摆线抛光路径的示例图。

图5是单点抛光材料去除深度图。

图6是两点抛光材料去除深度的叠加图。

图7是整个曲面的引导线及摆线抛光路径的示例图。

具体实施方式

下面将结合附图和实例对本发明的具体实施作进一步说明，但本发明的实施和保护不限于此。

如图1所示，一种基于测地距离的三维类摆线抛光路径生成方法，包括以下步骤：

步骤1、提取待抛光工件的三维网格曲面信息，并设置相关工艺参数，包括，计算测地距离的起点(可为一个点，也可为若干点)、抛光刀具类型及尺寸、刀具倾斜角、抛光进给速度等，所述测地距离是指：离散网格曲面上两点之间的最短路径的总距离，且此路径始终在曲面上。

步骤2、根据所确定的起点位置，并根据曲面的曲率变化情况，调整等距线与起点的测地距离，自适应生成均匀覆盖曲面的等距线，使其分布均匀，所述等距线是指：网格曲面上，与起点有相同测地距离的所有点组成的曲线，该曲线在构成上可以是封闭的或不封闭的，在数量上可以是单条曲线或多条曲线。

具体而言，步骤2中，所述自适应生成均匀覆盖曲面的等距线的步骤具包括：

步骤201、利用测地线相关算法，计算起点到网格上所有边的两个端点的测地距离d_i,1，d_i,2；

步骤202、根据要求的测地距离d，筛选出所有满足(d_i,1-d)(d_i,2-d)≤0的边，如图2所示；

步骤203、求出所有满足要求的边上，测地距离等于d的点P_i，并按进给方向将其有序连接，获得该层等距线，并用B样条曲线光顺，使轨迹变化更平滑，如图3所示。

步骤3、根据相邻抛光路径的重叠率要求，调整各层等距线的间距及三维类摆线路径的半径，使相邻抛光路径间的材料去除深度叠加均匀。

步骤4、以步骤2生成的等距线作为引导线，生成满足步骤3半径要求的测地摆线，并自适应调节测地摆线路径的步距值，使得抛光路径沿引导线分布均匀，所述引导线是指：一条空间曲线，且摆线路径的周期中心始终沿着该曲线前进。

所述测地摆线具有如下特征：

1)每一个周期的摆线，距离周期中心的测地距离都恒等于给定的半径值；

2)所述测地摆线路径的步距值是指：两摆线周期中心的测地距离。

具体而言，步骤4中，所述以步骤2生成的等距线作为引导线，生成满足步骤3半径要求的测地摆线的步骤具体包括：

步骤401、根据自适应调节摆线轨迹步距的方法，确定本周期中心点；

步骤402、使用根据测地距离生成等距线的方法，求出距离本周期中心点的测地距离为给定摆线半径的等距线；

步骤403、根据摆线轨迹中起始点的进给方向与引导线的方向一致的原则，确定该周期摆线轨迹的起点和进给方向，如图4所示。

具体而言，步骤4中，所述自适应调节测地摆线路径的步距值的步骤具体包括：

步骤411、基于材料去除深度方程计算出单点抛光在单位时间内的材料去除深度，本实施例基于Preston方程，即

dh＝k_pp_cv_sdt

计算出单点抛光在单位时间内的材料去除深度，如图5所示，

式中k_p为量纲一磨损系数，p_c为接触点的压强，v_s为相对线速度，dt为驻留时间；dh为dt时间内的材料去除深度；

步骤412、通过迭代算法，计算出符合重叠率要求的摆线步距S，获得新的摆线周期的中心，两点的材料去除叠加，如图6所示；

步骤413、重复步骤411和步骤412,遍历整条引导线，生成沿引导线进给的摆线抛光路径。

步骤5、根据抛光工艺要求，自适应调节等距线行距，使得相邻两层摆线抛光路径之间叠加均匀，生成沿所有等距线的摆线抛光路径，使得抛光路径在曲面上分布均匀，并覆盖整个曲面，获得三维类摆线抛光路径，如图7所示。

步骤6、对生成的三维类摆线抛光路径进行后置处理，基于三维模型曲面上的抛光刀触点，根据给定的抛光工艺参数，偏置计算对应抛光工具的刀位点，获得实际加工的抛光路径。

上述实施例提供的基于测地距离的三维类摆线抛光路径生成方法,适用于自由曲面的抛光打磨。该方法首先通过计算网格曲面上的测地距离，直接在自由曲面上生成环型的等距线轨迹。然后，将等距线作为引导线，并根据相邻等距线的几何关系和重叠率要求，确定摆线半径并生成摆线抛光路径。随后，通过迭代算法，调节其步距使摆线轨迹沿引导线方向分布均匀。

上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。