三角網(wǎng)格模型五軸加工

1、三角網(wǎng)格模型五軸加工刀軸矢量調(diào)整及優(yōu)化三角網(wǎng)格模型五軸加工三角網(wǎng)格模型五軸加工刀軸矢量調(diào)整及優(yōu)化刀軸矢量調(diào)整及優(yōu)化祁楊停，黃常標，林俊鋒（華僑大學廈門市數(shù)字化視覺測量重點實驗室，福建廈門361021）摘要：摘要：刀軸矢量的調(diào)整及優(yōu)化是五軸數(shù)控技術(shù)的關(guān)鍵問題針對三角網(wǎng)格模型，為消除全局干涉，提出了一種基于KD樹及刀具離散的高效刀軸矢量調(diào)整算法算法首先以有限個點離散表示刀具，然后利用KD樹快速查找刀具的可能干涉點，并在此基礎上計算調(diào)整后的刀

2、軸矢量為避免過大的刀軸矢量突變，提出一種分角度區(qū)域方法優(yōu)化刀軸矢量實例驗證表明本文算法能夠高效實現(xiàn)全局干涉避免及刀軸矢量優(yōu)化關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：五軸數(shù)控加工；全局干涉避免；刀軸矢量優(yōu)化；KD樹檢索中圖分類號：中圖分類號：TG659，TP391文獻標識碼：文獻標識碼：A三角網(wǎng)格模型因定義簡單明確、拓撲適應能力強而成為幾何模型的主要表示形式之一，并且廣泛應用在逆向工程、快速原型等領(lǐng)域而基于三角網(wǎng)格模型的數(shù)控加工具有數(shù)據(jù)交換方便、計算穩(wěn)定、運算效

3、率高等優(yōu)點，在CADCAM系統(tǒng)中應用普遍在加工復雜曲面方面，五軸數(shù)控加工可以獲得比三軸加工更好的加工質(zhì)量和更高的加工效率[1]無論連續(xù)曲面或網(wǎng)格曲面，五軸數(shù)控加工刀具軌跡規(guī)劃的關(guān)鍵均在于刀位軌跡生成及刀軸矢量控制，其中刀軸矢量不僅關(guān)系著零件的加工質(zhì)量和效率，更與機床設備的性能息息相關(guān)刀軸矢量研究主要分為兩方面：一是避免刀具全局干涉的刀軸矢量調(diào)整；二是避免刀軸突變過大的刀軸矢量優(yōu)化刀軸矢量調(diào)整的關(guān)鍵是提高全局干涉檢測效率，而影響干涉檢測效

4、率的因素主要有模型檢索效率和刀具表示方法目前，提高模型檢索效率的方法主要是基于空間對象的檢索數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如八叉樹和OBB包圍盒相結(jié)合的算法[2]和BSP樹檢索方法[3]等基于空間對象的檢索，算法較為復雜，同時也不太適合離散的三角網(wǎng)格模型另外，為提高檢索效率，一般會將連續(xù)的刀具模型離散化表示，如張和明等[4]將刀具和加工曲面離散成三角面片，通過幾何求交判斷干涉，但求交算法計算量大，效率低；譚光宇等[5]采用垂直于刀具的法矢與被加工表面求交判

5、斷全局干涉，但當精度要求高時，所取矢量的密度會影響效率刀軸矢量的平穩(wěn)過渡不僅可以提高加工質(zhì)量和加工效率，還會減小機床旋轉(zhuǎn)軸運動和切削力變化，因此研究刀軸矢量整體優(yōu)化方法具有重要意義近年來國內(nèi)外眾多學者對刀軸矢量優(yōu)化進行了大量研究，提出了多種算法：(1)同一切削行或同一區(qū)域固定刀軸，如基于區(qū)域劃分的方法[6]、基于分行定軸的方法[7]等雖然可以保證某一區(qū)域或一段軌跡間刀軸矢量的一致?性，但不適用于曲率變化劇烈的曲面(2)基于刀具可達性的方

6、法[89]，是目前應用最為廣泛的刀軸矢量優(yōu)化方法，可在滿足無干涉條件的同時考慮機床運動學約束、切削力等條件，但需要建立每個刀觸點的可行空間，計算復雜且耗費大量時間(3)符合機床剛度性能和運動學特性的方法[1012]，從機床角度出發(fā)，得到優(yōu)化的刀軸矢量，??投稿日期投稿日期：20130913通信作者通信作者：黃常標(1976)，男，主要從事數(shù)字化設計制造技術(shù)、計算機圖形學、逆向工程等研究Email：huangcb@huq.聯(lián)系電話：180

7、59232528基金項目基金項目：國家自然科學基金(51105150)；福建省自然科學基金(NO.2013J01190)；華僑大學中青年教師科研提升資助計劃(ZQNPY102)三角網(wǎng)格模型五軸加工刀軸矢量調(diào)整及優(yōu)化(2)以離散距離h、檢索范圍d為離散參數(shù)，沿刀軸方向確定離散點Pi，直到檢索范圍覆蓋整個刀桿，最后一個離散點的檢索范圍應超出刀桿長度刀桿的有限離散點個數(shù)為n=flo((L–r)h)，其中flo()函數(shù)為下取整函數(shù)(3)若離散點

8、Pn的檢索范圍未完全覆蓋刀桿末尾部分，即當r2(L–r–n?h)2d2時，需在Pn后再添加一個離散點，直到Pn滿足離散原則否則，刀桿離散完畢(4)鑒于刀柄具有較小的長寬比，不適合多次離散，以刀柄中心為離散點Pj，以D為檢索范圍其中22(()2)DRHL???1.3全局干涉快速檢測及避免全局干涉快速檢測及避免刀具離散后，以刀具的有限個離散點P0，…，Pn，Pj作為KD樹的檢索中心，對應的檢索范圍作為KD樹查詢范圍，搜索模型中可能發(fā)生干涉的

9、目標頂點，然后計算目標頂點到刀軸的距離，并判斷是否發(fā)生干涉，如果存在干涉則調(diào)整刀軸矢量以消除干涉(1)干涉誤判點的識別干涉頂點判別時，刀桿檢索中心對應的目標頂點需位于刀桿長度范圍內(nèi)，而刀柄檢索中心搜索到的目標頂點應在刀柄內(nèi)根據(jù)上述刀具離散方法，刀桿最終檢索中心和刀柄檢索中心會出現(xiàn)干涉誤判區(qū)域，如圖3(a)所示陰影區(qū)域，點pi為檢索中心Pn搜索到的目標頂點，該點到刀軸的距離小于刀具半徑r，是刀桿干涉頂點，但該點在刀柄內(nèi)，超出了刀桿長度范圍

10、，屬于刀桿干涉誤判頂點圖3(b)中，點pi、pj為檢索中心Pj搜索到的目標頂點，兩點到刀軸的距離均小于刀柄半徑R，但這兩點都不在刀柄內(nèi)，屬于刀柄干涉誤判頂點因此，針對Pn、Pj搜索到的目標頂點，應先判斷其是否符合當前檢索中心條件：對于刀桿檢索中心，其搜索到的目標頂點的z坐標值應滿足：z∈[0Lr]；由刀柄檢索中心搜索到的目標頂點的z坐標值應滿足：z∈[LrHr](2)刀軸矢量調(diào)整計算計算目標頂點P到刀軸的距離dT設刀軸單位矢量為T，則d