溢利銑削的製作方法

2023-06-08 20:52:26 3

溢利銑削的製作方法
【專利摘要】通過計算倒圓圓弧半徑(1610)以及使至少一個偏移平滑化(1630)用於工件的型腔區域的計算機輔助銑削的方法和設備，其中，該倒圓圓弧半徑(1610)基於刀具嚙合角度(TEA)的最大變化，其中，該平滑化基於所計算的倒圓弧半徑和/或先前用步距計算的倒圓圓弧半徑。
【專利說明】溢利錢削
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請要求2012年6月I日提交的第61/654，465號臨時專利申請的優先權和權益，該臨時專利申請的內容出於所有目的通過引用結合於此。

【技術領域】
[0003]本發明在其若干實施例中總體上涉及用於計算機輔助製造(CAM)的刀具路徑軌跡規劃，並且更具體地涉及使用工具機的型腔(pocket)式形狀的計算機輔助銑削。
[0004]背景
[0005]製造公司使用計算機輔助製造(CAM)軟體系統對用於生產如模具、衝模、刀具、原型、航空航天組件等分立零件的計算機數控(CNC)工具機進行編程。機加工形狀的多樣性是潛在無限的。通常根據方便的數學結構對形狀進行分類，經常涉及數學的分支領域(拓撲學)的使用。
[0006]概述
[0007]示例性方法實施例可以包括一種銑削工件的型腔區域的方法，該方法包括:計算一個倒圓圓弧半徑，其中，該倒圓圓弧半徑基於一個刀具嚙合角(TEA)的一個最大變化；以及使至少一個偏移平滑化，其中，該平滑化基於以下各項中的至少一項:所計算的倒圓圓弧半徑和先前用一個步距計算的一個倒圓圓弧半徑。在附加示例性方法實施例中，材料去除率(MRR)可以在銑削過程中不超過一個指定值，並且進給率變化和TEA變化可以在一個可接受的範圍內。在附加示例性方法實施例中，使至少一個偏移平滑化可以進一步包括計算一個第一平滑化階段，其中，該第一平滑化階段可以包括以下各項中的至少一項:斷開一個偏移並且用該刀具嚙合具有顯著變化所在的倒圓替換一個部分偏移。在附加示例性方法實施例中，使至少一個偏移平滑化可以進一步包括計算一個第二平滑化階段，其中，該第二平滑化階段包括以下各項中的至少一項:找出由至少兩個或更多個倒圓圓弧和這些倒圓圓弧之間的部分偏移形成的至少一個窄區；去除由至少兩個或更多個倒圓圓弧和這些倒圓圓弧之間的部分偏移形成的至少一個窄區；以及生成由至少兩個或更多個倒圓圓弧和這些倒圓圓弧之間的部分偏移形成的至少一個窄區。在附加示例性方法實施例中，可以生成餘擺線運動以替換這些部分偏移。在附加示例性方法實施例中，可以在該至少一個窄區中連接偏移和所生成的餘擺線運動，其中，該連接可以是按從該型腔區域的一個中心到該型腔區域的一個邊界的順序。在附加示例性方法實施例中，可以生成輔助運動，其中，這些輔助運動可以包括以下各項中的至少一項:進入運動和退出運動。
[0008]示例性設備實施例可以包括一種設備，該設備包括:一個規劃模塊，其中，該規劃模塊可以包括一個處理模塊；一個數字代碼生成器，其中，該數字代碼生成器可以被配置成用於接收來自該規劃模塊的指令；以及一個機加工刀具，其中，該機加工刀具可以被配置成用於接收來自該數字代碼生成器的指令。在附加示例性設備實施例中，該規劃模塊可以進一步包括至少一個資料庫，其中，該至少一個資料庫可以被配置成用於包含關於以下各項中的至少一項的信息:一個限定一個有待機加工的工件的一個型腔的特徵；至少一個技術選項；以及至少一個輔助運動。在附加示例性設備實施例中，該設備可以進一步包括一個用戶界面，其中，該用戶界面可以被配置成用於由一個用戶在該至少一個資料庫中選擇一個對象。
[0009]附加示例性設備實施例可以包括一種設備，該設備包括一個具有可尋址存儲器的處理模塊，其中，該處理模塊可以被配置成用於:選擇一個有待機加工的工件的一個型腔特徵；創建至少一個輪廓線平行偏移，其中，該至少一個輪廓線平行偏移可以是從以下各項中的至少一項創建的:該型腔特徵的至少一個邊界和基於一個沃羅諾伊圖(VD)的一個偏移；計算一個優選平滑半徑(PSR)，其中，該PSR是優選平滑圓弧(PSA)的半徑；標識在該至少一個輪廓線平行偏移中的任何窄區；用一個倒圓圓弧替換所標識的窄區；確定是否可以使這些偏移中的任一個平滑化，其中，如果沒有偏移能夠被平滑化，該處理模塊結束一個過程，而如果可以使至少一個偏移平滑化，則繼續該過程；以及將每個偏移與至少一個連結運動連接。在附加示例性設備實施例中，該處理模塊可以被進一步配置成用於:接收一個用戶的至少一個技術選項的一個輸入。在附加示例性設備實施例中，可以通過將這些偏移中的任一個與該PSA比較來確定這些偏移中的任一個是否足夠大，從而確定是否可以使這些偏移中的任一個平滑化。在附加示例性設備實施例中，該處理模塊可以被進一步配置成用於:將任何標識的窄區存儲在一個倒圓圓弧和窄區地圖中。在附加示例性設備實施例中，該處理模塊可以被進一步配置成用於創建一個餘擺線運動，其中，所創建的餘擺線運動可以在所存儲的標識窄區中。在附加示例性設備實施例中，所連接的每個偏移可以從一個進入運動開始並且可以連接每個鄰近偏移直到所有偏移被遍歷。在附加示例性設備實施例中，該處理模塊可以被進一步配置成用於生成一個數字代碼。在附加示例性設備實施例中，該處理模塊可以被進一步配置成用於生成輔助運動。在附加示例性設備實施例中，所生成的輔助運動可以是以下各項中的至少一項:進入運動和退出運動。
[0010]附圖簡要說明
[0011]在附圖中通過舉例而非限制對實施例進行了展示，並且在附圖中:
[0012]圖1描繪了三種型腔的透視圖；
[0013]圖2描繪了一個閉合型腔、一個部分開放的型腔及其對應的偏移；
[0014]圖3描繪了一個開放的型腔及其對應的偏移；
[0015]圖4描繪了一個輪廓線輪廓的輪廓線平行偏移；
[0016]圖5用刀具嚙合變化的區描繪了刀具路徑；
[0017]圖6在功能框圖中描繪了一個計算機輔助製造系統；
[0018]圖7在高級流程圖中描繪了型腔機加工的示例性方法；
[0019]圖8描繪了優選平滑圓弧的半徑；
[0020]圖9描繪了兩個偏移及其導向輪廓；
[0021]圖10描繪了兩個平滑後的偏移；
[0022]圖11描繪了通過兩個階段平滑後的偏移的細節；
[0023]圖12展示了通過使圖5中的初始偏移平滑而生成的平滑後的偏移；
[0024]圖13展示了通過使圖5中的初始偏移平滑而生成的有效窄區；
[0025]圖14在高級流程圖中描繪了示例性平滑偏移過程；
[0026]圖15A-C在高級流程圖中描繪了連接偏移的示例性程序；
[0027]圖16描繪了示例性偏移連接；
[0028]圖17描繪了橋形餘擺線區中的示例性餘擺線運動；
[0029]圖18描繪了一條用於連接相鄰偏移的示例性連結曲線；
[0030]圖19描繪了示例性向外螺旋刀具運動和餘擺線運動；
[0031]圖20描繪了餘擺線運動；
[0032]圖21描繪了基於橢圓弧的餘擺線運動；以及
[0033]圖22描繪了曲折(zig-zag)式餘擺線運動。
[0034]詳細說明
[0035]圖1描繪了三種型腔的透視圖:閉合型腔100、部分開放的型腔102以及完全開放的型腔104。「型腔」形狀是通過指定平面的、幾何上閉合的並且非自相交的輪廓集合定義的簡單幾何概念。在輪廓集合中的最大輪廓被稱為型腔外邊界106，並且可以包含更小的附加輪廓。這些較小輪廓可以位於型腔外邊界106內，並且被稱為島邊界108或型腔的島。型腔外邊界106和任何島邊界108限定的整個區域包含可能需要去除的材料。外邊界106可以包括一個或多個閉合邊緣110和/或開放邊緣112。這些型腔形狀廣泛存在於各種零件、衝模和模具中。
[0036]輪廓線平行方法是一種用於生成用於型腔銑削的刀具路徑的算法。例如，用於在CAM系統中創建型腔刀具路徑的示例性程序會涉及若干步驟。第一，該程序可以選擇限定該區域有待機加工的區的外邊界和任何內島的幾何上閉合的輪廓集合、型腔特徵或三維(3D)特徵。第二，該程序可以描述切削刀具將如何通過選擇進入和退出模式以及相關的技術參數或幾何元素移入和移出材料。第三，該程序可以描述切削刀具將如何通過指定技術參數集移入型腔內，這些參數可以包括切削刀具的尺寸和類型；進給率；主軸轉速；深度，即，刀具軸向方向上的切削長度；步距，即，刀具徑向方向上的切削長度；和/或刀具嚙合角。
[0037]設置了全部幾何形狀和技術參數後，可以通過考慮切削刀具的形狀、型腔的幾何形狀和機械加工留量(即，可以由後續機加工操作去除的額外材料)計算刀具路徑的第一偏移。如果型腔的幾何形狀是3D特徵，則該第一偏移可以不是與該幾何形狀的簡單直接偏移，因為從此「偏移」到該幾何形狀的距離在此偏移的各個點處可以是不同的。該第一偏移通常限定該刀具可以在零件內自由移動而不鑿該零件的區。與該第一或先前的偏移的連續恆定偏移可以通過應用步距或從步距導出的某個值進行計算。向內或向外的偏移方向可以取決於所使用的算法。
[0038]有兩種計算偏移的方法。第一方法是直接從邊界幾何形狀輪廓計算偏移、找出幾何形狀元素之間的相交點、修整相交點處的元素、並且然後通過幾何形狀和/或拓撲關係連接每個元素。第二方法使用基於沃羅諾伊圖的方法創建圓形偏移。在本方法中，可以首先計算所有輪廓的中軸變換。這些中軸可以僅是找出元素之間的相交點並對元素進行修整的階段。基於中軸變換，可以容易地找出型腔的最大內切圓，這給予了向內或向外偏移方向的選擇。當偏移在它們自身上坍縮時(例如，閉合型腔的向內偏移)或滿足某些臨界條件時(例如，偏移落在機加工區之外時)，偏移結束。
[0039]圖2描繪了不同型腔及其對應的偏移。閉合型腔200包括所有邊上的外邊界106(見圖1，100)。部分開放的型腔202包括三條邊上的外邊界以及開放的第四條邊(見圖1，102)。閉合型腔200的偏移204和部分開放的型腔202的偏移206示出了切削刀具的路徑。
[0040]圖3描繪了開放的型腔300及其對應的偏移302。以上步驟中生成的偏移限定了刀具路徑。切削刀具的中心將沿著該刀具路徑去除型腔內的材料。刀具從距離閉合邊界或該邊界的閉合邊緣最遠的偏移開始，接著是最近的相鄰偏移，並且之後由接著是下一個最近的相鄰偏移，直到所有偏移都已被遍歷。兩個相鄰偏移之間需要連接運動，其可以是一組切削運動或非切削運動，如圖5中所示。
[0041]圖4描繪了輪廓線輪廓402的輪廓線平行偏移400。針對輪廓線輪廓的刀具路徑還使用輪廓線平行方法來計算偏移。輪廓線輪廓是限定機加工邊界的邊界，其可以是幾何上開放的或閉合的。當要去除的材料量在該輪廓的一條機加工邊上是恆定的時，通過僅選擇輪廓線輪廓來生成刀具路徑會是更簡單的，如圖4所示。
[0042]輪廓線平行法集中在刀具路徑的生成上，其可以在幾何上去除需要的量。其沒有考慮影響切削力的因素。其結果是，它可能不可避免地引起切削刀具和材料之間的接觸區的變化，即，刀具嚙合，取決於刀具路徑幾何形狀。如果刀具路徑整體具有恆定的進給率，這會引起機加工過程中切削力變化、刀具震顫和/或震動。切削力變化還會引起刀具偏轉變化，這可以顯示為機加工零件上的尺寸和表面錯誤。
[0043]圖5用刀具嚙合變化的區描繪了刀具路徑。當在沿著刀具路徑的點處曲率變化或切削方向變化時，可能會發生刀具嚙合變化。輪廓線平行偏移刀具路徑的典型刀具嚙合變化發生在五個區中。第一區在刀具落進材料內所在進入區501內。進入區域501通常可以位於閉合型腔的最裡面的點處(見圖1，100)或開放型腔的開放邊緣的非材料邊上(見圖1，102)。刀具嚙合變化的第二區在中心區502和503中。中心區502環繞進入區501或局部子區域的中心503。刀具嚙合變化的第三區在銳角區504中。銳角區504是如果從機加工區的側視圖觀看時連接的相鄰元素形成凹區所在的區。刀具嚙合變化的第四區在圓弧區506和508中。圓弧區506和508是刀具沿著或者凹圓弧506或者凸圓弧508移動的區。刀具嚙合變化的第五區在偏移連接區510中。偏移連接區域510是連接兩個相鄰偏移的區。
[0044]刀具上的切削力可以由材料特性、刀具幾何形狀、主軸轉速和材料去除率(MRR)確定。沿著刀具路徑的一個點處的MRR可以被定義為:
[0045]MRR= dsf 其中:(I)
[0046]d =長度(刀具軸向方向上的長度);
[0047]s =實際步距(刀具徑向方向上的長度)；以及
[0048]f =進給率。
[0049]在切削過程中，材料特性、刀具幾何形狀和主軸轉速保持相同。因此，MRR可能是影響切削力的唯一可變因素。
[0050]在MRR的以上定義的深度在2D型腔刀具路徑中保持恆定。因此，當實際步距變化時，可以通過調節進給率來保持恆定的MRR。然而，如果進給率的變化足夠大超過機器極限，則工具機的運動學特徵可以限制其在短時間段內是否可以將進給率增加或減少到指定值。因此，通過僅調節進給率來保持實際MRR不超過指定值是不實際的。為了限制進給率變化，可能需要控制實際步距變化。因為實際步距是由TEA確定的，所以控制實際步距的變化與控制在刀具嚙合角(TEA)的變化是完全相同的。
[0051]本發明的一個實施例包括一種在工件的型腔區域中生成銑削刀具路徑的算法:a)將刀具路徑的每個點處(即，切削過程中工具的中心可能遍歷的地方)的實際MRR保持接近於但不超過參考MRR，假設刀具沿著直線以指定步距移動；以及b)保持進給率和TEA變化在可接受的範圍內。
[0052]基於常規輪廓線平行偏移，本算法基於TEA的最大變化計算倒圓圓弧半徑，然後分別使用此倒圓圓弧半徑或先前的內倒圓圓弧半徑加上步距在兩個階段中使所有偏移平滑化。第一平滑化階段斷開偏移並且用刀具嚙合具有顯著變化的所在的倒圓替換部分偏移。第二平滑化階段找出並去除或生成由至少兩個或更多個倒圓圓弧以及這些倒圓圓弧之間的部分偏移形成的窄區。在所保持的每個窄區中，生成餘擺線運動以替換部分偏移。窄區中的偏移及其餘擺線運動按從型腔中心到邊界的順序連接以形成刀具路徑。然後，進入和退出運動可以附接到刀具路徑的開始和刀具路徑的結尾以完成刀具運動。
[0053]本發明在其若干實施例中包括計算機輔助製造系統600，如圖6的功能框圖中所示。系統600可以包括機加工裝置630和設備602。該設備可以包括規劃模塊610和數字代碼生成器620。規劃模塊610可以包括處理模塊。數字代碼生成器620可以是單獨的處理模塊或其可以被實施為由規劃模塊610的處理模塊執行的計算機執行指令。數控機器可以由其處理單元接收的命令自動地操作。機加工裝置630可以進一步包括機加工刀具或切削刀具，並且可以根據數字代碼生成器620提供的指令相對於工件重定向這種機加工刀具或切削刀具。數字代碼生成器可以響應於規劃模塊610的輸出。
[0054]規劃模塊610可以訪問一個或多個資料庫640。這些資料庫640可以包括通道特徵641、技術選項643和輔助運動644的基於計算機的模型。通道特徵641可以包括對有待機加工的工件的型腔進行限定的模型，其中，這些特徵可以是具有如開放邊緣、閉合邊緣和錐角等屬性的輪廓集合。技術選項643可以包括對機加工裝置630的切削路徑和工件之間的相對位置進行表達的模型和機加工策略。輔助運動644可以包括模型，這些模型包括用於接近工件的指令、用於離開工件的指令和用於連接機加工子區的運動的指令。通過用戶界面650，系統600的用戶可以通過規劃模塊610從資料庫640為應用選擇文件或對象以生成用於機加工裝置630的數字代碼621，例如，G-代碼。然後，機加工裝置630可以接收數字代碼621並且執行編碼指令以驅動工具機。
[0055]本發明在其若干實施例中包括一種示例性型腔機加工方法，其中，溢利銑削(Profit Milling)機加工周期可以包括規劃或編程過程，該過程包括七個步驟，如圖7中的高級流程圖所示，其接下來可以是CNC編碼。溢利銑削的第一示例性規劃步驟可以包括選擇有待機加工的工件的型腔特徵並且輸入技術(步驟710)。第二步驟可以包括通過直接製作與型腔的邊界的偏移或製作沃羅諾伊圖(VD)並且然後基於該VD製作偏移來創建輪廓線平行偏移(步驟720)。第三步驟可以包括計算優選平滑半徑(PSR)，如圖8中所示，其是優選平滑圓弧(PSA)的半徑(步驟730)。PSR是用於圓化(round)所有偏移的最小的倒圓圓弧半徑。PSA用於替換偏移的窄區中的部分偏移。保證相鄰外偏移中的PSA外同心圓弧的TEA在PSR指定的範圍內。第四步驟可以包括走過每個偏移以標識窄區並且使用倒圓圓弧替換偏移上的窄區(步驟740)。然後，此窄區可以存儲在倒圓圓弧和窄區地圖中用以便後續創建餘擺線運動。第五步驟可以包括通過比較偏移與PSA，如果偏移中沒有一個足夠大，則終止該過程(步驟750)。如果可以使這些偏移中的任一個偏移平滑化，則繼續該過程。第六步驟可以包括將最遠偏移的每個元素與相鄰偏移之間的連結運動連接，接著是相鄰的外偏移，直到遍歷了所有偏移(步驟760)。可以在每個窄區中創建餘擺線運動，並且在倒圓圓弧之後插入餘擺線運動。第七步驟可以包括生成進入運動和退出運動(步驟770)。此後，該方法可以包括生成CNC代碼(例如G-代碼)的步驟(步驟780)。
[0056]第一示例性實施例
[0057]完整刀具路徑中的第一組運動是進入運動，其目的是將刀具移動到機加工水平。針對刀具必須從上部進入材料的所有邊緣閉合的型腔，使用進入策略中的一種，例如，在預先鑽出的孔進入，沿著螺旋坡道下降或曲折坡道下降並且進入進給率更慢，刀具可以平滑地移入材料中。進入運動的「坡道下降」策略的移動範圍通常由機加工平面上的長度或圓弧半徑和機加工軸方向上的深度限制。還指定坡道角度以確定曲線下移的梯度。此外，螺旋曲線的定向可以由用於螺線下降模式的指定的爬升/常規切削策略確定。針對刀具可以從側面進入的部分或全部邊緣開放的型腔，刀具可以迅速地下衝到在開放邊緣中的一個邊緣的非材料邊上的機加工水平，接著是使刀具與在機加工水平上的材料接觸的引入運動。通過使用「坡道下降」和「進給率減速」策略，進入運動以可接受的刀具負載將刀具引入機加工水平上的材料中。
[0058]下一個刀具運動在有待機加工的零件的中心區中。在某些實施例中，在為常規輪廓線平行偏移刀具路徑去除某些材料之前，刀具在刀具路徑的開始部分與材料完全嚙合。本示例性實施例重新創建了新中心區和在該新中心區內的不同刀具運動。在本示例性實施例中，該新中心區環繞常規中心區，該常規中心區由閉合平滑輪廓形成。此新中心區內的刀具運動的TEA保持在允許範圍內。該新中心區的尺寸可以由從步距和刀具半徑計算的PSR確定。可以通過使用PSR使輪廓線平行偏移平滑化從而生成該新中心區，這在第二示例性實施例中進行了詳細描述。以下描述了用於計算PSR的方法。
[0059]在某些實施例中，當刀具在外偏移中沿著直線移動時，相鄰內偏移中的相應運動也是直線。在這種情況下，步距和TEA之間的關係可以表示為:
[0060]s = r(l_cos(a ))或⑵
[0061]a = cos-1 (1-s/r)其中:(3)
[0062]s =相鄰偏移之間的步距或偏移距離；
[0063]r=刀具半徑；以及
[0064]a =在直線上一點處的嚙合角。
[0065]表達式(3)表示一種當刀具沿著一對直線移動時從步距和刀具半徑計算刀具嚙合角的方式。在這種情況下計算的刀具嚙合角確立了刀具嚙合角的基礎(β)。用於生成偏移的步距對於所有常規輪廓線平行偏移而言始終是恆定的，並且當刀具在五種區中移動時，瞬時刀具切削寬度或刀具嚙合角與β不同。瞬時刀具切削寬度或刀具嚙合角可以從刀具形狀、瞬時刀具位置和材料邊界計算。當刀具在先前內偏移上移動時，刀具去除材料並形成沿著外偏移的新材料邊界。
[0066]通過在先前內偏移處限制最大曲率，可以限制沿著外偏移的最大TEA。PSR對應於最大曲率，其可以表示為:
[0067]R= (ks-s2) / (2 (s~r) -k)其中:(4)
[0068]R = PSR ；
[0069]s =相鄰偏移之間的步距或偏移距離；
[0070] r =刀具半徑；
[0071 ] k = 2r*cos (J1- β )；
[0072]β = α + δ，最大刀具嚙合角；
[0073]α = β或基礎刀具嚙合角；以及
[0074]δ =刀具嚙合角的最大變化。
[0075]圖8展示了表達式(4)是如何推導的。優選平滑圓弧(PSA) 802是先前內偏移中的生成材料邊界804的刀具運動。圓弧806在相鄰外偏移中，其是PSA 802的同心圓弧，並且半徑差異是兩個相鄰偏移之間的步距。刀具外形808是在機加工平面上的刀具投影。
[0076]當平滑化輪廓線平行偏移時，如果某些內偏移與PSR相比太小，可以去除這些內偏移。通過使這些偏移平滑生成的第一組最裡面的偏移形成新的中心區。平行於中心區的邊界的相鄰外偏移的TEA會受到限制。用中心區內的餘擺線運動替換中心區內的偏移以避免當刀具沿著這些內偏移移動時的大TEA。在此計算的PSR是用於在第二實施例中標識輪廓線平行偏移中的窄區。
[0077]第二示例性實施例
[0078]本示例性實施例描述了一種用於找出和處理由輪廓線平行偏移法生成的偏移中的窄區的算法，以便避免偏移的每個點處的TEA具有顯著變化。該算法每次使一組偏移平滑，其中，每個偏移到型腔的邊界具有相同的偏移距離。該平滑化從距離型腔邊界最遠的那組偏移開始，直到遍歷了所有偏移。兩個平滑化階段應用於每組偏移。
[0079]階段I通過將PSR用作倒圓半徑使該組偏移平滑化，與第一實施例中的PSR計算方式相同，並且使用PSR使偏移平滑化可以在當刀具沿著偏移移動時將後續平滑後的偏移的TEA限制到可接受的範圍。此處的平滑化是「全局」平滑化，其是指生成基於整個偏移組而不是單個偏移的銳角生成倒圓圓弧。為此目的，該組中的所有偏移中的向內偏移是通過將PSR用作偏移距離而生成的，其被用作導向輪廓俯視該組中的偏移的窄區。通過可替代地在該組中的導向輪廓和偏移上行走，將找出該組中的偏移中的窄區並且用PSA替換。在本平滑化階段，只有當使最外面的偏移平滑化時找出的窄區保存在倒圓圓弧和窄區地圖中用於以非常低的進給率去除型腔的任何銳角。由於這些偏移的窄區被倒圓圓弧替換，它們被平滑化了。窄區位於或者單個偏移的拐角中或者在兩個或更多個偏移之間的連接區中。
[0080]圖9描繪了兩個偏移902和903及其導向輪廓905和906。第一偏移902和第二偏移903兩者到型腔的邊界具有相同的偏移距離。導向輪廓905、906是偏移902、903的偏移輪廓，其中，PSR是偏移距離。點908和其他點用於斷開偏移，以便在導向輪廓和偏移中找出一對一匹配對元素。導向輪廓905上的元素910被選擇作為開始元素來使偏移902、903平滑化。偏移903上的元素911將被保持，因為它與導向輪廓905中的元素910匹配。當走向銳角914時，將生成PSA912和窄區913。當走向銳角917時，創建另一個PSA915和窄區916。重複該過程直到遍歷了導向輪廓上的所有元素。
[0081]圖10中展示了平滑後的偏移1000和窄區1002。可以得出結論:如果可能沒有生成導向輪廓，則環繞這組偏移的區太小，即，當刀具沿著這些偏移移動時，TEA不能滿足指定值。可以去除本組偏移，並且本區中留下的材料可以被更靠近型腔邊界的更大的外偏移處理。如果沒有平滑後的偏移可以生成，甚至針對最接近型腔邊界的那組偏移，會產生可能太小的型腔。在這種情況下，為了生成用於銑削此型腔的刀具路徑，或者需要改變機加工技術或者需要使用不同的刀具路徑圖樣。在該第一平滑化階段，最小平滑半徑(MSR)用於使最接近型腔的邊界的那組偏移平滑化。MSR是小於PSR的值並且由NC編程器指定。目的是允許在最接近型腔的邊界的偏移中生成更小的窄區並且允許通過餘擺線運動去除更多的材料。
[0082]通過將經由兩個階段平滑後的那組相鄰內偏移當做導向輪廓並且使用導向輪廓中的每個凸圓弧的半徑加上步距作為倒圓半徑，階段II使已經在第一階段平滑化的偏移平滑化。在兩個平滑化階段中生成的兩個或更多個倒圓圓弧以及這兩個或更多個倒圓圓弧之間的部分偏移形成窄區，如果該區是有效的，則其將保存在倒圓圓弧和窄區地圖中。如果某些部分偏移的窄區有效，其保留在偏移中，當連接刀具路徑時，將用窄區內生成的餘擺線運動替換這些部分偏移。這些有效窄區被稱為餘擺線區。如果另一部分偏移的窄區無效，則用第二階段倒圓圓弧替換該部分偏移。
[0083]有兩個條件確定窄區是否有效:a)窄區的第_■倒圓圓弧的具有兩個端點的底部線段的長度足夠大；以及b)窄區的「纖細(slim) 」比足夠小。「纖細」比被定義為窄區的高度除以底部線段的長度。窄區的高度可以是在窄區的部分偏移上的最遠的點至底部區段之間的距離。通過去除這些無效窄區可以避免針對餘擺線弧的長回拉空氣運動，並且因此節省機加工時間。
[0084]該第二平滑化階段有兩個目的:a)通過用更大的倒圓圓弧替換在該第一平滑化階段生成的倒圓圓弧提高該第一階段產生的平滑度；以及b)通過推遲創建窄區使窄區更大，直到下一組偏移。更大的窄區可以潛在地減少窄區內的餘擺線運動，因為它具有更多的空間來調節餘擺線弧之間的步距以使其更接近最大允許值。該第二平滑化階段可能由於距型腔邊界最遠的第一組平滑後的偏移而沒有完成，因為沒有可用的導向輪廓。
[0085]圖11描繪了平滑偏移的細節。偏移1101是通過兩個階段平滑後的偏移，其在相鄰內偏移中。偏移1102是通過兩個階段平滑後的外偏移。窄區1103保存在地圖中，而其他窄區(如窄區1104)被丟棄。窄區1103的底部線段是1105，並且窄區1103的高度是1106。圖5中的在圖11中的平滑後的偏移1101內的兩個偏移520、521從這些偏移中被去除。
[0086]圖12展示了通過使圖5中的初始偏移平滑而生成的平滑後的偏移。具有圖12中所示的四組開放偏移1201、1202、1203、1204。具有圖12中所示的有四組閉合偏移1205、1206、1207、1208。
[0087]圖13展示了通過使圖5中的初始偏移平滑而生成的有效窄區，S卩，餘擺線區。如圖12和圖13中所示，組1203、1205、1206通過餘擺線區1301連接。此外，組或子型腔1205、1206通過餘擺線區1302連接。
[0088]圖14在高級流程圖中展示了示例性平滑偏移程序1400。在該程序的第一部分，選擇距離型腔的邊界最遠的一組偏移(步驟1402)。第二，設置平滑半徑，其中，該組包含使用MSR、或以其他方式使用PSR的距離型腔邊界最近的偏移(步驟1404)。第三，通過將當前組偏移中的具有指定半徑的向內偏移當作偏移距離來使當前組偏移平滑化，作為導向輪廓(步驟1406)。第四，該程序檢查是否製成平滑後的偏移(步驟1408)。如果製成了平滑後的偏移，則通過將一組相鄰內平滑偏移當作導向輪廓，使該組平滑後的偏移平滑化，並且窄區被存儲並從堆疊的偏移中去除(步驟1410)。如果沒有製成平滑後的偏移，選擇下一組在型腔的邊界附近的偏移(步驟1412)。然後，該程序進行檢查，看是否還有更多的偏移(步驟1414)。如果沒有更多的偏移，則退出(步驟1416)。如果有更多的偏移，則在第二步驟再次開始(步驟1404)。
[0089]第三示例性實施例
[0090]本示例性實施例描述了如何連接平滑後的偏移及其附接餘擺線區內的餘擺線運動以生成型腔的完整刀具路徑。在連接之前，平滑後的偏移將通過使用偏移的屬性被分組和分類，如偏移的相鄰關係，包含兩個相鄰閉合偏移、和/或開放或閉合偏移之間的關係。開放和閉合偏移可以單獨分組。針對僅包含開放偏移的每個開放組的分組從距離型腔邊界最遠的未分組的偏移開始，如果其滿足:a)它們之間的最小距離等於步距；並且b)此相鄰的近偏移的所有相鄰的遠偏移被現有組包含，則接著是其相鄰的近偏移。繼續該過程，直到相鄰的近偏移不可用。對開放組進行分類可以基於該組中的第一偏移至型腔邊界的距離。距離型腔邊界的距離更大的組可以放在列表的前面並且可以提早連接。使用樹結構管理在型腔或子型腔中的閉合偏移之間的連接順序。該樹的每個節點是一組閉合偏移，其中，每連續的兩個閉合偏移相鄰，並且外閉合偏移僅包含一個相鄰內閉合偏移。該組中的最外面的閉合偏移放在該組的開始處。該樹的根節點包含最靠近型腔邊界的一組閉合偏移，並且該樹的更高的節點包含遠偏移組。樹中的第一/最外面的偏移可以或可以不與另一個子型腔的開放偏移或最外面的偏移相鄰。按分組順序存儲所有子型腔。如圖12中所示，有四組開放偏移 1201、1202、1203、1204 以及四組閉合偏移 1205、1206、1207、1208。
[0091]圖15A至圖15C在高級流程圖中描繪了用於連接偏移的示例性程序。偏移連接從第一開放組中的第一開放偏移(如果其是可用的話)開始(步驟1502)。如果第一開放組不可用，例如，沒有指定進入點或進入點位於內部子型腔中，則該程序可以從或者第一型腔的第一內子型腔或者子型腔中的最裡面的閉合偏移開始(步驟1516)。如果沒有未連接的子型腔，則結束該程序(步驟1517)。如果有未連接的子型腔，則該程序在子型腔的最裡面的偏移中創建並且連接向外螺旋和餘擺線運動(步驟1546)。如果第一開放組可用的，則該程序到達該組中的第一偏移(步驟1504)。如果那組中沒有第一偏移，則該程序到達下一個開放組(步驟1518)。如果該組中有第一偏移，則該程序在兩個偏移之間創建一個或多個連接移動(步驟1506)。在開始連接之前，該偏移有待與其所有相鄰內偏移按照分別對於線段或圓弧平行或同心的關係同步(步驟1508)。然後，該程序到達該偏移的開始元素(步驟1510)。如果沒有開始元素，則該程序到達該組中的下一個偏移(步驟1519)。通過同步，可以標識當前偏移上的元素是否在相鄰內偏移上具有匹配的元素。具有不匹配元素的區是餘擺線區，這些區是在第二實施例中生成的並且可以根據內偏移上的相應倒圓圓弧進行提取。生成餘擺線區內的餘擺線運動以替換本偏移上的所有不匹配元素(步驟1530)。如果元素匹配，則連接這些元素(步驟1520)並且然後該程序到達下一個元素(步驟1522)。
[0092]如果該餘擺線區不是橋形餘擺線區(見圖17)，則該程序到達下一個元素(步驟1522)。如果該餘擺線區是橋形擺線區域，則該程序到達連接到橋形擺線區上的全部未連接的子型腔(步驟1532)。如果沒有未連接的子型腔，則該程序到達下一個元素(步驟1522)。如果有未連接的子型腔，則該橋對子型腔進行分類獲得連接順序(步驟1534)。然後，該程序到達子型腔(步驟1536)。如果沒有子型腔，則該程序到達下一個元素(步驟1522)。如果有子型腔，則該過程通過去除對應於子型腔的最外面的偏移上的所觸及的PSA或MSA的所有倒圓圓弧來得到所有銳角頂點(步驟1540)。去除子型腔的內偏移中的所有倒圓圓弧，這些圓弧對應於橋形區的PSA或MSA，或者去除子型腔的匹配的最外面的偏移。因此，恢復銳角頂點。該程序創建了連結曲線，該曲線從PSA圓弧的中間點開始並且經過所有頂點到達子型腔的最裡面的偏移的中心(步驟1542)。製作從最外面的偏移上的PSA或MSA的中間點開始並且以外頂點到內頂點、並且然後到最裡面的偏移的中心的順序經過所有這些頂點的連結曲線。通過將PSR或MSR用作餘擺線弧的半徑，該過程創建餘擺線運動並沿著連結曲線將其連接(步驟1544)。生成以PSR或MSR為半徑、沿著此連結曲線的餘擺線運動並且將其連接到橋形餘擺線運動。該程序在子型腔的最裡面的偏移中創建並且連接向外螺旋和餘擺線移動(步驟1546)。此子型腔的偏移以從最裡面到最外面的偏移的順序連接。先前製作的連結曲線用於連接兩個相鄰偏移，如圖18中所示。然後，該程序繼續進行到達下一個開放組(步驟1518)。
[0093]圖16中展示了兩個同步的相鄰偏移、連接元素並且找出餘擺線區。假設連接了平滑後的外偏移1631，點1602是偏移1631上的起點，並且刀具以逆時針方向移動，從而元素1604是有待連接的第一運動。以逆時針方向在偏移1631上的從1604至1607的元素按順序直接連接，這些元素在平滑後的相鄰內偏移1630上具有匹配的元素。偏移1631上的元素1608在偏移1630中沒有匹配的元素。相應的倒圓圓弧1610可以從其先前的在偏移1631上的元素1607至偏移1630上的匹配元素1609、並且然後至偏移1630上的元素1610中找至IJ。通過在第二實施例中生成的倒圓圓弧和餘擺線區地圖中搜索倒圓圓弧1610來提取餘擺線區1615。在餘擺線區1615中生成的餘擺線運動1650將按順序並且以逆時針方向替換從1608至1613的元素。
[0094]由部分偏移和多個倒圓圓弧生成的某些餘擺線區與多組開放偏移或子型腔連接。這種餘擺線區被稱為橋形餘擺線區1704並且被用作通過餘擺線運動將刀具從一組偏移中的最外面的偏移引導至另一組偏移中的最外面的偏移的橋。刀具將通常不從橋形餘擺線區移入開放組，因為從其開放端進入一組開放偏移更好。通過使用平滑後的偏移中的哪個倒圓圓弧提取餘擺線區來確定餘擺線運動1702在橋形餘擺線區1704中的開始位置1700。如圖17所示，當底部餘擺線圓弧觸及到子型腔的最外面的偏移上的PSA或MSA1706之一時，餘擺線運動停止。
[0095]當橋形餘擺線區1704連接至多組偏移時，連接每組偏移的順序由沿著橋形餘擺線區1704的邊界從橋形餘擺線區1704的開始端至所觸及的PSA或MSA 1706的中間點的長度確定。提早連接到餘擺線的開始端長度較短的偏移組。
[0096]圖18描繪了用於連接相鄰偏移的示例性連結曲線1800、或連接曲線(見圖17)。連接曲線1800具有拐角頂點1802。橋形餘擺線區1704可以用作通過餘擺線運動將刀具從一組偏移中的最外面的偏移引導至另一組偏移中的最外面的偏移的橋。當底部餘擺線弧1804觸及到子型腔的最外面偏移上的PSA或MSA 1706之一時，餘擺線運動停止。
[0097]將在型腔或子型腔的內偏移中生成向外螺旋的刀具運動1900，直到達到偏移，接著是在向外螺旋運動和最裡面的偏移之間生成餘擺線運動1902(步驟1546)，如圖19中所
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[0098]在連接附接餘擺線區中的所有偏移和餘擺線運動是遞歸程序。通過重複使用上述不同方法，自然地遍歷類型的運動。
[0099]圖20描繪了沿著示例性實施例的優弧的螺旋移動。在一個實施例中，如果餘擺線弧的弦是開放邊緣，則可能需要更多的運動在橋區的開始端去除第一餘擺線弧內的材料。如果該第一餘擺線弧是劣弧，則常規同心向外螺旋運動2000足夠好。否則，也在圖20中的左圖中描繪的常規同心向外螺旋運動2000在沒有在材料內開槽的情況下難以將刀具從拱形的開放邊引導進內部圓運動中。本實施例中的方法通過減少在圓弧的弦上的卸責率生成一簇非同心圓弧2002使得每個圓弧從開放弦開始以避免刀具開槽。
[0100]計算基於圓弧的餘擺線運動會是容易的。然而，通過與基於橢圓弧的餘擺線運動比較，在相同的最大刀具嚙合下總是需要更多的「循環」來去除相同的材料量，因為在發生最大TEA的點處，相同的橢圓弧寬度比圓弧具有更小的曲率。針對相同的TEA，小曲率允許更大的步距，如圖21中所示。基於橢圓弧2100的餘擺線運動在某些情況下用於縮短刀具路徑。當工具機沒有採用橢圓弧時，用三個圓弧替換橢圓弧。橢圓弧2100包括一個或多個循環運動2102。
[0101]在一個實施例中，餘擺線運動可以是循環集合。在每次循環中，刀具進入、切削並離開材料，接著是不切削任何材料的回拉移動。這些回拉移動浪費了相當多的時間。圖22描繪了交替餘擺線運動2200並且展示了允許切削條件和支持曲折式餘擺線運動的情境。
[0102]考慮的是可以對上述實施例的特定特徵和方面作出各種組合和/或子組合，但仍然落入本發明的範圍內。相應地，應當認識到這些披露的實施例的各種特徵和方面可以相互結合或彼此替換以便形成本披露發明的各種模式。進一步地，旨在於此通過舉例披露的本發明的範圍不應由上述特定披露實施例所限制。
【權利要求】
1.一種銑削工件的型腔區域的方法，該方法包括: 計算一個倒圓圓弧半徑，其中，該倒圓圓弧半徑基於一個刀具嚙合角(TEA)的一個最大變化；以及 使至少一個偏移平滑化，其中，該平滑化基於以下各項中的至少一項:所計算的倒圓圓弧半徑和先前用一個步距計算的一個倒圓圓弧半徑。
2.如權利要求1所述的方法，其中，材料去除率(MRR)在銑削過程中不超過一個指定值，並且進給率變化和TEA變化在一個可接受的範圍內。
3.如權利要求1所述的方法，其中，使至少一個偏移平滑化進一步包括: 計算一個第一平滑化階段，其中，該第一平滑化階段包括以下各項中的至少一項:斷開一個偏移並且用該刀具嚙合具有顯著變化所在的倒圓替換一個部分偏移。
4.如權利要求3所述的方法，其中，使至少一個偏移平滑化進一步包括: 計算一個第二平滑化階段，其中，該第二平滑化階段包括以下各項中的至少一項:找出由至少兩個或更多個倒圓圓弧和這些倒圓圓弧之間的部分偏移形成的至少一個窄區；去除由至少兩個或更多個倒圓圓弧和這些倒圓圓弧之間的部分偏移形成的至少一個窄區；以及生成由至少兩個或更多個倒圓圓弧和這些倒圓圓弧之間的部分偏移形成的至少一個窄區。
5.如權利要求4所述的方法，進一步包括: 生成餘擺線運動以替換這些部分偏移。
6.如權利要求5所述的方法，進一步包括: 在該至少一個窄區中連接偏移和所生成的餘擺線運動，其中，該連接是按從該型腔區域的一個中心到該型腔區域的一個邊界的順序。
7.如權利要求5所述的方法，進一步包括: 生成輔助運動，其中，該輔助運動包括以下各項中的至少一項:進入運動和退出運動。
8.—種設備,包括: 一個規劃模塊，其中，該規劃模塊包括一個處理模塊； 一個數字代碼生成器，其中，該數字代碼生成器被配置成用於接收來自該規劃模塊的指令；以及 一個機加工刀具，其中，該機加工刀具被配置成用於接收來自該數字代碼生成器的指令。
9.如權利要求8所述的設備，其中，該規劃模塊進一步包括: 至少一個資料庫，其中，該至少一個資料庫被配置成用於包含關於以下各項中的至少一項的信息:一個限定一個有待機加工的工件的一個型腔的特徵；至少一個技術選項；以及至少一個輔助運動。
10.如權利要求9所述的設備，進一步包括: 一個用戶界面，其中，該用戶界面被配置成用於由一個用戶在該至少一個資料庫中選擇一個對象。
11.一種設備，包括: 一個具有可尋址存儲器的處理模塊，該處理模塊被配置成用於: 選擇一個有待機加工的工件的一個型腔特徵； 創建至少一個輪廓線平行偏移，其中，該至少一個輪廓線平行偏移是從以下各項中的至少一項創建的:該型腔特徵的至少一個邊界和基於一個沃羅諾伊圖(VD)的一個偏移； 計算一個優選平滑半徑(PSR)，其中，該PSR是優選平滑圓弧(PSA)的半徑； 標識在該至少一個輪廓線平行偏移中的任何窄區； 用一個倒圓圓弧替換所標識的窄區； 確定是否可以使這些偏移中的任一個平滑化，其中，如果沒有偏移可以被平滑化，該處理模塊結束一個過程，而如果可以使至少一個偏移平滑化，則繼續該過程；以及將每個偏移與至少一個連結運動連接。
12.如權利要求11所述的設備，其中，該處理模塊被進一步配置成用於: 接收一個用戶的至少一個技術選項的一個輸入。
13.如權利要求11所述的設備，其中，通過將這些偏移中的任一個與該PSA比較來確定這些偏移中的任一個是否足夠大，從而確定是否可以使這些偏移中的任一個平滑化。
14.如權利要求11所述的設備，其中，該處理模塊被進一步配置成用於: 將任何標識的窄區存儲在一個倒圓圓弧和窄區地圖中。
15.如權利要求14所述的設備，其中，該處理模塊被進一步配置成用於: 創建一個餘擺線運動，其中，所創建的餘擺線運動在所存儲的標識窄區中。
16.如權利要求15所述的設備，其中，所連接的每個偏移以一個進入運動開始並且連接每個鄰近偏移直到所有偏移被遍歷。
17.如權利要求15所述的設備，其中，該處理模塊被進一步配置成用於: 生成一個數字代碼。
18.如權利要求15所述的設備，其中，該處理模塊被進一步配置成用於: 生成輔助運動。
19.如權利要求18所述的設備，其中，所生成的輔助運動是以下各項中的至少一項:進入運動和退出運動。
【文檔編號】G05B19/18GK104364722SQ201380027752
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2013年5月30日 優先權日:2012年6月1日
【發明者】宋建平 申請人:德普技術公司