基于球头铣削加工的工件三维表面形貌的仿真方法

摘要

本发明提供一种基于超精密球头铣刀加工的工件三维表面形貌建模及仿真方法，首先提取影响仿真三维表面形貌生成的刀位点，根据提取刀位点并结合刀具在加工过程中的运动学模型建立刀刃扫掠点云模型，然后设定仿真区域范围内三维表面形貌采样点，最终形成仿真区域内工件三维表面形貌。本发明建立了刀具参数、加工策略、加工参数与工件三维表面形貌的关系，能够清晰地表征超精密加工条件下的三维表面形貌，进而可实现基于工件三维表面形貌的工艺参数优化。

主权项

1.一种工件三维表面形貌的建模及仿真方法，包括如下步骤：（一）在加工表面上选取任意区域S_sim(u,v)作为仿真区域，并根据所设定的仿真区域边界选取刀位文件中影响该仿真区域内三维表面形貌生成的刀位点，其中，u、v为参数域，u∈[0,1]，v∈[0,1]；（二）根据提取出的刀位点，建立仿真区域刀刃扫掠点云模型，刀位轨迹中任意位置的刀刃扫掠点云模型表达式为：其中，B₀为刀具坐标系{TCS}下刀刃离散点坐标；B_i为刀具在平移和绕自身Z轴旋转后，刀刃离散点在工件坐标系中的坐标；T₁(t_i,N,θ)为刀具坐标系下绕Z轴旋转的4×4阶旋转矩阵；T₂(t_i,p₀,p₁,f)为刀具坐标系相对于工件坐标系的4×4阶平移矩阵；t_i为从p₀点运动到p₀、p₁点之间任意点p_i所经历时间；N为刀具转速，θ为初始切入时的刀刃相位角，p₀为三维表面形貌仿真起始刀位点坐标，p₁为三维表面形貌仿真的终止刀位点坐标，f为刀具进给速度；对影响仿真区域所有刀位点产生的刀刃离散点云B_i叠加在一起就构成了仿真区域刀刃扫掠点云模型；（三）提取三维表面形貌控制点，获得工件三维表面形貌（1）根据仿真区域刀刃扫掠点云模型，提取出影响最终表面形貌的点云集合B_extract；（2）设定仿真区域三维表面形貌采样点数p_u、p_v，其中p_u为u向采样数目，p_v为v向采样数目，进而对仿真区域进行网格划分，生成网格节点P_knot(m,n)，其中m、n为整数且m∈[1,p_u-1]，n∈[1,p_v-1]；（3）在仿真区域网格上建立包容盒，该包容盒边界方向与节点P_knot(m,n)在加工曲面处法矢方向平行，包容盒边界与对应网格边界相同；（4）通过节点P_knot(m,n)所对应的包容盒将点云集合B_extract中处于该包容盒内的点云提取出来，构成点云B_box(m,n)，并找出其中离网格距离最近的点作为该网格区域三维表面形貌的表征点P_s(m,n)，即为三维表面形貌控制点；根据上述三维表面形貌控制点，即可生成工件三维表面形貌。