一种复杂平面区域数控加工刀路自动生成方法与流程

本发明涉及数控加工、计算机辅助制造、几何数据处理和自动化编程，具体涉及一种复杂平面区域数控加工刀路自动生成方法。

背景技术：

1、在模具和大型铸件加工过程中，待加工底平面往往包括多个相互分离或嵌套的平面区域，并且平面区域内可能设置有筋条、孔洞、凹槽和空腔。此类结构导致加工区域边界复杂，难以通过简单的矩形扫描或轮廓偏置获得兼顾加工效率和路径连续性的加工路径。

2、传统平行加工方式能够形成较多直线切削路径，但当加工区域内存在孔洞或空腔时，平行路径会跨越无效区域，从而产生较长的空移动距离。轮廓环绕式加工虽然能够在一定程度上避开空腔，但会产生大量方向变化和短线段，使机床难以维持较高进给速度。

3、人工绘制加工参考线能够根据加工人员的经验避开空腔并形成较长直线，但人工处理效率低，且生成结果受编程人员经验影响，难以保证稳定性和一致性。

4、一些现有方法依赖特定计算机辅助制造软件所提供的点阵刀路、碰撞检查、过切检查等功能识别有效加工区域。此类方案通常存在计算时间较长、对特定软件依赖程度较高、几何判断过程不可控以及算法难以迁移等问题。

5、因此，有必要提供一种不依赖特定计算机辅助制造软件内部刀路功能，能够直接根据加工区域几何边界识别有效加工区域，并通过离散加工单元和路径评价机制自动生成连续加工路径的方法。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供一种复杂平面区域数控加工刀路自动生成方法。

2、为实现上述目的，本发明技术方案如下：

3、一种复杂平面区域数控加工刀路自动生成方法，其特征在于，包括以下步骤：

4、s1，加工区域边界获取：获取待加工平面的二维边界信息，并将所述二维边界信息处理为多个闭合边界轮廓；

5、s2，有效加工区域识别：在所述多个闭合边界轮廓的外接范围内按照预设采样间距生成采样点，针对每个采样点，确定包含该采样点的闭合边界轮廓数量，并依据所述闭合边界轮廓数量的奇偶性，将采样点划分为有效加工点和无效点；

6、s3，加工单元规划：根据预设加工步距建立多个加工单元，根据所述有效加工点与所述加工单元之间的位置关系，获得有效加工单元集合，并根据所述无效点与所述加工单元之间的位置关系，获得无效加工单元集合；

7、基于有效加工单元之间的空间邻接关系，对所述有效加工单元进行合并优化，并根据优化后的有效加工单元生成路径规划节点；

8、s4，加工路径生成：从路径规划节点中提取沿至少一个预设方向连续分布的节点，以生成长直线加工段，并对未被所述长直线加工段覆盖的路径规划节点进行局部路径识别，以生成短加工路径段；

9、针对多个加工路径段的候选连接方式，根据连接距离、方向一致性、连续加工趋势和转向变化中的至少两项建立路径评价值，并依据所述路径评价值确定多个加工路径段的连接顺序，以生成连续加工路径；

10、将未参与路径生成的孤立节点插入所述连续加工路径，并对插入后的连续加工路径进行共线冗余节点删除，输出加工参考线。

11、优选的，在所述步骤s1中，包括以下子步骤：

12、s1.1：选择一个或多个待加工模具底平面；

13、s1.2：提取所选择的待加工模具底平面的片体边缘，并将所述片体边缘转换为曲线；

14、s1.3：将所述曲线输出为二维图形交换格式文件；

15、s1.4：解析所述二维图形交换格式文件中的直线实体和圆弧实体，并将解析获得的几何实体转换为有序边界点集合，以构建所述多个闭合边界轮廓。

16、优选的，在所述步骤s2中，所述多个闭合边界轮廓在进行采样点区域判断之前不预先区分外部轮廓和内部空洞轮廓；对于任一采样点，当包含该采样点的闭合边界轮廓数量为奇数时，将该采样点判定为有效加工点；当包含该采样点的闭合边界轮廓数量为偶数时，将该采样点判定为无效点。

17、优选的，在所述步骤s3中，所述加工单元为边长与所述预设加工步距相对应的正方形加工单元，每一加工单元具有位置索引、空间范围和区域属性；根据加工单元是否包含有效加工点，将加工单元划分为有效加工单元；根据加工单元是否包含无效点，将加工单元划分为无效加工单元。

18、优选的，在所述步骤s4中，检测在第一坐标方向或第二坐标方向上相邻的有效加工单元；当相邻的有效加工单元满足预设孤立分布条件、覆盖比例条件或连续性条件时，将相邻的有效加工单元合并为连续加工单元；以所述连续加工单元的几何中心、覆盖区域中心或预设代表位置作为对应的路径规划节点。

19、优选的，在所述步骤s4中，局部路径识别包括从生成长直线加工段后剩余的路径规划节点中，搜索相邻节点；根据节点间距、邻接方向和局部连续性，将相邻节点连接为短加工路径段；将不能与其他剩余节点形成路径段的节点确定为孤立节点。

20、优选的，在所述步骤s4中，建立路径评价值包括以下子步骤：

21、s4.1：确定当前加工路径段的连接端点和候选加工路径段的候选端点；

22、s4.2：计算所述连接端点与候选端点之间的连接距离、当前加工方向与候选加工方向之间的方向变化量以及连接后形成的连续加工长度；

23、s4.3：对方向一致、转向次数减少或连续加工长度增加的候选连接方式赋予奖励值；

24、s4.4：对连接距离增加、方向变化量增大、空移动距离增加或路径连续性降低的候选连接方式赋予惩罚值；

25、s4.5：根据所述奖励值和惩罚值计算所述路径评价值，并选择路径评价值较优的候选连接方式。

26、优选的，在所述步骤s4中，输出加工参考线，包括：获取待加工平面的高度信息；将二维连续加工路径中的各路径节点转换为包含所述高度信息的三维坐标节点；依据所述三维坐标节点生成三维加工参考线，并将所述三维加工参考线输出至数控加工系统或计算机辅助制造系统。

27、优选的，在所述步骤s4中，从路径规划节点中提取长直线加工段，包括：根据路径规划节点的位置索引，分别识别沿第一坐标方向和第二坐标方向连续分布的节点序列；将节点数量或连续长度达到预设阈值的节点序列确定为长直线加工段；在存在多个可选节点序列时，优先选择连续长度较大或包含节点数量较多的节点序列。

28、优选的，在所述步骤s4中，将孤立节点插入所述连续加工路径，包括：针对孤立节点，分别计算将该孤立节点插入连续加工路径中不同相邻节点之间所产生的路径长度增加量；结合所述路径长度增加量、插入后方向变化量和路径连续性确定插入评价值；将所述孤立节点插入评价值最优的位置。

29、优选的，步骤s5，采用多组路径规划参数分别生成候选连续加工路径；根据候选连续加工路径的总长度、空移动距离、转向次数、连续加工长度和孤立节点数量中的至少两项对候选连续加工路径进行评价；从所述候选连续加工路径中选择综合评价较优的路径；当预设路径约束无法满足时，按照预设顺序逐级放宽节点间距、连接距离、方向变化量或连续长度约束，直至获得覆盖全部有效加工单元的连续加工路径。

30、优选的，自动加工路径生成方法，还包括：根据有效加工区域边界与无效加工单元之间的位置关系，从无效加工单元集合中确定与连续加工路径的起点或终点相邻的候选无效加工单元；根据候选无效加工单元与加工区域边界之间的距离、进退刀方向和空移动距离，确定进刀位置和退刀位置；将所述进刀位置和退刀位置连接至连续加工路径，以减少有效加工区域内部的空移动。

31、优选的，对插入后的连续加工路径进行共线冗余节点删除，包括：依次获取连续加工路径中的三个相邻节点；当三个相邻节点共线或其方向偏差小于预设角度阈值，且删除中间节点不影响有效加工单元的覆盖时，删除所述中间节点；保留路径转折点、路径端点以及与加工区域边界相对应的关键位置点。

32、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

33、采用本发明提供的复杂平面区域数控加工刀路自动生成方法，通过多个闭合边界轮廓的包含数量及奇偶规则确定有效加工区域，无需预先人工区分外轮廓与孔洞轮廓；通过规则加工单元建立加工区域的离散拓扑表达，降低复杂连续几何区域的路径规划难度；通过相邻加工单元合并减少离散节点数量，提高加工区域及生成路径的连续性；优先提取长直线加工段，有利于提高机床高速连续切削比例；通过奖励与惩罚相结合的多因素评价机制，减少路径连接距离、空移动和转向次数；通过孤立节点插入保证有效加工区域的完整覆盖；通过共线点删除减少输出路径的数据量；能够减少对特定计算机辅助制造软件内部检查功能的依赖，便于迁移到不同数控编程平台。因此，本发明解决了复杂平面区域的有效加工区域难以自动识别、传统路径空移动距离较长、路径方向变化频繁以及依赖特定计算机辅助制造软件的问题。