二维半零件的简易造型方法和数控加工刀具轨迹生成

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1　二维半零件
平面型腔(指以平面封闭轮廓为边界的平底槽腔)的数控加工在实际生产中较常见，CAD/CAM软件一般将平面型腔的数控加工(即平面铣削)作为CAM的基本功能模块，但许多软件的这一功能仅仅局限于单个型腔，型腔中虽然可以带有多个岛屿，但岛屿顶面要在同一高度平面上(岛屿同高)，并与型腔的顶面共面。对于岛屿不同高的单型腔零件，如图1所示，长方体型腔loop0(顶面高h0，底面高h3)中含有两个柱体岛屿loop1(顶面高h1)和loop2(顶面高h2)，h0>h1>h2>h3,只能采用分而治之的办法，由用户将其分解为3个高度段[h1,h0]，[h2,h1],[h3,h2]的3个型腔分别编程处理。

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(b)
9 j, m* C5 m" W# n* I; I; p图1 不同高岛屿的单型腔零件
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(a)

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, m* d/ J& Q6 O$ N. F- q5 a图2 多型腔零件
其中，flag取1代表岛屿，flag取-1代表型腔，暂时均取0；high表示轮廓环的高度值；*ptr表示二维轮廓环的链表指针。
岛屿和型腔的识别：最外层的环(即树根上或树根的兄弟环)是型腔，flag取-1；比父环高的子环是岛屿，flag取1；比父环低的子环是型腔，flag取-1。如图2中，loop0,loop3,loop4是型腔；loop1,loop2,loop5是岛屿。
3 刀具轨迹生成
  y# f% H" @. {- M" F% w二维半零件的数控加工采用分层切削。所有轮廓环的高度值从大到小排序，相同的高度值只保留一个，如图2中的h0(h0=0),h1,h2,h3,h4,h5,h6。将零件从顶面高度值到最低型腔的底面高度值分为几个区间，如图2中的[h1,h0],[h2,h1],[h3,h2],[h4,h3],[h5,h4]，[h6,h5]。在同一高度区间内，不同层上的刀轨(除Z坐标外)相同，因而只需对每个高度区间计算刀具轨迹。
$ j8 ?5 b6 r) I; T& s& v按给定的层切下刀量，计算每一层的高度，确定落在那一个高度区间，并根据岛屿顶面余量和型腔底面余量适当调整高度值(只在个别高度上调整)。然后确定在该高度层(高度值记为L-H)上的加工区域。具体步骤如下：
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图3 图2零件在不同高度区间的刀具轨迹
在JN_gloop中，2n-1层(n为正整数)上的环是型腔轮廓环，2n-1层上的每一个型腔轮廓环与2n层上的子环及其兄弟环(该型腔的岛屿环)构成了一个连通的加工区域，不含岛屿为单连通，含岛屿为多连通。由上可知，在[h3,h2]高度区间上有两个加工区域：第一个区域为含岛屿loop2的loop0型腔，第二个区域为含岛屿loop5的loop3型腔。
  V" b$ P- T/ j1 N9 ^) Y对每一个加工区域按行切方式或环切方式计算刀具轨迹，一个加工区域加工完后，抬刀到安全平面上，然后在安全平面以上移动到另一个加工区域，下刀进行另一个区域的加工。
6 U0 M5 p  N5 R+ v* ]$ {/ W9 q图3表示了图2零件在不同高度区间的刀具轨迹。
$ T% j+ C" ^& [* g! ?! _6 h$ o按照该算法编写的程序，已在南京航空航天大学CAD/CAM工程中心开发的SuperMan CAD/CAM系统中实现。实践证明，该造型方法简便易行，算法稳定、可靠，提高了系统的加工编程能力。
& n; K; I8 V- r8 k文章关键词：