CN101140460A - 用于驱动数控机床进行空间圆弧插补加工的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种驱动方法，用于驱动具有空间圆弧插补指令的数控机床进行空间圆弧插补加工，包括以下步骤：步骤S102，将数控加工刀具轨迹中的刀位点串A₁、A₂……A_n拟合成至少一个圆弧；步骤S104，将至少一个圆弧转换成符合空间圆弧插补指令的规定的加工代码；以及步骤S106，将加工代码发送给数控机床，以进行空间圆弧插补加工。本发明还提供了一种用于驱动具有空间圆弧插补指令的数控机床进行空间圆弧插补加工的驱动装置。

Description

用于驱动数控机床进行空间圆弧插补加工的方法和装置

技术领域

本发明涉及CAM(Computer-Aided Manufacturing，计算机辅助制造)，具体而言，涉及用于驱动数控机床进行空间圆弧插补加工的方法和装置。

背景技术

近年来，由于竞争的需要，生产厂家越来越追求光滑漂亮的产品外观，尤其是具有复杂空间曲面外观的产品，光滑的表面更凸显产品的高质量和高水准。

目前，数控机床的插补方式主要有三种：直线插补、圆弧插补和非均匀有理B养条(Non-uniform rational B-spline，NURBS)插补。

在相关技术中，一种圆弧插补方案是限制在机床的三个标准平面内，即XOY，YOZ和ZOX平面内，对应坐标平面的G代码为G17(XOY)，G18(YOZ)，G19(ZOX)，圆弧插补G代码为和G02(顺时针圆弧)、G03(逆时针圆弧)。与此对应，CAM软件也仅支持上述圆弧插补。这并非人为限制而是技术暂时无法满足要求，导致在加工非标准平面的空间圆弧时显得无能为力。

因此，人们目前在加工空间圆弧时，便将其按照加工精度离散为一系列点，然后沿着这些点走直线插补来近似拟合该空间圆弧。用点列来拟合圆弧，一方面使得后置程序代码量增大，另一方面加工后零件表面不光滑。

对空间圆弧的加工，均采用将圆弧按加工精度等分角度离散为一系列点，刀具沿离散点列顺序加工的近似逼近方法。现有的数控机床和CAM软件大多支持这种方法。

在根据相关技术的一种方案中，将圆弧按加工精度等分角度，离散为一系列点，刀具沿离散点列顺序加工的近似逼近方法。具体处理如下：

设一空间圆弧的半径为R，圆心角为θ，产品的加工精度为δ，则该圆弧的等分离散的份数为：θ/(2*Arccos(1-δ/R)))；

按照上述份数等分离散该圆弧的点就为刀具的走刀点，沿这些点顺序走刀便可近似加工该空间圆弧。

然而，在上述的相关技术中，存在以下问题：

1)离散点太多，后置处理程序太大，不利于加工代码在线传输。

2)因刀具在零件表面停留时间过长，导致零件表面可能出现灼伤现象。

3)因是离散圆弧，表面光滑度不好。

针对上述问题，在相关技术中提出了一种空间圆弧插补的方案，该方案在曲面加工中采用空间圆弧插补，以提高处理速度和加工表面质量。

根据该方案，推出了采用空间圆弧插补替代直线插补的空间圆弧指令，并在数控系统中嵌入了该插补指令。该空间圆弧指令的目的就是为了在曲面加工中能够提高处理速度和加工表面质量。

但对于嵌入了该插补指令的数控系统来说，为了驱动数控机床进行空间圆弧插补加工，还需要支持该数控系统的CAM系统。

到目前为止，国际上还没有一款CAM软件能够支持空间圆弧插补功能。

根据该方案，市场上推出了支持空间圆弧插补的数控机床，但到目前还没有哪一款CAM软件能够支持这类机床，使其成为高技术摆设，不能形成生产力。

因此，人们一直希望能有一种CAM系统，能够支持这类支持空间圆弧插补的数控机床的控制系统中的空间圆弧指令。

发明内容

本发明旨在提供用于驱动数控机床进行空间圆弧插补加工的方法和装置，以支持上述的支持空间圆弧插补的数控机床的控制系统中的空间圆弧指令。

根据本发明的一个方面，提供了一种驱动方法，用于驱动具有空间圆弧插补指令的数控机床进行空间圆弧插补加工，包括以下步骤：步骤S102，将数控加工刀具轨迹中的刀位点串A₁、A₂......A_n拟合成至少一个圆弧；步骤S104，将至少一个圆弧转换成符合空间圆弧插补指令的规定的加工代码；以及步骤S106，将加工代码发送给数控机床，以进行空间圆弧插补加工。

在上述的驱动方法中，步骤S102包括以下步骤：步骤S102-1，从A₁开始，将有序点列A₁、A₂......A_n中满足预定条件下的，能够拟合为一个圆弧的尽可能多的前m个点拟合成一个圆弧；以及步骤S102-2，前进至第m+1个点，对有序点列A_m+1、A_m+2......A_n重复执行与步骤S102-1相同的操作，直至第n个点结束，以拟合得到至少一个圆弧。

在上述的驱动方法中，步骤S102-1包括以下步骤：步骤S102-1-1，将有序点列A₁、A₂......A_r中的任意三个点拟合为一个圆弧Arc；步骤S102-1-2，计算前r个点中的任意点A_i和点A_i+1的连线中点到Arc的距离；以及步骤S102-1-3，如果距离均在预定值内，将A_r+1加入有序点列A₁、A₂......A_r，对有序点列A₁、A₂......A_r+1重复执行步骤S102-1-1和步骤S102-1-2，直到得到存在距离不在预定值内，由此得到的多个点即为能够拟合为一个圆弧的尽可能多的前m个点。

在上述的驱动方法中，预定条件为加工精度条件。

在上述的驱动方法中，预定值为加工误差。

在上述的驱动方法中，当从点A_t开始的s个点，其中不存在连续有序的三个点能拟合成一个圆弧时，则步骤S102-2前进到点A_t+s+1开始继续操作。

在上述的驱动方法中，将点A_t到点A_t+s作为离散点发送给数控机床。

在上述的驱动方法中，加工代码还包括离散点。

在上述的驱动方法中，步骤S102-1-1包括以下步骤：假设以A₁、A_i、A_r三点拟合一个圆弧，设边长A₁A_i为a，A₁A_r为b，A_iA_r为c，半周长p＝(a+b+c)/2，则拟合圆弧的半径为 $R=\frac{\mathrm{abc}}{4\sqrt{p(p-a)(p-b)(p-c)}},$ 圆心为三边垂直平分线的交点，圆弧的两端点分别为A₁和A_r。

根据本发明的另一方面，提供了一种驱动装置，用于驱动具有空间圆弧插补指令的数控机床进行空间圆弧插补加工，包括：拟合模块，用于将数控加工刀具轨迹中的刀位点串A₁、A₂......A_n拟合成至少一个圆弧；转换模块，用于将至少一个圆弧转换成符合空间圆弧插补指令的规定的加工代码；以及发送模块，用于将加工代码发送给数控机床，以进行空间圆弧插补加工。

在上述的驱动装置中，拟合模块包括：分段拟合模块，用于从A₁开始，将有序点列A₁、A₂......A_n中满足预定条件下的，能够拟合为一个圆弧的尽可能多的前m个点拟合成一个圆弧；以及重复拟合模块，用于前进至第m+1个点，对有序点列A_m+1、A_m+2......A_n重复执行与分段拟合模块相同的操作，直至第n个点结束，以拟合得到至少一个圆弧。

在上述的驱动装置中，分段拟合模块包括：三点拟合模块，用于将有序点列A₁、A₂......A_r中的任意三个点拟合为一个圆弧Arc；取弧高模块，用于计算前r个点中的任意点A_i和点A_i+1的连线中点到Arc的距离；以及重复取点模块，如果距离均在预定值内，将A_r+1加入有序点列A₁、A₂......A_r，对有序点列A₁、A₂......A_r+1重复执行三点拟合模块和取弧高模块，用于直到得到存在距离不在预定值内，由此得到的多个点即为能够拟合为一个圆弧的尽可能多的前m个点。

在上述的驱动装置中，预定条件为加工精度条件。

在上述的驱动装置中，预定值为加工误差。

在上述的驱动装置中，当从点A_t开始的s个点，其中不存在连续有序的三个点能拟合成一个圆弧时，则重复拟合模块前进到点A_t+s+1开始继续操作。

在上述的驱动装置中，点A_t到点A_t+s作为离散点发送给数控机床。

在上述的驱动装置中，加工代码还包括离散点。

在上述的驱动装置中，三点拟合模块执行以下操作以拟合任意三个点：假设以A₁、A_i、A_r三点拟合一个圆弧，设边长A₁A_i为a，A₁A_r为b，A_iA_r为c，半周长p＝(a+b+c)/2，则拟合圆弧的半径为 $R=\frac{\mathrm{abc}}{4\sqrt{p(p-a)(p-b)(p-c)}},$ 圆心为三边垂直平分线的交点，圆弧的两端点分别为A₁和A_r。

通过上述技术方案，本发明实现了如下技术效果：

通过实施本发明提高了空间曲面的表面加工质量，不仅增强光滑度，更提高了加工精度。另外，减少了机床加工时的刀位点数量，避免了由于刀位点过密而造成刀具在零件表面停留时间过久而灼伤零件的问题；以及减少了加工时间，提高了加工效率。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明的用于驱动具有空间圆弧插补指令的数控机床进行空间圆弧插补加工的驱动方法流程图；

图2示出了根据本发明的用于驱动具有空间圆弧插补指令的数控机床进行空间圆弧插补加工的装置的结构方框图；

图3示出了根据本发明的一个实施例的用于数控机床的空间圆弧插补加工的流程图；以及

图4示出了使用空间圆弧加工的样件和未使用空间圆弧加工的样件的对比效果图，其中，左侧为未使用空间圆弧加工的样件，右侧未使用空间圆弧加工的样件。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。

图1示出了根据本发明的用于驱动具有空间圆弧插补指令的数控机床进行空间圆弧插补加工的驱动方法流程图。图2示出了根据本发明的用于驱动具有空间圆弧插补指令的数控机床进行空间圆弧插补加工的装置的结构方框图。

参照图1，根据本发明的用于驱动具有空间圆弧插补指令的数控机床进行空间圆弧插补加工的驱动方法包括以下步骤：

步骤S102，将数控加工刀具轨迹中的刀位点串A₁、A₂......A_n拟合成至少一个圆弧；

步骤S104，将至少一个圆弧转换成符合空间圆弧插补指令的规定的加工代码；以及

步骤S106，将加工代码发送给数控机床，以进行空间圆弧插补加工。

可选地，步骤S102包括以下步骤：步骤S102-1，从A₁开始，将有序点列A₁、A₂......A_n中满足预定条件下的，能够拟合为一个圆弧的尽可能多的前m个点拟合成一个圆弧；以及步骤S102-2，前进至第m+1个点，对有序点列A_m+1、A_m+2......A_n重复执行与步骤S102-1相同的操作，直至第n个点结束，以拟合得到至少一个圆弧。

可选地，步骤S102-1包括以下步骤：步骤S102-1-1，将有序点列A₁、A₂......A_r中的任意三个点拟合为一个圆弧Arc；步骤S102-1-2，计算前r个点中的任意点A_i和点A_i+1的连线中点到Arc的距离；以及步骤S102-1-3，如果距离均在预定值内，将A_r+1加入有序点列A₁、A₂......A_r，对有序点列A₁、A₂......A_r+1重复执行步骤S102-1-1和步骤S102-1-2，直到得到存在距离不在预定值内，由此得到的多个点即为能够拟合为一个圆弧的尽可能多的前m个点。

可选地，预定条件为加工精度条件。

可选地，预定值为加工误差。

可选地，当从点A_t开始的s个点，其中不存在连续有序的三个点能拟合成一个圆弧时，则步骤S102-2前进到点A_t+s+1开始继续操作。

可选地，将点A_t到点A_t+s作为离散点发送给数控机床。

可选地，加工代码还包括离散点。

可选地，步骤S102-1-1包括以下步骤：假设以A₁、A_i、A_r三点拟合一个圆弧，设边长A₁A_i为a，A₁A_r为b，A_iA_r为c，半周长p＝(a+b+c)/2，则拟合圆弧的半径为 $R=\frac{\mathrm{abc}}{4\sqrt{p(p-a)(p-b)(p-c)}},$ 圆心为三边垂直平分线的交点，圆弧的两端点分别为A₁和A_r。

参照图2，根据本发明的用于驱动具有空间圆弧插补指令的数控机床进行空间圆弧插补加工驱动装置，包括：

拟合模块202，用于将数控加工刀具轨迹中的刀位点串A₁、A₂......A_n拟合成至少一个圆弧；

转换模块204，用于将至少一个圆弧按照转换成符合空间圆弧插补指令的规定的加工代码；以及

发送模块206，用于将加工代码发送给数控机床，以进行空间圆弧插补加工。

可选地，拟合模块包括：分段拟合模块(未示出)，用于从A₁开始，将有序点列A₁、A₂......A_n中满足预定条件下的，能够拟合为一个圆弧的尽可能多的前m个点拟合成一个圆弧；以及重复拟合模块(未示出)，用于前进至第m+1个点，对有序点列A_m+1、A_m+2......A_n重复执行与分段拟合模块相同的操作，直至第n个点结束，以拟合得到至少一个圆弧。

可选地，分段拟合模块包括：三点拟合模块(未示出)，用于将有序点列A₁、A₂......A_r中的任意三个点拟合为一个圆弧Arc；取弧高模块(未示出)，用于计算前r个点中的任意点A_i和点A_i+1的连线中点到Arc的距离；以及重复取点模块，如果距离均在预定值内，将A_r+1加入有序点列A₁、A₂......A_r，对有序点列A₁、A₂......A_r+1重复执行三点拟合模块和取弧高模块(未示出)，用于直到得到存在距离不在预定值内，由此得到的多个点即为能够拟合为一个圆弧的尽可能多的前m个点。

可选地，预定条件为加工精度条件。

可选地，预定值为加工误差。

可选地，当从点A_t开始的s个点，其中不存在连续有序的三个点能拟合成一个圆弧时，则重复拟合模块前进到点A_t+s+1开始继续操作。

可选地，点A_t到点A_t+s作为离散点发送给数控机床。

可选地，加工代码还包括离散点。

可选地，三点拟合模块执行以下操作以拟合任意三个点：假设以A₁、A_i、A_r三点拟合一个圆弧，设边长A₁A_i为a，A₁A_r为b，A_iA_r为c，半周长p＝(a+b+c)/2，则拟合圆弧的半径为 $R=\frac{\mathrm{abc}}{4\sqrt{p(p-a)(p-b)(p-c)}},$ 圆心为三边垂直平分线的交点，圆弧的两端点分别为A₁和A_r。

下面将参照图3详细说明本发明的一个实施例。

图3示出了根据本发明的一个实施例的用于数控机床的空间圆弧插补的流程图，参照图3，根据本发明的一个实施例的用于数控机床空间圆弧插补的流程包括以下步骤：

步骤S302，选取一列有序点A₁、A₂......A_n，其中n≥4；

步骤S304，利用程序令start＝1、end＝4、以及ARC＝空；

步骤S306，利用A_start、A_k和A_end三点生成圆弧arc；计算方法如下：假设以A₁、A_i、A_r三点拟合一个圆弧，设边长A₁A_i为a，A₁A_r为b，A_iA_r为c，半周长p＝(a+b+c)/2，则拟合圆弧的半径为 $R=\frac{\mathrm{abc}}{4\sqrt{p(p-a)(p-b)(p-c)}},$ 圆心为三边垂直平分线的交点，圆弧的两端点分别为A₁和A_r。

步骤S308，计算直线A_i、A_i+1(start≤i≤end)的中点和圆弧arc的之间的距离dis_i；

步骤S310，将所有的dis_i与加工误差δ进行比较，如果所有的dis_i≤δ时，则执行步骤S318，否则执行步骤S312；

步骤S312，对ARC是否为空进行判断，即判断是否已经拟合至少一个圆弧，如果ARC＝空，则执行步骤S316，否则执行步骤S314；

步骤S314，输出ARC，将start和end分别后移end个点，并令ARC＝空；

步骤S316，输出直线A_start、A_start+1并将start以及end分别后移一位；

步骤S318，令ARC＝arc并令end后移一个点；

步骤S320，对由步骤S314、S316、和S318输出的信号进行点越界判断，即判断由步骤S314、S316、和S318输出的end值是否大于n，如果不是，则返回执行步骤S306，否则执行步骤S322；

步骤S322，输出Arc，结束循环，并依次执行步骤S324；

步骤S324，将拟合好的圆弧按照数控系统的格式要求，输出该数控系统可以辨认的加工代码；

步骤S326，将生成的代码转送给DNC(直接数字控制)装置；以及

步骤S328，DNC(直接数字控制)装置将代码传送给数控机床，来驱动数控机床进行空间圆弧插补加工。

图4示出了使用空间圆弧加工的样件和未使用空间圆弧加工的样件的对比效果图，其中，左侧为未使用空间圆弧加工的样件、右侧未使用空间圆弧加工的样件。

参照图4，可以清楚的看到通过实施本发明提高了空间曲面的表面加工质量，不仅增强光滑度，更提高了加工精度。另外，减少了机床加工时的刀位点数量，避免了由于刀位点过密而造成刀具在零件表面停留时间过久而灼伤零件的问题；以及减少了加工时间，提高了加工效率。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。应该明白，这些具体实施中的变化对于本领域的技术人员来说是显而易见的，不脱离本发明的精神保护范围。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (18)

1.一种驱动方法，用于驱动具有空间圆弧插补指令的数控机床进行空间圆弧插补加工，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S102，将数控加工刀具轨迹中的刀位点串A₁、A₂......A_n拟合成至少一个圆弧；

步骤S104，将所述至少一个圆弧转换成符合所述空间圆弧插补指令的规定的加工代码；以及

步骤S106，将所述加工代码发送给所述数控机床，以进行空间圆弧插补加工。

2.根据权利要求1所述的驱动方法，其特征在于，所述步骤S102包括以下步骤：

步骤S102-1，从A₁开始，将所述有序点列A₁、A₂......A_n中满足预定条件下的，能够拟合为一个圆弧的尽可能多的前m个点拟合成一个圆弧；以及

步骤S102-2，前进至第m+1个点，对有序点列A_m+1、A_m+2......A_n重复执行与所述步骤S102-1相同的操作，直至第n个点结束，以拟合得到所述至少一个圆弧。

3.根据权利要求2所述的驱动方法，其特征在于，所述步骤S102-1包括以下步骤：

步骤S102-1-1，将有序点列A₁、A₂......A_r中的任意三个点拟合为一个圆弧Arc；

步骤S102-1-2，计算前r个点中的任意点A_i和点A_i+1的连线中点到Arc的距离；以及

步骤S102-1-3，如果所述距离均在预定值内，将A_r+1加入有序点列A₁、A₂......A_r，对有序点列A₁、A₂......A_r+1重复执行所述步骤S102-1-1和所述步骤S102-1-2，直到得到存在所述距离不在所述预定值内，由此得到的所述多个点即为能够拟合为一个圆弧的尽可能多的前m个点。

4.根据权利要求3所述的驱动方法，其特征在于，所述预定条件为加工精度条件。

5.根据权利要求4所述的驱动方法，其特征在于，所述预定值为加工误差。

6.根据权利要求3所述的驱动方法，其特征在于，当从点A_t开始的s个点，其中不存在连续有序的三个点能拟合成一个圆弧时，则所述步骤S102-2前进到点A_t+s+1开始继续操作。

7.根据权利要求6所述的驱动方法，其特征在于，将所述点A_t到点A_t+s作为离散点发送给所述数控机床。

8.根据权利要求7所述的驱动方法，其特征在于，所述加工代码还包括所述离散点。

9.根据权利要求3所述的驱动方法，其特征在于，所述步骤S102-1-1包括以下步骤：

假设以A₁、A_i、A_r三点拟合一个圆弧，设边长A₁ A_i为a，

A₁A_r为b，A_iA_r为c，半周长p＝(a+b+c)/2，则拟合圆弧的半径为 $R=\frac{\mathrm{abc}}{4\sqrt{p(p-a)(p-b)(p-c)}},$ 圆心为三边垂直平分线的交点，圆弧的两端点分别为A₁和A_r。

10.一种驱动装置，用于驱动具有空间圆弧插补指令的数控机床进行空间圆弧插补加工，其特征在于，包括：

拟合模块，用于将数控加工刀具轨迹中的刀位点串A₁、A₂......A_n拟合成至少一个圆弧；

转换模块，用于将所述至少一个圆弧转换成符合所述空间圆弧插补指令的规定的加工代码；以及

发送模块，用于将所述加工代码发送给所述数控机床，以进行空间圆弧插补加工。

11.根据权利要求10所述的驱动装置，其特征在于，所述拟合模块包括：

分段拟合模块，用于从A₁开始，将所述有序点列A₁、A₂......A_n中满足预定条件下的，能够拟合为一个圆弧的尽可能多的前m个点拟合成一个圆弧；以及

重复拟合模块，用于前进至第m+1个点，对有序点列A_m+1、A_m+2......A_n重复执行与所述分段拟合模块相同的操作，直至第n个点结束，以拟合得到所述至少一个圆弧。

12.根据权利要求11所述的驱动装置，其特征在于，所述分段拟合模块包括：

三点拟合模块，用于将有序点列A₁、A₂......A_r中的任意三个点拟合为一个圆弧Arc；

取弧高模块，用于计算前r个点中的任意点A_i和点A_i+1的连线中点到Arc的距离；以及

重复取点模块，如果所述距离均在预定值内，将A_r+1加入有序点列A₁、A₂......A_r，对有序点列A₁、A₂......A_r+1重复执行所述三点拟合模块和所述取弧高模块，用于直到得到存在所述距离不在所述预定值内，由此得到的所述多个点即为能够拟合为一个圆弧的尽可能多的前m个点。

13.根据权利要求12所述的驱动装置，其特征在于，所述预定条件为加工精度条件。

14.根据权利要求13所述的驱动装置，其特征在于，所述预定值为加工误差。

15.根据权利要求12所述的驱动装置，其特征在于，当从点A_t开始的s个点，其中不存在连续有序的三个点能拟合成一个圆弧时，则所述重复拟合模块前进到点A_t+s+1开始继续操作。

16.根据权利要求15所述的驱动装置，其特征在于，所述点A_t到点A_t+s作为离散点发送给所述数控机床。

17.根据权利要求16所述的驱动装置，其特征在于，所述加工代码还包括所述离散点。

18.根据权利要求12所述的驱动装置，其特征在于，所述三点拟合模块执行以下操作以拟合任意三个点：

假设以A₁、A_i、A_r三点拟合一个圆弧，设边长A₁A_i为a，A₁A_r为b，A_iA_r为c，半周长p＝(a+b+c)/2，则拟合圆弧的半径为 $R=\frac{\mathrm{abc}}{4\sqrt{p(p-a)(p-b)(p-c)}},$ 圆心为三边垂直平分线的交点，圆弧的两端点分别为A₁和A_r。

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