CN102411335B - 一种五轴数控机床内雕加工路径的生成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及计算机辅助设计与制造技术领域，特别涉及一种五轴数控机床内雕加工路径的生成方法。其步骤包括：A．设计内雕花的平面曲线；B．定义加工刀具的截面形状；C．在曲线上指定若干控制点及其刀轴方向和深度；D．根据控制点的刀轴方向和深度插值计算出曲线上其他各点的刀轴方向和深度；E．用刀具曲面的外包络面模拟内雕花的加工效果；F．对加工效果进行观察，并通过调整控制点的位置、刀轴方向和深度来调整路径和外包络面形状，使加工效果满足产品要求。本发明实现了用五轴数控机床进行内雕花的加工，不再依赖工人的手工技术和经验，产品一致性好，生产效率高，成本低，并且缩短了新款花式的开发周期。

Description

一种五轴数控机床内雕加工路径的生成方法
技术领域
本发明涉及计算机辅助设计与制造技术领域，特别涉及一种五轴数控机床内雕加工路径的生成方法。
背景技术
发饰等内雕花是以亚克力和树脂等透明或半透明材料为加工对象，用人手拿着材料在固定的旋转刀具上以一定的角度进行划线雕刻来完成所需形状，切削碎屑不完全排掉，然后以碎屑为基础上色，这样反过来看就形成立体感比较强的花卉图案。这种由手工操作实现的加工方式，对工人的技术和经验要求比较高，而且生产效率较低，产品的一致性较差，不利于产品的批量生产安排。
如果将上述人手拿材料在旋转刀具上进行划线雕刻的动作理解成人手做多轴运动，那么就可以将此过程在多轴数控机床上来完成。而要实现这一过程，首先需要编辑出符合内雕花设计要求的五轴加工路径。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有方法的不足，提供一种五轴数控机床内雕加工路径的生成方法，实现用五轴数控机床进行内雕花的加工。
为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种五轴数控机床内雕加工路径的生成方法，包括：
A．按照雕花设计要求，在平面上绘制雕花曲线；
B．根据设计要求，选择或定义加工刀具；
C．在雕花曲线上指定若干控制点，并按照产品要求给定控制点的刀轴方向和深度；
D．根据各控制点的刀轴方向和深度插值计算出曲线上其他各点的刀轴方向和深度，生成五轴路径；
E．在五轴路径的每一个路径点处按其刀轴方向放置一个加工刀具曲面，用所有刀具曲面的外包络面模拟内雕花的形状；
F．观察外包络面表示的内雕花形状是否满足设计要求，如果不满足，则调整控制点的位置及刀轴方向和深度，同时更新五轴路径和表示雕花形状的曲面；并进行反复观察和调整，直到雕花形状满足设计要求为止，最后生成的五轴路径即为内雕加工路径。
优选的，上述方法中，步骤D包括：
D1．根据每个控制点的刀轴方向，计算出各控制点的仰角和方位角。其中，仰角是指刀轴方向与水平面之间的夹角，角度范围是－90°～+90°；方位角是指刀轴方向在水平面上的投影方向与X轴之间的夹角，角度范围是0°～360°；对于竖直的刀轴方向方位角无效，只由仰角表示；
D2．根据各控制点的仰角和方位角分别插值计算出各路径点的仰角和方位角；
D3．根据D2中得到的仰角和方位角分别计算出各路径点的刀轴方向；
D4．根据各控制点的深度插值计算出各路径点的深度。
优选的，上述方法中，步骤D2的具体方法为：
对于位于两个控制点之间，并且两个控制点的方位角均存在的路径点，按照加工要求对两个控制点的仰角和方位角分别进行插值计算，得到一组有效的仰角和方位角；
对于位于两个控制点之间，其中一个控制点的方位角不存在的路径点，其仰角由两个控制点的仰角插值计算得到，方位角与另一个控制点的方位角相同；
对于位于曲线端点和一个控制点之间，并且端点为非控制点的路径点，其仰角和方位角与相邻控制点的仰角和方位角相同。
优选的，上述方法中，步骤D中所述的插值计算方式有多种，可根据实际使用要求选取，不同的插值计算方式得到的路径点的刀轴方向不同。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明实现了用五轴数控机床进行内雕花的加工，不再依赖工人的手工技术和经验，产品一致性好；并且提高了生产效率，降低了生产成本，缩短了新款花式的开发周期。
附图说明
图1是本发明方法的流程图。
图2是本发明实施例所加工的内雕产品示意图。
图3是本发明实施例中绘制的雕花曲线示意图。
图4是本发明实施例中指定控制点及其刀轴方向和深度的示意图。
图5是本发明实施例中用所有刀具曲面的外包络面模拟内雕花形状的示意图。
图6是本发明实施例中插值计算各路径点刀轴方向的流程图。
图7是用来解释插值计算各路径点刀轴方向所给定的控制点的刀轴方向示意图。
图8是用来解释插值计算各路径点刀轴方向过程中插值得到的仰角示意图。
图9是用来解释插值计算各路径点刀轴方向过程中插值得到的方位角示意图。
图10是用来解释插值计算各路径点刀轴方向过程中所生成的五轴路径示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：图1所示的是本发明一种五轴数控机床内雕加工路径的生成方法的流程图，结合对图2中所示产品的加工路径编辑，说明一下本发明的具体实施方式。
步骤101，按照产品设计要求，在平面上绘制雕花曲线。图3显示了本实施例针对图2所示的产品所绘制的雕花曲线。
步骤102，根据产品加工要求，选择用于加工该产品的刀具。根据图2所示的产品，本实施例选用的是锥度20°-0.1的锥刀。
步骤103，在雕花曲线上指定控制点，并按照产品要求给定控制点的刀轴方向和深度。图4表示的是部分雕花曲线上所给出的控制点及其刀轴方向和深度。
步骤104，根据各控制点的刀轴方向和深度插值计算出曲线上其他各点的刀轴方向和深度，生成五轴路径。
步骤105，在所生成五轴路径的每一个路径点处分别按其刀轴方向放置一个表示加工刀具形状的刀具曲面，用所有刀具曲面的外包络面模拟内雕花的形状，如图5所示。
步骤106，观察外包络面表示的内雕花形状是否满足设计要求，如果不满足，则调整曲线控制点的位置及刀轴方向和深度，同时更新表示雕花形状的曲面；并进行反复观察和调整，直到雕花形状满足设计要求为止。
步骤107，将满足雕花形状要求的五轴路径作为该产品最终的内雕加工路径。
图6显示的是本发明插值计算各路径点刀轴方向的流程图，结合图7中的曲线10以及所指定的刀轴控制点20、21、22、23、24、25和各控制点的刀轴方向30，来介绍插值计算曲线上其他各路径点刀轴方向的实现过程。
步骤601，根据每个控制点的刀轴方向，分别计算出各控制点的仰角和方位角。其中，定义仰角为刀轴方向与水平面之间的夹角，角度范围是－90°～+90°；方位角为刀轴方向在水平面上的投影方向与X轴之间的夹角，角度范围是0°～360°，竖直的刀轴方向方位角无效，只由仰角表示。
步骤602，计算各路径点的仰角和方位角。具体方法是：
1）如图7所示，路径点41位于控制点21和控制点22之间，并且控制点21和控制点22的刀轴方向均不是竖直的，也就是方位角均存在，对于路径点41这样的路径点，按照加工形状要求对控制点21和控制点22的仰角和方位角分别进行插值计算。本实施例采用按参数线性插值的方法，控制点21和22在曲线上的参数分别是u21和u22，仰角分别是Elev21和Elev22，方位角分别是Azim21和Azim22。路径点41在曲线上的参数是u41，它在控制点21和22之间的位置参数是
t＝（u41－u21）/（u22－u21），
路径点41的仰角是
Elev41＝Elev21＋ｔ×（Elev22－Elev21），
路径点41的方位角是
Azim41＝Azim21＋t×（Azim22－Azim21），
依此方法计算得到其它介于控制点21和22之间的路径点4i的仰角是
Elev4i＝Elev21＋（Elev22－Elev21）×（u4i－u21）/（u22－u21）
方位角是
Azim4i＝Azim21＋（Azim22－Azim21）×（u4i－u21）/（u22－u21）
同样，由于控制点20、21、24和25的刀轴方向都不是竖直的，因此介于控制点20和21之间以及控制点24和25之间的路径点的仰角和方位角也按此方法计算得到，如图8和图9所示；
2）如图7所示，路径点42位于位于控制点23和控制点24之间，控制点24的刀轴方向不是竖直的，而控制点23的刀轴方向是竖直的，也就是控制点24的方位角存在，控制点23的方位角不存在，对于路径点42这样的路径点，其仰角由控制点23和控制点24的仰角插值计算得到，即：
Elev42＝Elev23＋（Elev24－Elev23）×（u42－u23）/（u24－u23）
由于控制点23的方位角不存在，因此路径点42的方位角与控制点24的方位角相同，介于控制点23和控制点24之间的其它路径点的仰角和方位角也按此方法计算得到，如图8和9所示；
3）如图7所示，路径点43位于曲线端点50和控制点25之间，并且控制点25的刀轴方向不是竖直的，曲线端点50为非控制点，对于路径点43这样的路径点，即所有介于曲线端点50和控制点25之间的路径点，其仰角和方位角与相邻控制点25的仰角和方位角相同，如图8和图9所示；
以上即计算出了曲线10上所有路径点的仰角和方位角。
步骤603，根据步骤602中得到的所有路径点的仰角和方位角，分别计算各路径点的刀轴方向，从而生成五轴路径，如图10所示。
本发明实现了用五轴数控机床进行内雕花的加工，不再依赖工人的手工技术和经验，产品一致性好；并且提高了生产效率，降低了生产成本，缩短了新款花式的开发周期。
尽管上文对本发明进行了详细说明，但是本发明不限于此，本领域技术人员可以根据本发明的原理进行各种修改。因此，凡按照本发明原理所作的修改，都应当理解为落入本发明的保护范围。。

Claims (4)

1.一种五轴数控机床内雕加工路径的生成方法，其特征在于，其步骤包括：
A．按照雕花设计要求，在平面上绘制雕花曲线；
B．根据雕花设计要求，选择或定义加工刀具；
C．在雕花曲线上指定若干控制点，并按照产品要求给定控制点的刀轴方向和深度；
D．根据各控制点的刀轴方向和深度插值计算出曲线上其他各点的刀轴方向和深度，生成五轴路径；
E．在五轴路径的每一个路径点处按其刀轴方向放置一个刀具曲面，用所有刀具曲面的外包络面模拟内雕花的形状；
F．观察外包络面表示的内雕花形状是否满足设计要求，如果不满足，则调整控制点的位置及刀轴方向和深度，同时更新五轴路径和表示雕花形状的曲面；并进行反复观察和调整，直到雕花形状满足设计要求为止，最后生成的五轴路径即为内雕加工路径。
2.根据权利要求1所述的一种五轴数控机床内雕加工路径的生成方法，其特征在于：步骤D包括：
D1．根据每个控制点的刀轴方向，计算出各控制点的仰角和方位角；其中，仰角是指刀轴方向与水平面之间的夹角，角度范围是－90°～+90°；方位角是指刀轴方向在水平面上的投影方向与X轴之间的夹角，角度范围是0°～360°；对于竖直的刀轴方向方位角无效，只由仰角表示；
D2．根据各控制点的仰角和方位角分别插值计算出各路径点的仰角和方位角；
D3．根据D2中得到的仰角和方位角分别计算出各路径点的刀轴方向；
D4．根据各控制点的深度插值计算出各路径点的深度。
3.根据权利要求2所述的一种五轴数控机床内雕加工路径的生成方法，其特征在于：步骤D2的具体方法为：
对于位于两个控制点之间，并且两个控制点的方位角均存在的路径点，按照加工要求对两个控制点的仰角和方位角分别进行插值计算，得到一组有效的仰角和方位角；
对于位于两个控制点之间，其中一个控制点的方位角不存在的路径点，其仰角由两个控制点的仰角插值计算得到，方位角与另一个控制点的方位角相同；
对于位于曲线端点和一个控制点之间，并且端点为非控制点的路径点，其仰角和方位角与相邻控制点的仰角和方位角相同。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种五轴数控机床内雕加工路径的生成方法，其特征在于：步骤D中所述的插值计算方式有多种。
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