CN102495587B - 一种五轴数控机床批花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批花加工路径的生成方法。首先根据批花刀的截面形状定义一把锥刀，然后根据设计的平面批花形状曲线生成平面批花的五轴锥刀加工路径，再通过加工模拟预览加工效果，对五轴加工路径进行调整，使其满足产品设计要求，然后将平面批花的锥刀加工路径映射到表示产品形状的曲面上生成曲面批花的锥刀加工路径，最后根据锥刀与批花刀的对应关系，将锥刀加工路径转为批花刀的加工路径，从而完成批花路径的编辑。本发明实现了用五轴数控机床进行批花的加工，不再依赖工人的手工技术和经验，加工产品花纹的一致性好；并且生产效率高，生产成本低，同时也缩短了新款花式的开发周期。
Description
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批花加工路径的生成方法。
背景技术
批花图案在首饰、打火机、手表以及一些饰品的设计中经常采用。传统的批花加工是由人手动操作批花机床运动来实现的。这种加工方式对于操作人员的技术要求较高，并且生产效率较低，产品的一致性较差，不利于产品的批量生产安排。随着社会的发展和消费者需求的提高，传统的生产方式逐渐不能满足生产的需要。为满足现代化生产的需要，用五轴数控机床代替传统加工方式成为未来的发展趋势，但是由于批花刀是用侧刃加工，而五轴联动加工的刀具路径点在刀具底端的中心，加工点与刀具路径点不重合，使得调整刀轴控制点的方向时，很难想象出产品的加工效果，从而使刀具路径很难满足产品的加工要求。
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批花加工路径的生成方法，实现用五轴联动数控机床进行批花加工。
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：
一种五轴数控机床批花加工路径的生成方法，包括：
步骤a，根据应用产品的几何数据构造出产品的几何形状曲面；
步骤b，在平面上设计出批花的形状曲线，并根据设计的批花形状定义出批花刀的截面形状；
步骤c，根据批花刀的截面形状定义一把锥刀，保证该锥刀刀尖的加工效果和批花刀侧刃的加工效果相同；
步骤d，根据设计的平面批花形状曲线生成锥刀刀尖加工的五轴路径；
步骤e，通过加工模拟预览加工效果，判断是否满足设计要求；如果与设计形状存在差异，调整五轴加工路径，直到加工效果满足产品设计要求为止；
步骤f，将平面批花的锥刀加工路径映射到步骤a所构造的曲面上，转为曲面批花的锥刀加工路径；
步骤g，通过锥刀和批花刀的对应关系将锥刀刀尖加工的路径转换为批花刀侧刃批花加工的路径。
优选的，上述一种五轴数控机床批花加工路径的生成方法，步骤d中所述的五轴路径的生成方法是：先指定曲线上一些关键控制点处的刀轴方向和深度，曲线上其他点处的刀轴方向和深度由相邻的两个关键控制点处的刀轴方向和深度插值得到，其具体过程为：
d1．在轨迹曲线上指定若干关键控制点，并按照产品要求设定关键控制点的刀轴方向和深度；
d2．根据每个关键控制点的刀轴方向，计算出各关键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；
d3．根据各关键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；
d4．根据d3中得到的仰角和方位角分别计算出各路径点的刀轴方向；
d5．根据各关键控制点的深度插值计算出各路径点的深度，生成五轴路径。
优选的，步骤e中所述的调整五轴加工路径是通过调整关键控制点的位置、方向和深度来实现的。
优选的，上述方法中所述的关键控制点处的方向和深度，可借助锥刀在设计平面上的截面线的形状来设定和调整。
优选的，上述一种五轴数控机床批花加工路径的生成方法，步骤f包括：
f1．计算曲面U向和V向等参数线的最大长度lu和lv；
f2．在路径平面上构建一个矩形，矩形的两条边分别与X轴和Y轴平行，矩形的X方向和Y方向的边长分别为lu和lv，矩形相对于平面路径的位置与曲面相对于批花的位置一致；
f3．将平面矩形区域与一个二维参数区域对应起来，矩形的左下角点对应参数（0，0）点，矩形的右上角点对应参数（1，1）点，矩形内的平面路径根据每个路径点的二维坐标可以得到一组对应的参数值（u，v）；
f4．根据得到的每个路径点的二维参数值（u，v），在曲面上可以得到一个对应的坐标点，即为曲面上的路径点坐标；
f5．在曲面上的路径点处构建一个局部坐标系，曲面上的路径点作为坐标系的原点，曲面在该点的法向作为坐标系的Z轴方向，根据产品实际需要选择曲面在该点的U向等参数线的切向作为X轴方向，再根据Z轴和X轴的方向计算出Y轴的方向；或者选择曲面在该点的V向等参数线的切向作为Y轴方向，再根据Z轴和Y轴的方向计算出X轴的方向；
f6．将平面上路径点的刀轴方向向量V（i，j，k）作为曲面上对应路径点处局部坐标系里的向量，再将该向量换算到世界坐标系，即为曲面上路径点处的刀轴方向。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过对锥刀五轴加工路径的编辑与调整，利用批花刀与锥刀的对应关系，实现了用五轴数控机床进行批花的加工，不再依赖工人的手工技术和经验，加工产品花纹的一致性好，生产效率高，适合于批量生产；同时也降低了生产成本，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是本发明实施例提供的表示产品形状的曲面示意图。
图3是本发明实施例所设计的平面批花形状曲线示意图。
图4是本发明实施例所设定的批花刀与锥刀形状示意图。
图5是本发明实施例所生成的平面锥刀五轴加工路径示意图。
图6是本发明实施例加工模拟预览时的效果示意图。
图7是本发明实施例映射完成后的曲面锥刀五轴加工路径示意图。
图8是本发明实施例最终生成的五轴批花加工路径示意图。
图9是本发明实施例提供的五轴路径生成方法的流程图。
图10是本发明实施例所指定的曲线关键控制点处方向和深度的俯视效果示意图。
图11是本发明实施例所指定的曲线关键控制点处方向和深度的前视效果示意图。
图12是用来解释本发明实施例插值计算关键控制点得到的曲线上所有路径点刀轴方向和深度的示意图。
图13是本发明实施例提供的平面锥刀加工路径转为曲面加工路径的映射方法流程图。
图14是用来解释本发明实施例提供的将锥刀刀尖加工路径转换为批花刀侧刃批花加工路径方法的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：本发明的一种五轴数控机床批花加工路径的生成方法的流程图如图1所示，根据戒指上批花的编程实例来说明一下本发明的具体实施方式。
步骤101，根据应用产品的几何数据构造出产品的几何形状曲面，图2显示了本实施例构造的一个表示戒指形状的柱状曲面。
步骤102，在平面上设计出批花的形状曲线，并根据设计的批花形状定义出批花刀的截面形状。图3显示的是本实施例中的批花形状曲线，图4中10表示的是根据本实施例的批花形状所选用的批花刀，其侧刃锥度为110°。
步骤103，根据批花刀的截面形状定义一把可与之加工效果保持一致的锥刀。如图4所示，本实施例所选用的锥刀20的锥度与批花刀10的锥度相同为110°，这样可以保证锥刀刀尖的加工效果和批花刀侧刃的加工效果一致。
步骤104，根据设计的批花形状曲线生成锥刀刀尖的五轴加工路径。图5表示的是根据本发明实施例中的批花形状所生成的平面锥刀的五轴加工路径。
步骤105，加工模拟预览加工效果，判断是否满足设计要求。如果与设计形状存在差异，则调整五轴加工路径关键点的位置或方向和深度，直到加工效果满足产品设计要求为止。图6显示了本实施例在加工模拟预览时的效果图。
步骤106，将该平面上的锥刀加工路径映射到步骤101中所构造曲面上，生成曲面的锥刀加工路径。图7表示的即是本发明实施例中映射完成后的曲面五轴锥刀加工路径。
步骤107，通过锥刀和批花刀的对应关系将锥刀刀尖加工的路径转换为批花刀侧刃批花加工的路径，从而完成五轴批花路径的编辑。图8表示的是本发明实施例中最终生成的五轴批花加工路径。
图9显示了本发明实施例步骤104中提供的五轴路径生成方法的流程图，具体实施过程如下：
步骤901，在轨迹曲线上指定关键控制点，并按照产品要求设定关键控制点的刀轴方向和深度。其中，刀轴方向和深度可借助锥刀在设计平面上的截面线的形状来设定和调整，图10和图11分别从俯视和前视两个角度表示了本发明实施例中在曲线上指定的一些关键控制点及其刀轴方向和深度；
步骤902，根据每个关键控制点的刀轴方向，计算出各关键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；
步骤903，根据各关键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；
步骤904，根据步骤903中得到的仰角和方位角分别计算出各路径点的刀轴方向；
步骤905，根据各关键控制点的深度插值计算出各路径点的深度，生成一条五轴路径。图12表示的是上述曲线根据关键控制点插值计算得到的所有路径点的刀轴方向和深度。
图13显示了本发明实施例提供的平面锥刀加工路径转为曲面加工路径的映射方法，具体实施过程如下：
步骤1301，计算曲面U向和V向等参数线的最大长度lu和lv；
步骤1302，在路径平面上构建一个矩形，矩形的两条边分别与X轴和Y轴平行，矩形的X方向和Y方向的边长分别为lu和lv，矩形相对于平面路径的位置与曲面相对于批花的位置一致；
步骤1303，将平面矩形区域与一个二维参数区域对应起来，矩形的左下角点对应参数（0，0）点，矩形的右上角点对应参数（1，1）点，矩形内的平面路径根据每个路径点的二维坐标可以得到一组对应的参数值（u，v）；
步骤1304，根据得到的每个路径点的二维参数值（u，v），在曲面上可以得到一个对应的坐标点，即为曲面上的路径点坐标；
步骤1305，在曲面上的路径点处构建一个局部坐标系，曲面上的路径点作为坐标系的原点，曲面在该点的法向作为坐标系的Z轴方向，根据产品实际需要选择曲面在该点的U向等参数线的切向作为X轴方向，再根据Z轴和X轴的方向计算出Y轴的方向；或者选择曲面在该点的V向等参数线的切向作为Y轴方向，再根据Z轴和Y轴的方向计算出X轴的方向；
步骤1306，将平面上路径点的刀轴方向向量V（i，j，k）作为曲面上对应路径点处局部坐标系里的向量，再将该向量换算到世界坐标系，即为曲面上路径点处的刀轴方向。
图14是用来解释本发明实施例提供的将锥刀刀尖加工路径转换为批花刀侧刃批花加工路径的方法：如图14中所示，将锥刀的路径点pnt1转为批花刀的路径点pnt2，并将锥刀路径的刀轴方向axis1转为批花刀路径的刀轴方向axis2，从而由曲面上的锥刀加工路径转成批花刀的加工路径。
综上所述，本发明实现了用五轴数控机床进行批花的加工，不再依赖工人的手工技术和经验；相对于手工操作，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，并且加工产品花纹的一致性好，适合于批量生产。
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 (5)
1.一种五轴数控机床批花加工路径的生成方法，其特征在于，其主要步骤包括：
步骤a，根据应用产品的几何数据构造出产品的几何形状曲面；
步骤b，在平面上设计出批花的形状曲线，并根据设计的批花形状定义出批花刀的截面形状；
步骤c，根据批花刀的截面形状定义一把锥刀，保证该锥刀刀尖的加工效果和批花刀侧刃的加工效果相同；
步骤d，根据设计的平面批花形状曲线生成锥刀刀尖加工的五轴路径，其生成方法是：先指定曲线上一些关键点处的刀轴方向和深度，曲线上其他点处的刀轴方向和深度由相邻的两个关键点处的刀轴方向和深度插值得到；
步骤e，通过加工模拟预览加工效果，判断是否满足设计要求；如果与设计形状存在差异，调整五轴加工路径，直到加工效果满足产品设计要求为止；
步骤f，将平面批花的锥刀加工路径映射到步骤a所构造的曲面上，转为曲面批花的锥刀加工路径，具体方法如下：
f1．计算曲面U向和V向等参数线的最大长度lu和lv；
f2．在路径平面上构建一个矩形，矩形的两条边分别与X轴和Y轴平行，矩形的X方向和Y方向的边长分别为lu和lv，矩形相对于平面路径的位置与曲面相对于批花的位置一致；
f3．将平面矩形区域与一个二维参数区域对应起来，矩形的左下角点对应参数（0，0）点，矩形的右上角点对应参数（1，1）点，矩形内的平面路径根据每个路径点的二维坐标可以得到一组对应的参数值（u，v）；
f4．根据得到的每个路径点的二维参数值（u，v），在曲面上可以得到一个对应的坐标点，即为曲面上的路径点坐标；
f5．在曲面上的路径点处构建一个局部坐标系，曲面上的路径点作为坐标系的原点，曲面在该点的法向作为坐标系的Z轴方向，根据产品实际需要选择曲面在该点的U向等参数线的切向作为X轴方向，再根据Z轴和X轴的方向计算出Y轴的方向；或者选择曲面在该点的V向等参数线的切向作为Y轴方向，再根据Z轴和Y轴的方向计算出X轴的方向；
f6．将平面上路径点的刀轴方向向量V（i，j，k）作为曲面上对应路径点处局部坐标系里的向量，再将该向量换算到世界坐标系，即为曲面上路径点处的刀轴方向；
步骤g，通过锥刀和批花刀的对应关系将锥刀刀尖加工的路径转换为批花刀侧刃批花加工的路径。
2.根据权利要求1所述的一种五轴数控机床批花加工路径的生成方法，其特征在于：步骤d中所述的五轴路径的生成方法，其主要步骤包括：
d1．在轨迹曲线上指定若干关键控制点，并按照产品要求设定关键控制点的刀轴方向和深度；
d2．根据每个关键控制点的刀轴方向，计算出各关键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；
d3．根据各关键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；
d4．根据d3中得到的仰角和方位角分别计算出各路径点的刀轴方向；
d5．根据各关键控制点的深度插值计算出各路径点的深度，生成五轴路径。
3.根据权利要求1或2所述的一种五轴数控机床批花加工路径的生成方法，其特征在于：所述的关键点处的刀轴方向和深度的设定是借助锥刀在设计平面上的截面线形状实现的。
4.根据权利要求1或2所述的一种五轴数控机床批花加工路径的生成方法，其特征在于：步骤e中所述的调整五轴加工路径是通过调整关键点的位置、刀轴方向和深度来实现的。
5.根据权利要求4所述的一种五轴数控机床批花加工路径的生成方法，其特征在于：所述的关键点处的刀轴方向和深度的调整是借助锥刀在设计平面上的截面线形状实现的。
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