CN102608954A - 一种基于测量数据的刀具轨迹直接生成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于测量数据的刀具轨迹直接生成方法，通过直接偏置点的方法实现点云曲面的偏置；依据偏置后的点云形状及大小建立参考曲面并在参考曲面上进行刀具轨迹规划；采用有向投影的方法将参考曲面上的刀具轨迹点投影到偏置的点云上得到初始的刀位点信息；然后用分段三次Bezier曲线拟合投影点并采用等弧长的方法对其进行重新采样来生成自适应的刀具轨迹以提高加工精度；依据曲面的连续性特征，采用基于点的局部邻近的正交投影对采样点进行修正以提高精度得到最终的刀位点信息。本发明实现了由测量数据直接生成数控加工的刀具轨迹，避免了繁琐的曲面模型重构过程，实现逆向工程与数控技术的有效集成，不仅提高了制造效率与精度，而且便于实现自动化。
Description
技术领域
本发明涉及机械制造工程领域，特别涉及由测量数据进行实物反求的方法以及数控机床加工中刀具轨迹的优化方法。
背景技术
逆向工程是实现复杂产品批量生产，快速吸收国外先进技术并实现再创新、再设计的重要手段，随着测量技术和制造技术尤其是以数控机床为代表技术的快速发展，测量与制造的精度与效率不断提高，逆向工程与数控加工的集成成为复杂产品的快速制造最具潜力的方式。如何从逆向工程的原始测量数据得到数控加工中所必须的刀具轨迹成为有效实现这种集成的关键问题，传统的处理方法是：通过对测量数据进行一定的预处理，如数据精简、降噪以及分块等，重构出零件的CAD模型，然后依据CAD模型进行加工轨迹规划及后续加工。这种方法经过近几十年的发展已经较为成熟，但是也存在着比较严重的问题：根据测量数据重构零件的曲面模型是一个非常繁琐且费时的工作，具有很强的主观性，不同的操作人员针对同样的测量数据得到的结果差别可能很大，操作人员的主观失误可能导致使用精度较高的测量数据也不能得到满意的结果，而对于精度较低的测量数据，即使专业的建模人员也难以得到理想的建模结果，这就导致了传统的逆向工程难以推广应用以及更进一步的发展。对于自动化程度日益提高的制造领域来说，必须寻求一种有效的解决办法来实现逆向工程与数控技术的无缝结合。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种基于测量数据的刀具轨迹直接生成方法，以解决现有技术存在的问题。针对散乱的测量数据，通过对点云的偏置，结合建立的参考曲面采用有向投影的方法直接生成数控加工的刀具轨迹，避免了传统逆向工程中复杂的曲面建模过程，解决了逆向工程与数控加工集成中的关键问题，从而提高生产效率。
为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案予以实现：
一种基于测量数据的刀具轨迹直接生成方法，包括以下步骤：
步骤一，对测量数据形成的点云中的每一点沿其法向量方向进行偏置来实现点云的整体偏置；
步骤二，根据偏置后的点云的形状及大小构造参考曲面并在参考曲面上规划刀具轨迹；
步骤三，采用有向投影的方法将参考曲面上每条刀具轨迹上的采样点投影到偏置的点云上，得到对应的投影点，这些点作为初始的刀位点；
步骤四，将每一条刀具轨迹对应的初始刀位点采用分段三次Bezier曲线进行拟合；
步骤五，对步骤四中的拟合曲线采用等弧长的方式重新采样生成自适应的采样点；
步骤六，依据曲面的连续性，对步骤五中的每一个采样点利用最小二乘法进行修正，得到最终的刀位点。
本发明进一步的改进在于，所述基于测量数据的刀具轨迹直接生成方法还包括以下步骤：步骤七，将步骤六中得到的最终的刀位点信息输入到CAM软件中生成用于实际加工的数控程序。
本发明进一步的改进在于，步骤一中，偏置的距离为球头刀具的半径值，通过构造局部曲面来验证偏置点云中的自交点并进行剔除，采用球形插值的方法来填补出现的点云漏洞。
本发明进一步的改进在于，步骤二中，参考曲面为平面或圆柱面；采用垂直于参考平面或者参考曲面的回转轴的等间距平面簇与参考面相交得到刀具轨迹，采用均匀分布的方式在刀具轨迹上布置采样点。
本发明进一步的改进在于，步骤二中，非封闭的点云曲面采用平面作为参考曲面，封闭的点云曲面或者具有回转特征的点云曲面采用回转面作为参考曲面。
本发明进一步的改进在于，步骤一中所述测量数据通过非接触测量设备测量待加工件得到。
本发明进一步的改进在于，所述非接触测量设备为激光干涉仪。
相对于现有技术，本发明具有以下优点：本发明实现了由测量数据直接生成刀具轨迹的目标，从而解决了逆向工程与数控技术集成中的关键问题。通过直接偏置点的方法实现点云曲面的偏置从而避免了刀具半径补偿的问题；采用有向投影的方法，将简单参考曲面上的规则刀具轨迹点投影到点云表示的曲面上得到刀位点信息，避免了复杂曲面重构的繁琐过程，不仅使算法的通用性得到提高，而且便于实现自动化生产；通过分段三次Bezier曲线拟合以及等弧长分割的方法得到自适应的刀具轨迹，从而保证了加工过程中的稳定性；所采用的移动最小二乘法拟合使得算法对于包含噪声的数据也能取得较好的效果。
附图说明
图1是基于测量数据的自适应刀具轨迹直接生成的流程图；
图2为偏置点云示意图：图2a表示偏置点云自交的判断，其中左边的图表示发生自交的偏置，右边的图表示未发生自交的偏置；图2b表示用球形插值来填补偏置后出现的漏洞；图2c表示点云整体偏置的效果，其中内部较大的点表示原始点云，外部较小的点表示偏置后的点云；
图3表示根据偏置后的点云形状及大小构造的参考曲面以及在参考曲面上规划的刀具轨迹及布置的采样点，其中内部稠密点云表示偏置后的点云，外部的圆分别表示每一条刀具轨迹，圆上的点表示布置的采样点；
图4a是有向投影示意图，其中
为投影方向，x为初始投影点，x1，x2，xi …表示迭代过程中的投影点；图4b表示采用有向投影的方法将参考曲面上的刀具轨迹采样点投影到偏置后的点云上生成初始的刀位点，其中密集点表示偏置后的点云，外部圆上的空心点表示参考曲面上的刀具轨迹采样点，内部较大的实心点表示投影得到的初始刀位点；
图5表示对其中一条刀具轨迹对应的投影点采用分段三次Bezier曲线拟合的结果，其中小点表示投影点，较大点表示分段Bezier曲线的分段点，实线表示拟合曲线；
图6表示对拟合的Bezier曲线采用等弧长重新采样得到的自适应采样点，其中实线表示拟合的曲线，实心点表示自适应采样点；
图7表示对上一步得到的刀位点依据曲面的连续性采用局部最小二乘法进修正得到的更精确的刀位点，这些刀位点作为最终的刀位点信息用于数控成程序的编制。
具体实施方式
本发明的基于测量数据的数控加工刀具轨迹直接生成方法，其整个生成过程如图1所示，其具体包括以下步骤：
(1)采用直接偏置点的方法对点云曲面(即测量数据，该测量数据通过非接触测量设备如激光干涉仪等测量待加工件得到)进行偏置；
图2c显示了点云偏置的结果，其中内部较大的点表示原始点云，外部较小的点表示偏置后的点云。因为数控编程时需要确定刀具加工时的刀位点信息，即刀具中心的运动轨迹；而刀具具有一定的体积，刀位点通常偏离待加工曲面一定的距离，本发明中偏置的距离为球头刀具的半径值。对点云曲面的偏置是通过直接对点云中的每一点沿其法向进行偏置来得到的，对于偏置引起的自交或者漏洞现象进行分别处理：通过验证每一点到其对应的偏置点的局部临近曲面的距离来判断并剔除发生自交的点，如图2a所示，其中第一幅图表示不发生自交的偏置，第二幅图表示发生自交的偏置，图中P0表示原始点，P表示偏置点，d表示偏置距离，ε表示设定的容差，当原始点到其对应的偏置点的局部临近的最小距离s小于d时表示发生自交；采用球形插值的方法对偏置引起的点云漏洞进行修补，如图2b所示，其中v1′、v2′和v3′表示偏置后出现漏洞区域的邻近点，v′表示通过球形插值得到的插值点，用来填补漏洞。通过点云曲面的偏置能够直接得到刀位点的信息，而不需要进行刀具半径补偿；
(2)根据偏置后的点云的形状及大小建立参考曲面并在参考曲面上规划刀具轨迹；
图3显示了依据偏置后的点云建立的圆柱面作为参考曲面以及在参考曲面上布置的网格状刀具轨迹。一般来说，参考曲面的形状为平面或者回转面如圆柱面等，其中平面适用于非封闭的点云曲面，回转面适用于封闭的点云曲面或者具有明显回转特征的点云曲面。对于实例中的点云曲面，需要建立圆柱面当作参考曲面，具体的计算方法是，假设PN＝{pi|i＝1，2，...，N}表示由N个离散的三维点Pi＝(xi，yi，zi)构成的点云曲面，则圆柱面的构造方式是首先计算能够包围点云的最小立方体，即找到点云沿X，Y，Z轴的最大及最小坐标；
Xmin＝min(xi) Ymin＝min(yi) Zmin＝min(zi)；
Xmax＝max(xi) Ymax＝max(yi) Zmax＝max(zi)；
则以连接点(Xmin，Ymin，Zmin)和点(Xmax，Ymax，Zmax)的线段作为主对角线的立方体即为所求的最小立方体，建立参考圆柱面的方法就是计算上述立方体的最小外接圆柱面。至于刀具轨迹的规划，本发明中采用常用的等间距平面法，如图3所示，即采用与圆柱面轴线垂直的平行平面簇与圆柱面相交得到刀具轨迹，然后在每一条刀具轨迹上均匀布置采样点；
(3)采用有向投影的方法将参考曲面上的规则采样点投影到点云表示的曲面上作为初始的刀位点；
所采用的有向投影(其具体方法详参Ying-Jie Zhang，A robust and efficientmethod for direct projection on point-sampled surfaces，2010，International Journal ofPrecision Engineering and Manufacturing)主要通过迭代的方法沿着投影方向不断更新投影点的位置直至达到预设的精度。图4a表示的是有向投影的迭代过程，其中x表示的是初始投影点，x1，x2，xi…表示迭代点；图4b表示投影结果，其中内部的密集点表示偏置后的点云，外部圆上的空心点表示参考曲面上的刀具轨迹采样点，内部较大的实心点表示得到的投影点，也即初始的刀位点；
(4)将每一条刀具轨迹对应的初始刀位点采用分段三次Bezier曲线进行拟合；
如图5所示是某一层刀具轨迹对应的投影点的拟合结果，其中较小的点表示对应的投影点，较大的点表示分段曲线的分段点，实线表示拟合的曲线；
(5)对步骤4中的拟合曲线采用等弧长重新采样得到自适应的采样点；
实际加工中为了保持加工状态的稳定性，需要尽量保持恒定的材料去除率，也就是说刀具在切削时相邻刀位点间的距离近似相等。由于采用的投影方法是将规则的采样点投影到点云上，点云曲面的形状变化使得投影点的分布存在一定的随机性，本发明通过对拟合后的曲线进行近似等弧长重新采样来实现。如图6所示，其中实线为拟合曲线，实心点表示等弧长采样得到的自适应采样点；
(6)对步骤5得到的采样点采用基于局部邻近的最小二乘正交投影提高精度，得到最终的刀位点。
为了减小曲线拟合等带来的误差，考虑到曲面的连续性，利用点的局部邻近点对其进行修正以提高精度。如图7所示，其中实线表示拟合曲线，实心点表示上一步得到的采样点，五角星表示修正后的最终的刀位点。
Claims (7)
1.一种基于测量数据的刀具轨迹直接生成方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，对测量数据形成的点云中的每一点沿其法向量方向进行偏置；
步骤二，根据偏置后的点云的形状及大小构造参考曲面并在参考曲面上规划刀具轨迹；
步骤三，采用有向投影的方法将参考曲面上每条刀具轨迹上的采样点投影到偏置的点云上，得到对应的投影点作为初始的刀位点；
步骤四，将每一条刀具轨迹对应的初始刀位点采用分段三次Bezier曲线进行拟合；
步骤五，对步骤四中的拟合曲线采用等弧长的方式重新采样生成自适应的采样点；
步骤六，依据曲面的连续性，对步骤五中的每一个采样点利用最小二乘法进行修正，得到最终的刀位点。
2.根据权利要求1所述的基于测量数据的刀具轨迹直接生成方法，其特征在于，所述基于测量数据的刀具轨迹直接生成方法还包括以下步骤：
步骤七，将步骤六中得到的最终的刀位点信息输入到CAM软件中生成用于实际加工的数控程序。
3.根据权利要求1所述的基于测量数据的刀具轨迹直接生成方法，其特征在于，步骤一中，偏置的距离为球头刀具的半径值；通过构造局部曲面来验证偏置点云中的自交点并进行剔除，采用球形插值的方法来填补出现的点云漏洞。
4.根据权利要求1所述的基于测量数据的刀具轨迹直接生成方法，其特征在于，步骤二中，参考曲面为平面或圆柱面；采用垂直于参考平面或者参考曲面的回转轴的等间距平面簇与参考面相交得到刀具轨迹，采用均匀分布的方式在刀具轨迹上布置采样点。
5.根据权利要求1所述的基于测量数据的刀具轨迹直接生成方法，其特征在于，步骤二中，非封闭的点云曲面采用平面作为参考曲面，封闭的点云曲面或者具有回转特征的点云曲面采用回转面作为参考曲面。
6.根据权利要求1所述的基于测量数据的刀具轨迹直接生成方法，其特征在于，步骤一中所述测量数据通过非接触测量设备测量待加工件得到。
7.根据权利要求6所述的基于测量数据的刀具轨迹直接生成方法，其特征在于，所述非接触测量设备为激光干涉仪。
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