CN103135446A - 一种多轴数控机床刀具运动轨迹验证装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多轴数控机床刀具运动轨迹验证装置。本发明用于检查多轴数控机床的运动控制数据是否满足工件加工精度的要求，包括：加工区域模块，将CAD实体模型数据经处理后，利用空间递归八叉分割方法将实体模型空间分割成若干类型的体素，并将体素定义为不同区域的体素；刀具运动轨迹模块，用于将经过此模块生成的机器坐标系下的机床运动控制数据转换为刀具在工件坐标系下的刀具运动轨迹；刀具运动轨迹验证模块，用于判断刀具运动轨迹是否符合加工精度的要求；仿真绘制模块用于绘制轨迹和实体模型。本发明能够更准确的仿真多轴数控机床的运动情况，并且考虑到了数控系统对数控加工程序的处理过程，使仿真的刀具运动轨迹与真实的加工轨迹更为接近。

Description

一种多轴数控机床刀具运动轨迹验证装置

技术领域

本发明涉及一种多轴数控机床刀具运动轨迹验证装置，尤其涉及在实际加工前对多轴数控机床运动控制数据进行验证，判断依据多轴数控机床运动控制数据形成的机床刀具运动轨迹是否满足工件加工精度的要求，并给出发生欠切和过切的加工轨迹。 

背景技术

多轴数控加工因其具有高效、高精的加工效果，已经广泛应用到航空、航天等领域。对于工件首次使用的数控加工程序，并不能保证其正确性，需要对其验证。数控加工仿真系统能够对数控加工程序进行验证，通过对数控加工代码的解析构造刀具运动的扫描体，利用空间体素模型建立毛坯模型，比如dexel、voxel等。加工仿真时将刀具运动的扫描体与毛坯的空间体素模型进行布尔减运算，从而实现毛坯的动态材料祛除仿真。最后通过将仿真加工后的模型与设计模型进行比较来验证数控加工代码的正确性。由于毛坯是采用空间体素模型表达实体，是一种近似的描述实体的方式，所以刀具扫描体与毛坯布尔减运算后的结果会有一定的误差。因此，仿真加工后的模型与真实加工结果就存在有一定误差，由于欠切和过切是出现在较小的量度范围内，这种误差就可能造成验证结果出现错误。此外，刀具运动的扫描体是由数控加工程序直接构造的，只反映了程序本身的特性，缺少数控系统对加工程序处理过程的考虑，所以不能准确反映机床的运动过程。 

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明考虑到数控系统对数控加工程序的处理过程，准确仿真机床的运动情况，并且预测刀具沿运动轨迹加工工件会出现的欠切或过切现象，提供一种多轴数控机床刀具运动轨迹验证装置。 

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种多轴数控机床刀具运动 轨迹验证装置，用于检查多轴数控机床的运动控制数据是否满足工件加工精度的要求，包括： 

加工区域模块，将CAD实体模型数据经处理后，利用空间递归八叉分割方法将实体模型空间分割成若干类型的体素，并将体素定义为不同区域的体素；输入端接收来自刀具运动轨迹模块的刀具参数；输出体素位置数据至刀具运动轨迹验证模块；输出本装置实体模型数据至仿真绘制模块； 

刀具运动轨迹模块，用于将经过此模块生成的机器坐标系下的机床运动控制数据转换为刀具在工件坐标系下的刀具运动轨迹；输出刀具参数至加工区域模块；输出刀具运动轨迹至仿真绘制模块和刀具运动轨迹验证模块； 

刀具运动轨迹验证模块，用于判断刀具运动轨迹是否符合加工精度的要求，给出欠切和过切的情况分析；输入端接收来自加工区域模块的体素位置数据；输入端接收来自刀具运动轨迹模块的刀具运动轨迹；输出刀具运动轨迹信息至仿真绘制部件； 

仿真绘制模块，输入端接收来自加工区域模块的实体模型数据，输入端接收来自刀具运动轨迹模块的刀具运动轨迹；输入端接收来自刀具运动轨迹验证模块的刀具运动轨迹信息。 

所述加工区域模块包括： 

CAD接口部件，用于处理CAD实体模型数据，将存储在非易失性存储器中的CAD系统的实体模型数据格式转化为本装置的实体模型数据格式，输出至加工区域划分部件； 

加工区域划分部件，根据实体模型加工区域的划分原理，使用空间递归八叉分割方法，将实体模型空间分割成若干类型的体素，并将体素定义为加工区域体素、准加工区域体素、过切区域体素和欠切区域体素；通过加工区域数据存储器输出体素位置数据至刀具运动轨迹模块。 

所述刀具运动轨迹模块包括： 

数控加工代码解析部件，用于负责解析数控加工代码的指令，描述刀具运 动轨迹中的坐标点；接收存储在非易失性存储器的数控加工程序文件；输出刀具运动轨迹中的坐标点至加工数据插补部件； 

加工数据插补部件，将数控加工代码解析部件生成的刀具运动轨迹的坐标点进行密化，根据加工精度生成机器坐标系下的机床运动控制数据至刀具运动轨迹转换部件； 

刀具运动轨迹转换部件，利用按周期采集的机器坐标系下的机床运动控制数据和使用的刀具参数计算出工件坐标系下刀具的控制点坐标点和刀轴矢量，并将坐标点之间用线段连接构成刀具的运动轨迹，通过刀具运动轨迹缓存器输出至仿真绘制模块和刀具运动轨迹验证模块。 

所述仿真绘制部件包括： 

实体模型绘制部件，以实体模型的三角面片为渲染单位，显示设计的三维实体模型；输入端接收来自加工区域模块的本装置实体模型数据；输入端接收来自刀具运动轨迹验证模块的刀具运动轨迹信息； 

轨迹绘制部件，绘制刀具的运动轨迹，并且用特殊颜色显示发生欠切和过切的点及其对应的加工平面；输入端接收来自刀具运动轨迹模块的刀具运动轨迹；输入端接收来自刀具运动轨迹验证模块的刀具运动轨迹信息。 

所述空间递归八叉分割方法包括以下步骤： 

步骤1.以包围盒为根体素，在体素中记录实体模型三角面片； 

步骤2.利用加工区域体素对当前体素进行类型判断； 

步骤3.如果该体素是加工区域体素，进行步骤4；如果该体素不是加工区域体素，则将该体素在空间上等分为八个子体素，进行步骤4； 

步骤4.判断下一个体素； 

步骤5.如果空间中存在需要再分割的体素，返回步骤2；如果空间中不存在需要再分割的体素，递归八叉分割结束。 

所述利用加工区域体素对当前体素进行类型判断的方法包括以下步骤： 

步骤1.选取该体素的母体素内第一个三角面片； 

步骤2.设置为当前三角面片； 

步骤3.判断三角面片是否有顶点在体素内； 

步骤4.如果有顶点在体素内，则记录三角面片在此体素内，进行步骤5；如果没有顶点在体素内，则判断三角面片是否与体素相交；如果三角面片不与体素相交，则进行步骤5；如果三角面片与体素相交，则则记录三角面片在此体素内，进行步骤5； 

步骤5.判断该三角面片是否为体素内的最后一个三角面片； 

步骤6.如果是，判断该体素中是否含有三角面片，进行步骤7；如果为否，则选取下一个三角面片，返回步骤2； 

步骤7.如果是，则判断体素的边长是否大于 

进行步骤8；如果否，则进行欠切区域体素和过切区域体素判断； 

步骤8.如果体素的边长大于 

则设定此体素为加工区域体素，结束；如果为否，则设定此体素为边界体素，结束。 

所述欠切区域体素和过切区域体素判断包括以下步骤： 

步骤1.判断该体素的邻居体素是否为加工区域体素； 

步骤2.如果是，则此体素设置为准加工区域体素；如果为否，则进行步骤3； 

步骤3.判断体素是否在实体模型内部； 

步骤4.如果是，则此体素设置为过切区域体素，结束；如果为否，则此体素设置为欠切区域体素，结束； 

所述邻居体素为在当前体素周围与该体素有公共面和公共顶点的体素。 

所述判断是否符合加工精度的要求包括以下步骤： 

步骤1.从刀具运动轨迹缓存器中取出第一个点； 

步骤2.定位包含该点的没有子体素的体素； 

步骤3.判断此体素的类型是否为准加工区域体素； 

步骤4.如果是，则计算该点到对应加工面的距离t’；如果为否，则进行步骤6； 

步骤5.判断t’是否大于加工误差t；如果是，则进行步骤6；如果否，则进行步骤8； 

步骤6.判断该体素是否为过切区域体素；如果是，则记录此点和对应平面是否记录到相应的过切链表中，进行步骤7；如果为否，则进行步骤7； 

步骤7.判断该体素是否为欠切区域体素；如果是，则判断此点和对应平面是否记录到相应的欠切链表中，进行步骤8；如果为否，则进行步骤8； 

步骤8.取轨迹上的下一个点； 

步骤9.判断刀具运动轨迹缓存器中的轨迹数据是否全部验证完毕； 

步骤10.如果是，结束判断；如果否，返回步骤2。 

所述刀具参数为刀具半径； 

所述不同区域的体素为加工区域体素、准加工区域体素、过切区域体素和欠切区域体素； 

所述准加工区域体素可以拥有两种体素类型； 

所述刀具运动轨迹信息为过切链表和欠切链表。 

所述实体模型加工区域的划分包括以下步骤： 

步骤1.将实体模型的包围盒作为根体素进行分割，以实体模型的边界面为加工区域参考表面，在距参考表面有向距离为加工误差一半的空间范围内为加工区域空间；实体包围盒尺寸依据实体模型的最大和最小坐标值确定，在确定包围盒尺寸时，需要将长度和宽度值加上所选刀具半径的1.5倍。 

步骤2.除加工区域空间外，若在实体内则为过切区域空间； 

步骤3.在实体或包围盒外都为欠切区域空间。 

本发明具有以下有益效果： 

1 能够更准确的仿真多轴数控机床的运动情况，并且考虑到了数控系统对数控加工程序的处理过程，使仿真的刀具运动轨迹与真实的加工轨迹更为接近。 

2 将轨迹点的误差距离计算简化为点在不同加工区域的判断，加速了轨迹 的验证计算过程。 

3 通过实体模型各类加工区域体素的建立，能够更准确、详细的给出欠切和过切的情况分析，能够准确预测刀具运动轨迹是否满足加工精度的要求。 

附图说明

图1是本发明的多轴数控机床刀具运动轨迹验证装置的实施方式的整体结构图； 

图2是本发明的多轴数控机床刀具运动轨迹验证装置的实施方式的硬件结构图； 

图3是加工区域划分部件中根据实体模型的包围盒和边界面的实体加工区域划分原理图； 

图4是对加工区域划分部件中的实体模型空间八叉分割的流程图； 

图5-1是对加工区域划分部件中的实体模型空间的三种体素类型判断的流程图； 

图5-2是图5-1所示的流程图中的过切区域体素和欠切区域体素判断的流程图； 

图6-1是加工区域数据中含有实体模型表面三角面片顶点的边界体素的结构图； 

图6-2是加工区域数据中含有实体模型表面三角面片，并且边长为 

的加工区域体素的结构图； 

图6-3是一个体素和它的邻居体素在OXY投影面上位置关系的示意图； 

图7是AC双转台五轴数控机床中，工件坐标系、刀具坐标系、机器坐标系、XYZ轴坐标系、AC轴坐标系及他们的关系； 

图8是对刀具运动轨迹验证部件中刀具运动轨迹验证的流程图。 

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。 

本装置解决其技术问题所采用的技术方案是：将装置分为四个核心的模块： 加工区域模块、刀具运动轨迹模块、刀具运动轨迹验证模块和仿真绘制模块。 

加工区域部件由CAD接口部件和加工区域划分部件组成。实体模型加工区域划分原理将实体模型空间分割为加工区域体素、准加工区域体素、过切区域体素和欠切区域体素。 

CAD接口部件负责处理来自CAD系统设计的实体模型数据，将CAD系统的实体模型数据格式转化为本装置的实体模型数据格式。加工区域划分部件根据实体模型加工区域的划分原理，使用空间的八叉分割方法，将实体模型空间分割成若干类型的体素，并将体素定义为加工区域体素、准加工区域体素、过切区域体素和欠切区域体素。这些类型体素将整个实体模型在空间上划分为加工区域空间、过切区域空间和欠切区域空间。体素的位置数据信息以树形数据结构存储在加工区域数据存储器。 

刀具运动轨迹部件由数控加工代码解析部件、加工数据插补部件和刀具运动轨迹转换部件组成。主要负责将经过此部件生成的机床运动控制数据转换为刀具在工件坐标系下运动情况的刀具运动轨迹。 

数控加工代码解析部件负责解释数控加工代码的指令，描述刀具运动轨迹中的坐标点。加工数据插补部件是将上一部生成的刀具运动轨迹的坐标点进行密化，根据加工精度生成机床坐标系下的机床运动控制数据。刀具运动轨迹转换部件是利用按周期采集的机床运动控制数据和使用的刀具参数计算出工件坐标系下刀具的控制点坐标点和刀轴矢量，并将坐标点之间用线段连接构成刀具的运动轨迹。 

刀具运动轨迹验证部件负责判断刀具运动轨迹上的控制点与实体模型各类型区域之间的关系，通过确定轨迹上的控制点在加工区域体素、准加工区域体素、过切区域体素或是欠切区域体素中，给出刀具沿运动轨迹加工工件会出现的欠切或过切点，从而验证刀具运动轨迹。 

实体模型加工区域的划分原理，如图2所示，将实体模型的包围盒作为根体素进行分割，以实体模型的边界面为加工区域参考表面，在距参考表面有向距离为加工误差一半的空间范围内为加工区域空间。除加工区域空间外，若在 实体内则为过切区域空间、在实体或包围盒外都为欠切区域空间。实体包围盒尺寸依据实体模型的最大和最小坐标值确定，在确定包围盒尺寸时，需要将长度和宽度值加上所选刀具半径的1.5倍。 

空间分割方法是对实体模型加工区域的包围盒空间做八叉递归分割，分割的同时判断体素的三种体素类型。 

三种体素类型的判断是通过检查体素中是否包含有实体模型的边界信息，以及体素的边长是否达到给定的阈值，满足上诉两条件的体素内的点到该体素对应加工面的距离都小于此阈值，当阈值不大于加工误差t时该点满足加工误差的要求，此体素被定义为加工区域体素。此外，此体素邻居体素的点也有可能满足加工误差的要求，所以定义邻居体素为准加工区域体素，准加工区域体素也可以同时再被定义为过切区域体素或欠切区域体素。若不满足上诉两条件则根据图5-2的欠切和过切区域体素判断方法，判断欠切和过切区域体素。 

刀具运动轨迹验证过程是利用刀具运动轨迹部件构造的刀具运动轨迹的控制点和加工区域部件中的加工区域数据，判断所要分析的点位于哪一类型体素中，从而确定此点位于哪类区域空间中，快速确定过切点和欠切点。对于准加工区域体素的点，计算其到对应加工面的距离，与给定加工误差比较，判断是否发生过切和欠切，并将过切或欠切点和对应加工平面保存于对应链表中。 

仿真绘制部件由实体模型绘制部件和轨迹绘制部件组成。实体模型绘制部件以实体模型的三角面片为渲染单位，显示设计的三维实体模型。轨迹绘制部件负责绘制刀具的运动轨迹，并且用特殊颜色显示发生欠切和过切的点及其对应的加工平面。 

CPU控制整个硬件的运行并实现数值和逻辑运算功能。RAM存储变量数据，例如，本装置实体模型数据、刀具参数、机床运动控制数据。同时要在RAM中划分固定部分作为加工区域数据存储器。ROM存储整个装置各部件的程序，例如，CAD接口部件、加工区域划分部件、数控加工代码解析部件、加工数据插补部件、刀具运动轨迹转换部件、实体模型绘制部件、轨迹绘制部件、刀具运动轨迹验证模块。CAD实体模型数据和数控加工程序文件通过键盘输入到非易失性存储器 中。GPU负责处理实体模型绘制和轨迹绘制过程中的计算和图形渲染。刀具运动轨迹RAM是刀具运动缓存器，存储工件坐标系下刀具运动轨迹上的控制点。显示器负责显示实体模型和刀具运动轨迹，并利用不同颜色显示过切点和欠切点及其对应加工平面。各部分硬件之间通过总线连接实现数据的通讯。 

图1是多轴数控机床刀具运动轨迹装置的实施方式整体结构图。依据图所示，CAD系统设计的CAD模型文件经过本装置的CAD接口部件处理后，转换为本装置所能处理的实体模型数据格式，实体模型数据由组成实体表面的所有三角面片组成，每个三角面片规定了三个顶点的坐标。 

图2是实体模型的加工区域划分原理示意图。首先，根据实体表面的所有三角面片的顶点坐标，搜索出最大的坐标点P_max和最小的坐标点P_min，则实体模型包围盒边长L用公式(1)计算，其中r是由刀具参数给出的刀具半径。 

L＝P_max-P_min+1.5×r    (1) 

然后，以CAD设计的实体模型表面作为加工区域参考表面，建立对于加工区域参考表面的距离域空间，到加工区域参考表面有向距离为d/2的空间定义为加工区域空间，d是设定的允许加工误差。除加工区域空间外，其它空间在实体内部空间的定义为过切加工区域空间，实体外部及包围盒外部的为欠切加工区域空间。此划分原理将设计的实体模型在空间上划为三个类型的空间，加工区域空间、过切区域空间、欠切区域空间。加工区域划分部件依据上述原理将实体模型分割为相对应的类型体素。 

本装置的实体模型数据输入到加工区域划分部件中，按照上述方法构造包围盒，然后对包围盒空间进行空间递归八叉分割，处理过程如图3流程所示。首先将包围盒设定为根空间对应的根体素，将实体模型的所有三角面片信息记录在根体素中，然后利用加工区域体素判断方法对当前体素进行类型判断，如果此体素不是加工区域体素，则对该体素进行递归的八叉分割，即将此体素在空间上等分为八个子体素，最后设定下一个处理的体素。循环进行此分割过程，循环结束的条件为体素递归分割的结束，也就是空间中不存在需要再分割的体 素。加工区域体素判断方法依据图5-1中的流程执行，选定该体素的母体素中的第一个三角面片并将其设定为当前处理的对象。进行三角面片的顶点在体素内的测试，如果有顶点在体素内，则将此三角面片信息记录在体素中，若体素中没有顶点，则进行三角面片与体素的相交测试，若测试成功，同样将此三角面片信息记录在体素中。然后选取下一个三角面片进行同样地处理，直到母体素中的所有三角面片检测完毕。这一过程将母体素中的三角面片分配到所属的子体素中去。如果该子体素中含有三角面片信息，并且体素的边长不大于 

则此体素为加工区域体素，若体素边长大于 

则为边界体素，对边界体素要进行空间的八叉分割。图5-1所示为含有三角面片顶点信息的边界体素，图5-2所示为三角面片与体素相交并且边长为 

的加工区域体素。若体素不与三角面片相交，则进行欠切区域体素和过切区域体素的判断。 

欠切区域体素或过切区域体素的判断依据图5-2中的流程执行，首先判断此体素的邻居体素是否是加工区域体素，邻居体素与当前体素的在oxy投影面的位置关系如图6-3所示，如果邻居体素是加工区域体素则该体素定义为准加工区域体素。然后检测体素是否在实体模型的内部，若在实体内部则定义为过切区域体素，否则定于为欠切区域体素。准加工区域体素可以拥有两种体素类型，例如，一个体素可以拥有准加工区域体素和过切区域体素类型，或准加工区域体素和欠切区域体素类型。 

实体模型的加工区域划分结束后，将整个体素的数据以树的数据结构存储到加工区域数据存储器中。 

刀具运动轨迹部件是由机床的运动控制数据计算刀具在工件坐标系下的轨迹，机床的运动控制数据格式为(X，Y，Z，R₁，R₂)，其中(X，Y，Z)是机床线性轴在机床坐标系下的运动位移，(R₁，R₂)为其中两个旋转轴的旋转位移。刀具运动轨迹转换部件负责将上述的数据转化为刀具在工件坐标系下的刀具控制点坐标(x，y，z)和刀轴矢量(i，j，k)。刀具运动轨迹转换部件首先按照机床的配置信息建立机床的运动学模型，建立三个线性轴的坐标系、两个旋转轴的坐标系和工件 坐标系、机器坐标系、刀具坐标系之间的关系。 

刀具的轨迹是由机床多轴的联动运动合成，通过各个坐标系之间的关系建立运动链，使用平移和旋转变换可以互相转换两个坐标系中的坐标。则坐标系j中点^jP_j经过线性和旋转变换后在i坐标下的点 

可以按下述方法计算。坐标系j中的点^jP_j坐标可以看做是相对坐标系j的原点^jO_j做三个线性方向上的平移变化，用公式(2)计算，其中， 

是^jP_j在坐标系j中的坐标，Trans是平移变换矩阵。坐标系j中的点在坐标系i中的坐标^jP_i可以看做^jP_j做了一个平移变换，用公式(3)计算，其中， 

是坐标系j的原点^jO_j在坐标系i中的向量。 

^jP_j绕i坐标系的x，y，z轴旋转后在坐标系i中的点 

可以用公式(4)计算，Rotx，Roty，Rotz分别是绕x，y，z轴的旋转变换矩阵，(R_x，R_y，R_z)分别是绕x，y，z轴旋转的角度。 

$P_j^j=O_j^j\×\mathrm{Trans}\left(\stackrel{\→}{V_x^j}\right)\×\mathrm{Trans}\left(\stackrel{\→}{V_y^j}\right)\×\mathrm{Trans}\left(\stackrel{\→}{V_z^j}\right)---\left(2\right)$

$P_i^j=P_j^j\×\mathrm{Trans}\left(\stackrel{\→}{L_i^j}\right)---\left(3\right)$

$P_i^{j,R_x,R_y,R_z}=P_i^j\×\mathrm{Rotx}\left(R_x\right)\×\mathrm{Roty}\left(R_y\right)\·\mathrm{Rotz}\left(R_z\right)---\left(4\right)$

以AC双转台机床为例，图6所示，刀具在工件坐标系下运动轨迹是工件的初始控制点经过三个线性轴和两个旋转轴合成运动后形成，可以用上述的过程计算。首先建立各个坐标系间的关系，确立各个坐标系原点之间的相对位置，然后确立平移变换和旋转变换的位移量，刀具在工件坐标系下的控制点坐标 

可以用公式(5)计算，其中三个线性轴的坐标系与机器坐标系重合，A和C坐标系与X，Z轴坐标系重合。 

$T_w^{t,x,y,z,R_A,R_C}=T_t^t\×\mathrm{Trans}\left(\stackrel{\→}{L_M^t}\right)\×\mathrm{Trans}\×(\stackrel{\→}{V_x^M},\stackrel{\→}{V_y^M},\stackrel{\→}{V_Z^M})\×\mathrm{RotA}\left(R_A\right)\×\mathrm{RotC}\left(R_C\right)\×\mathrm{Trans}\left(\stackrel{\→}{L_W^M}\right)---\left(5\right)$

^tT_t是刀具控制点初始坐标和刀轴姿态，根据所使用的刀具参数选择刀具的控制点， 

是刀刀具坐标系t的原点在机床坐标系M中的向量， 

是机床运动控制数据中线性轴位移量，(R_A，R_C)是机床运动控制数据中A和C轴的 旋转位移， 

是机器坐标系M原点在工件坐标系W中的向量。 

刀具运动轨迹部件按照采集周期Δt采集机床的运动控制数据，经过上诉的计算过程计算出工件坐标系下的刀具控制点和刀轴矢量，并将其按照时间序列顺序存储在一个环形的刀具运动轨迹缓存器中。 

刀具运动轨迹缓存器和加工区域数据存储器中的数据会输入到刀具运动轨迹验证部件中，部件会按照图7的流程验证刀具运动轨迹是否符合加工精度的要求。首先从刀具运动轨迹缓存器中取出第一个点，在加工区域数据存储器中的树形数据结构中定位包含此点的没有子体素的体素，也就是树形数据结构的叶子结点。此体素的属性如果是准加工区域体素，则计算此点到对应加工平面的距离t’，如果t’大于加工误差t，则检查此体素是过切区域体素或是欠切区域体素，并将该点和对应的平面记录到相应的过切链表或欠切链表中。如果体素属性是加工区域体素，则取下一个轨迹上的点，循环上述的处理，循环结束的条件是刀具运动轨迹缓存器中的轨迹数据全部验证完毕。 

本装置实体模型数据和刀具运动轨迹缓存器中的数据输入到仿真绘制部件中，实体模型绘制部件以实体模型表面的每个三角面片为渲染单元，显示设计的三维实体模型。轨迹绘制部件以一定的帧率绘制刀具运动轨迹控制点及其之间的连线，并且将欠切链表和过切链表中的欠切点和过切点及其对应加工平面，用特殊的颜色显示。 

Claims (10)

1.一种多轴数控机床刀具运动轨迹验证装置，用于检查多轴数控机床的运动控制数据是否满足工件加工精度的要求，其特征在于，包括：

加工区域模块，将CAD实体模型数据经处理后，利用空间递归八叉分割方法将实体模型空间分割成若干类型的体素，并将体素定义为不同区域的体素；输入端接收来自刀具运动轨迹模块的刀具参数；输出体素位置数据至刀具运动轨迹验证模块；输出本装置实体模型数据至仿真绘制模块；

刀具运动轨迹模块，用于将经过此模块生成的机器坐标系下的机床运动控制数据转换为刀具在工件坐标系下的刀具运动轨迹；输出刀具参数至加工区域模块；输出刀具运动轨迹至仿真绘制模块和刀具运动轨迹验证模块；

刀具运动轨迹验证模块，用于判断刀具运动轨迹是否符合加工精度的要求，给出欠切和过切的分析；输入端接收来自加工区域模块的体素位置数据；输入端接收来自刀具运动轨迹模块的刀具运动轨迹；输出刀具运动轨迹信息至仿真绘制部件；

仿真绘制模块，输入端接收来自加工区域模块的实体模型数据，输入端接收来自刀具运动轨迹模块的刀具运动轨迹；输入端接收来自刀具运动轨迹验证模块的刀具运动轨迹信息。

2.根据权利要求1所述的一种多轴数控机床刀具运动轨迹验证装置，其特征在于，所述加工区域模块包括：

CAD接口部件，用于处理CAD实体模型数据，将存储在非易失性存储器中的CAD系统的实体模型数据格式转化为本装置的实体模型数据格式，输出至加工区域划分部件；

加工区域划分部件，根据实体模型加工区域的划分原理，使用空间递归八叉分割方法，将实体模型空间分割成若干类型的体素，并将体素定义为加工区域体素、准加工区域体素、过切区域体素和欠切区域体素；通过加工区域数据存储器输出体素位置数据至刀具运动轨迹模块。

3.根据权利要求1所述的一种多轴数控机床刀具运动轨迹验证装置，其特征在于，所述刀具运动轨迹模块包括：

数控加工代码解析部件，用于负责解析数控加工代码的指令，描述刀具运动轨迹中的坐标点；接收存储在非易失性存储器的数控加工程序文件；输出刀具运动轨迹中的坐标点至加工数据插补部件；

加工数据插补部件，将数控加工代码解析部件生成的刀具运动轨迹的坐标点进行密化，根据加工精度生成机器坐标系下的机床运动控制数据至刀具运动轨迹转换部件；

刀具运动轨迹转换部件，利用按周期采集的机器坐标系下的机床运动控制数据和使用的刀具参数计算出工件坐标系下刀具的控制点坐标点和刀轴矢量，并将坐标点之间用线段连接构成刀具的运动轨迹，通过刀具运动轨迹缓存器输出至仿真绘制模块和刀具运动轨迹验证模块。

4.根据权利要求1所述的一种多轴数控机床刀具运动轨迹验证装置，其特征在于，所述仿真绘制部件包括：

实体模型绘制部件，以实体模型的三角面片为渲染单位，显示设计的三维实体模型；输入端接收来自加工区域模块的本装置实体模型数据；输入端接收来自刀具运动轨迹验证模块的刀具运动轨迹信息；

轨迹绘制部件，绘制刀具的运动轨迹，并且用特殊颜色显示发生欠切和过切的点及其对应的加工平面；输入端接收来自刀具运动轨迹模块的刀具运动轨迹；输入端接收来自刀具运动轨迹验证模块的刀具运动轨迹信息。

5.根据权利要求1所述的一种多轴数控机床刀具运动轨迹验证装置，其特征在于，所述空间递归八叉分割方法包括以下步骤：

步骤1.以包围盒为根体素，在体素中记录实体模型三角面片；

步骤2.利用加工区域体素对当前体素进行类型判断；

步骤3.如果该体素是加工区域体素，进行步骤4；如果该体素不是加工区域体素，则将该体素在空间上等分为八个子体素，进行步骤4；

步骤4.判断下一个体素；

步骤5.如果空间中存在需要再分割的体素，返回步骤2；如果空间中不存在需要再分割的体素，递归八叉分割结束。

6.根据权利要求5所述的一种多轴数控机床刀具运动轨迹验证装置，其特征在于，所述利用加工区域体素对当前体素进行类型判断的方法包括以下步骤：

步骤1.选取该体素的母体素内第一个三角面片；

步骤2.设置为当前三角面片；

步骤3.判断三角面片是否有顶点在体素内；

步骤4.如果有顶点在体素内，则记录三角面片在此体素内，进行步骤5；如果没有顶点在体素内，则判断三角面片是否与体素相交；如果三角面片不与体素相交，则进行步骤5；如果三角面片与体素相交，则则记录三角面片在此体素内，进行步骤5；

步骤5.判断该三角面片是否为体素内的最后一个三角面片；

步骤6.如果是，判断该体素中是否含有三角面片，进行步骤7；如果为否，则选取下一个三角面片，返回步骤2；

步骤7.如果是，则判断体素的边长是否大于

进行步骤8；如果否，则进行欠切区域体素和过切区域体素判断；

步骤8.如果体素的边长大于

则设定此体素为加工区域体素，结束；如果为否，则设定此体素为边界体素，结束。

7.根据权利要求6所述的一种多轴数控机床刀具运动轨迹验证装置，其特征在于，所述欠切区域体素和过切区域体素判断包括以下步骤：

步骤1.判断该体素的邻居体素是否为加工区域体素；

步骤2.如果是，则此体素设置为准加工区域体素；如果为否，则进行步骤3；

步骤3.判断体素是否在实体模型内部；

步骤4.如果是，则此体素设置为过切区域体素，结束；如果为否，则此体素设置为欠切区域体素，结束；

所述邻居体素为在当前体素周围与该体素有公共面和公共顶点的体素。

8.根据权利要求1所述的一种多轴数控机床刀具运动轨迹验证装置，其特征在于：所述判断刀具运动轨迹是否符合加工精度的要求，给出欠切和过切的分析包括以下步骤：

步骤1.从刀具运动轨迹缓存器中取出第一个点；

步骤2.定位包含该点的没有子体素的体素；

步骤3.判断此体素的类型是否为准加工区域体素；

步骤4.如果是，则计算该点到对应加工面的距离t’；如果为否，则进行步骤6；

步骤5.判断t’是否大于加工误差t；如果是，则进行步骤6；如果否，则进行步骤8；

步骤6.判断该体素是否为过切区域体素；如果是，则记录此点和对应平面是否记录到相应的过切链表中，进行步骤7；如果为否，则进行步骤7；

步骤7.判断该体素是否为欠切区域体素；如果是，则判断此点和对应平面是否记录到相应的欠切链表中，进行步骤8；如果为否，则进行步骤8；

步骤8.取轨迹上的下一个点；

步骤9.判断刀具运动轨迹缓存器中的轨迹数据是否全部验证完毕；

步骤10.如果是，结束判断；如果否，返回步骤2。

9.根据权利要求1所述的一种多轴数控机床刀具运动轨迹验证装置，其特征在于：所述刀具参数为刀具半径；

所述不同区域的体素为加工区域体素、准加工区域体素、过切区域体素和欠切区域体素；

所述准加工区域体素可以拥有两种体素类型；

所述刀具运动轨迹信息为过切链表和欠切链表。

10.根据权利要求2所述的一种多轴数控机床刀具运动轨迹验证装置，其特征在于：所述实体模型加工区域的划分原理包括以下步骤：

步骤1.将实体模型的包围盒作为根体素进行分割，以实体模型的边界面为加工区域参考表面，在距参考表面有向距离为加工误差一半的空间范围内为加工区域空间；实体包围盒尺寸依据实体模型的最大和最小坐标值确定，在确定包围盒尺寸时，需要将长度和宽度值加上所选刀具半径的1.5倍；

步骤2.除加工区域空间外，若在实体内则为过切区域空间；

步骤3.在实体或包围盒外都为欠切区域空间。

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