CN103439918A - 一种基于刀轨数据获得其加工误差的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于刀轨数据获得其加工误差的方法，包括以下步骤：获取CAD/CAM软件系统输出的刀轨数据，并对该刀轨数据进行预处理，以获得参与切削的切削轨迹数据，针对切削轨迹数据，采用三点圆弧法计算其中刀位点的弓高误差，对得到的所有刀位点的弓高误差取平均值，并将结果放大40%至60%，以得到刀具轨迹的加工误差。本发明能够打破对刀轨数据进行优化处理所面临的技术瓶颈，自动计算出一个合理的加工误差，为解决现有CAD/CAM软件系统输出刀轨数据存在的问题，如重复点、尖点以及点位信息分布不均匀等，以及由于数控编程人员参差不齐而导致严重影响刀具轨迹质量的问题，提供一个重要的参考依据。

Description

一种基于刀轨数据获得其加工误差的方法

技术领域

本发明属于铣削加工领域，更具体地，涉及一种基于刀轨数据获得其加工误差的方法。

背景技术

加工零件的刀轨数据通常有多种表示方式，如CL Data或经过后处理程序产生的G代码。当前CAD/CAM软件系统输出的CL Data或后置处理生成的G代码所描述的刀轨有很多缺点，如刀轨中可能出现重复点，尖点以及点位信息分布不均匀等，加之数控编程人员参差不齐，对刀轨质量会产生比较大的影响，特别是在曲面加工领域中，刀轨数据所表示的几何形状很复杂，加工出来零件的表面质量非常差。

由于G代码或CL Data等刀轨数据的自身限制，它无法描述CAD/CAM软件系统所能描述的复杂信息，如加工误差和特征信息等，数据流从CAD/CAM到CNC往往是不可逆的，所以当前CAD/CAM软件系统输出刀轨数据之后就丢失了加工误差信息，形成对质量较差的刀轨数据进行优化处理时所面临的技术瓶颈。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于刀轨数据获得其加工误差的方法，其目的在于能够打破对刀轨数据进行优化处理所面临的技术瓶颈，自动计算出一个合理的加工误差，为解决现有CAD/CAM软件系统输出刀轨数据存在的问题，如重复点、尖点以及点位信息分布不均匀等，以及由于数控编程人员参差不齐而导致严重影响刀具轨迹质量的问题，提供一个重要的参考依据。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于刀轨数据获得其加工误差的方法，包括以下步骤：

（1）获取CAD/CAM软件系统输出的刀轨数据，并对该刀轨数据进行预处理，以获得参与切削的切削轨迹数据；具体而言，在预处理过程中，去除刀轨数据中的非切削刀轨数据，并以这些非切削刀轨数据为分段条件，将切削刀轨数据分割成一系列连续的线段，存放到一个链表中，链表中的每一项表示一个子刀轨数据，所有子刀轨数据构成整个切削轨迹数据；

（2）针对切削轨迹数据，采用三点圆弧法计算其中刀位点的弓高误差；具体包括以下子步骤：

（2-1）设置计数器j=1，并从切削轨迹数据中取出第j个子刀轨数据；

（2-2）采用三点圆弧法计算第j个子刀轨数据中刀位点的弓高误差；本步骤具体包括以下子步骤：

（2-2-1）设置计数器i=2，从第j个子刀轨数据取出第i个刀位点；

（2-2-2）选取该第i个刀位点的前后相邻刀位点，构造一个圆弧来逼近原始刀轨，且三点之间连线构成的夹角在1度到45度之间；

（2-2-3）分别计算出该刀位点前后两段弦的弓高误差，并选择两者中最大值作为该刀位点的弓高误差；具体计算公式为：

δ₁＝R(1-cosω₁)

δ₂＝R(1-cosω₂)＝R(1-cos(π-θ-ω₁))

其中：

$\mathrm{\θ}=\arcsin ((\stackrel{\→}{P_i{P}_{i-1}}*\stackrel{\→}{P_i{P}_{i+1}})/|\stackrel{\→}{P_i{P}_{i-1}}|*|\stackrel{\→}{P_i{P}_{i+1}}\left|\right)$

${\mathrm{\ω}}_1={\mathrm{\ω}}_3=\arctan (\left(\right|\stackrel{\→}{P_i{P}_{i-1}}|*\sin (\mathrm{\π}-\mathrm{\θ}))/\left(\right|\stackrel{\→}{P_i{P}_{i+1}}|+|\stackrel{\→}{P_i{P}_{i-1}}|*\cos (\mathrm{\π}-\mathrm{\θ})))$

$R=\frac{\left|\stackrel{\→}{P_{i-1}{P}_i}\right|}{2\sin {\mathrm{\ω}}_3};$

δ₁和δ₂分别表示第i个刀位点P_i的前后两段弦的弓高误差，P_i-1和P_i+1分别是刀位点P_i的前一个和后一个刀位点，R为三点圆弧的半径，θ为向量

和

的夹角；

（2-2-4）判断i是否小于第j个子刀具轨迹中刀位点的总数-1，若是则进入步骤（2-3），否则设置i=i+1，并返回步骤（2-2-2）；

（2-3）判断j是否小于子刀具轨迹的总数，如果小于则设置j=j+1，并返回步骤（2-2），否则进入步骤（3）；

（3）对步骤（2）得到的所有刀位点的弓高误差取平均值，并将结果放大40%至60%，以得到刀具轨迹的加工误差。

优选地，非切削刀轨数据包括进刀、退刀和空行程的数据。

优选地，子刀轨数据的刀位点数大于两个。

按照本发明的另一方面，提供了一种基于刀轨数据获得其加工误差的方法，包括以下步骤：

（1）获取CAD/CAM软件系统输出的刀轨数据，并对该刀轨数据进行预处理，以获得参与切削的切削轨迹数据；具体而言，在预处理过程中，去除刀轨数据中的非切削刀轨数据，并以这些非切削刀轨数据为分段条件，将切削刀轨数据分割成一系列连续的线段，存放到一个链表中，链表中的每一项表示一个子刀轨数据，所有子刀轨数据构成整个切削轨迹数据；

（2）针对切削轨迹数据，采用三点圆弧法计算其中刀位点的弓高误差；具体包括以下子步骤：

（2-1）设置计数器j=1，并从切削轨迹数据中取出第j个子刀轨数据；

（2-2）采用三点圆弧法计算第j个子刀轨数据中刀位点的弓高误差；本步骤具体包括以下子步骤：

（2-2-1）设置计数器i=2，从第j个子刀轨数据取出第i个刀位点；

（2-2-2）选取该第i个刀位点的前后相邻刀位点，构造一个圆弧来逼近原始刀轨，且三点之间连线构成的夹角在1度到45度之间；

（2-2-3）分别计算出该刀位点前后两段弦的弓高误差，并选择两者中最大值作为该刀位点的弓高误差；具体计算公式为：

${\mathrm{\δ}}_1=R-\sqrt{R^2-{\left(\frac{\stackrel{\→}{P_i{P}_{i-1}}}{2}\right)}^2}$

${\mathrm{\δ}}_2=R-\sqrt{R^2-{\left(\frac{\stackrel{\→}{P_i{P}_{i+1}}}{2}\right)}^2}$

其中：

$R=\frac{\left|\stackrel{\→}{P_{i-1}{P}_{i+1}}\right|}{2\sin \mathrm{\θ}}$

$\mathrm{\θ}=\arcsin ((\stackrel{\→}{P_i{P}_{i-1}}*\stackrel{\→}{P_i{P}_{i+1}})/|\stackrel{\→}{P_i{P}_{i-1}}|*|\stackrel{\→}{P_i{P}_{i+1}}\left|\right);$

δ₁和δ₂分别表示第i个刀位点P_i的前后两段弦的弓高误差，P_i-1和P_i+1分别是刀位点P_i的前一个和后一个刀位点，R为三点圆弧的半径，θ为向量和

的夹角；

（2-2-4）判断i是否小于第j个子刀具轨迹中刀位点的总数-1，若是则进入步骤（2-3），否则设置i=i+1，并返回步骤（2-2-2）；

（2-3）判断j是否小于子刀具轨迹的总数，如果小于则设置j=j+1，并返回步骤（2-2），否则进入步骤（3）；

（3）对步骤（2）得到的所有刀位点的弓高误差取平均值，并将结果放大40%至60%，以得到刀具轨迹的加工误差。

优选地，非切削刀轨数据包括进刀、退刀和空行程的数据。

优选地，子刀轨数据的刀位点数大于两个。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、能够得到CAD/CAM软件系统输出刀轨数据之后所丢失加工误差的近似值。

2、计算出的加工误差打破了对刀轨数据进行优化处理时所面临的技术瓶颈，提供了一个重要的参考依据。

附图说明

图1是本发明基于刀轨数据获得其加工误差的方法的流程图。

图2是采用三点圆弧法确定弓高误差的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明基于刀轨数据获得其加工误差的方法包括以下步骤：

（1）获取CAD/CAM软件系统输出的刀轨数据，并对该刀轨数据进行预处理，以获得参与切削的切削轨迹数据；具体而言，在预处理过程中，去除刀轨数据中的非切削刀轨数据，包括进刀、退刀和空行程，并以这些非切削刀轨数据为分段条件，将切削刀轨数据分割成一系列连续的线段，存放到一个链表中，链表中的每一项表示一个子刀轨数据（在本发明中子刀轨数据的刀位点数必须大于两个），所有子刀轨数据构成整个切削轨迹数据。由于非切削刀轨数据与加工误差毫无关系，因此在反推刀轨数据的加工误差时，需要排除这些它们的影响。

（2）针对切削轨迹数据，采用三点圆弧法计算其中刀位点的弓高误差；具体包括以下子步骤：

（2-1）设置计数器j=1，并从切削轨迹数据中取出第j个子刀轨数据；

（2-2）采用三点圆弧法计算第j个子刀轨数据中刀位点的弓高误差；本步骤具体包括以下子步骤：

（2-2-1）设置计数器i=2，从第j个子刀轨数据取出第i个刀位点；

（2-2-2）选取该第i个刀位点的前后相邻刀位点，构造一个圆弧来逼近原始刀轨，且三点之间连线构成的夹角在1度到45度之间；在构造三点圆弧时，如果相邻三点之间的连线构成的夹角太小，近似在一条直线上时，则放弃对这三点构造圆弧，因为此时的计算结果受到数值计算舍入误差的影响很大，经验表明夹角小于1度时即可放弃对这三点构造圆弧；如果相邻三点之间的连线构成的夹角太大，比如大于45度，此时可以认定中间的这个点是加工零件的特征点，该点的加工误差几乎不存在，也可以放弃对这三点构造圆弧；

（2-2-3）分别计算出该刀位点前后两段弦的弓高误差，并选择两者中最大值作为该刀位点的弓高误差；

在本步骤中，计算三点圆弧弓高误差的方式有如下两种：

方法一：如图2(a)所示，P_i-1，P_i和P_i+1为相邻的三个刀位点，O为三点圆弧的圆心，R为三点圆弧的半径，ω₁=(1/2)*∠P_i-1OP_i，ω₂=(1/2)*∠P_iOP_i+1，ω₃=(1/2)*∠P_i-1OP_i=ω₁,θ为向量

和

的夹角，δ₁和δ₂分别表示第i个刀位点P_i的前后两段弦的弓高误差，根据外切三角形的角度关系得到其计算公式：

δ₁＝R(1-cosω₁)   (1)

δ₂＝R(1-cosω₂)＝R(1-cos(π-θ-ω₁))   (2)

其中：

在三角形ΔP_i-1P_iP_i+1中，

$(\stackrel{\→}{P_i{P}_{i-1}}*\stackrel{\→}{P_i{P}_{i+1}})=\left|\stackrel{\→}{P_i{P}_{i-1}}\right|*\left|\stackrel{\→}{P_i{P}_{i+1}}\right|*\sin \left(\mathrm{\θ}\right),$

故 $\mathrm{\θ}=\arcsin ((\stackrel{\→}{P_i{P}_{i-1}}*\stackrel{\→}{P_i{P}_{i+1}})/|\stackrel{\→}{P_i{P}_{i-1}}|*|\stackrel{\→}{P_i{P}_{i+1}}\left|\right);$

在三角形ΔP_i-1MP_i+1中，

$\tan \left({\mathrm{\ω}}_3\right)=\left(\right|\stackrel{\→}{P_i{P}_{i-1}}|*\sin (\mathrm{\π}-\mathrm{\θ}))/\left(\right|\stackrel{\→}{P_i{P}_{i+1}}|+|\stackrel{\→}{P_i{P}_{i-1}}|*\cos (\mathrm{\π}-\mathrm{\θ})),$

故 ${\mathrm{\ω}}_1={\mathrm{\ω}}_3=\arctan (\left(\right|\stackrel{\→}{P_i{P}_{i-1}}|*\sin (\mathrm{\π}-\mathrm{\θ}))/\left(\right|\stackrel{\→}{P_i{P}_{i+1}}|+|\stackrel{\→}{P_i{P}_{i-1}}|*\cos (\mathrm{\π}-\mathrm{\θ})));$

在三角形ΔP_i-1P_iP_i+1中，由正弦定理的

方法二：如图2(b)所示，变量的意义参考方法一，根据外切三角形的几何关系得到其计算公式：

${\mathrm{\δ}}_1=R-\sqrt{R^2-{\left(\frac{\stackrel{\→}{P_i{P}_{i-1}}}{2}\right)}^2}---\left(3\right)$

${\mathrm{\δ}}_2=R-\sqrt{R^2-{\left(\frac{\stackrel{\→}{P_i{P}_{i+1}}}{2}\right)}^2}---\left(4\right)$

其中：

$R=\frac{\left|\stackrel{\→}{P_{i-1}{P}_{i+1}}\right|}{2\sin \mathrm{\θ}}$

$\mathrm{\θ}=\arcsin ((\stackrel{\→}{P_i{P}_{i-1}}*\stackrel{\→}{P_i{P}_{i+1}})/|\stackrel{\→}{P_i{P}_{i-1}}|*|\stackrel{\→}{P_i{P}_{i+1}}\left|\right);$

（2-2-4）判断i是否小于第j个子刀具轨迹中刀位点的总数-1，若是则进入步骤（2-3），否则设置i=i+1，并返回步骤（2-2-2）；

（2-3）判断j是否小于子刀具轨迹的总数，如果小于则设置j=j+1，并返回步骤（2-2），否则进入步骤（3）；

（3）对步骤（2）得到的所有刀位点的弓高误差取平均值，并将结果放大40%至60%，以得到刀具轨迹的加工误差。

经过步骤（1）的预处理和步骤（2）的数学计算，得到了一系列离散刀具轨迹点的加工误差，这个结果是局部的并不能直接表示整个零件的加工误差，需要从统计学角度对所得结果计算其平均值。同时考虑到当前CAD/CAM软件系统根据加工误差输出刀轨数据时，往往比较保守，因此计算出的加工误差比真实的加工误差要小，根据经验，需要对计算出的加工误差放大40%-60%，才能较好的逼近真实的加工误差。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于刀轨数据获得其加工误差的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）获取CAD/CAM软件系统输出的刀轨数据，并对该刀轨数据进行预处理，以获得参与切削的切削轨迹数据；具体而言，在预处理过程中，去除刀轨数据中的非切削刀轨数据，并以这些非切削刀轨数据为分段条件，将切削刀轨数据分割成一系列连续的线段，存放到一个链表中，链表中的每一项表示一个子刀轨数据，所有子刀轨数据构成整个切削轨迹数据；

（2）针对切削轨迹数据，采用三点圆弧法计算其中刀位点的弓高误差；具体包括以下子步骤：

（2-1）设置计数器j=1，并从切削轨迹数据中取出第j个子刀轨数据；

（2-2）采用三点圆弧法计算第j个子刀轨数据中刀位点的弓高误差；本步骤具体包括以下子步骤：

（2-2-1）设置计数器i=2，从第j个子刀轨数据取出第i个刀位点；

（2-2-2）选取该第i个刀位点的前后相邻刀位点，构造一个圆弧来逼近原始刀轨，且三点之间连线构成的夹角在1度到45度之间；

（2-2-3）分别计算出该刀位点前后两段弦的弓高误差，并选择两者中最大值作为该刀位点的弓高误差；具体计算公式为：

δ₁＝R(1-cosω₁)

δ₂＝R(1-cosω₂)＝R(1-cos(π-θ-ω₁))

其中：

$\mathrm{\θ}=\arcsin ((\stackrel{\→}{P_i{P}_{i-1}}*\stackrel{\→}{P_i{P}_{i+1}})/|\stackrel{\→}{P_i{P}_{i-1}}|*|\stackrel{\→}{P_i{P}_{i+1}}\left|\right)$

${\mathrm{\ω}}_1={\mathrm{\ω}}_3=\arctan (\left(\right|\stackrel{\→}{P_i{P}_{i-1}}|*\sin (\mathrm{\π}-\mathrm{\θ}))/\left(\right|\stackrel{\→}{P_i{P}_{i+1}}|+|\stackrel{\→}{P_i{P}_{i-1}}|*\cos (\mathrm{\π}-\mathrm{\θ})))$

$R=\frac{\left|\stackrel{\→}{P_{i-1}{P}_i}\right|}{2\sin {\mathrm{\ω}}_3};$

δ₁和δ₂分别表示第i个刀位点P_i的前后两段弦的弓高误差，P_i-1和P_i+1分别是刀位点P_i的前一个和后一个刀位点，R为三点圆弧的半径，θ为向量

和

的夹角；

（2-2-4）判断i是否小于第j个子刀具轨迹中刀位点的总数-1，若是则进入步骤（2-3），否则设置i=i+1，并返回步骤（2-2-2）；

（2-3）判断j是否小于子刀具轨迹的总数，如果小于则设置j=j+1，并返回步骤（2-2），否则进入步骤（3）；

（3）对步骤（2）得到的所有刀位点的弓高误差取平均值，并将结果放大40%至60%，以得到刀具轨迹的加工误差。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，非切削刀轨数据包括进刀、退刀和空行程的数据。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，子刀轨数据的刀位点数大于两个。

4.一种基于刀轨数据获得其加工误差的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）获取CAD/CAM软件系统输出的刀轨数据，并对该刀轨数据进行预处理，以获得参与切削的切削轨迹数据；具体而言，在预处理过程中，去除刀轨数据中的非切削刀轨数据，并以这些非切削刀轨数据为分段条件，将切削刀轨数据分割成一系列连续的线段，存放到一个链表中，链表中的每一项表示一个子刀轨数据，所有子刀轨数据构成整个切削轨迹数据；

（2）针对切削轨迹数据，采用三点圆弧法计算其中刀位点的弓高误差；具体包括以下子步骤：

（2-1）设置计数器j=1，并从切削轨迹数据中取出第j个子刀轨数据；

（2-2）采用三点圆弧法计算第j个子刀轨数据中刀位点的弓高误差；本步骤具体包括以下子步骤：

（2-2-1）设置计数器i=2，从第j个子刀轨数据取出第i个刀位点；

（2-2-2）选取该第i个刀位点的前后相邻刀位点，构造一个圆弧来逼近原始刀轨，且三点之间连线构成的夹角在1度到45度之间；

（2-2-3）分别计算出该刀位点前后两段弦的弓高误差，并选择两者中最大值作为该刀位点的弓高误差；具体计算公式为：

${\mathrm{\δ}}_1=R-\sqrt{R^2-{\left(\frac{\stackrel{\→}{P_i{P}_{i-1}}}{2}\right)}^2}$

${\mathrm{\δ}}_2=R-\sqrt{R^2-{\left(\frac{\stackrel{\→}{P_i{P}_{i+1}}}{2}\right)}^2}$

其中：

$R=\frac{\left|\stackrel{\→}{P_{i-1}{P}_{i+1}}\right|}{2\sin \mathrm{\θ}}$

$\mathrm{\θ}=\arcsin ((\stackrel{\→}{P_i{P}_{i-1}}*\stackrel{\→}{P_i{P}_{i+1}})/|\stackrel{\→}{P_i{P}_{i-1}}|*|\stackrel{\→}{P_i{P}_{i+1}}\left|\right);$

δ₁和δ₂分别表示第i个刀位点P_i的前后两段弦的弓高误差，P_i-1和P_i+1分别是刀位点P_i的前一个和后一个刀位点，R为三点圆弧的半径，θ为向量

和

的夹角；

（2-2-4）判断i是否小于第j个子刀具轨迹中刀位点的总数-1，若是则进入步骤（2-3），否则设置i=i+1，并返回步骤（2-2-2）；

（2-3）判断j是否小于子刀具轨迹的总数，如果小于则设置j=j+1，并返回步骤（2-2），否则进入步骤（3）；

（3）对步骤（2）得到的所有刀位点的弓高误差取平均值，并将结果放大40%至60%，以得到刀具轨迹的加工误差。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，非切削刀轨数据包括进刀、退刀和空行程的数据。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，子刀轨数据的刀位点数大于两个。

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