CN103513607B - 基于数学形态学的2.5轴环切刀轨生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于数学形态学的2.5轴环切刀轨生成方法，该方法具体包括以下步骤：1）由边界沿X和Y方向构建矩形包围盒后生成平面二维栅格；2）构建数学形态学操作中的结构元，形成三个结构元的二值图像；3）将待加工区域形成的图像进行腐蚀得到新图像F，并连续化形成刀位轨迹环；4）将上述新图像F得到无法加工的区域；5）提取处理图像F′的边界形成新的刀位轨迹环；6）重复步骤S5，直至待加工区域全部处理完成。该方法通过对补加工区域进行平面栅格化构建二值图像，借助于数学形态学的有效操作避免加工区域边界或岛屿轮廓的等距偏置提取刀位轨迹环，结合图像的特点构建刀位轨迹环树结构，对刀位轨迹环进行编组生成连续的刀位轨迹。

Description

基于数学形态学的2.5轴环切刀轨生成方法

技术领域

本发明涉及一种基于数学形态学的2.5轴环切刀轨生成方法，用于对型腔铣削过程待加工的区域或残留的区域生成2.5轴加工刀轨。

背景技术

近年来．新一代战机中大量采用了性能优越的整体薄壁结构件，由于其结构复杂，制造精度高，加工难度大。飞机整体结构件普遍采用数控加工，而决定数控加工质量和效率的一个重要因素是数控加工程序编制的质量和时间。就飞机整体结构件而言，数控加工的时间一般在2～3天，而编制该类零件的数控程序却需l～2个月的时间，编程时间远大于加工时间，故其核心问题是数控程序编制的自动化问题。

在飞机结构件铣削中，一般采用2.5轴加层切法，又称两轴半，即每次在沿Z方向某一高度对应XY面进行走刀，当前高度层加工完后，才继续向下进刀加工下一高度。2.5轴铣削方法包括环切和行切，其中环切是最为常用的加工方法，对应刀具轨迹生成主要包括两步：轨迹环的构建和轨迹的连接。其中轨迹环的构建往往采用Voronoi图或等距算法生成，但构建Voronoi图的拓扑结构存在存储负担且耗时较多的缺点，等距算法需要对轮廓特征分类进行等距，如需要对尖角轮廓进行特殊的等距处理和自相交处理，导致不合理的刀位连接而增加刀位行程。为此考虑借助图像处理避免等距操作或自相交处理。在图像处理中，数学形态学是一种集合上的特殊运算操作，通过腐蚀、膨胀等一系列的形态学操作可快速提取图像的边界，平滑尖锐的边缘。借助于形态学的操作，可构建刀位轨迹环，建立各个轨迹环之间的(父子)关系，用于后续轨迹环之间的连接。

目前，有关环切刀具轨迹规划的研究主要集中在刀位轨迹环的构建方面，而对于轨迹的连接并没给予足够的重视。然而数控加工过程既是几何过程又是物理过程，若只单纯地从几何学层面考虑轨迹环的构建，而忽视轨迹连接对加工的影响，有时可能会降低加工的效率和质量，而不当的连接方式甚至会导致工件报废。故对轨迹连接方法的研究或行之有效的走刀方式则显得尤为重要。目前比较有效的环切刀轨连接方法主要是构建刀位轨迹环的单根结点结构树，进而实现各个刀位轨迹环的有效连接，以减少跳刀的次数。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于数学形态学的2.5轴环切刀轨生成方法，通过对补加工区域进行平面栅格化构建二值图像，借助于数学形态学的有效操作避免加工区域边界或岛屿轮廓的等距偏置提取刀位轨迹环，结合图像的特点构建刀位轨迹环树结构，对刀位轨迹环进行编组生成连续的刀位轨迹。

为解决以上问题，本发明的具体技术方案如下：一种基于数学形态学的2.5轴环切刀轨生成方法，该方法具体包括以下步骤：

S1：根据待加工区域的边界和岛屿轮廓，由边界沿X和Y方向构建矩形包围盒后生成平面二维栅格，将边界以内和岛屿以外的栅格标记为1，属于待加工区域，其余标记为0，属于非加工区域，从而形成二值初始图像F₀；

S2：构建数学形态学操作中的结构元，以刀具半径形成平面圆形刀具结构元B_c，以切宽半径形成平面圆形切宽结构元B_w，构建“十”字结构元B₊，并栅格化，形成三个结构元的二值图像；

S3：将待加工区域形成的图像由刀具结构元B_c进行腐蚀得到新图像F，通过数学形态学的操作提取新图像F的边界，并连续化形成刀位轨迹环；

S4：将上述新图像F由刀具结构元B_c进行膨胀得到图像F_c，由F₀-F_c得到无法加工的区域；

S5：对新图像F由切宽结构元B_w进行腐蚀得到处理图像F′，提取处理图像F′的边界形成新的刀位轨迹环；

S6：重复步骤S5，直至待加工区域全部处理完成，建立各个轨迹环之间的父/子结构关系，获取刀位轨迹环单结点结构树，对由栅格表示的轨迹环进行光顺，构建刀位轨迹环树结构进行优化处理形成退刀数较少的完整环切刀位轨迹。

所述步骤S1中栅格化后，采用相应的标记符号标记栅格的特征，将所有栅格分为三类：①处于边界轮廓的栅格用+1表示、②处于岛屿轮廓的栅格用-1表示、③其他待加工栅格即边界以内、岛屿以外的栅格用0表示。

所述步骤S3和S5中提取图像的边界具体步骤为：

首先，利用栅格边长构建“十”字形的结构元B₊，横向和纵向均为3个栅格；

其次，对需提取边界的图像由“十”字结构元B₊腐蚀处理得到新图像；

然后，将腐蚀前后两图像相减即为所求的边界，即刀位轨迹环，并标记其来源以及边界每个栅格的类别。

所述加工区域指飞机结构件采用2.5轴铣削的区域或铣削后残留的区域。

该基于数学形态学的2.5轴环切刀轨生成方法，通过对待加工区域或补加工区域进行平面栅格化构建二值图像，借助于数学形态学的腐蚀和膨胀操作避免加工区域边界或岛屿轮廓的等距偏置提取刀位轨迹环，而且形态学是关于集合的操作可有效去除或识别无法加工的区域，不用对边界或岛屿轮廓进行分类的等距处理，也无需因等距引起的自相交进行特殊处理，同时结合图像的特点构建单结点刀位轨迹环树结构，对刀位轨迹环进行编组生成连续的刀位轨迹。该方法避免了繁琐的等距处理，进行统一的数学操作，有效生成刀位轨迹环，形成连续的环切刀路，同时通过栅格之间的关系建立刀位轨迹环的拓扑结构，用于后续刀位轨迹环的连接。

附图说明

图1a为加工区域栅格化示意图。

图1b为待加工区域腐蚀的结果示意图。

图1c为刀具平面圆形的刀具结构元示意图。

图1d为“十”字结构元的示意图；

图2a为栅格化后的连续图像。

图2b为加工区域由刀具结构元腐蚀结果的示意图。

图2c为腐蚀之后提取的刀位轨迹环示意图。

图3a为刀具结构元腐蚀后再经切宽结构元腐蚀得到的结果示意图。

图3b为切宽结构元腐蚀后提取的刀位轨迹环。

图4为最终提取的刀位轨迹环。

具体实施方式

本实施例的方法针对飞机结构件在型腔铣过程中待铣削的区域或铣削后残留的区域生成2.5轴加工环切刀轨或残留区域的补加工刀轨，通过对补加工区域进行平面栅格化构建二值图像，借助于数学形态学的有效操作避免加工区域边界或岛屿轮廓的等距偏置提取刀位轨迹环，结合图像的特点构建刀位轨迹环树结构，对刀位轨迹环进行编组生成连续的刀位轨迹。

本实施例中优选以框类飞机结构件来描述上述方法的实施过程，本实施例中优选在ACIS平台下完成实例测试。

本实施例的方法具体包括以下流程：

在说明执行过程前，需要提供的参数包括，边界轮廓环，岛屿轮廓环，刀具半径r，切宽w。

1、加工区域栅格化

待加工区域的轮廓集合为L[0]，其可分为边界轮廓LE[0]和岛屿轮廓LI[0]，则有L[0]=LE[0]∪LI[0]。

根据待加工区域的轮廓的交点，选取X和Y方向最大和最小的坐标值，构建包围轮廓的矩形，其对角点分别为(x_min,y_min)和(x_max,y_max)，根据预定的加工精度设定栅格边长或由加工的半残高(残高为h)来确定，即栅格边长为

$l_g=\frac{h}{2}=\frac{w^2}{16r}$

将属于加工区域的栅格标记为1，非加工区域的栅格标记为0。为减少数据存储的负担，按X方向和Y方向依次存储待加工区域的栅格。由此，形成一张二值图像F₀，如图1a和图2a(该图是一张连续的图像)所示。

同时，将所有待加工的栅格分成三类：处于边界轮廓的栅格(用+1表示)、处于岛屿轮廓的栅格(用-1表示)或其他待加工栅格(边界以内、岛屿以外的栅格，用0表示)。

2、生成刀位轨迹环

利用数学形态学操作时，需构建合适的结构元。对于待加工区域形成的初始图像进行腐蚀，可形成刀位轨迹环。为提取刀位轨迹环，该方法定义以下三种结构元：

刀具结构元B_c：以刀具半径r构建平面圆形，采用边长l_g进行栅格化，形成用于腐蚀的结构元B_c(初始刀位轨迹环由该结构元形成)，如图1c所示；

切宽结构元B_w：以设定的切宽w为半径构建平面圆形，采用边长l_g进行栅格化，形成切宽结构元B_w，类似于刀具结构元；

“十”字结构元B₊：以边长l_g栅格构建用于提取刀位轨迹环的“十”字结构元B₊，如图1d所示。

刀位轨迹环提取的过程为：

(1)将待加工区域形成的初始图像F₀由刀具结构元B_c进行腐蚀得到新图像F，如图2b所示，即

F=F₀ΘB_c

其中，Θ表示腐蚀操作。

为提取新图像F的边界(即刀位轨迹环)，采用“十”字结构元B₊对其进行腐蚀，对两幅图像进行减操作可提取边界得到轨迹环的集合L[1](如图2c所示)为

L[1]=F-FΘB₊

对由外轮廓腐蚀得到的边界的栅格标记为+1，内轮廓腐蚀得到的边界的栅格标记为-1。

对提取的边界形成刀位轨迹环集合L[1]，其可分为外环组LE[1]和内环组LI[1]，则有L[1]=LE[1]∪LI[1]，则外环LE[1]可能包含+1的栅格(来源于LE[0])或-1的栅格(来源于LI[0])，而内环LI[1]只包含-1的栅格，即包含+1的栅格均属于是外环组。对于图2c来讲，外环LE[1]={LE[1-1]}，内环LI[1]={LI[1-1]}。

(2)将图像F由圆形结构元B_c进行膨胀得到图像F_c，对两图像进行减操作可得到无法加工的区域F_Δ，即

F_Δ=F₀-F⊕B_c

其中，⊕表示膨胀操作。通过上述形态学操作得到刀具无法通过的区域。

(3)对图像F由切宽结构元B_w进行腐蚀得到图像F′=FΘB_w，如图3a所示，通过“十”字结构元B₊提取处理图像F′的边界形成新的轨迹环L[2](如图3b所示)，即

L[2]=F′-F′ΘB₊

其外环组LE[2]可能包含+1的栅格或-1的栅格，分别来源于LE[1]和LI[1]。此时，从图3b可知，LE[2]={LE[2-1]}。

对图像F′重复上述步骤，直至待加工的栅格全部处理完成。由此可提取全部的轨迹环，表示为{L[i]|i=0,1,…,n}，其中n表示处理的次数，如图4所示。

(4)对用点列曲线表示的轨迹环采用能量法进行光顺，获取平滑的刀路。

3、轨迹环编组

构建轨迹环树结构具体包括以下步骤：由初始外环组LE[0]向下追踪外环组LE[1]及其包含的内环组再将各个子结点向下递归外环组LE[2]及剩余的内环组。通过递归形成单结点树结构，其根节点为LE[0]。

在树的递归结构中，通过+1和-1的标志实际上已经定义了父/子结点之间的过渡关系，从而完成刀位轨迹环之间的编组和连通关系，从而形成连续的刀位轨迹。

Claims (3)

1.一种基于数学形态学的2.5轴环切刀轨生成方法，其特征在于该方法具体包括以下步骤：

S1：根据待加工区域的边界和岛屿轮廓，由边界沿X和Y方向构建矩形包围盒后生成平面二维栅格，将边界以内和岛屿以外的栅格标记为1，属于待加工区域，其余标记为0，属于非加工区域，从而形成二值初始图像F₀；栅格化后，采用相应的标记符号标记栅格的特征，将所有栅格分为三类：①处于边界轮廓的栅格用+1表示、②处于岛屿轮廓的栅格用-1表示、③其他待加工栅格即边界以内、岛屿以外的栅格用0表示；

S2：构建数学形态学操作中的结构元，以刀具半径形成平面圆形刀具结构元B_c，以切宽半径形成平面圆形切宽结构元B_w，构建“十”字结构元B₊，并栅格化，形成三个结构元的二值图像；

S3：将待加工区域形成的图像由刀具结构元B_c进行腐蚀得到新图像F，通过数学形态学的操作提取新图像F的边界，并连续化形成刀位轨迹环；

S4：将上述新图像F由刀具结构元B_c进行膨胀得到图像F_c，由F₀-F_c得到无法加工的区域；

S5：对新图像F由切宽结构元B_w进行腐蚀得到处理图像F′，提取处理图像F′的边界形成新的刀位轨迹环；

S6：重复步骤S5，直至待加工区域全部处理完成，建立各个轨迹环之间的父/子结构关系，获取刀位轨迹环单结点结构树，对由栅格表示的轨迹环进行光顺，构建刀位轨迹环树结构进行优化处理形成退刀数较少的完整环切刀位轨迹。

2.根据权利要求1所述的刀轨生成方法，其特征在于，所述步骤S3和S5中提取图像的边界具体步骤为：

首先，利用栅格边长构建“十”字形的结构元B₊，横向和纵向均为3个栅格；

其次，对需提取边界的图像由“十”字结构元B₊腐蚀处理得到新图像；

然后，将腐蚀前后两图像相减即为所求的边界，即刀位轨迹环，并标记其来源以及边界每个栅格的类别。

3.根据权利要求1或2所述的刀轨生成方法，其特征在于，所述加工区域指飞机结构件采用2.5轴铣削的区域或铣削后残留的区域。