CN103543696B - 使用中轴变换优化工具路径的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及使用中轴变换优化工具路径的方法。工件的粗机械加工通过数控机床使用自适应工具路径技术执行。通过在工件中沿中轴形成预粗机械加工的沟槽并且使用工具路径机械加工所述工件的剩余部分，增大了材料去除速率和机械加工效率，所述工具路径从预粗机械加工的沟槽的内侧开始并以平滑曲线向外螺旋前进。

Description

使用中轴变换优化工具路径的方法

背景技术

CAD/CAM（计算机辅助设计/计算机辅助制造）系统可以与CNC（计算机数控）系统集成以提供快速、有效的工件机械加工。CAM系统采用多种工具路径策略以在粗机械加工操作中引导切割工具，在所述粗机械加工操作中，将工件机械加工为近净成形。在一种通常被称为恒定偏置或平行偏置的工具路径策略中，切割工具和工件的径向接合程度随着切割工具沿工具路径的移动而变化。虽然沿直线切口的材料切除率（MRR）可能是最佳的，但当工具进入径向接合增加的急弯或者拐角时，进给速率必须降低。

为了增加机械加工效率并减少工具的磨损/损坏，自适应型工具路径策略已经被开发出，其中基本贯穿粗机械加工操作而保持切割工具和工件的全径向接合。基于切割工具的全径向接合，CAM系统可以计算带来更高的可用机床功率的使用率的轴向切割深度和进给速率。虽然自适应工具路径策略可以显著增加切削效率，但机械利用率仍然未被充分优化。这是因为，虽然工具路径程序可以调用恒定的切割工具进给速率，但机械因为其自身的惯性质量可能无法真正实现恒定的进给速率。例如，当切割工具到达外部切割区域边界时，机械需要减速、停止、改变方向并重新加速。由于工具路径速率和方向的这些频繁改变而引起的效率的损失沿工件的狭窄或紧凑区域可能尤其严重。在这些区域中，需要切割工具的多次短程来回通过，每次都要求切割工具减速、改变方向并重新加速。

因此，需要一种使用增大机械加工效率的自适应工具路径策略的工件粗机械加工的方法，特别是沿被机械加工的区域的狭窄或者紧凑区域。还需要一种机械加工方法，当切割工具与工件保持基本充分的接合时，所述机械加工方法保持切割工具的进给速率为基本恒定的速度。

发明内容

根据所公开的实施例，提供了使用自适应工具路径策略的自动化机械加工方法，所述方法使用更大量的机械工具的可用功率以便提高材料去除速率并减少机械加工时间。对切割工具的减速、改变方向和重新加速的需要被显著减少。生成长而平滑的工具路径，其允许在基本整个粗机械加工操作过程中保持基本恒定的进给速率。所述方法产生了可以用作粗机械加工起点的预粗机械加工条件，所述粗机械加工采用基本百分之百的工具接合和与机械的最大操作约束匹配的进给速率。

根据另一个实施例，提供了使用数控机床粗机械加工工件的方法。该方法包括选择限定待机械加工的工件的区域形状的边界，确定该形状的中轴，利用所述中轴生成第一组工具路径数据以用于引导切割工具的移动，使用所述第一组工具路径数据在所述工件中机械加工预粗机械加工的沟槽，基于该沟槽的几何构形生成第二组工具路径数据，并使用第二组工具路径数据对所述工件进行粗机械加工。确定所述形状的中轴是由使用计算机实施的中轴变换算法执行的，并且确定所述中轴包含生成代表所述形状的多条曲线，并且然后通过取消选定所述多条曲线中的至少某些曲线而细化所述多条曲线。生成第二组工具路径数据是使用自适应工具路径算法执行的。中轴变换算法包含缩放的中轴变换。取消选定所述多条曲线中的至少某些曲线是使用编程的计算机自动执行的。可替换地，取消选定所述多条曲线中的至少某些曲线包含向人视觉的呈现所述多条曲线，并由人执行所述取消选定。工件的粗机械加工开始于将切割工具定位在所述沟槽内并从所述沟槽以基本平滑的曲线向外螺旋地移动所述切割工具。生成第二组工具路径数据包含选择从所述沟槽向外螺旋前进的工具路径图案。所述粗机械加工包含从所述沟槽向外螺旋地移动所述切割工具。

根据再一个实施例，提供了粗机械加工具有至少一个狭窄区域的工件的方法。该方法包含向计算机输入限定待机械加工的工件区域的形状的切割边界，使用计算机执行所述形状的中轴变换，包括生成描述该形状的一组中轴曲线，选择某些中轴曲线以用于生成预粗机械加工的工具路径，基于选择的中轴曲线使用计算机生成预粗机械加工的工具路径，使用预粗机械加工的工具路径引导所述切割工具以在工件中自动机械加工预粗机械加工的沟槽，基于预粗机械加工的沟槽的几何构形使用计算机生成粗机械加工的工具路径，使用粗机械加工的工具路径引导切割工具以自动机械加工工件的所述区域的剩余部分。使用计算机执行所述形状的中轴变换包含执行分级的（scalar）中轴变换。自动机械加工工件的所述区域的剩余部分包含使用粗机械加工的工具路径引导切割工具以基本平滑的曲线从预粗机械加工的沟槽向外螺旋前进。由计算机自动执行对所述中轴中的一些的选择。自动机械加工工件的所述区域的剩余部分包含在整个粗机械加工的工具路径中保持基本恒定的径向切割深度。

本公开的一个方面涉及采用自动控制的切割工具机械加工工件的方法。该方法包含选择待机械加工的工件的区域，所述区域具有形状；为选择的区域计算至少一个骨架曲线；在所述工件中沿骨架曲线机械加工具有几何构形的沟槽；基于沟槽的几何构形生成工具路径；并且沿着生成的工具路径移动切割工具以机械加工所述工件。

在所述方法的一个示例中，计算至少一个骨架曲线是使用选择的区域的形状的中轴变换执行的。

在所述方法的一个变体中，多个骨架曲线被计算，并且所述方法进一步包含细化所述多个骨架曲线。

在所述方法的一个替换例中，细化多个骨架曲线由编程的计算机自动执行。

在所述方法的另一个示例中，细化多个骨架曲线包含自动地向人视觉地呈现多个骨架曲线，并由人执行所述细化。

在另一个变体中，所述方法进一步包含生成一组预粗机械加工的工具路径数据。机械加工所述沟槽包含使用计算机化的控制器和预粗机械加工的工具路径数据来控制切割工具的移动。

在所述方法的另一个替换例中，沿工具路径移动切割工具包含从所述沟槽内的起点开始所述工具路径。

在所述方法的另一个示例中，生成所述工具路径包含选择从沟槽向外螺旋前进的工具路径图案。

在所述方法的另一个变体中，移动切割工具包含从所述沟槽内的位置以平滑的曲线向外螺旋地移动所述切割工具。

本公开的另一个方面涉及使用数控机床粗机械加工工件的区域的方法。所述工件的区域具有形状。所述方法包含选择限定待机械加工的工件的区域形状的边界；确定所述形状的中轴；使用中轴生成第一组工具路径数据以用于引导切割工具的移动；在所述工件中使用第一组工具路径数据机械加工具有几何构形的预粗机械加工的沟槽；基于预粗机械加工的沟槽的几何构形生成第二组工具路径数据；并且使用第二组工具路径数据来粗机械加工所述工件。

在所述方法的一个示例中，确定所述形状的中轴是使用计算机实施的中轴变换算法执行的。

在所述方法的一个变体中，确定所述中轴包含生成代表所述形状的多条曲线，并且然后通过取消选定所述多条曲线中的至少某些曲线而细化所述多条曲线。

在所述方法的一个替换例中，生成第二组工具路径数据是使用自适应工具路径算法执行的。

在所述方法的另一个示例中，所述中轴变换算法包含缩放的中轴变换。

在所述方法的另一个变体中，取消选定所述多条曲线中的至少某些曲线是使用编程的计算机自动执行的。

在所述方法的另一个替换例中，取消选定所述多条曲线中的至少某些曲线包含向人视觉地呈现多条曲线，并且然后由人执行所述取消选定。

在所述方法的另一个示例中，粗机械加工所述工件开始于将所述切割工具定位在所述沟槽内并从所述沟槽以总体平滑的曲线向外螺旋地移动所述切割工具。

在所述方法的另一个变体中，生成第二组工具路径数据包含选择从所述沟槽向外螺旋前进的工具路径图案。

在所述方法的另一个替换例中，粗机械加工包含从所述沟槽向外螺旋地移动所述切割工具。

本公开的另一个方面涉及粗机械加工具有至少一个狭窄区域的工件的区域的方法。所述工件的区域具有形状。该方法包含向计算机输入限定待机械加工的工件的区域形状的切割边界；使用计算机执行所述形状的中轴变换，包含生成描述所述形状的一组中轴曲线；选择所述中轴曲线中的一些以用于生成预粗机械加工的工具路径；使用计算机以基于选择的中轴曲线生成预粗机械加工的工具路径；使用切割工具和引导所述切割工具的预粗机械加工的工具路径在所述工件中自动机械加工具有几何构形的预粗机械加工的沟槽；使用计算机以基于预粗机械加工的沟槽的几何构形生成粗机械加工的工具路径；并且使用切割工具和引导所述切割工具的粗机械加工的工具路径来自动机械加工所述工件的所述区域的剩余部分。

在所述方法的一个示例中，使用计算机执行所述形状的中轴变换包含执行分级的中轴变换。

在所述方法的一个变体中，自动机械加工所述工件的所述区域的剩余部分包含使用粗机械加工的工具路径引导切割工具从预粗机械加工的沟槽以大致平滑的曲线向外螺旋前进。

在所述方法的一个替换例中，选择所述中轴中的一些由计算机自动执行。

在所述方法的另一个示例中，自动机械加工工件的所述区域的剩余部分包含贯穿所述粗机械加工的工具路径保持基本恒定的径向切割深度。

在所述方法的另一个替换例中，自动机械加工工件的所述区域的剩余部分包含以基本恒定的速度移动切割工具横跨所述狭窄区域。

上文的术语“示例”、“变体”和“替换例”可以互相替换使用。

所述特征、功能及优势可以在本公开的多种实施例中独立实现或者可以在其它实施例中组合实现，进一步的细节可以参考以下说明书和附图。

附图说明

在所附权利要求中阐述了说明性实施例的被确信为新颖性特征的特性。但是，通过在结合附图阅读时参考本发明的说明性实施例的以下具体实施方式，将最好地理解所述说明性实施例以及优选的使用方式、进一步的目的及其优势，其中：

图1是使用中轴变换最优化自适应工具路径策略机械加工工件的系统的功能框图的说明。

图2是与工件充分径向接合的切割工具的透视图的说明。

图3是示出将被粗机械加工的区域的切割边界的工件的平面图的说明。

图4是示出针对由图3中所示切割边界限定的形状计算的中轴骨架曲线的工件的平面图的说明。

图5是与图4相似的细化中轴骨架曲线后的说明。

图6是示出预粗机械加工的沟槽的位置和用于切割该沟槽的预粗机械加工的工具路径的工件的平面图的说明。

图7-9是示出基于图5所示的细化的中轴骨架曲线和图6所示的工具路径被切割的预粗机械加工的沟槽的透视图的说明。

图10是示出基于图6中所示的预粗机械加工的沟槽的几何构形的最优化的自适应工具路径的工件的平面图的说明。

图11是使用最优化自适应工具路径策略的中轴曲线机械加工工件的方法的流程图的说明。

图12是图11中所示方法的额外细节的流程图的说明。

图13是飞行器制造和维护方法的流程图的说明。

图14是飞行器的框图的说明。

具体实施方式

首先参考图1，可以包含例如铝或钛的固体材料的工件24可以使用切割工具22进行机械加工，所述切割工具由机械加工中心20驱动。机械加工中心20可以包含自动的多轴机械，该多轴机械使切割工具22和工件24相对于彼此移位。机械加工中心20可以使用编程的控制器来自动控制，例如CNC（计算机数控）控制器26。机械加工中心20可以包含例如但不限于具有旋转主轴（未示出）以便旋转切割工具22的3轴或5轴铣刀。切割工具22可以包含但不限于图2所示的立铣刀22。CNC控制器26可以与具有CAM软件（未示出）的CAD/CAM（计算机辅助设计/计算机辅助制造）系统28耦合并存取一种或更多的软件程序30。在所描述的实施例中，软件程序30至少包含合适的MAT（中轴变换）算法和自适应工具路径生成器36。具有用户界面（例如输入设备、显示器等）的通用的编程的计算机23与CADS\CAM系统28和CNC控制器耦合，并存取软件程序30。

参考图2，切割工具22绕对应于机床主轴（未示出）的轴线41旋转40，所述主轴在所描述的实施例中是图1所示的机械加工中心20的直角XYZ坐标系38中的Z轴。机械加工中心20沿工具路径48移动切割工具22，所述工具路径48由CAD/CAM系统28生成并由CNC控制器26控制。切割工具22在X-Y平面中具有由机械加工中心20控制的径向切割深度44。在所示的示例中，径向切割深度44是完全的沟槽切口，其中切割工具22与工件24具有最大的径向接合。机械加工中心20在X-Y平面中沿工具路径48在工件24上移动切割工具22。切割工具22具有轴向切割深度46，该轴向切割深度46由CAD/CAM系统28确定并由CNC控制器26控制。

图3描述了具有工件区域25的典型的工件24，所述工件区域25要求粗机械加工。工件区域25由切割区域边界50限定，并且可以包含一个或更多的狭窄区域56。如在本说明书中使用的，“狭窄区域”包含但不限于紧凑空间、小区域、拐角、通道或切割区域边界50内的其他狭窄部分。根据所公开的实施例，工件区域25可以使用自适应工具路径策略进行粗机械加工，所述自适应工具路径策略尤其是最优化待机械加工的所述区域25的形状。如下文将会详细讨论的，这种最优化是通过以下步骤实现的：计算待粗机械加工的区域25的中轴骨架曲线，在工件24中切割预粗机械加工的沟槽，并生成最优化的自适应工具路径，其基于预粗机械加工的沟槽的几何构形，并且被用于完成粗机械加工处理。通过这种方式的最优化自适应工具路径，可以明显减少与在狭窄区域56中的切割工具22的加速和减速相关联的无用功。

现在将注意力转向图4，该图描述了一组中轴骨架曲线68，其是针对由图3中所示的切割区域边界50限定的工件区域25的形状而计算的。中轴骨架曲线68包含一组内部曲线68a、68b、68c和一系列外部对角线骨架曲线68d。中轴骨架曲线68通过CAD/CAM系统28使用计算机23（图1）和MAT34计算。MAT34可以包含任意合适的通常可用的MAT算法，例如但不限于自动细化一组生成的中轴曲线的缩放的中轴变换。通常，中轴变换是用于提取多边形形状的数学方法，有时被称为寻找其骨架的一种处理，并且所述中轴有时被称为形状的拓扑骨架。形状的中轴是在形状的边界上具有多于一个最近点的所有点的集合。在二维空间中，平面曲线S的中轴是与曲线S正切并且具有两个或更多点的圆的圆心的轨迹，其中所有这些圆都包含在S中。换一种方式说，所述中轴曲线是容纳在切割区域边界50内且不在其他圆内的所有这些圆的圆心的轨迹。

图4显示了区域25的中轴变换的最初结果，所述区域25由切割区域边界50限定，并代表了可以在作为用户界面32（图1）一部分的计算机屏幕（未示出）上显示给使用者的图像。因为可能不必要或者不能有效地使用由中轴变换获得的所有中轴曲线，所以中轴曲线68可以被细化，也就是通过选择处理减少数量，在选择处理中，最有用或最实用的曲线被选择，并且剩余的曲线被忽略或“取消选定”。该选择处理可以由CAD/CAM系统28自动执行，或者由用户向CAD/CAM系统28提供合适的选择指令而半自动地执行。在本示例中，CAD/CAM系统或用户可以例如取消选定外部的对角线曲线68d，显示器中的结果类似于图5中所示，其中骨架曲线68已经被细化为大致位于中心的骨架曲线68a和两个外部骨架曲线68b，68c。

现在参考图6，使用图5所示的细化的中轴骨架曲线68的定位，CAD/CAM系统28（图1）生成预粗机械加工的沟槽工具路径75。切割工具22遵从预粗机械加工的工具路径75以在工件24中切割预粗机械加工的沟槽72，预粗机械加工的沟槽72基本遵从细化的中轴骨架曲线68。参考图7-9，切割预粗机械加工的沟槽72开始于切割工具22在工件24中切割圆形凹槽70，圆形凹槽70位于图5中所示的细化的中轴骨架曲线68的一端的中心。然后，如图8所示，切割工具22继续切割沟槽72的全长，在细化的中轴骨架曲线68的另一端中心的第二圆形凹槽70（图9）中结束。取决于希望的沟槽72的最终轴向深度，可能需要切割工具22多次通过工件24，其中每次通过都去除一层材料。沟槽72可以被切割到工件24被粗机械加工的最终轴向深度，或者可替换地，当工件24的剩余部分被如下所述地粗机械加工时，沟槽72的连续层可以被机械加工。

现在将注意力转向图10，该图描述了最优化的自适应工具路径76，自适应工具路径76由CAD/CAM系统28基于预粗机械加工的沟槽72的几何构形生成。切割工具22从预粗机械加工沟槽72内侧的开始位置78开始粗机械加工处理。然后切割工具22以围绕沟槽72的基本平滑的曲线在宽度上移动，形成向外的螺旋图案。工具路径76在工件24的狭窄区域56内基本连续，并且既不要求反转切割工具22的行进方向，也不要求切割工具22明显的减速和加速。

现在将注意力转向图11，该图概括地描述了使用自适应工具路径技术机械加工工件24的方法的步骤，所述自适应工具路径技术如前所述地通过使用中轴变换被最优化。从步骤80开始，选择待机械加工的工件24的区域25，所述区域25是切割区域边界50。在步骤82中，计算针对选择的区域25的至少一条骨架曲线68。在步骤84中，预粗机械加工的沟槽72在工件24中基本沿计算的骨架曲线68被机械加工。在步骤86中，基于预粗机械加工的沟槽72的几何构形生成工具路径76。在步骤88中，切割工具22沿最优化的工具路径76移动，以便将工件24粗机械加工到期望的轴向深度。

图12描述了图11显示的方法的额外细节。开始于步骤90，生成NC（数字控制）操作，所述NC操作可以包含选择数字化描述待机械加工的工件24的CAD文档，并生成CNC程序以执行机械加工操作。在步骤92中，切割区域边界50被选择以用于限定将被粗机械加工的区域25。切割区域边界50可以被选择，例如，以便其排除已被粗机械加工的工件24的区域。步骤92中的所述选择处理可以由用户执行，或者在计算机控制下自动执行。

在步骤96中，针对在步骤94中选择的切割区域边界50计算中轴骨架曲线，并且在步骤98中，计算的中轴骨架曲线可以在显示屏上显示给使用者。在步骤100中，在步骤96中计算并在步骤98中显示的中轴骨架曲线被选择以用于预粗机械加工操作，在所述预粗机械加工操作中生成第一组预粗机械加工的工具路径数据，其用于机械加工预粗机械加工的沟槽72。步骤100中的选择处理可以由用户执行，或者由计算机23自动执行。在步骤100中，计算的骨架曲线被细化为期望的集合。在步骤102中，第二组粗机械加工的工具路径数据由计算机23自动生成，所述第二组粗机械加工的工具路径数据限定用于生成预粗机械加工的沟槽72的工具路径。最终，在步骤104中，最优化的自适应工具路径76由计算机23基于预粗机械加工的沟槽72的几何构形和在步骤94中选择的切割区域边界50生成。在步骤104中最优化的自适应工具路径76生成之后，工件24可以被粗机械加工。

本公开的实施例可以发现使用在各种潜在的应用中，尤其是在交通运输行业，包括例如航空、海运、汽车应用及要求机械加工的工件的其他应用。因此，现在参考图13和图14，公开的实施例可以被用于图13中所示的飞行器制造和维护方法106和图14所示的飞行器108的背景中。所公开的实施例的飞行器应用可以包含例如但不限于机械加工任意多种固体材料的零件和组件，尤其是例如铝和钛等金属。在预生产期间，示例性方法106可以包含飞行器108的规格及设计110以及材料采购112。在生产过程中，进行飞行器108的组件和子配件制造114以及系统集成116。此后，飞行器108可以经历检验和交付118以便投入使用120。在由顾客使用时，飞行器108定期进行日常维修和维护122，其还可以包含改进、重新配置、翻新等等。

方法106的每一个处理均可以由系统集成商、第三方和/或操作者（例如，顾客）来执行或完成。为了本说明书的目的，系统集成商可以包含但不限于任意数量的飞行器制造商和主系统承包商；第三方可以包含但不限于任意数量的销售商、转包商和供应商；并且操作者可以是航空公司、租赁公司、军事实体、服务组织等等。

如图14所示，由示例性方法106生产的飞行器108可以包含机身124，所述机身124具有多个系统126和内部128。高级系统126的示例包含一个或更多的推进系统130、电气系统132、液压系统134和环境系统136。还可以包含任意数量的其它系统。虽然显示的是航空示例，但本公开的原理还可以应用于其它产业，例如船舶工业和汽车工业。

本文呈现的系统和方法可在生产和维护方法106中的任何一个或更多的阶段中使用。例如，对应于生产处理102的组件或子配件可以与飞行器108在使用中时生产的组件或子配件类似的方式被生产或制造。并且，一种或更多的设备实施例、方法实施例或其组合可以在生产阶段114和116中被利用，例如，通过充分加快飞行器108的组装或降低飞行器108的成本。同样的，一个或更多的设备实施例、方法实施例或其组合可以在飞行器108投入使用时被利用，例如但不限于，在维修和维护122中使用。

不同的说明性实施例的描述被提供以用于说明和描述的目的,并且不意图穷举或限制为所公开的实施例的形式。许多修改和变化对本领域的普通技术人员是显而易见的。而且，与其他说明性实施例相比较，不同的说明性实施例可以提供不同的优势。选择的一个或更多个实施例被选择和描述以便最好地解释实施例的原理及实际应用，并使本领域的其他普通技术人员能够理解具有适于预期的特定用途的各种改进的各种实施例的公开。

Claims (10)

1.一种使用数控机床粗机械加工工件(24)的区域的方法，所述区域具有形状，所述方法包含：

选择边界(50)，所述边界限定将被机械加工的所述工件(24)的所述区域的所述形状；

确定所述形状的中轴；

使用所述中轴生成第一组工具路径数据以便引导切割工具(22)的移动；

使用所述第一组工具路径数据在所述工件(24)中机械加工预粗机械加工的沟槽(72)，以便以所述中轴的第一端为中心在所述工件中切割第一圆形凹槽、切割所述预粗机械加工的沟槽的全长，以及以所述中轴的第二端为中心在所述工件中切割第二圆形凹槽，使得所述预粗机械加工的沟槽(72)具有几何构形；

基于所述预粗机械加工的沟槽(72)的所述几何构形生成第二组工具路径数据，使得所述第二组工具路径数据的工具路径包含在所述预粗机械加工的沟槽内的起点；以及

使用所述第二组工具路径数据粗机械加工所述工件(24)。

2.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述形状的所述中轴是使用计算机实施的中轴变换算法(34)执行的。

3.根据权利要求1-2中任一项所述的方法，其中确定所述中轴包括生成代表所述形状的多条曲线(68)，并且然后通过取消选定所述多条曲线(68)中的至少一些而细化所述多条曲线(68)。

4.根据权利要求3所述的方法，其中取消选定所述多条曲线(68)中的至少一些是使用编程的计算机(23)自动执行的。

5.根据权利要求3所述的方法，其中取消选定所述多条曲线(68)中的至少一些包括：

向人视觉地呈现所述多条曲线(68)，以及

由人执行所述取消选定。

6.根据权利要求1所述的方法，其中生成所述第二组工具路径数据是使用自适应工具路径算法执行的。

7.根据权利要求2所述的方法，其中所述中轴变换算法(34)包含缩放的中轴变换。

8.根据权利要求1所述的方法，其中粗机械加工所述工件(24)开始于将所述切割工具(22)定位在所述预粗机械加工的沟槽(72)内，并从所述预粗机械加工的沟槽(72)以大致平滑的曲线向外螺旋移动所述切割工具(22)。

9.根据权利要求1所述的方法，其中生成所述第二组工具路径数据包含选择从所述预粗机械加工的沟槽(72)向外螺旋前进的工具路径图案。

10.根据权利要求1所述的方法，其中粗机械加工包含从所述预粗机械加工的沟槽(72)向外螺旋地移动所述切割工具(22)。