CN105045211B - 一种等弓高误差变步长切线插补方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于数控技术领域，尤其涉及一种等弓高误差变步长切线插补方法，主要用于多轴加工刀具路径规划作业，适应曲面曲率的变化自适用调整加工步长，实现加工步长在弓高允差范围内的最大化，可以获取最少的曲线离散段数，加工效率高；采用新的等弓高误差步长法确定的刀具路径轨迹，在各逼近直线段内的弓高误差均匀一致，加工精度高。
Description
技术领域
本发明属于数控技术领域，尤其涉及一种等弓高误差变步长切线插补方法，主要用于多轴加工刀具路径规划作业。
背景技术
近年来，五轴加工因其更高的加工效率和更好的加工质量，在自由曲面（自由曲面指表面形状不能被连续加工的，具有传统加工成型的任意性特点的曲线）零件制造领域应用越来越广泛。自由曲面的五轴数控加工目前大都采用商业CAM软件来进行辅助编程，由于一般CNC系统仅具有空间直线插补能力，因此，由CAM软件辅助生成的刀具轨迹都是由大量的微小直线段组成。这种将自由曲面离散成大量微小直线段的曲面加工方法，不但加工效率低，而且加工精度和表面质量难以满足要求。尤其是在高速加工中，由于刀具轨迹曲线的不连续会引起进给速度和加速度的不连续，将导致刀具运动方向和受力情况的突然变化，从而不可避免引起机床振动，产生较差的表面质量，并加快刀具磨损。
同一自由曲面采用不同的刀具路径轨迹规划方法，加工精度和加工效率可能有很大的差别，因此，加工刀具路径轨迹规划被认为是自由曲面的多轴联动数控编程的核心任务。自由曲面的刀具路径轨迹规划，都是通过走刀步长来控制离散直线段的最大逼近误差，控制加工步距保证最大残余高度误差。国内外提出的刀具路径轨迹规划算法都是从这两方面入手，来提高自由曲面的加工质量和加工效率。
加工步长的计算方法主要有等参数步长法、等距离步长法和等步长筛选法等，一般都是采用微小直线段对理论曲线进行弦弧逼近。
等参数步长法的特点是算法简单、稳定可靠、速度快等，自由曲线按照等参数进行离散逼近，由于参数空间和表示实际位置的笛卡尔空间的非线性对应关系，由相等的参数增量所得到的笛卡尔空间的相邻的离散点之间的距离的大小是不等的，更不能保证各个逼近直线段与参数曲线之间的误差的一致性。因此，为了控制各离散直线段对曲线的逼近误差在给定的允差范围内，等参数增量只按照最不利的情况选取，因此，加工步长取值都比较保守，所生成的零件程序量大，弓高误差（弓高又指弦高，指在刀触点轨迹曲线上两相邻刀触点之间的弦高。）分布不均匀。
等距离步长法的计算过程比等参数步长法要复杂的多，而且由于原曲线在各点的曲率不等，各个逼近段内的逼近误差也不相等与等参数法类似，离散步长的选取也只能按照最不利的情况选取，因而也难以得到高质量的零件程序。
步长筛选法首先按照很小的等参数步长进行曲线离散逼近，步长取值使得逼近点列足够密集，然后校核各个离散直线段内的实际弓高误差，从离散点列中筛选出符合弓高允差（弓高允许的误差）要求的点列，剔除掉不必要的离散点。步长筛选法虽然克服了等参数法和等距离法的缺点，但实际上这两种方法都不能实现真正意义上的步长范围内的等弓高误差，因此，加工步长并非实现弓高允差下的最大化加工步长。
发明内容
为了解决传统方法在多轴加工刀具路径规划步长计算方面存在的问题，本发明提出了一种等弓高误差变步长切线插补方法，适应曲面曲率的变化自适用调整加工步长，实现加工步长在弓高允差范围内的最大化，可以获取最少的曲线离散段数，同时为让效率提高，我们选择弓高误差与弓高允差相等；采用新的等弓高误差步长法确定的刀具路径轨迹，在各逼近直线段内的弓高误差均匀一致，加工精度高。
为了实现以上目的，本发明采用的技术方案为：
一种等弓高误差变步长切线插补方法，用于多轴加工刀具路径规划作业，所述等弓高误差变步长切线插补算法得到的自由曲线上两相邻刀触点之间的弓高误差相等，实现加工步长在弓高允差范围内的最大化，获取最少的曲线离散段数，采用弓高允差与弓高误差相等，提高加工工作效率，所述弓高允差为弓高允许的最大值。
根据权利要求所述的一种等弓高误差变步长切线插补方法，所述等弓高误差变步长切线插补算法包括以下步骤：
步骤1）将处理模具的面转换成自由曲面，将所述自由曲面划分成若干条刀触点轨迹曲线L k，k=1，…，n，所述n为划分的刀触点轨迹曲线条数；
步骤2）以弓高误差为距离，所述弓高误差以磨具加工表面设定的，是个确定的常数，在上述步骤1）其中一条刀触点轨迹曲线L k两个方向上做以弓高误差为距离的等间距偏置线L k1与L k2；
步骤3）确定所述曲线L k的起始端P k0，将P k0作为第一个刀触点；
步骤4）通过上述步骤3）中第一刀触点，分别作所述曲线L k1与L k2的两条切线；
步骤5）对上述步骤4）所述的两条切线进行是否在弓高误差区域内的判断；
步骤6）根据上述步骤5）的判断结果确定下个刀触点P ki，所述i=1，…，m，所述m为刀触点轨迹曲线L k上刀触点的个数；
步骤7）根据上述步骤确定的刀触点P ki，判断刀触点P ki是否在所述曲线L k上，P ki在所述曲线L k上，重复上述步骤3）-6），P i点不在所述曲线L k上，一条刀触点轨迹曲线的作业结束；
步骤8）所述步骤7）中一条刀触点轨迹曲线的作业结束，进行下一条刀触点轨迹曲线的作业，重复上述步骤2）-7），直到所述自由曲面上所有的刀触点轨迹曲线的作业结束，整个磨具的作业结束。
优先地，第i刀触点P ki对应的横坐标为X ki，所述i=1，…，m，过P ki关于L k1与L k2的切线为K ki1和K ki2，所述切线K ki1和K ki2的切点分别对应的横坐标为X ki1与X ki2关，对所述切线K ki1和K ki2是否在弓高误差区域内的判断：
首先判断切线K ki1，判断在[X ki, X ki1]范围内切线K ki1与曲线L k2交点情况，若只有一个交点、或者没有交点，所述切线K ki1在弓高误差范围之内，满足要求，若有两个或者两个以上交点，则该切线不在弓高误差范围内，不满足要求，舍去；
接着判断切线K ki2，判断在[X ki, X ki2]范围内切线K ki2与曲线L k1交点情况，若只有一个交点、或者没有交点，所述切线K ki2在弓高误差范围之内，满足要求，若有两个或者两个以上交点，则该切线不在弓高误差范围内，不满足要求，舍去。
优先地，对所述切线K ki1和K ki2是否在弓高误差区域内判断情况分三种：
第一种，所述切线K ki1和K ki2都在弓高误差区域内，判断所述切线K ki1和K ki2的切点分别对应的横坐标X ki1与X ki2的大小， X ki1大于X ki2，则切线K ki1的延长线与所述曲线L k的交点即可做下一个刀触点；
第二种，如果切线K ki2在弓高误差区域外，舍去切线K ki2，同时将切线Kki1的延长线与所述曲线L k的交点作为下一个刀触点；
第三种，如果切线K ki1在弓高误差区域外，舍去切线K ki1，同时将切线Kki2的延长线与所述曲线L k的交点作为下一个刀触点。
优先地，所述自由曲面划分成若干条刀触点轨迹曲线是采用刀具路径规划方法，所述刀具路径规划方法包括等残留高度法、等截面法、等距离发法。
附图说明
图1为本发明涉及的一种等弓高误差变步长切线插补方法结构示意图；
图2为本发明涉及的一种等弓高误差变步长切线插补方法流程图。
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描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
本发明涉及一种等弓高误差变步长切线插补方法，所述等弓高误差变步长切线插补算法用于多轴加工刀具路径规划作业，所述等弓高误差变步长切线插补算法得到的复杂曲线上两相邻刀触点之间的弓高误差相等。根据图2所示，关于所述等弓高误差变步长切线插补算法流程图，对整个步骤进行解释，首先将处理的模具的面转换成自由曲面，并确定自由曲面通过刀具路径规划方法划分成若条刀触点轨迹曲线L k（k=1，…，n），所述刀具路径规划方法采用现有技术，包括等残留高度法、等截面法、等距离发法。对所述刀触点轨迹曲线L k（k=1，…，n）进行刀触点确定，以弓高误差为距离，所述弓高误差大小影响自由曲线的表面精度，弓高误差越小表面质量越好，所述弓高误差是有生产厂家根据所加工表面设定的，为已知量。确定在所述曲线L k两个方向上的等间距偏置线L k1与L k2。
确定所述曲线L k的起始端P k0，将P k0作为第一个刀触点，通过P k0点作曲线L k1和L k2的切线K k01和K k02，对所述切线K k01和K k02进行判断是否在弓高误差区域内，关于切线K k01和K k02是否在弓高误差区域内的判断，所述切线K k01和K k02的切点分别对应的横坐标为X k01与X k02，第一刀触点P k0对应的横坐标为X k0，首先判断切线K k01，判断在[X k0,X k01]范围内切线K k01与曲线L k2交点情况，若只有一个交点、或者没有交点，说明该切线在弓高误差范围之内，满足要求，若有两个或者两个以上交点，则该切线不在弓高误差范围内，不满足要求，舍去；接着判断切线K k02，判断在[X k0,X k02]范围内切线K k02与曲线L k1交点情况，若只有一个交点、或者没有交点，说明该切线在弓高误差范围之内，满足要求，若有两个或者两个以上交点，则该切线不在弓高误差范围内，不满足要求，舍去。
根据上述对所述切线K k01和K k02是否在弓高误差区域内判断情况分三种情况：
第一种，如果所述切线K k01和K k02都在弓高误差区域内，判断所述切线K k01和K k02的切点分别对应的横坐标X k01与X k02的大小，如果X k01大于X k02，则切线K k01的延长线与所述曲线L k的交点即可做下一个刀触点；
第二种情况，如果切线K k02在弓高误差区域外，舍去切线K k02，同时将切线K k01的延长线与所述曲线L k的交点作为下一个刀触点；
第三种情况，如果切线K k01在弓高误差区域外，舍去切线K 01，同时将切线K02的延长线与所述曲线L k的交点作为下一个刀触点。
对一个刀触点P k0判断结束，同时确定了下一个刀触点，判断下个刀触点是否在所述曲线L k上，如果在曲线L k上重复上个刀触点的判断过程，直至刀触点遍布整个曲线L k上，一条刀触点曲线确定完刀触点后，确定下一条刀触点曲线的刀触点，直到所有的刀触点曲线的刀触点确定完，即遍布在整个自由曲面的刀触点都确定以后，即完成整个路径规划作业。
通过本发明涉及的一种等弓高误差变步长切线插补方法，适应曲面曲率的变化自适用调整加工步长，实现加工步长在弓高允差范围内的最大化，可以获取最少的曲线离散段数，采用新的等弓高误差步长法确定的刀具路径轨迹，在各逼近直线段内的弓高误差均匀一致，加工精度高。
Claims (4)
1.一种等弓高误差变步长切线插补方法，用于多轴加工刀具路径规划作业，其特征在于，所述等弓高误差变步长切线插补方法得到的自由曲线上两相邻刀触点之间的弓高误差相等，实现加工步长在弓高允差范围内的最大化，获取最少的曲线离散段数，采用弓高允差与弓高误差相等，所述弓高允差为弓高允许的最大值，所述等弓高误差变步长切线插补方法包括以下步骤:
步骤1)将处理模具的面转换成自由曲面，将所述自由曲面划分成若干条刀触点轨迹曲线Lk，k＝1，…，n，所述n为划分的刀触点轨迹曲线条数；
步骤2)以弓高误差为距离，所述弓高误差以磨具加工表面设定的，是个确定的常数，在上述步骤1)其中一条刀触点轨迹曲线Lk两个方向上做以弓高误差为距离的等间距偏置线Lk1与Lk2；
步骤3)确定所述曲线Lk的起始端Pk0，将Pk0作为第一个刀触点；
步骤4)通过上述步骤3)中第一刀触点，分别作所述曲线Lk1与Lk2的两条切线；
步骤5)对上述步骤4)所述的两条切线进行是否在弓高误差区域内的判断；
步骤6)根据上述步骤5)的判断结果确定下个刀触点Pki，其中，i＝1，…，m，所述m为刀触点轨迹曲线Lk上刀触点的个数；
步骤7)根据上述步骤确定的刀触点Pki，判断刀触点Pki是否在所述曲线Lk上，Pki在所述曲线Lk上，重复上述步骤3)-6)，Pi点不在所述曲线Lk上，一条刀触点轨迹曲线的作业结束；
步骤8)所述步骤7)中一条刀触点轨迹曲线的作业结束，进行下一条刀触点轨迹曲线的作业，重复上述步骤2)-7)，直到所述自由曲面上所有的刀触点轨迹曲线的作业结束，整个磨具的作业结束。
2.根据权利要求1所述的一种等弓高误差变步长切线插补方法，其特征在于，第i刀触点Pki对应的横坐标为Xki，所述i＝1，…，m，过Pki关于Lk1与Lk2的切线为Kki1和Kki2，所述切线Kki1和Kki2的切点分别对应的横坐标为Xki1与Xki2关，对所述切线Kki1和Kki2是否在弓高误差区域内的判断：首先判断切线Kki1，判断在[Xki,Xki1]范围内切线Kki1与曲线Lk2交点情况，若只有一个交点、或者没有交点，所述切线Kki1在弓高误差范围之内，满足要求，若有两个或者两个以上交点，则该切线不在弓高误差范围内，不满足要求，舍去；接着判断切线Kki2，判断在[Xki,Xki2]范围内切线Kki2与曲线Lk1交点情况，若只有一个交点、或者没有交点，所述切线Kki2在弓高误差范围之内，满足要求，若有两个或者两个以上交点，则该切线不在弓高误差范围内，不满足要求，舍去。
3.根据权利要求1所述的一种等弓高误差变步长切线插补方法，其特征在于，对所述切线Kki1和Kki2是否在弓高误差区域内判断情况分三种情况：第一种，所述切线Kki1和Kki2都在弓高误差区域内，判断所述切线Kki1和Kki2的切点分别对应的横坐标Xki1与Xki2的大小，Xki1大于Xki2，则切线Kki1的延长线与所述曲线Lk的交点即可做下一个刀触点；第二种情况，如果切线Kki2在弓高误差区域外，舍去切线Kki2，同时将切线Kki1的延长线与所述曲线Lk的交点作为下一个刀触点；第三种情况，如果切线Kki1在弓高误差区域外，舍去切线Kki1，同时将切线Kki2的延长线与所述曲线Lk的交点作为下一个刀触点。
4.根据权利要求1所述的一种等弓高误差变步长切线插补方法，其特征在于，所述自由曲面划分成若干条刀触点轨迹曲线是采用刀具路径规划方法，所述刀具路径规划方法包括等残留高度法、等截面法、等距离发法。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20171107 Termination date: 20190713 |