CN105700469B - 面向三角网格曲面数控加工的刀位点求取方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
面向三角网格曲面数控加工的刀位点求取方法及其应用，用于数控机床，包括如下加工步骤：(1)于数控系统中构建偏置三角网格模型；(2)对偏置三角网格面上的有效顶点进行三维样条曲线插值，拟合轮廓曲线；(3)使用截平面与所述拟合轮廓曲线求交，获得刀位点；(4)生成并输出加工曲面工件的刀位轨迹；(5)将工件放入加工台，通过夹具定位固定；(6)由刀库出刀对刀，定位加工起点位置；(7)球头刀具依获得的刀位轨迹，进行加工。本发明提出的面向三角网格曲面数控加工的刀位点求取方法，并运用于数控机床，可有效求取无精度损失的刀位点，避免三角网格模型逼近误差的影响，生成有效的刀位路径，提高数控机床的加工精度。
Description
技术领域
本发明涉及机械加工技术领域，尤其涉及面向三角网格曲面数控加工的刀位点求取方法及其应用。
背景技术
目前，曲面的三角网格模型表达已非常普遍，并被广泛应用于快速成型制造中。其中，CL路径法是目前常用的三角网格模型刀具轨迹生成方法之一。该方法适用于球头刀具的加工，其主要操作是通过构造加工曲面的等距偏置面，再用截平面求取偏置面的刀位点，用于数控机床的数控加工中。
三角网格模型是通过一系列连接的三角网格面片来表达实体模型外形，与目前常用的参数模型不同。三角网格模型在外形轮廓的表达上存在着精度损失，即存在逼近误差a，如图4所示，而目前的CL路径截面法截取的交点在三角网格面片的边上，如图5所示，由于受三角网格模型的逼近误差影响，交点与有效点间存在着逼近误差，且目前的CL路径截面法直接使用截面交点作为刀位点，会影响三角网格模型的加工精度。
CL路径法的主要思想是通过构造加工曲面的等距偏置面，再用截平面求取偏置面的刀位点，如图2所示，该方法的主要操作为：偏置三角网格模型，截平面求取交点，样条曲线插值，刀位路径生成。因此现有的CL路径法存在着精度问题，由CL路径法生成的刀具的刀位轨迹则存在误差，导致数控机床去曲面工件的加工精度低、加工效率低等问题。
发明内容
本发明的目的在于提出一种无精度损失的适用于三角网格曲面刀位轨迹生成的刀位点求取方法。
本发明的另一个目的在于提出一种适用于加工曲面工件的数控机床。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
面向三角网格曲面数控加工的刀位点求取方法，用于数控机床，包括如下加工步骤：
(1)于数控系统中构建偏置三角网格模型；
(2)对偏置三角网格面上的有效顶点进行三维样条曲线插值，拟合轮廓曲线；
(3)使用截平面与所述拟合轮廓曲线求交，获得刀位点；
(4)生成并输出所述球头刀具的加工曲面工件的刀位轨迹；
(5)将工件放入加工台，通过夹具定位固定；
(6)由刀库出刀对刀，定位加工起点位置；
(7)所述球头刀具依步骤(4)获得的刀位轨迹，于加工台上进行曲面工件的加工，获得成品。
进一步说明，所述有效顶点的求取是通过垂直面求取的每个交点都有位于同一条边上的两个顶点，根据距离公式比较所述交点与顶点的距离，并选取距离较小的顶点。
进一步说明，所述有效顶点还经过排序和判断，将选取的顶点沿垂直面的方向排序，并对排序的顶点进行判断，去掉样条曲线无法有效插值的顶点。
进一步说明，所述对排序顶点的判断包括如下步骤：
(1)选取两个相邻的顶点；
(2)设定允许的相邻顶点与垂直面的角度；
(3)计算相邻两顶点连线与垂直面的角度，若在允许的角度范围内，则当前的两顶点之间符合插值要求，否则需要删除其中一个不适合的顶点；
(4)对于选择要删除的顶点，需利用与该两顶点相邻的顶点，比较两顶点与相邻顶点的距离之和，删除距离较大的顶点。
一种适用于加工曲面工件的数控机床，包括加工台、球头刀具和数控系统，所述数控系统设置有控制所述球头刀具的刀位轨迹的刀位点求取子系统，所述球头刀具由所述数控系统控制其对曲面工件的加工；
所述刀位点求取子系统是通过构建偏置三角网格模型，对偏置三角网格面上的有效顶点进行三维样条曲线插值，拟合出有效的参数曲面模型轮廓曲线，再使用截平面截取所述拟合轮廓曲线上的交点，作为刀位点生成刀位轨迹。
进一步说明，所述刀位点求取子系统操作步骤如下：
(1)构建偏置三角网格模型；
(2)求取垂直面：选取与截平面垂直的一系列垂直面；
(3)垂直面求取交点：将单个垂直面与偏置三角网格模型求交，截取出垂直面的交点，即所述交点位于三角网格的边上；
(4)顶点求取：垂直面求取的每个交点都有位于同一条边上的两个顶点，根据距离公式比较所述交点与顶点的距离，并选取距离较小的顶点；
(5)顶点排序：将步骤(3)中选取的顶点沿垂直面的方向排序；
(6)判断有效顶点：对排序的顶点进行判断，去掉样条曲线无法有效插值的顶点；
(7)样条曲线插值：通过以上步骤得到的垂直面的有效插值顶点，进行样条插值拟合，得到当前垂直面的拟合轮廓曲线；
(8)截面求取交点：使用截平面与所述拟合轮廓曲线求交，即可获得有效的刀位点。
进一步说明，所述步骤(6)中的判断有效顶点具体操作如下：
(1)选取两个相邻的顶点；
(2)设定允许的相邻顶点与垂直面的角度；
(3)计算相邻两顶点连线与垂直面的角度，若在允许的角度范围内，则当前的两顶点之间符合插值要求，否则需要删除其中一个不适合的顶点；
(4)对于选择要删除的顶点，需利用与该两顶点相邻的顶点，比较两顶点与相邻顶点的距离之和，删除距离较大的顶点。
进一步说明，所述垂直面的间距相等，且垂直面间距大于三角网格最大边长的1.5倍。
本发明的有益效果：本发明通过设置所述刀位点求取子系统，利用所述刀位点求取子系统来有效生成所述球头刀具对曲面工件加工的刀位点，生成刀位轨迹，实现数控机床有效的数控加工，所述刀位点求取子系统能够有效求取无精度损失的刀位点，避免了三角网格模型逼近误差的影响，从而生成有效的刀位路径，提高了数控机床的加工精度。
附图说明
图1是本发明一个实施例的一种适用于加工三角网格曲面工件的数控机床系统框架图；
图2是本发明一个实施例的CL路径法的操作流程图；
图3是本发明一个实施例的刀位点求取子系统的操作流程图；
图4是本发明一个实施例的三角网格模型的逼近误差示意图；
图5是本发明一个实施例的CL路径法的精度损失示意图；
图6是本发明一个实施例的截平面与垂直面的示意图；
图7是本发明一个实施例的有效顶点的示意图。
其中，逼近误差a，垂直面b，三角网格c，截平面d，参数曲面S，有效交点p。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
面向三角网格曲面数控加工的刀位点求取方法，用于数控机床，包括如下加工步骤：
(1)于数控系统中构建偏置三角网格模型；
(2)对偏置三角网格面上的有效顶点进行三维样条曲线插值，拟合轮廓曲线；
(3)使用截平面与所述拟合轮廓曲线求交，获得刀位点；
(4)生成并输出所述球头刀具的加工曲面工件的刀位轨迹；
(5)将工件放入加工台，通过夹具定位固定；
(6)由刀库出刀对刀，定位加工起点位置；
(7)所述球头刀具依步骤(4)获得的刀位轨迹，于加工台上进行曲面工件的加工，获得成品。
本发明提出的面向三角网格曲面数控加工的刀位点求取方法，通过以上加工步骤，获得高精度的刀位轨迹，使所述数控机床有效控制所述球头刀具对所述曲面工件的加工，提高了对曲面工件的加工效率和加工精度，使数控机床的加工更加简便，操作简单，适应性强。
进一步说明，所述有效顶点的求取是通过垂直面求取的每个交点都有位于同一条边上的两个顶点，根据距离公式比较所述交点与顶点的距离，并选取距离较小的顶点。
对有效顶点的求取的准确度，影响着最后生成的刀位轨迹的精度，通过垂直面求取的每个交点都有位于同一条边上的两个顶点，根据距离公式比较所述交点与顶点的距离，并选取距离较小的顶点，使所选取的顶点在最小的误差范围内。
进一步说明，所述有效顶点还经过排序和判断，将选取的顶点沿垂直面的方向排序，并对排序的顶点进行判断，去掉样条曲线无法有效插值的顶点。
对所求取的顶点进行有效判断是为保证选取的顶点能够进行有效的插值处理，选取插值前的顶点应该要避免局部的翘变，因此需要对所求取的顶点进行筛选。
进一步说明，所述对排序顶点的判断包括如下步骤：
(1)选取两个相邻的顶点；
(2)设定允许的相邻顶点与垂直面的角度；
(3)计算相邻两顶点连线与垂直面的角度，若在允许的角度范围内，则当前的两顶点之间符合插值要求，否则需要删除其中一个不适合的顶点；
(4)对于选择要删除的顶点，需利用与该两顶点相邻的顶点，比较两顶点与相邻顶点的距离之和，删除距离较大的顶点。
一种适用于加工曲面工件的数控机床，如图1所示，包括加工台、球头刀具和数控系统，所述数控系统设置有控制所述球头刀具的刀位轨迹的刀位点求取子系统，所述球头刀具由所述数控系统控制其对曲面工件的加工；
所述刀位点求取子系统是通过构建偏置三角网格模型，对偏置三角网格面上的有效顶点进行三维样条曲线插值，拟合出有效的参数曲面模型轮廓曲线，再使用截平面截取所述拟合轮廓曲线上的交点，作为刀位点生成刀位轨迹。
目前曲面的三角网格模型广泛用于快速成型制造中，其中CL路径法是目前常用的三角网格模型刀具轨迹生成方法之一，适用于数控机床中的球头刀具的加工，但三角网格模型存在逼近误差，采用CL路径截面法截取的交点在三角网格面片的边上，由于受三角网格模型的逼近误差影响，交点与有效点间存在着逼近误差，若将CL路径截面法直接使用截面交点作为刀位点，则会影响三角网格模型的加工精度，因此本发明所述数控机床通过数控系统设置所述刀位点求取子系统，利用所述刀位点求取子系统来有效生成所述球头刀具对曲面工件加工的刀位点，生成刀位轨迹，实现数控机床的有效地进行数控加工，所述刀位点求取子系统能够有效求取无精度损失的刀位点，避免了三角网格模型逼近误差的影响，从而生成有效的刀位路径，提高了数控机床的加工精度。需要说明，所述子系统可以为软件或固件，其中软件设有函数或子程序。
进一步说明，如图3所示，所述刀位点求取子系统操作步骤如下：
(1)构建偏置三角网格模型；
(2)求取垂直面：选取与截平面垂直的一系列垂直面；
(3)垂直面求取交点：将单个垂直面与偏置三角网格模型求交，截取出垂直面的交点，即所述交点位于三角网格的边上；
(4)顶点求取：垂直面求取的每个交点Ie都有位于同一条边上的两个顶点Vf和Vf+1，如图7所示，根据距离公式比较所述交点与顶点的距离，并选取距离较小的顶点；例如比较IeVf和IeVf+1，距离较小的顶点则为交点Ie选取的顶点。被选取的顶点只需要保存一个，例如交点Ie和Ie+1选取的顶点都为Vf+1，但顶点Vf+1不需要使用两次。
(5)顶点排序：将步骤(3)中选取的顶点沿垂直面的方向排序，如Vf-1，Vf，Vf+1，Vf+2。
(6)判断有效顶点：对排序的顶点进行判断，去掉样条曲线无法有效插值的顶点；
(7)样条曲线插值：通过以上步骤得到的垂直面的有效插值顶点，进行样条插值拟合，得到当前垂直面的拟合轮廓曲线；
(8)截面求取交点：使用截平面与所述拟合轮廓曲线求交，即可获得有效的刀位点。
如图2所示，目前现有的CL路径法主要是通过构建加工曲面的等距偏置面，再用截平面求取偏置面的刀位点，主要操作步骤包括：偏置三角网格模型，截平面求取交点，样条曲线插值，刀位路径生成输出；但当前的CL路径法的刀位点都是直接取在偏置三角网格模型的边上，三角网格模型在外形轮廓的表达上存在着精度损失，即与参数模型存在着逼近误差。受三角网格模型的逼近误差影响，交点与有效点间存在着逼近误差，因此将CL路径法直接使用截平面与偏置面的交点作为刀位点，则会影响加工精度。
如图3所示，所述刀位点求取子系统通过构建偏置三角网格模型、求取垂直面以及截取出垂直面的交点、从而求得所述交点位于同一条边上的有效顶点，排序后进行判断，最后进行样条曲线插值拟合轮廓曲线，并通过使用截平面有效截取所述拟合轮廓曲线上的交点，即获得无精度损失的刀位点，提高所述球头刀具对曲面工件的加工精度、降低加工难度。如图6所示，ui(i＝1,…,m.m为截平面个数)为CL路径法使用的一系列截平面，则vj(j＝1,…,n.n为截平面个数)为一系列的等间距垂直面。
进一步说明，步骤(6)中的判断有效顶点(公式)具体操作如下：
(1)选取两个相邻的顶点；
(2)设定允许的相邻顶点与垂直面的角度；
(3)计算相邻两顶点连线与垂直面的角度，若在允许的角度范围内，则当前的两顶点之间符合插值要求，否则需要删除其中一个不适合的顶点；
(4)对于选择要删除的顶点，需利用与该两顶点相邻的顶点，比较两顶点与相邻顶点的距离之和，删除距离较大的顶点。
为保证选取的顶点能够进行有效的插值处理，选取插值前的顶点应该要避免局部的翘变。设顶点Vf和Vf+1，当插值曲线通过该处时，由于该处的插值点与相邻的顶点存在较大的局部转变角度，插值曲线无法在该处有效插值，并会造成拟合曲线的局部翘起，则需要避免此情况。
可对排序的顶点进行角度判断，并去掉不适合的顶点：先选取两个相邻的顶点，如Vf和Vf+1，计算该相邻两顶点连线矢量与垂直面法矢的角度设定允许的相邻顶点连线与垂直面角度θ，如果sinθf≤sinθ，则当前的两顶点之间符合插值要求，否则需要删除其中一个不适合的顶点。对于选择删除的顶点，需利用与该两顶点相邻的顶点，并比较两顶点与相邻顶点的距离之和。如顶点Vf和Vf+1，需要利用的是Vf-1和Vf+2，则对于顶点Vf和Vf+1至相邻顶点的距离之和分别为df＝Vf-Vf-1+Vf-Vf+2和df+1＝Vf+1-Vf-1+Vf+1-Vf+2，比较df和df+1，较大的就是要去掉的顶点。
进一步说明，所述垂直面的间距相等，且垂直面间距大于三角网格最大边长的1.5倍。
由于垂直面是用于求取用于拟合每条曲线的有效顶点的，每个垂直面选取一系列有效的顶点，拟合出一条轮廓曲线，为了保证选取有效顶点的精度，则垂直面的间距不应过大或过小，应根据所述三角网格来进行相应的设定。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.面向三角网格曲面数控加工的刀位点求取方法，其特征在于：用于数控机床，包括如下加工步骤：
(1)于数控系统中构建偏置三角网格模型；
(2)对偏置三角网格面上的有效顶点进行三维样条曲线插值，拟合轮廓曲线；
(3)使用截平面与所述拟合轮廓曲线求交，获得刀位点；
(4)生成并输出球头刀具的加工曲面工件的刀位轨迹；
(5)将工件放入加工台，通过夹具定位固定；
(6)由刀库出刀对刀，定位加工起点位置；
(7)所述球头刀具依步骤(4)获得的刀位轨迹，于加工台上进行曲面工件的加工，获得成品；
所述有效顶点的求取是通过垂直面求取的每个交点都有位于同一条边上的两个顶点，根据距离公式比较所述交点与顶点的距离，并选取距离较小的顶点；
垂直面为与截平面垂直的一系列垂直面，垂直面求取的每个交点为将单个垂直面与偏置三角网格模型求交，截取出垂直面的交点，即所述交点位于三角网格的边上；
所述有效顶点还经过排序和判断，将选取的顶点沿垂直面的方向排序，并对排序的顶点进行判断，去掉样条曲线无法有效插值的顶点。
2.根据权利要求1所述的面向三角网格曲面数控加工的刀位点求取方法，其特征在于：所述对排序顶点的判断包括如下步骤：
(1)选取两个相邻的顶点；
(2)设定允许的相邻顶点与垂直面的角度；
(3)计算相邻两顶点连线与垂直面的角度，若在允许的角度范围内，则当前的两顶点之间符合插值要求，否则需要删除其中一个不适合的顶点；
(4)对于选择要删除的顶点，需利用与该两顶点相邻的顶点，比较两顶点与相邻顶点的距离之和，删除距离较大的顶点。
3.一种适用于加工曲面工件的数控机床，包括加工台、球头刀具和数控系统，其特征在于：所述数控系统设置有控制所述球头刀具的刀位轨迹的刀位点求取子系统，所述球头刀具由所述数控系统控制其对曲面工件的加工；
所述刀位点求取子系统是通过构建偏置三角网格模型，对偏置三角网格面上的有效顶点进行三维样条曲线插值，拟合出有效的参数曲面模型轮廓曲线，再使用截平面截取所述拟合轮廓曲线上的交点，作为刀位点生成刀位轨迹；
所述刀位点求取子系统操作步骤如下：
(1)构建偏置三角网格模型；
(2)求取垂直面：选取与截平面垂直的一系列垂直面；
(3)垂直面求取交点：将单个垂直面与偏置三角网格模型求交，截取出垂直面的交点，即所述交点位于三角网格的边上；
(4)顶点求取：垂直面求取的每个交点都有位于同一条边上的两个顶点，根据距离公式比较所述交点与顶点的距离，并选取距离较小的顶点；
(5)顶点排序：将步骤(4)中选取的顶点沿垂直面的方向排序；
(6)判断有效顶点：对排序的顶点进行判断，去掉样条曲线无法有效插值的顶点；
(7)样条曲线插值：通过以上步骤得到的垂直面的有效插值顶点，进行样条插值拟合，得到当前垂直面的拟合轮廓曲线；
(8)截面求取交点：使用截平面与所述拟合轮廓曲线求交，即可获得有效的刀位点。
4.根据权利要求3所述的一种适用于加工曲面工件的数控机床，其特征在于：所述步骤(6)中的判断有效顶点具体操作如下：
(1)选取两个相邻的顶点；
(2)设定允许的相邻顶点与垂直面的角度；
(3)计算相邻两顶点连线与垂直面的角度，若在允许的角度范围内，则当前的两顶点之间符合插值要求，否则需要删除其中一个不适合的顶点；
(4)对于选择要删除的顶点，需利用与该两顶点相邻的顶点，比较两顶点与相邻顶点的距离之和，删除距离较大的顶点。
5.根据权利要求3所述的一种适用于加工曲面工件的数控机床，其特征在于：所述垂直面的间距相等，且垂直面间距大于三角网格最大边长的1.5倍。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |