CN107247445A - 考虑逼近误差的刀轨映射方法 - Google Patents

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Abstract

一种考虑逼近误差的刀轨映射方法，其特征是首先根据工件理论形状按一定逼近误差要求生成理论刀轨，然后从理论刀轨中提取理论刀位点并映射到工件实际形状上获得实际刀位点，再判定相邻两个实际刀位点所连刀轨到工件实际形状的最大逼近误差是否满足逼近误差要求，若不满足要求则在其间插入刀位点以调整刀轨，若满足要求则不用插入，最终生成刀轨文件完成刀轨映射。本发明实现了从理论刀轨到实际刀轨的映射并保证了实际刀轨到工件实际形状的逼近误差满足要求。

Description

考虑逼近误差的刀轨映射方法
技术领域
本发明涉及一种刀轨映射方法，尤其是一种将根据工件理论形状生成的理论刀轨映射到工件实际形状上获得实际刀轨的方法，具体地说是一种考虑逼近误差的刀轨映射方法。
背景技术
在产品加工中，加工工艺、机床设备、残余应力等因素均会导致工件变形，使工件实际形状和理论形状产生偏差。对于诸如飞机蒙皮、火箭壁板、发动机叶片等薄壁工件而言，此时如果按照理论形状加工，则会产生过切或欠切，所以需要按照工件实际形状重新计算实际刀轨再根据实际刀轨进行加工，重算刀轨的时间很长，期间机床不能进行任何生产活动，严重影响机床产能。
刀轨映射是基于工件实际形状的几何特点以理论刀轨为依据快速生成实际刀轨的方法。可以将理论刀位点向工件实际形状投影来进行刀轨映射。投影简单易行，论文《自由曲面自适应投影法精加工刀轨生成》(上海交通大学学报，2000年第10期)将工件驱动几何体上的驱动点投影到加工曲面上以生成精加工刀轨，方便快捷。然而在刀轨映射中，首先需要根据工件理论形状按一定逼近误差要求生成理论刀轨，再从中提取理论刀位点向工件实际形状投影获得实际刀位点，这样一来很有可能投影得到的实际刀位点所构成的实际刀轨并不满足当初理论刀轨的逼近误差要求。上述文献中虽然也有关于新增刀位点的考虑，但是其出发点还是基于优化工件理论形状的精加工刀轨，并不能解决刀轨映射中两次刀轨逼近误差要求的问题。现有的其它方法也没有考虑到映射后实际刀轨的逼近误差需要满足原先理论刀轨逼近误差的问题。
针对以上问题，本专利提出一种考虑逼近误差的刀轨映射方法，既拥有计算效率高，所用时间短的优点，又能使实际刀轨到工件实际形状的逼近误差也满足原先理论刀轨的逼近误差要求。
发明内容
本发明的目的是针对映射后的实际刀轨到工件实际形状的逼近误差难以保证的问题，发明了一种考虑逼近误差的刀轨映射方法，在使用投影进行高效率刀轨映射的同时保证了映射后的实际刀轨到工件实际形状的逼近误差也满足原先理论刀轨的逼近误差要求。
本发明的技术方案是：
一种考虑逼近误差的刀轨映射方法，其特征在于首先根据工件理论形状按一定逼近误差要求生成理论刀轨，再从理论刀轨中提取理论刀位点，然后测量工件实际形状并将理论刀位点映射到该工件实际形状上获得初始实际刀位点，再依次测量相邻两个初始实际刀位点所连刀轨到该工件实际形状的最大逼近误差，若此最大逼近误差超过了理论刀轨的逼近误差要求，则在这两个初始实际刀位点间插入刀位点以调整刀轨，若此最大逼近误差在逼近误差要求范围内，则不用插入刀位点，最终生成刀轨文件完成刀轨映射。所述的映射方法为将理论刀位点和实际刀位点一一对应起来的方法，此处选择投影作为映射方法，但不局限于投影。
所述的依次测量相邻两个初始实际刀位点所连刀轨到该工件实际形状的最大逼近误差时，首先提取工件实际形状上相邻两个初始实际刀位点所连成的曲线，求出该曲线到这两个初始实际刀位点所连直线的最大距离，具体步骤如下：
步骤一、提取工件实际形状上相邻两个初始实际刀位点所连成的曲线。
步骤二、将该曲线离散化为点
步骤三、求出每一个点到这两个初始实际刀位点所连直线的距离
步骤四、找到距离最大的那一个点并记该最大距离为这两个初始实际刀位点所连刀轨
到该工件实际形状的最大逼近误差。
所述的若此最大逼近误差超过了理论刀轨的逼近误差要求，则在这两个初始实际刀位点间插入刀位点以调整刀轨，其特征在于当相邻两个初始实际刀位点所连刀轨到该工件实际形状的最大逼近误差超过了理论刀轨的逼近误差要求时，根据最大逼近误差的大小和取到最大逼近误差的点的位置确定插入刀位点的位置和数量，使原先两点间的直线刀轨变为多段折线刀轨。所述的插入刀位点的方法有最大值迭代插入法和均匀迭代插入法。
所述的最大值迭代插入法包括以下具体步骤如下：
步骤一、获得取到最大逼近误差的那个点，记为插入刀位点。
步骤二、用此点将原有的两个初始实际刀位点所连成的曲线分为两段子曲线，并和两个初始实际刀位点分别连接得到两条直线，这两条直线分别对应两段子曲线。
步骤三、分别求出上述每段子曲线到其对应的直线的最大距离，并和理论刀轨的逼近误差要求进行比对，若依然超过理论刀轨的逼近误差要求，则再将取到最大距离的那个点记为插入刀位点，并将子曲线再次分割。
步骤四、迭代上述过程，一直到每段子曲线到其对应直线的最大距离都小于理论刀轨的逼近误差要求为止。将所有的插入刀位点依次连接，得到多段折线刀轨。
所述的均匀迭代插入法包括以下具体步骤：
步骤一、求出一点使被其分割的两段子曲线到各自对应直线的最大距离相等。
步骤二、将这个最大距离和理论刀轨的逼近误差要求进行比对，若依然大于理论刀轨的逼近误差要求，则将步骤一改为求出两点使被其分割的三段子曲线到各自对应直线的最大距离相等，再次进行判定，若这个最大距离依然大于理论刀轨的逼近误差要求，则再将步骤一改为求出三点使被其分割的四段子曲线到各自对应直线的最大距离相等，再次判定……。
步骤三、迭代上述过程，一直到求出n点使被其分割的n+1段子曲线到各自对应直线的最大距离相等，并且该最大距离满足理论刀轨的逼近误差要求。这n个点就是要插入的n个刀位点。将所有的插入刀位点依次连接，得到多段折线刀轨。
所述的用于得到初始实际刀位点的映射方法为将理论刀位点和实际刀位点一一对应起来的方法，现有投影、等弧长映射、等参数映射等方法。
本发明的有益效果是：
1、本发明使用投影来进行刀轨映射，和重新计算刀轨相比，速度大大提高，高效地完成了理论刀轨到实际刀轨的映射过程。
2、本发明使用插入刀位点的方法保证了投影之后的实际刀轨到工件实际形状的逼近误差满足原先理论刀轨的逼近误差要求，保证了刀轨映射的质量。
附图说明
图1为本发明的考虑逼近误差的刀轨映射方法流程图。
图2为本发明所应用的示例工件示意图。图中SR代表该工件的实际外形，ST代表该工件的理论外形。L和D是这个工件在两个方向上的尺寸。
图3为示例工件的加工刀轨文件图，图中每一行GOTO后面都是一个刀位点，每一个刀位点由其在工件加工坐标系下X,Y,Z坐标值和刀轴矢量组成。
图4为理论刀位点投影示意图，图中SR代表工件实际外形，Pr是工件实际外形上投影得到的一个初始实际刀位点，ST代表工件理论外形，Pt代表工件理论外形上的一个理论刀位点。
图5为最大值迭代插入法原理示意图，其中Pr1和Pr2是两个相邻的初始实际刀位点，曲线SR代表Pr1和Pr2在工件实际形状上连成的曲线，P2是SR到直线Pr1Pr2距离最大的点，Li是SR到Pr1Pr2的最大距离，Pr2.1是第一次迭代的插入刀位点，Pr2.2和Pr2.3分别是SR被Pr2.1分割后的子曲线到直线Pr1Pr2.1和直线Pr2.1Pr2距离最大的点，也是第二次迭代的插入刀位点。原有的Pr1和Pr2之间的直线刀轨调整为Pr1Pr2.2、Pr2.2Pr2.1、Pr2.1Pr2.3、Pr2.3Pr2多段折线刀轨。
图6为均匀迭代插入法原理示意图，其中Pr1和Pr2是两个相邻的初始实际刀位点，曲线SR代表Pr1和Pr2在工件实际形状上连成的曲线，Li是SR到Pr1Pr2的最大距离，Pr2.1和Pr2.2是两个插入刀位点，它们将PR分为三段子曲线，每一段子曲线到各自对应直线的最大距离均为Li1，原有的Pr1和Pr2之间的直线刀轨调整为Pr1Pr2.1、Pr2.1Pr2.2、Pr2.1Pr2多段折线刀轨。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。
一种考虑逼近误差的刀轨映射方法，如图1所示，它包括以下步骤：
首先，根据工件理论形状按一定逼近误差要求生成理论刀轨，再从理论刀轨中提取理论刀位点；
其次，测量工件实际形状并将理论刀位点映射到该工件实际形状上获得初始实际刀位点，此处选择投影作为映射方法；
第三，依次测量相邻两个初始实际刀位点所连刀轨到该工件实际形状的最大逼近误差，若此最大逼近误差超过了理论刀轨的逼近误差要求，则在这两个初始实际刀位点间插入刀位点以调整刀轨，若此最大逼近误差在逼近误差要求范围内，则不用插入刀位点，最终生成刀轨文件完成刀轨映射。
所述的依次测量相邻两个初始实际刀位点所连刀轨到该工件实际形状的最大逼近误差时首先提取工件实际形状上相邻两个初始实际刀位点所连成的曲线，再求出该曲线到这两个初始实际刀位点所连直线的最大距离，具体步骤如下：
步骤一、提取工件实际形状上相邻两个初始实际刀位点所连成的曲线；
步骤二、将该曲线离散化为点；
步骤三、求出每一个点到这两个初始实际刀位点所连直线的距离；
步骤四、找到距离最大的那一个点并记该最大距离为这两个初始实际刀位点所连刀轨到该工件实际形状的最大逼近误差。
所述的若此最大逼近误差超过了理论刀轨的逼近误差要求，则在这两个初始实际刀位点间插入刀位点以调整刀轨是指当相邻两个初始实际刀位点所连刀轨到该工件实际形状的最大逼近误差超过了理论刀轨的逼近误差要求时，根据最大逼近误差的大小和取到最大逼近误差的点的位置确定插入刀位点的位置和数量，使原先两点间的直线刀轨变为多段折线刀轨；所述的插入刀位点的方法有最大值迭代插入法和均匀迭代插入法；所述的最大值迭代插入法具体步骤如下：
步骤一、获得取到最大逼近误差的那个点，记为插入刀位点；
步骤二、用此点将原有的两个初始实际刀位点所连成的曲线分为两段子曲线，并和两个初始实际刀位点分别连接得到两条直线，这两条直线分别对应两段子曲线；
步骤三、分别求出上述每段子曲线到其对应的直线的最大距离，并和理论刀轨的逼近误差要求进行比对，若依然超过理论刀轨的逼近误差要求，则再将取到最大距离的那个点记为插入刀位点，并将子曲线再次分割；
步骤四、迭代上述过程，一直到每段子曲线到其对应直线的最大距离都小于理论刀轨的逼近误差要求为止；将所有的插入刀位点依次连接，得到多段折线刀轨；
所述的均匀迭代插入法的步骤为：
步骤一、求出一点使被其分割的两段子曲线到各自对应直线的最大距离相等；
步骤二、将这个最大距离和理论刀轨的逼近误差要求进行比对，若依然大于理论刀轨的逼近误差要求，则将步骤一改为求出两点使被其分割的三段子曲线到各自对应直线的最大距离相等，再次进行判定，若这个最大距离依然大于理论刀轨的逼近误差要求，则再将步骤一改为求出三点使被其分割的四段子曲线到各自对应直线的最大距离相等，再次判定……；
步骤三、迭代上述过程，一直到求出n点使被其分割的n+1段子曲线到各自对应直线的最大距离相等，并且该最大距离满足理论刀轨的逼近误差要求；这n个点就是要插入的n个刀位点；将所有的插入刀位点依次连接，得到多段折线刀轨。
所述的用于得到初始实际刀位点的映射方法为将理论刀位点和实际刀位点一一对应起来的方法，现有投影、等弧长映射、等参数映射等方法。此处选择投影作为映射方法。
详述如下：
如图2，这是一张飞机蒙皮工件，其尺寸为2000mm×2000mm。工件实际外形和理论外形有偏差，现使用考虑逼近误差的刀轨映射方法将理论刀轨映射到工件实际形状上生成实际刀轨。具体步骤如下：
步骤一：提取该蒙皮理论刀轨的所有理论刀位点。
获得该蒙皮理论刀轨文件并打开，如附图3所示，含有GOTO的每一行均代表一个刀位点，后面的6个数值分别为一个刀位点在加工坐标系下的X,Y,Z坐标和刀轴矢量，提取该蒙皮所有的理论刀位点。经统计，该蒙皮工件一共有19850个刀位点，前十个理论刀位点显示如下表：
步骤二、将理论刀位点向工件实际形状投影。
如图4所示，将所有理论刀位点向工件实际形状投影，得到初始实际刀位点。前十个初始实际刀位点显示如下表：
步骤三、根据实际刀轨的最大逼近误差情况插入刀位点。
依次测量相邻两个初始实际刀位点所连刀轨到该工件实际形状的最大逼近误差，并将此最大逼近误差和理论刀轨的逼近误差要求进行比较，若此最大逼近误差超过了理论刀轨的逼近误差要求，则在这两个初始实际刀位点间插入刀位点以调整刀轨，若此最大逼近误差在逼近误差要求范围内，则不用插入刀位点。
此处使用最大值迭代插入法插入刀位点，理论刀轨逼近误差为0.02mm。
具体方法如图5所示，其中Pr1和Pr2是两个相邻的初始实际刀位点，曲线SR代表Pr1和Pr2在工件实际形状上连成的曲线，P2是SR到直线Pr1Pr2距离最大的点，Li是SR到Pr1Pr2的最大距离。若Li＞0.02mm，则需要插入刀位点，若Li≤0.02mm，则不需要插入刀位点。如果需要插入刀位点，则将SR离散化为点，找到最大逼近误差的那个点，此处为P2，记为插入刀位点，用P2将SR分为两段子曲线，并和两个初始实际刀位点分别连接得到两条直线Pr1Pr2.1和Pr2.1Pr2。分别求出上述每段子曲线到其对应的直线Pr1Pr2.1和Pr2.1Pr2的最大距离，再和0.02mm进行比较，发现左边的那段子曲线到直线Pr1Pr2.1的距离依然大于0.02mm，于是再在这条子曲线内将取到最大距离的那个点Pr2.2记为插入刀位点，并将该子曲线再次分割。最终将原有的Pr1和Pr2之间的直线刀轨调整为Pr1Pr2.2、Pr2.2Pr2.1、Pr2.1Pr2.3、Pr2.3Pr2多段折线刀轨。
对每两个相邻的实际刀位点都做刀轨逼近误差判定，并根据结果来插入刀位点。最终结果如下：新增插值刀位点3415个，一共23265个刀位点。
前十个实际刀位点的插值情况如下：
对于前两个实际刀位点P1和P2而言，其间插入1个刀位点，如下表
P1 1324.64163, 1341.17736, 324.81741, -0.047048, -0.597570, 0.800435
P1.1 1324.64362, 1337.98202, 322.43706, -0.047026, -0.595950, 0.801643
P2 1324.65122, 1324.57656, 312.55991, -0.046938, -0.589104, 0.806693
对于P3和P4而言，其间插入1个刀位点，如下表
P3 1324.65905, 1311.08687, 302.79789, -0.046854, -0.582135, 0.811741
P3.1 1324.66706, 1297.51220, 293.15242, -0.046775, -0.575047, 0.816782
P4 1324.67518, 1283.85275, 283.62551, -0.046699, -0.567844, 0.821810
对于P5和P6而言，其间插入2个刀位点，如下表
P5 1324.68336, 1270.10865, 274.21894, -0.046627, -0.560531, 0.826820
P5.1 1324.69150, 1256.28008, 264.93441, -0.046558, -0.553114, 0.831804
P5.2 1324.69958, 1242.36755, 255.77368, -0.046492, -0.545596, 0.836758
P6 1324.70759, 1228.37177, 246.73851, -0.046429, -0.537983, 0.841676
最终前十个实际刀位点的刀轨调整完成之后如下表，插入刀位点4个
步骤四、生成刀轨文件。
将计算出的23265个刀位点写入刀轨文件中。其中，投影得到的19850个初始实际刀位点替换掉原来的理论刀位点，再分别在相邻的两个初始实际刀位点之间写入插入的刀位点，最终将插入的3415个新刀位点写入到刀轨文件中，完成刀轨映射。
本发明未涉及部分与现有技术相同采用现有技术加以实现。

Claims (3)

1.考虑逼近误差的刀轨映射方法，其特征在于首先根据工件理论形状按一定逼近误差要求生成理论刀轨，再从理论刀轨中提取理论刀位点，然后测量工件实际形状并将理论刀位点映射到该工件实际形状上获得初始实际刀位点，再依次测量相邻两个初始实际刀位点所连刀轨到该工件实际形状的最大逼近误差，若此最大逼近误差超过了理论刀轨的逼近误差要求，则在这两个初始实际刀位点间插入刀位点以调整刀轨，若此最大逼近误差在逼近误差要求范围内，则不用插入刀位点，最终生成刀轨文件完成刀轨映射。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的依次测量相邻两个初始实际刀位点所连刀轨到该工件实际形状的最大逼近误差时首先提取工件实际形状上相邻两个初始实际刀位点所连成的曲线，再求出该曲线到这两个初始实际刀位点所连直线的最大距离，具体步骤如下：
步骤一、提取工件实际形状上相邻两个初始实际刀位点所连成的曲线；
步骤二、将该曲线离散化为点；
步骤三、求出每一个点到这两个初始实际刀位点所连直线的距离；
步骤四、找到距离最大的那一个点并记该最大距离为这两个初始实际刀位点所连刀轨到该工件实际形状的最大逼近误差。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的若此最大逼近误差超过了理论刀轨的逼近误差要求，则在这两个初始实际刀位点间插入刀位点以调整刀轨是指当相邻两个初始实际刀位点所连刀轨到该工件实际形状的最大逼近误差超过了理论刀轨的逼近误差要求时，根据最大逼近误差的大小和取到最大逼近误差的点的位置确定插入刀位点的位置和数量，使原先两点间的直线刀轨变为多段折线刀轨；所述的插入刀位点的方法有最大值迭代插入法和均匀迭代插入法；所述的最大值迭代插入法具体步骤如下：
步骤一、获得取到最大逼近误差的那个点，记为插入刀位点；
步骤二、用此点将原有的两个初始实际刀位点所连成的曲线分为两段子曲线，并和两个初始实际刀位点分别连接得到两条直线，这两条直线分别对应两段子曲线；
步骤三、分别求出上述每段子曲线到其对应的直线的最大距离，并和理论刀轨的逼近误差要求进行比对，若依然超过理论刀轨的逼近误差要求，则再将取到最大距离的那个点记为插入刀位点，并将子曲线再次分割；
步骤四、迭代上述过程，一直到每段子曲线到其对应直线的最大距离都小于理论刀轨的逼近误差要求为止；将所有的插入刀位点依次连接，得到多段折线刀轨；
所述的均匀迭代插入法的步骤为：
步骤一、求出一点使被其分割的两段子曲线到各自对应直线的最大距离相等；
步骤二、将这个最大距离和理论刀轨的逼近误差要求进行比对，若依然大于理论刀轨的逼近误差要求，则将步骤一改为求出两点使被其分割的三段子曲线到各自对应直线的最大距离相等，再次进行判定，若这个最大距离依然大于理论刀轨的逼近误差要求，则再将步骤一改为求出三点使被其分割的四段子曲线到各自对应直线的最大距离相等，再次判定……；
步骤三、迭代上述过程，一直到求出n点使被其分割的n+1段子曲线到各自对应直线的最大距离相等，并且该最大距离满足理论刀轨的逼近误差要求；这n个点就是要插入的n个刀位点；将所有的插入刀位点依次连接，得到多段折线刀轨。
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