CN107463149A - 数控切削刀轨数据转角判定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种数控切削刀轨数据转角判定方法，将数控切削刀具的运动轨迹形成数控切削刀轨，采集包含三维几何位置信息的系列数据点；提取采集数据点，将当前点与其前后相邻的点连接为两条线段；计算两条线段之间的夹角，如上述角度值处于给定的角度值范围内，则三点中的中间点为标记为转角点；继续遍历数控切削刀轨系列数据点，标记出刀轨中所有的转角点。本发明方法的计算量较小，能在数据采集过程中实时地提取出转角点，转角判定可以满足实时性需求。本方法中转角的判定不依赖于数据采样率的高低，即使在采样率较低、数据点间隔较大的情况下，也能从刀轨采样数据中提取出转角点，采样率越高越接近真实几何转角点。

Description

数控切削刀轨数据转角判定方法

技术领域

本发明涉及数控切削加工中的数据分析与挖掘技术领域，尤其涉及一种数控切削刀轨数据转角的判定方法和技术，该方法和技术可应用于满足数控加工过程中智能分析对转角特征数据的提取要求。

背景技术

数控加工过程即数控机床根据NC指令代码对工件材料进行切削的过程，数控切削过程中的刀轨数据是指利用数据采集技术获取的机床实时数据，刀轨数据主要包含几何位置信息和负载信息，即三维几何坐标、功率、电流等。结合大量的工程实践发现，在刀轨的几何转角处负载相对较高，发生故障的机率较大，因此通过刀轨数据来进行几何转角的判定是对数控加工过程实时分析的关键，这对切削故障预警具有重大的意义，同时也为后续的数据分析和数据挖掘奠定了坚实的基础。

目前在本领域仍未有数控加工过程基于刀轨实时数据的转角判定方法，因此本方法和技术具有一定的原创性。在给定数据采样率下，刀轨数据是一个固定时间间隔的离散序列，依据现有的技术手段，只有当采样率足够高时才有可能同时采集到几何转角位置附近的多个数据，从而判定转角点。本发明依据离散序列中连续三点连线所形成的角度大小来判定转角点，而不依赖于数据采样率的高低，即使在采样率较低、数据点间隔较大的情况下，也总能根据本方法从刀轨采样数据中提取出转角点，并且在采样率越高时越接近真实几何转角点。

发明内容

本发明的目的是要提供一种基于连续三点连线所成角度来判定数控切削刀轨转角的方法。

数控切削刀轨数据转角判定方法，步骤为：

S1将工件表面作为加工基准平面；

S2数控切削刀具对零件进行加工，其运动轨迹形成数控切削刀轨；

S3设定采样频率，在数控切削刀轨上采集包含三维几何位置信息的系列数据点；

S4依次提取采集数据点，将当前点与其前后相邻的两个点连接为两条线段；

S5计算由三点构成的两条线段之间的夹角角度，如上述角度值处于给定的角度值范围内，则三点中的中间点为标记为转角点；

S6，继续遍历数控切削刀轨系列数据点的其它点，重复步骤S4和步骤S5，标记出刀轨中所有的转角点。

所述步骤S3采集的系列数据点中，在刀具空移、下刀、抬刀等与零件不产生接触时采集的数据点是无效切削数据。

所述步骤S5根据余弦定理计算夹角角度。

基于连续三点连线所成角度的转角判定方法，其有益效果是：

1、本方法的计算量较小，并且能在数据采集过程中实时地提取出转角点，由于数控加工过程中实时分析对数据的实时性要求较高，因此通过该方法进行转角判定可以满足加工过程中基本的实时性需求。

2、本方法中转角的判定不依赖于数据采样率的高低，即使在采样率较低、数据点间隔较大的情况下，也总能根据本方法从刀轨采样数据中提取出转角点，并且在采样率越高时越接近真实几何转角点。

附图说明

图1为数控切削过程刀轨实时数据图；

图2为刀轨采样数据示意图；

图3为刀轨转角判定实例1；

图4为刀轨转角判定实例2；

图5为高采样率下刀轨采样数据示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步的说明。

数控加工切削过程形成的刀轨如图1所示，在图2中具体分析其中某段刀轨的采样数据：

将工件表面作为加工基准平面，即(x，y，0)参考坐标平面；数控切削刀具在加工零件时的运动轨迹形成实际数控切削刀轨；根据已有的数据采集技术，可在数控切削刀轨上采集一系列包含三维几何位置信息的数据点(图2中4)。

在不同的数据采集频率(即采样率)下，所采集到的刀轨数据点疏密不同，在足够高的数据采样率下，可以准确地还原数控切削的真实刀轨，然而在实际情况中，很难甚至不可能满足理想的数据采样率要求。

因此，在有限的数据采样率下，如何从刀轨数据中尽可能准确地还原数控切削的刀轨，从而尽可能准确地提取出转角点，是本发明内容主要解决的问题。对数控切削刀轨数据进行具体分析的过程，就是从切削刀轨上实际采集的数据点中提取出转角点的过程，因此转角的判定是基于实际采集数据序列的。

刀轨转角点的判定主要是依据(x,y)平面内的有效切削数据来完成，即刀具真实作用于工件表面时采集的数据点如图3(在刀具空移、下刀、抬刀等与工件不产生接触时采集的数据点则认为是无效切削数据)，连接图3中相邻的三个数据采样点可得到一个角度，通过采样点的(x,y)坐标值可以计算任意两数据采样点间距离，从而通过余弦定理计算出该角度，若度数处于预先设定的取值范围内(如设定为[0,3π/4])，则判定三点中的中间点为转角点。

连续三点连线所成角度的计算方法为余弦定理，即三角形ABC的三个角A,B,C对应的边分别是a,b,c，则角A的余弦值为：

得到角A的余弦值后易得角A的度数。

在不同的数控切削刀轨数据采样点分布情况下，可能出现两类数控切削刀轨转角判定情况，其转角判定结果也是不同的：1个转角(如图3中实例所示)；2个转角(如图4中实例所示)。

首先观察图3中实例1：A、B、C、D均为实际数控切削过程中采集的刀轨数据点，而B’是真实的几何转角点，可见此种情况下并未采集到真实的数控切削转角点B’，因此需要找到一个或者两个与真实的数控切削转角点最接近的刀轨采集数据点来代替真实的转角点。根据本发明所述三点连线方法连接线段AB、BC、CD，通过余弦定理可计算角ABC和角BCD的度数值，具体计算过程如下：

∠ABC＝arccos(cos∠ABC)

∠BCD＝arccos(cos∠BCD)

其中||为同一坐标系中任意两点之间的距离，如|AB|为A、B两点之间的距离，即

假定角ABC和角BCD的度数值均处于预先设定的取值范围内(如[0,3π/4])，则A,B,C三点的中间点B和B,C,D三点的中间点C均判定为转角点，因此在这一类转角判定结果中，同一真实几何转角点附近有两个转角点(如B’点附近的B、C点)。用线段AB、BC、CD构成的路径代替实际数控切削刀轨路径(如图3中虚线所示)，B、C是采样数据点中的转角点，它们在所有采样点当中与真实几何转角点B’的距离最近，因此可以用B、C点替代B’点，如果采样频率足够高，那么B、C点将会非常接近B’点。

再观察图4中实例2：同样分析实际数控切削过程中采集的刀轨数据点A、B、C、D，与图3中实例1的不同之处在于，在图4中假定角ABC的度数值处于预先设定的取值范围内(如[0,3π/4])，而角BCD的度数值却超出了预先设定的取值范围(如[0,3π/4])，此时A,B,C三点的中间点B判定为转角点，而B,C,D三点的中间点C判定为不是转角点，因此在这一类转角判定结果中，同一真实几何转角点附近只有一个转角点(如B’点附近的B点)。同样地，如果采样频率足够高，那么B点将会非常接近B’点。

对比以上两种转角判定结果可知，当数控切削刀轨真实转角点B’与其附近的两个刀轨采集点B、C距离相当时，角ABC和角BCD的度数值均可以处于预先设定的取值范围内(如[0,3π/4])，此时提取的转角点有两个，即B、C点；当数控切削刀轨真实转角点B’与其附近的两个刀轨采集点B、C距离一远一近时，只有以距离较近的B点为中间点的角ABC度数值可以处于预先设定的取值范围内(如[0,3π/4])，此时提取的转角点只有一个，即B点。并且B、C与B’间的距离相差越大时，提取的转角点越接近数控切削刀轨真实几何转角点。无论在哪一种转角判定情况下，都能根据本发明所述方法获得判定结果，进而提取出可替代数控切削刀轨真实几何转角点的转角点。

即使在较低的采样率下，基于连续三点连线所成角度的转角判定方法也能提取到转角点，但是不妨分析在高采样率下提取的转角点位置精度的变化：如图5所示，当采样率提高时，相邻两采样点的间距变小，即在同一段数控切削刀轨上采集到了更密集的数据点，与图3和图4对比发现，无论是将B、C点判定为转角点，还是将B点判定为转角点，它们都更加接近真实的几何转角点B’，因此，在后续的智能分析中如果需要取得更精确的转角位置信息时，可以通过提高数据采样率的方法来实现。

具体的刀轨转角判定技术可按如下算法实现：

1、遍历循环所有采集数据点(排除边界点)，将当前点与其前后相邻的两个点连接；

2、根据余弦定理计算由三点构成的两条线段之间的夹角角度；

3、如角度值处于给定的角度值范围内，则三点中的中间点为转角点，标记好该点后继续遍历其它点，直至提取出刀轨中所有的转角点。

根据本方法提取到的所有数控切削过程的刀轨转角点，将用于后续的智能分析过程中，例如在判定出几何转角后，可更加密切地关注在数控切削刀轨转角点附近时的负载值，如主轴功率、主轴电流等，当发现异常数据时可实现切削故障的预警；还可根据各转角点的几何位置大致还原工件的形状，进而为后续的数据分析和数据挖掘奠定了坚实的基础，需要注意的是，在提取的所有转角点中，如果存在两个转角点是采样序列中相邻的点，则它们代表的是同一个真实几何转角点。

Claims (3)

1.数控切削刀轨数据转角判定方法，步骤为：

S1将工件表面作为加工基准平面；

S2数控切削刀具对零件进行加工，其运动轨迹形成数控切削刀轨；

S3设定采样频率，在数控切削刀轨上采集包含三维几何位置信息的系列数据点；

S4依次提取采集数据点，将当前点与其前后相邻的两个点连接为两条线段；

S5计算由三点构成的两条线段之间的夹角角度，如上述角度值处于给定的角度值范围内，则三点中的中间点为标记为转角点；

S6，继续遍历数控切削刀轨系列数据点的其它点，重复步骤S4和步骤S5，标记出刀轨中所有的转角点。

2.根据权利要求1所述的数控切削刀轨数据转角判定方法，其特征在于，步骤S3采集的系列数据点中，在刀具空移、下刀、抬刀等与零件不产生接触时采集的数据点是无效切削数据。

3.根据权利要求1所述的数控切削刀轨数据转角判定方法，其特征在于，步骤S5根据余弦定理计算夹角角度。