CN109782696B - 刀路轨迹拟合方法及相应装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种刀路轨迹拟合方法及用于实现该方法的相应装置。该方法包括：获取待加工零件的刀路轨迹的点面隶属关系，所述刀路轨迹包含两个或多个刀位点，所述点面隶属关系指示每一个刀位点与所属加工表面之间的相对位置关系；获取每一个刀位点所属加工表面的性质，所述性质指示每一个刀位点所属加工表面是平面还是曲面；以及根据所获取的点面隶属关系和每一个刀位点所属加工表面的性质对所述刀路轨迹进行拟合。

Description

刀路轨迹拟合方法及相应装置

技术领域

本发明总体上涉及数控加工技术领域，更具体地涉及一种刀路轨迹拟合方法以及实现这种方法的相应装置。

背景技术

在数控加工领域，数控系统需要对由逐条小线段编写的G代码程序进行样条拟合，利用拟合得到的样条曲线进行插补计算，从而实现零件的加工。但是，待加工零件的表面往往不是单张曲面，而是由多张曲面或平面组合而成的表面。对于只包含刀位点信息的G代码，在对零件表面的曲面、平面组合过渡处进行样条拟合时，通常会出现拟合后的刀路轨迹与原始零件表面形状偏离的问题，使数控加工的零件无法还原零件三维模型的原始形状，造成加工误差。

如图1所示，零件三维模型(CAD模型)包含了组成零件的点、线、面之间的拓扑关系，但是经过计算机辅助编程软件(CAM软件，例如UG软件)离散、偏置后输出的G代码丢失了原始设计模型中几何特征的拓扑信息，只包含了单条刀路轨迹(刀位点)的信息。在这种情况下，由于不知道刀路轨迹上的各个刀位点与所属加工表面的对应关系，直接进行刀路轨迹的样条拟合会导致拟合轨迹加工的零件表面难以与原始设计模型保持一致。

图1(a)示出了一个组合表面，由平面(面1)和曲面(面2)组合而成。图1(a)的组合表面经过CAM软件的离散、偏置后得到如图1(b)所示的行切刀路轨迹。图1(c)示出了从图1(b)的行切刀路轨迹中提取的两条典型刀路轨迹，即，刀路1和刀路2。

对于连接刀位点A与刀位点B的刀路1，由于AB是一条处于平面上的长线段，数控系统可以根据其绝对长度或者相对长度直接判断AB是一条位于平面上的直线，此时经过拟合后的刀路轨迹与原始设计要求是一致的。但是对于连接刀位点C与刀位点D的刀路2，刀位点C和刀位点D均为平面边缘处的刀位点，如果数控系统不知道这两个刀位点所属加工表面的信息，就会直接用现有的刀路轨迹拟合方法进行样条拟合，这将会导致刀路轨迹的错误拟合。图2示出了错误拟合的刀路轨迹(如图2左图所示)与正确拟合的刀路轨迹(如图2右图所示)的对比示意图。如图2所示，拟合后的刀路轨迹严重偏离平面，与原始设计要求严重不符，从而导致加工误差。

现有技术中有很多刀路轨迹拟合方法的研究。例如，在非专利文献《曲面数控加工编程轨迹的NURBS拟合及插补算法研究》中提出了以轨迹优化为目的的刀位点样条拟合方法。非专利文献《复杂曲面数控加工刀具轨迹生成的研究》中根据三次NURBS曲线和双三次NURBS曲面的矩阵表达形式来推导和计算出基曲线或基曲面上任意一点处的单位法向矢量，然后在等距面上进行基于最小二乘法的双圆弧拟合，生成刀路轨迹。非专利文献《自由曲面加工刀具路径轨迹规划算法研究》中提出了基于关键刀触点提取的样条曲线插补加工刀具路径轨迹生成算法。非专利文献《多坐标数控加工刀具轨迹生成算法研究》中采用CL路径截面法生成刀路轨迹。虽然这些刀路轨迹的生成方法可以在很大限度上还原零件CAD模型的原始形状，但是对于上文所述的零件表面中曲面与平面组合过渡处的加工问题都无法有效解决。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种基于待加工零件的三维模型(例如CAD模型)的刀路轨迹拟合机制，主要是在刀路轨迹拟合中考虑了从CAD模型中提取出的刀位点及其所属加工表面的对应关系。

根据本发明的第一方面，提供了一种刀路轨迹拟合方法。该方法包括：获取待加工零件的刀路轨迹的点面隶属关系，所述刀路轨迹包含两个或多个刀位点，所述点面隶属关系指示每一个刀位点与所属加工表面之间的相对位置关系；获取每一个刀位点所属加工表面的性质，所述性质指示每一个刀位点所属加工表面是平面还是曲面；以及根据所获取的点面隶属关系和每一个刀位点所属加工表面的性质对所述刀路轨迹进行拟合。

在一个实施例中，对所述刀路轨迹进行拟合包括：针对所述两个或多个刀位点中的每一个刀位点，根据所获取的点面隶属关系和每一个刀位点所属加工表面的性质来确定所述刀位点的切向矢量；以及根据所述两个或多个刀位点中的每一个刀位点的切向矢量来对所述刀路轨迹进行拟合。

在一个实施例中，确定所述刀位点的切向矢量包括：对所述刀路轨迹进行分段，以确定所述两个或多个刀位点中的处于同一加工表面的刀位点处于同一段轨迹；以及根据刀路轨迹的分段结果，确定所述刀位点的切向矢量。

在一个实施例中，确定所述刀位点的切向矢量包括：如果所述刀位点所属加工表面的性质为曲面，且所述刀位点在所述刀路轨迹上相邻的两个刀位点均在所述刀位点所属加工表面上，则采用内插法计算所述刀位点处的切向矢量。

在一个实施例中，确定所述刀位点的切向矢量包括：如果所述刀位点所属加工表面的性质为曲面且位于曲面与平面交界处，并且所述刀位点与所述刀位点在所述刀路轨迹上相邻的两个刀位点的两条连线之间的夹角小于预定角度，则采用外插法计算所述刀位点处的切向矢量。

在一个实施例中，确定所述刀位点的切向矢量包括：如果所述刀位点所属加工表面的性质为曲面且位于曲面与平面交界处，并且所述刀位点与所述刀位点在所述刀路轨迹上相邻的两个刀位点的两条连线之间的夹角大于或等于预定角度，则确定所述刀位点与所述刀位点在所述刀路轨迹的加工方向上的上一个刀位点之间的连线的方向为所述刀位点的切向方向。

在一个实施例中，确定所述刀位点的切向矢量包括：如果所述刀位点所属加工表面的性质为平面且位于平面与曲面交界处，则确定所述刀位点与所述刀位点在所述刀路轨迹的加工方向上的下一个刀位点之间的连线的方向为所述刀位点的切向方向。

在一个实施例中，对所述刀路轨迹进行拟合包括：如果所述刀位点所属加工表面的性质为平面且位于与另一个平面交界处，并且所述刀位点与所述刀位点在所述刀路轨迹上相邻的两个刀位点的两条连线之间的夹角小于预定角度，则在所述刀位点处进行直线拟合。

在一个实施例中，对所述刀路轨迹进行拟合包括：如果所述刀位点所属加工表面的性质为平面且位于与另一个平面交界处，并且所述刀位点与所述刀位点在所述刀路轨迹上相邻的两个刀位点的两条连线之间的夹角大于或等于预定角度，则通过对所述刀位点进行内切过渡来进行拟合。

根据本发明的第二方面，提供了一种刀路轨迹拟合装置。该装置包括：第一获取单元，被配置为获取待加工零件的刀路轨迹的点面隶属关系，所述刀路轨迹包含两个或多个刀位点，所述点面隶属关系指示每一个刀位点与所属加工表面之间的相对位置关系；第二获取单元，被配置为获取每一个刀位点所属加工表面的性质，所述性质指示每一个刀位点所属加工表面是平面还是曲面；以及拟合单元，被配置为根据所获取的点面隶属关系和每一个刀位点所属加工表面的性质对所述刀路轨迹进行拟合。

在一个实施例中，所述拟合单元被配置为：针对所述两个或多个刀位点中的每一个刀位点，根据所获取的点面隶属关系和每一个刀位点所属加工表面的性质来确定所述刀位点的切向矢量；以及根据所述两个或多个刀位点中的每一个刀位点的切向矢量来对所述刀路轨迹进行拟合。

在一个实施例中，确定所述刀位点的切向矢量包括：对所述刀路轨迹进行分段，以确定所述两个或多个刀位点中的处于同一加工表面的刀位点处于同一段轨迹；以及根据刀路轨迹的分段结果，确定所述刀位点的切向矢量。

在一个实施例中，确定所述刀位点的切向矢量包括：如果所述刀位点所属加工表面的性质为曲面，且所述刀位点在所述刀路轨迹上相邻的两个刀位点均在所述刀位点所属加工表面上，则采用内插法计算所述刀位点处的切向矢量。

在一个实施例中，确定所述刀位点的切向矢量包括：如果所述刀位点所属加工表面的性质为曲面且位于曲面与平面交界处，并且所述刀位点与所述刀位点在所述刀路轨迹上相邻的两个刀位点的两条连线之间的夹角小于预定角度，则采用外插法计算所述刀位点处的切向矢量。

在一个实施例中，确定所述刀位点的切向矢量包括：如果所述刀位点所属加工表面的性质为曲面且位于曲面与平面交界处，并且所述刀位点与所述刀位点在所述刀路轨迹上相邻的两个刀位点的两条连线之间的夹角大于或等于预定角度，则确定所述刀位点与所述刀位点在所述刀路轨迹的加工方向上的上一个刀位点之间的连线的方向为所述刀位点的切向方向。

在一个实施例中，确定所述刀位点的切向矢量包括：如果所述刀位点所属加工表面的性质为平面且位于平面与曲面交界处，则确定所述刀位点与所述刀位点在所述刀路轨迹的加工方向上的下一个刀位点之间的连线的方向为所述刀位点的切向方向。

在一个实施例中，所述拟合单元被配置为：如果所述刀位点所属加工表面的性质为平面且位于与另一个平面交界处，并且所述刀位点与所述刀位点在所述刀路轨迹上相邻的两个刀位点的两条连线之间的夹角小于预定角度，则在所述刀位点处进行直线拟合。

在一个实施例中，所述拟合单元被配置为：如果所述刀位点所属加工表面的性质为平面且位于与另一个平面交界处，并且所述刀位点与所述刀位点在所述刀路轨迹上相邻的两个刀位点的两条连线之间的夹角大于或等于预定角度，则通过对所述刀位点进行内切过渡来进行拟合。

根据本发明的第三方面，提供了一种刀路轨迹拟合装置。该装置包括：通信接口；至少一个处理器；以及存储器，所述存储器存储所述至少一个处理器可执行的指令，所述指令在被所述至少一个处理器执行时使得所述刀路轨迹拟合装置执行根据本发明的第一方面所述的方法。

根据本发明的第四方面，提供了一种计算机存储介质。该计算机存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令在被刀路轨迹拟合装置的至少一个处理器执行时，使得所述刀路轨迹拟合装置执行根据本发明的第一方面所述的方法。

根据本发明的上述技术方案，本发明从待加工零件的三维模型中获取刀路轨迹的点面隶属关系以及每一个刀位点所属加工表面的性质，并将所获取的信息应用于刀路轨迹拟合，以使得利用拟合出的刀路轨迹加工出的零件表面与原始设计模型趋于一致，从而提高加工精度。

附图说明

通过下面结合附图说明本发明的优选实施例，将使本发明的上述及其它目标、特征和优点更加清楚，其中：

图1是示出CAM软件输出丢失点面信息的示意图。

图2示出了错误拟合的刀路轨迹与正确拟合的刀路轨迹的对比示意图。

图3是示出了根据本发明的数控加工系统300的应用场景的示意图。

图4是示出了根据本发明实施例的数控加工系统300的示例操作400的时序图。

图5示出了根据本发明实施例的刀路轨迹拟合方法500的示意性流程图。

图6示出了根据本发明实施例的步骤S530的一个示例实现。

图7示出了根据本发明实施例的步骤S620的一个示例实现。

图8示出了根据本发明实施例的根据刀路轨迹的分段结果进行分类的示例方法800的流程图。

图9示出了根据本发明实施例的示例刀位点的相对位置关系的示意图。

图10示出了根据本发明实施例的类型1所涉及的点面隶属关系的示例。

图11示出了根据本发明实施例的步骤S720的第一示例实现。

图12示出了根据本发明实施例的类型2所涉及的点面隶属关系的示例。

图13示出了根据本发明实施例的步骤S720的第二示例实现。

图14示出了根据本发明实施例的类型3所涉及的点面隶属关系的示例。

图15示出了根据本发明实施例的步骤S720的第三示例实现。

图16示出了根据本发明实施例的类型4所涉及的点面隶属关系的示例。

图17示出了根据本发明实施例的步骤S720的第四示例实现。

图18示出了根据本发明实施例的类型5所涉及的点面隶属关系的示例。

图19示出了根据本发明实施例的步骤S530的示例实现。

图20示出了根据本发明实施例的类型6所涉及的点面隶属关系的示例。

图21示出了根据本发明实施例的步骤S530的示例实现。

图22是示出了根据本发明实施例的刀路轨迹拟合装置2200的结构框图。

图23是示出了根据本发明实施例的刀路轨迹拟合装置2300的结构框图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”到另一元件时，它可以直接连接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”可以包括无线连接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本发明提出了一种刀路轨迹拟合机制，该机制在刀路轨迹拟合中考虑了在传统的CAM编程中未被输出的刀路轨迹的点面隶属关系以及每个刀位点所属加工表面的性质。在本文中，刀路轨迹包含分布在一个或多个加工表面上的两个或多个刀位点，刀路轨迹的点面隶属关系指示刀路轨迹上的每一个刀位点与所属加工表面之间的相对位置关系，例如，如图1所示的刀位点A属于面1。刀位点所属加工表面的性质指的是刀位点所在的零件加工表面是平面还是曲面，例如图1所示的面1是平面。

图3是示出了根据本发明的数控加工系统300的应用场景的示意图。如图3所示，数控加工系统300可以包括信息提取端310和加工控制端320。

信息提取端310用于从待加工零件的三维模型(例如，CAD模型)中提取刀路轨迹的点面隶属关系以及每个刀位点所属加工表面的性质，并将所提取的点面隶属关系和每个刀位点所属加工表面的性质提供给加工控制端320。尽管图3中为了便于示意将信息提取端310示意为台式计算机，然而应理解信息提取端310可以是具备三维模型分析和处理能力的任意设备。例如，信息提取端310可以是移动终端、个人数字助理(PDA)、手持计算机、膝上型计算机、平板电脑等。

信息提取端310也可以包括安装在其中的代码编译客户端，例如CAM软件等适当的编程软件。代码编译客户端可以根据零件加工要求自动生成用于控制刀具对零件进行加工的刀路轨迹等数控加工控制命令(例如G代码)。当然，这也可以在信息提取端310以外的其他能够安装并运行CAM软件等编程软件的任意设备上实现。

加工控制端320可以是数控系统(未示出)的一部分。数控系统可以是计算机数控(Computerized numerical control，简称为CNC)系统，与数控机床(未示出)配套使用，用于控制数控机床进行自动化加工。具体地，加工控制端320可以接收CAM软件等编程软件生成的刀路轨迹等数控加工控制命令(例如，G代码)以及其他与刀路轨迹相关的信息(例如，刀路轨迹的点面隶属关系以及每个刀位点所属加工表面的性质)，并对刀路轨迹进行拟合。然后，加工控制端320或数控系统的其他部分可以控制刀具按照拟合得到的刀路轨迹来对零件进行加工。

信息提取端310和加工控制端320既可以通过通信网络330相连，也可以集成在一起，例如一起集成在数控系统(CNC)上。通信网络330可以是有线的或无线的。具体地，通信网络330的示例可以包括(但不限于)：有线电缆或光纤型网络、或者移动或蜂窝网络或WLAN(“无线局域网”，可能是802.11(或WiFi)或者WiMAX型的)、或者还可以是蓝牙型的无线短距离通信网络。

下面将主要以图3为例来说明本发明的总的发明构思。图4是示出了根据本发明实施例的数控加工系统300的示例操作400的时序图。

如图4所示，在框410，信息提取端310从待加工零件的三维模型中提取刀路轨迹的点面隶属关系以及每一个刀位点所属加工表面的性质。例如，信息提取端310可以从如图1所示的零件三维模型中提取刀位点A与所属加工表面(即，面1)之间的相对位置关系以及面1为平面的信息。

作为一个示例，信息提取端可以是集成于CAM软件中的信息提取模块，在CAM软件生成G代码的过程中，提取每个刀位点在CAD模型中所属表面的信息。

作为另一个示例，信息提取端可以实现在第三方软件中。具体地，可以将现有G代码所表征的刀路轨迹和零件的CAD模型同时导入到第三方软件并显示在第三方软件中，通过坐标配准还原刀位点与CAD模型的相对位置关系，然后可以通过交互或其他自动识别的方式获取G代码所表征的刀位点所属表面的信息。

在框420，信息提取端310将所提取的刀路轨迹的点面隶属关系以及每一个刀位点所属加工表面的性质发送到加工控制端320，例如可以通过通信网络330。

在框430，加工控制端320获取刀路轨迹的点面隶属关系以及每一个刀位点所属加工表面的性质。

在框440，加工控制端320根据所获取的点面隶属关系和每一个刀位点所属加工表面的性质对所述刀路轨迹进行拟合。具体地，加工控制端320可以在传统的刀路轨迹拟合过程中考虑所获取的点面隶属关系和每一个刀位点所属加工表面的性质。

图5示出了根据本发明实施例的刀路轨迹拟合方法500的示意性流程图。刀路轨迹拟合方法500可以由图3的加工控制端320来执行，下面以此为例进行描述，然而应理解本发明不限于此。例如，刀路轨迹拟合方法500可以直接在数控系统(CNC)上实现。刀路轨迹拟合方法500可以包括步骤S510-S530。

在步骤S510，加工控制端320获取待加工零件的刀路轨迹的点面隶属关系。该刀路轨迹包含两个或多个刀位点，并且该点面隶属关系指示每一个刀位点与所属加工表面之间的相对位置关系。例如，加工控制端320可以通过通信网络330从信息提取端310接收该点面隶属关系。备选地，当信息提取端310与加工控制端320一起集成在数控系统(CNC)上时，加工控制端320可以从信息提取端310直接获取点面隶属关系。

在步骤S520，加工控制端320获取每一个刀位点所属加工表面的性质。该性质指示每一个刀位点所属加工表面是平面还是曲面。以图1所示的刀位点D为例，如图所示，刀位点D位于面1与面2交界处。本文按照面1与面2在刀路轨迹的加工方向上相对于刀位点D出现的先后顺序来确定刀位点D是位于面1还是位于面2。如图1所示，相对于刀位点D，面2出现在面1之后，所以确定刀位点D所属加工表面为面2(即，曲面)。类似地，刀位点C所属加工表面为面1(即，平面)。

应理解，步骤S510和步骤S520也可以同时执行，或者步骤S520也可以在步骤S510之前执行。

在步骤S530，加工控制端320根据所获取的点面隶属关系和每一个刀位点所属加工表面的性质对所述刀路轨迹进行拟合。

图6示出了根据本发明实施例的步骤S530的一个示例实现。

在步骤S610，加工控制端320针对所述两个或多个刀位点中的每一个刀位点，根据所获取的点面隶属关系和每一个刀位点所属加工表面的性质来确定该刀位点的切向矢量。

在步骤S620，加工控制端320根据所述两个或多个刀位点中的每一个刀位点的切向矢量来对刀路轨迹进行拟合。

图7示出了根据本发明实施例的步骤S620的一个示例实现。

在步骤S710，加工控制端320对刀路轨迹进行分段，以确定刀路轨迹上的两个或多个刀位点中的处于同一加工表面的刀位点处于同一段轨迹。具体地，加工控制端320可以基于所获取的点面隶属关系以及每个刀位点所属加工表面的性质，确定每个刀位点在所属加工表面上的具体位置，例如是否处于所属加工表面的边界处。如果某一个刀位点与该刀位点在刀路轨迹上相邻的两个刀位点都属于同一个加工表面，那么可以确定这个刀位点不处于所属加工表面的边界。否则，如果该刀位点与该刀位点在刀路轨迹上相邻的两个刀位点中的任一个刀位点不属于同一个加工表面，那么可以确定这个刀位点处于两个加工表面的交界处。

在步骤S720，加工控制端320根据刀路轨迹的分段结果，确定刀位点的切向矢量。

备选地，加工控制端320还可以根据刀路轨迹的分段结果来对刀路轨迹直接进行拟合。

根据本发明，刀路轨迹的分段结果包含6种类型，针对不同类型，加工控制端320可以在刀路轨迹拟合中采取不同的手段。

图8示出了根据本发明实施例的根据刀路轨迹的分段结果进行分类的示例方法800的流程图。

方法800可以针对刀路轨迹上的每一个刀位点执行，可以将方法800所针对的刀位点称为当前刀位点。图9示出了根据本发明实施例的示例刀位点的相对位置关系的示意图。如图9所示，A点、Q点和B点均为同一条刀路轨迹上的刀位点，其中Q点为方法800所针对的当前刀位点，A点和B点为Q点在刀路轨迹上相邻的两个刀位点。P₁表示A点与Q点之间的连线，P₂表示Q点与B点之间的连线，θ表示P₁与P₂之间的夹角。假设刀路轨迹的加工方向为从A点到Q点再到B点，那么A点为Q点在刀路轨迹的加工方向上的上一个刀位点，B点为Q点在刀路轨迹的加工方向上的下一个刀位点。

下面为了便于说明，以图9所示意的刀位点为例进行说明，然而应理解本发明不限于图9所示的刀位点表示。

在步骤S801，加工控制端320根据刀路轨迹的分段结果确定当前刀位点是位于平面还是曲面上，即，确定当前刀位点所属加工表面的性质为平面还是曲面。如果所属加工表面为曲面，则方法800前进到步骤S802。

在步骤S802，加工控制端320确定当前刀位点是否位于曲面边界处。

如果在步骤S802确定当前刀位点不是位于曲面边界处，即，当前刀位点与其在刀路轨迹上相邻的两个刀位点都属于该曲面，则方法800前进到步骤S803。

在步骤S803，加工控制端320确定采用类型1来计算当前刀位点处的切向矢量。

图10示出了根据本发明实施例的类型1所涉及的点面隶属关系的示例。如图10所示，Q点与其相邻两个刀位点A点和B点都处于曲面上，所以可以确定Q点不是位于曲面与平面边界处。

图11示出了根据本发明实施例的步骤S720的第一示例实现。

在步骤S1110，如果一刀位点所属加工表面的性质为曲面，且该刀位点在刀路轨迹上相邻的两个刀位点均在该刀位点所属加工表面上，即，该刀位点遵从图10所示的点面隶属关系，则加工控制端320采用内插法计算该刀位点处的切向矢量。

下面结合图10来说明如何采用内插法计算刀位点Q点处的切向矢量。

如图10所示，假设

和

分别是P₁和P₂自身的方向矢量，它们的模长分别为P₁和P₂的长度。在图10所示的点面隶属关系下，Q点处的切向矢量可以根据以下公式计算：

其中，||P₁||和||P₂||分别为P₁和P₂的长度，

的为Q点处的切向矢量，

的方向就是相应的切向方向。

回到图8，如果在步骤S802确定当前刀位点位于曲面边界处(即，曲面与平面交界处)，即，当前刀位点在刀路轨迹的加工方向上的上一个刀位点位于平面上，则方法800前进到步骤S804。

在步骤S804，加工控制端320计算当前刀位点与其在刀路轨迹上相邻的两个刀位点的两条连线之间的夹角，例如如图9所示的夹角θ。

在步骤S805，加工控制端320确定计算得到的夹角是否小于预定角度。这里的预定角度可以是用户预定义或者系统预配置的。例如，预定角度可以是100度，即，确定θ是否小于100度。

如果在步骤S805确定计算得到的夹角小于预定角度，则方法800前进到步骤S806。

在步骤S806，加工控制端320确定采用类型2来计算当前刀位点处的切向矢量。

图12示出了根据本发明实施例的类型2所涉及的点面隶属关系的示例。如图12所示，Q点位于曲面上与平面的交界处，并且θ小于预定角度。例如如果预定角度为100度，则θ小于100度，此时可以认为θ为尖角。

图13示出了根据本发明实施例的步骤S720的第二示例实现。

在步骤S1310，如果一刀位点所属加工表面的性质为曲面且位于曲面与平面交界处，并且该刀位点与其在刀路轨迹上相邻的两个刀位点的两条连线之间的夹角小于预定角度，即，该刀位点遵从图12所示的点面隶属关系，则加工控制端320采用外插法计算该刀位点处的切向矢量。

下面结合图12来说明如何采用外插法计算刀位点Q点处的切向矢量。

如图12所示，假设

和

分别是P₂和P₃自身的方向矢量。在图12所示的点面隶属关系下，Q点处的切向矢量可以采用外插法进行计算。具体地，加工控制端320可以先内插计算B点处的内向切向矢量

然后获得内向切向矢量

与

之间的夹角β，最后将

绕着B点向着

转动3β/2角度，获得与

夹角为β/2的新矢量

就是Q点处的切向矢量

回到图8，如果在步骤S805确定计算得到的夹角不小于预定角度(即，大于或等于预定角度)，则方法800前进到步骤S807。

在步骤S807，加工控制端320确定采用类型3来计算当前刀位点处的切向矢量。

图14示出了根据本发明实施例的类型3所涉及的点面隶属关系的示例。如图14所示，Q点位于曲面上与平面的交界处，并且θ大于或等于预定角度。例如如果预定角度为100度，则θ大于或等于100度。

图15示出了根据本发明实施例的步骤S720的第三示例实现。

在步骤S1510，如果一刀位点所属加工表面的性质为曲面且位于曲面与平面交界处，并且该刀位点与其在刀路轨迹上相邻的两个刀位点的两条连线之间的夹角大于或等于预定角度，即，该刀位点遵从图14所示的点面隶属关系，则确定该刀位点与该刀位点在刀路轨迹的加工方向上的上一个刀位点之间的连线的方向为该刀位点的切向方向。当前刀位点处的切向矢量的模长可以另行计算，例如可以取该刀位点在刀路轨迹的加工方向上的上一个刀位点之间的连线的长度的一半，或者也可以取其他适当的值。

下面结合图14来说明如何确定刀位点Q点处的切向方向。

如图14所示，假设

和

分别是P₁和P₂自身的方向矢量，它们的模长分别为P₁和P₂的长度。在图14所示的点面隶属关系下，Q点处的切向方向即为P₁自身的方向，即：

Q点处的切向矢量的模可以为P₁长度的一半或者其他任意适当的长度。

回到图8，如果在步骤S801确定当前刀位点位于平面上，则方法800前进到步骤S808。

在步骤S808，加工控制端320确定当前刀位点是否位于平面与曲面交界处。

如果在步骤S808确定了当前刀位点位于平面与曲面交界处，则方法800前进到步骤S809。

在步骤S809，加工控制端320确定采用类型4来计算当前刀位点处的切向矢量。

图16示出了根据本发明实施例的类型4所涉及的点面隶属关系的示例。如图16所示，Q点位于平面上与曲面的交界处。

图17示出了根据本发明实施例的步骤S720的第四示例实现。

在步骤S1710，如果一刀位点所属加工表面的性质为平面且位于该平面与曲面交界处，即，该刀位点遵从图16所示的点面隶属关系，则加工控制端320确定该刀位点与该刀位点在刀路轨迹的加工方向上的下一个刀位点之间的连线的方向为该刀位点的切向方向。当前刀位点处的切向矢量的模长可以另行计算，例如可以取该刀位点在刀路轨迹的加工方向上的下一个刀位点之间的连线的长度的一半，或者也可以取其他适当的值。

下面结合图16来说明如何确定刀位点Q点处的切向方向。

如图16所示，假设

和

分别是P₁和P₂自身的方向矢量，它们的模长分别为P₁和P₂的长度。在图16所示的点面隶属关系下，Q点处的切向方向即为P₂自身的方向矢量，即：

Q点处的切向矢量的模可以为P₂长度的一半或者其他任意适当的长度。

回到图8，如果在步骤S808确定当前刀位点位于两个平面交界处(注意，刀路轨迹位于同一个平面上的部分当做一个小线段处理，所以不考虑当前刀位点与两个相邻刀位点都位于同一个平面的情形)，即，当前刀位点与其在刀路轨迹的加工方向上的上一个刀位点属于不同的平面，如图9所示，Q点与B点属于相同平面，而与A点属于不同平面，则方法800前进到步骤S810。

在步骤S810，加工控制端320计算当前刀位点与其在刀路轨迹上相邻的两个刀位点的两条连线之间的夹角，例如如图9所示的夹角θ。

在步骤S811，加工控制端320确定计算得到的夹角是否小于预定角度。这里的预定角度可以是用户预定义或者系统预配置的。例如，预定角度可以是100度，即，确定θ是否小于100度。

如果在步骤S811确定计算得到的夹角小于预定角度，则方法800前进到步骤S812，否则前进到步骤S813

在步骤S812，加工控制端320确定采用类型5来确定当前刀位点处的切向矢量。

图18示出了根据本发明实施例的类型5所涉及的点面隶属关系的示例。如图18所示，Q点位于两个平面的交界处，并且Q点与B点处于同一个平面，而与A点处于不同平面。此外，θ小于预定角度。例如如果预定角度为100度，则θ小于100度，此时可以认为θ为尖角。

在类型5的情况下，不需要计算Q点处的切向方向，并且该点处为零速。也就是说，加工控制端320在确定了刀位点Q处于两个平面的交界处之后，可以对刀位点Q直接进行直线拟合。直线拟合可以采用现有或者未来可能设计出的任意适当方式进行，例如控制刀具直接按照G01指令对零件进行加工。

图19示出了根据本发明实施例的步骤S530的示例实现。

在步骤S1910，如果一刀位点所属加工表面的性质为平面且位于与另一个平面交界处，并且该刀位点与该刀位点在刀路轨迹上相邻的两个刀位点的两条连线之间的夹角小于预定角度，即，该刀位点遵从图18所示的点面隶属关系，则加工控制端320在该刀位点处进行直线拟合。

在步骤S813，加工控制端320确定采用类型6来确定当前刀位点处的切向矢量。

图20示出了根据本发明实施例的类型6所涉及的点面隶属关系的示例。如图20所示，Q点位于两个平面的交界处，并且Q点与B点处于同一个平面，而与A点处于不同平面。此外，P₁与P₂之间的夹角θ大于或等于预定角度。例如，如果预定角度为100度，则θ大于或等于100度。

在类型6的情况下，不需要计算Q点处的切向矢量，并且在该点处进行内切过渡。也就是说，加工控制端320确定了刀位点Q处于两个平面的交界处，这样通过对刀位点Q进行内切过渡来进行刀路轨迹的拟合。这里的通过内切过渡来进行刀路轨迹的拟合可以采用现有或者未来可能设计出的任意适当方式进行。例如，可以分别取当前刀位点与该刀位点在刀路轨迹上相邻的两个刀位点的两条连线的中点，按照加工方向将前一个中点作为内切过渡的起点，另一个中点作为终点，然后分别以这两条连线的自身方向作为起点和终点的切向方向来进行样条拟合。以图20为例，可以分别取P₁和P₂的中心，将P₁的中心作为内切过渡的起点，将P₂的中心作为终点，然后以P₁的自身方向作为起点的切向方向并且以P₂的自身方向作为终点的切向方向来进行样条拟合。

图21示出了根据本发明实施例的步骤S530的示例实现。

在步骤S2110，如果一刀位点所属加工表面的性质为平面且位于与另一个平面交界处，并且该刀位点与该刀位点在刀路轨迹上相邻的两个刀位点的两条连线之间的夹角大于或等于预定角度，即，该刀位点遵从图20所示的点面隶属关系，则加工控制端320通过对该刀位点进行内切过渡来进行拟合。

利用刀路轨迹拟合方法500，本发明能够将从待加工零件的三维模型中所获取的刀路轨迹的点面隶属关系以及每一个刀位点所属加工表面的性质应用于刀路轨迹拟合，使得利用拟合出的刀路轨迹加工出的零件表面与原始设计模型趋于一致，从而提高加工精度。具体地，本发明可以根据刀位点所属加工表面的性质(曲面还是平面)以及刀位点位于所属加工表面的具体位置来帮助判断及选择最合适的切向矢量计算方式，从而优化了刀路轨迹的样条拟合效果。

例如，对于图1(c)中处于平面上的刀位点A，本发明可以将其确定为类型4，相应地可以确定刀位点A处的切向方向为线段AB的方向(即，图16中P₂的自身方向)，即，最终拟合后的刀路轨迹为直线，这与CAD模型的设计要求保持一致，从而解决了零件表面中曲面、平面组合过渡处的加工问题。

刀路轨迹拟合方法500能够解决如图16所示的点面隶属关系下(即，当前刀位点处于平面上与曲面交界处)可能出现的错误拟合，例如如图2左图所示的错误拟合，从而实现如图2右图所示的正确拟合。

图22是示出了根据本发明实施例的刀路轨迹拟合装置2200的结构框图。例如，刀路轨迹拟合装置2200既可以实现在图3的加工控制端320或数控系统(CNC)上，也可以执行刀路轨迹拟合方法500。如图22所示，刀路轨迹拟合装置2200包括第一获取单元2210、第二获取单元2220和拟合单元2230。

第一获取单元2210被配置为获取待加工零件的刀路轨迹的点面隶属关系。该刀路轨迹包含两个或多个刀位点(例如如图1所示的刀路1或刀路2)，点面隶属关系指示每一个刀位点与所属加工表面之间的相对位置关系，例如如图10、图12、图14、图16、图18或图20所示的点面隶属关系。例如，点面隶属关系可以指示如图1所示的刀位点A与其所属加工表面面1之间的相对位置关系。

第二获取单元2220被配置为获取每一个刀位点所属加工表面的性质。该性质指示每一个刀位点所属加工表面是平面还是曲面，例如图1所示的刀位点A属于面1，并且面1为平面。

拟合单元2230被配置为根据所获取的点面隶属关系和每一个刀位点所属加工表面的性质对刀路轨迹进行拟合。

在一个实现方式中，拟合单元2230被配置为：针对两个或多个刀位点中的每一个刀位点，根据所获取的点面隶属关系和每一个刀位点所属加工表面的性质来确定该刀位点的切向矢量；以及根据两个或多个刀位点中的每一个刀位点的切向矢量来对刀路轨迹进行拟合。

在一个实现方式中，确定刀位点的切向矢量包括：对刀路轨迹进行分段，以确定两个或多个刀位点中的处于同一加工表面的刀位点处于同一段轨迹；以及根据刀路轨迹的分段结果，确定该刀位点的切向矢量。

在一个实现方式中，确定刀位点的切向矢量包括：如果该刀位点所属加工表面的性质为曲面，且该刀位点在刀路轨迹上相邻的两个刀位点均在该刀位点所属加工表面上，则采用内插法计算该刀位点处的切向矢量。例如，在如图10所示的点面隶属关系下，可以采用内插法计算刀位点Q处的切向矢量。

在一个实现方式中，确定刀位点的切向矢量包括：如果该刀位点所属加工表面的性质为曲面且位于曲面与平面交界处，并且该刀位点与该刀位点在刀路轨迹上相邻的两个刀位点的两条连线之间的夹角小于预定角度，则采用外插法计算该刀位点处的切向矢量。例如，在如图12所示的点面隶属关系下，可以采用外插法计算刀位点Q处的切向矢量。

在一个实现方式中，确定刀位点的切向矢量包括：如果该刀位点所属加工表面的性质为曲面且位于曲面与平面交界处，并且该刀位点与该刀位点在刀路轨迹上相邻的两个刀位点的两条连线之间的夹角大于或等于预定角度，则确定该刀位点与该刀位点在刀路轨迹的加工方向上的上一个刀位点之间的连线的方向为该刀位点的切向方向。例如，在如图14所示的点面隶属关系下，可以将P₁的方向确定为刀位点Q处的切向方向。

在一个实现方式中，确定刀位点的切向矢量包括：如果该刀位点所属加工表面的性质为平面且位于平面与曲面交界处，则确定该刀位点与该刀位点在刀路轨迹的加工方向上的下一个刀位点之间的连线的方向为该刀位点的切向方向。例如，在如图16所示的点面隶属关系下，可以将P₂的方向确定为刀位点Q处的切向方向。

在一个实现方式中，拟合单元2230被配置为：如果该刀位点所属加工表面的性质为平面且位于与另一个平面交界处，并且该刀位点与该刀位点在刀路轨迹上相邻的两个刀位点的两条连线之间的夹角小于预定角度，则在该刀位点处进行直线拟合。例如，在如图18所示的点面隶属关系下，不需要计算刀位点Q处的切向方向，而是直接在刀位点Q处进行直线拟合，并且该点处为零速。

在一个实现方式中，拟合单元2230被配置为：如果该刀位点所属加工表面的性质为平面且位于与另一个平面交界处，并且该刀位点与该刀位点在刀路轨迹上相邻的两个刀位点的两条连线之间的夹角大于或等于预定角度，则通过对该刀位点进行内切过渡来进行拟合。例如，在如图20所示的点面隶属关系下，不需要计算刀位点Q处的切向方向，而是通过在刀位点Q处进行内切过渡来进行拟合。

上述各个单元可以在物理上分立实现，也可以结合在一起实现。例如，第一获取单元2210和第二获取单元2220可以结合在一起，例如由单个处理器来实现。

图23是示出了根据本发明实施例的刀路轨迹拟合装置2300的结构框图。例如，刀路轨迹拟合装置2300可以是数控系统(未示出)的一部分。刀路轨迹拟合装置2300既可以实现在图3的加工控制端320上，也可以执行刀路轨迹拟合方法500。

如图23所示，刀路轨迹拟合装置2300包括：通信接口2310、处理器2320(例如CPU)和存储器2330。为了便于说明，图23中示意性地示出了一个处理器。然而，本领域技术人员应理解数控加工控制装置2300也可以包括两个或多个处理器。

通信接口2310用于与外部通信。例如通信接口2310可以是Ethernet(以太网，注册商标)接口。数控加工控制装置2300可以通过通信接口2310，使用一定的通信协议与信息提取端310进行通信。通信接口2310也可以供用户与刀路轨迹拟合装置2300进行直接通信。例如，通信接口2310也可以是输入设备(例如键盘、鼠标等)和输出设备(例如显示器)，向用户呈现数控加工过程数据，并接收用户的特定指令。

存储器2330存储处理器2320可执行的指令，使得数控加工控制装置2300执行结合图5-21所描述的刀路轨迹拟合方法500。

本发明还提供至少一个具有非易失性或易失性存储器形式的计算机存储介质，例如电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、闪存和硬盘驱动，存储有计算机可执行指令。计算机可执行指令在被处理器执行时使得数控加工控制装置执行例如之前结合图5-21描述的过程的动作。

处理器可以是单个CPU(中央处理器)，但是也可以包括两个或更多个处理器。例如，处理器可以包括通用微处理器；指令集处理器和/或相关芯片集和/或专用微处理器(例如，专用集成电路(ASIC))。处理器也可以包括用于高速缓存目的的板载存储器。例如，计算机存储介质可以是闪存、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)或EEPROM。

Claims (16)

1.一种刀路轨迹拟合方法，包括：

获取待加工零件的刀路轨迹的点面隶属关系，所述刀路轨迹包含两个或多个刀位点，所述点面隶属关系指示每一个刀位点与所属加工表面之间的相对位置关系；

获取每一个刀位点所属加工表面的性质，所述性质指示每一个刀位点所属加工表面是平面还是曲面；

针对所述两个或多个刀位点中的每一个刀位点，根据所获取的点面隶属关系和每一个刀位点所属加工表面的性质来确定所述刀位点的切向矢量，其中，如果所述刀位点所属加工表面的性质为平面且位于平面与曲面交界处，则确定所述刀位点与所述刀位点在所述刀路轨迹的加工方向上的下一个刀位点之间的连线的方向为所述刀位点的切向方向；以及

根据所述两个或多个刀位点中的每一个刀位点的切向矢量来对所述刀路轨迹进行拟合。

2.根据权利要求1所述的刀路轨迹拟合方法，其中，确定所述刀位点的切向矢量包括：

对所述刀路轨迹进行分段，以确定所述两个或多个刀位点中的处于同一加工表面的刀位点处于同一段轨迹；以及

根据刀路轨迹的分段结果，确定所述刀位点的切向矢量。

3.根据权利要求2所述的刀路轨迹拟合方法，其中，如果所述刀位点所属加工表面的性质为曲面，且所述刀位点在所述刀路轨迹上相邻的两个刀位点均在所述刀位点所属加工表面上，则采用内插法计算所述刀位点处的切向矢量。

4.根据权利要求2或3所述的刀路轨迹拟合方法，其中，确定所述刀位点的切向矢量包括：

如果所述刀位点所属加工表面的性质为曲面且位于曲面与平面交界处，并且所述刀位点与所述刀位点在所述刀路轨迹上相邻的两个刀位点的两条连线之间的夹角小于预定角度，则采用外插法计算所述刀位点处的切向矢量。

5.根据权利要求2或3所述的刀路轨迹拟合方法，其中，确定所述刀位点的切向矢量包括：

如果所述刀位点所属加工表面的性质为曲面且位于曲面与平面交界处，并且所述刀位点与所述刀位点在所述刀路轨迹上相邻的两个刀位点的两条连线之间的夹角大于或等于预定角度，则确定所述刀位点与所述刀位点在所述刀路轨迹的加工方向上的上一个刀位点之间的连线的方向为所述刀位点的切向方向。

6.根据权利要求1-3中任意一项所述的刀路轨迹拟合方法，其中，对所述刀路轨迹进行拟合包括：

如果所述刀位点所属加工表面的性质为平面且位于与另一个平面交界处，并且所述刀位点与所述刀位点在所述刀路轨迹上相邻的两个刀位点的两条连线之间的夹角小于预定角度，则在所述刀位点处进行直线拟合。

7.根据权利要求1-3中任意一项所述的刀路轨迹拟合方法，其中，对所述刀路轨迹进行拟合包括：

如果所述刀位点所属加工表面的性质为平面且位于与另一个平面交界处，并且所述刀位点与所述刀位点在所述刀路轨迹上相邻的两个刀位点的两条连线之间的夹角大于或等于预定角度，则通过对所述刀位点进行内切过渡来进行拟合。

8.一种刀路轨迹拟合装置，包括：

第一获取单元，被配置为获取待加工零件的刀路轨迹的点面隶属关系，所述刀路轨迹包含两个或多个刀位点，所述点面隶属关系指示每一个刀位点与所属加工表面之间的相对位置关系；

第二获取单元，被配置为获取每一个刀位点所属加工表面的性质，所述性质指示每一个刀位点所属加工表面是平面还是曲面；以及

拟合单元，被配置为针对所述两个或多个刀位点中的每一个刀位点，根据所获取的点面隶属关系和每一个刀位点所属加工表面的性质来确定所述刀位点的切向矢量，其中如果所述刀位点所属加工表面的性质为平面且位于平面与曲面交界处，则确定所述刀位点与所述刀位点在所述刀路轨迹的加工方向上的下一个刀位点之间的连线的方向为所述刀位点的切向方向，以及根据所述两个或多个刀位点中的每一个刀位点的切向矢量来对所述刀路轨迹进行拟合。

9.根据权利要求8所述的刀路轨迹拟合装置，其中，确定所述刀位点的切向矢量包括：

对所述刀路轨迹进行分段，以确定所述两个或多个刀位点中的处于同一加工表面的刀位点处于同一段轨迹；以及

根据刀路轨迹的分段结果，确定所述刀位点的切向矢量。

10.根据权利要求9所述的刀路轨迹拟合装置，其中，确定所述刀位点的切向矢量包括：

如果所述刀位点所属加工表面的性质为曲面，且所述刀位点在所述刀路轨迹上相邻的两个刀位点均在所述刀位点所属加工表面上，则采用内插法计算所述刀位点处的切向矢量。

11.根据权利要求9或10所述的刀路轨迹拟合装置，其中，确定所述刀位点的切向矢量包括：

如果所述刀位点所属加工表面的性质为曲面且位于曲面与平面交界处，并且所述刀位点与所述刀位点在所述刀路轨迹上相邻的两个刀位点的两条连线之间的夹角小于预定角度，则采用外插法计算所述刀位点处的切向矢量。

12.根据权利要求9或10所述的刀路轨迹拟合装置，其中，确定所述刀位点的切向矢量包括：

如果所述刀位点所属加工表面的性质为曲面且位于曲面与平面交界处，并且所述刀位点与所述刀位点在所述刀路轨迹上相邻的两个刀位点的两条连线之间的夹角大于或等于预定角度，则确定所述刀位点与所述刀位点在所述刀路轨迹的加工方向上的上一个刀位点之间的连线的方向为所述刀位点的切向方向。

13.根据权利要求8-10中任一项所述的刀路轨迹拟合装置，其中，所述拟合单元被配置为：

如果所述刀位点所属加工表面的性质为平面且位于与另一个平面交界处，并且所述刀位点与所述刀位点在所述刀路轨迹上相邻的两个刀位点的两条连线之间的夹角小于预定角度，则在所述刀位点处进行直线拟合。

14.根据权利要求8-10中任一项所述的刀路轨迹拟合装置，其中，所述拟合单元被配置为：

如果所述刀位点所属加工表面的性质为平面且位于与另一个平面交界处，并且所述刀位点与所述刀位点在所述刀路轨迹上相邻的两个刀位点的两条连线之间的夹角大于或等于预定角度，则通过对所述刀位点进行内切过渡来进行拟合。

15.一种刀路轨迹拟合装置，包括：

通信接口；

至少一个处理器；以及

存储器，所述存储器存储所述至少一个处理器可执行的指令，所述指令在被所述至少一个处理器执行时使得所述刀路轨迹拟合装置执行根据权利要求1至7中任一项所述的方法。

16.一种计算机存储介质，存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令在被刀路轨迹拟合装置的至少一个处理器执行时，使得所述刀路轨迹拟合装置执行根据权利要求1至7中任一项所述的方法。

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