CN110096034B - 基于投影算法的三轴刀具轨迹曲面横向信息的重构方法 - Google Patents

基于投影算法的三轴刀具轨迹曲面横向信息的重构方法 Download PDF

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CN110096034B CN201910344485.9A CN201910344485A CN110096034B CN 110096034 B CN110096034 B CN 110096034B CN 201910344485 A CN201910344485 A CN 201910344485A CN 110096034 B CN110096034 B CN 110096034B
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Abstract

本发明属于计算机辅助加工相关技术领域，其公开了一种基于投影算法的三轴刀具轨迹曲面横向信息的重构方法，该重构方法包括以下步骤：(1)根据刀位文件记录每一个刀位点的索引，并按照KD‑Tree结构进行存储；(2)基于步骤(1)存储的数据寻找每一个刀位点的邻轨投影点，并将所述邻轨投影点与对应的刀位点进行配对及储存，由此得到所有刀位点与对应的邻轨投影点配对组成的刀具轨迹曲面的横向信息；其中，所述邻轨投影点为相邻刀具轨迹上距离种子点最近的点，该刀具轨迹曲面为刀具轨迹中包含所有刀位点的曲面。本发明无需重构曲面，减小了计算负担，考虑了刀具轨迹的横向信息，优化效果较好，适用性较强。

Description

基于投影算法的三轴刀具轨迹曲面横向信息的重构方法
技术领域
本发明属于计算机辅助加工相关技术领域，更具体地，涉及一种基于投影算法的三轴刀具轨迹曲面横向信息的重构方法。
背景技术
目前数控加工被广泛应用于复杂曲面零件的加工中。常见的复杂曲面零件有飞机机身、螺旋桨叶片、手机模具外形曲面、汽轮机叶片、汽车车身等。在数控加工中，刀具轨迹的质量很大程度上影响着被加工表面的质量，而如何合理全面地优化刀具轨迹也是数控加工领域研究的热点。
一般情况下，在刀具轨迹计算与优化的过程中只考虑单一的一条轨迹，即只考虑沿加工轨迹方向的纵向(进给方向)因素。在这个过程中一般并不考虑垂直于加工轨迹方向的横向(垂直于进给方向)因素。原本二维加工曲面信息退化成一维折线信息，继而导致生成的刀具轨迹出现横向切深不一致，横向速度不一致等横向不优化的现象。相应地，本领域存在着发展一种优化效果较好的基于投影算法的三轴刀具轨迹曲面横向信息的重构方法的技术需求。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于投影算法的三轴刀具轨迹曲面横向信息的重构方法，其基于现有刀轴优化方法的特点，研究及设计了一种优化效果较好的基于投影算法的三轴刀具轨迹曲面横向信息的重构方法。该重构方法能够适应刀位点分布密度不均匀的情况，无需重构曲面，减小了计算负担，通过对刀具轨迹中每一个刀位点寻找其在相邻刀具轨迹上的投影点，以重构刀具轨迹曲面的横向信息，考虑刀具轨迹的横向信息，优化效果较好，适用性较强。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于投影算法的三轴刀具轨迹曲面横向信息的重构方法，该重构方法包括以下步骤：
(1)根据刀位文件记录每一个刀位点的索引，并按照KD-Tree结构进行存储；
(2)基于步骤(1)存储的数据寻找每一个刀位点的邻轨投影点，并将所述邻轨投影点与对应的刀位点进行配对及储存，由此得到所有刀位点与对应的邻轨投影点配对组成的刀具轨迹曲面的横向信息；其中，所述邻轨投影点为相邻刀具轨迹上距离种子点最近的点，该刀具轨迹曲面为刀具轨迹中包含所有刀位点的曲面。
进一步地，步骤(2)包括以下步骤：
S2.1，寻找种子点Pi的邻域点集合，记为Si，种子点Pi为刀位点；
S2.2，遍历邻域点集合寻找种子点Pi的相邻刀具轨迹上距离种子点Pi最近的刀位点
Figure BDA0002041853210000021
和
Figure BDA00020418532100000213
S2.3，分别在刀位点
Figure BDA00020418532100000214
和刀位点
Figure BDA0002041853210000027
两侧的刀具轨迹线段上寻找种子点Pi的投影点
Figure BDA0002041853210000028
和Q+，以确定邻轨投影点，并将邻轨投影点与对应的刀位点进行配对存储，由此确定所有刀位点与对应的邻轨投影点配对组成的刀具轨迹曲面的横向信息。
进一步地，步骤S2.1具体包括以下步骤：
S2.11，寻找距离种子点Pi最近的预定个数的刀位点组成初始邻域点集合S'i；
S2.12，分别寻找距离Pi-1、Pi+1最近的30个刀位点集合，记为
Figure BDA00020418532100000210
并求
Figure BDA00020418532100000211
与S'i三个集合的并集以得到最终的邻域点集合Si，其中Pi-1、Pi+1是与种子点Pi索引相邻的两个刀位点。
进一步地，所述预定个数为50。
进一步地，步骤S2.2具体包括以下步骤：
S2.21，将邻域点集合Si依照索引划分成大于种子点Pi索引的子集
Figure BDA0002041853210000031
与小于种子点Pi索引的子集
Figure BDA0002041853210000032
S2.22，对子集
Figure BDA0002041853210000033
按索引值从小到大遍历，当发现所遍历的点Pj满足Lj≤Lj-1且Lj≤Lj+1时，刀位点Pj即为种子点Pi的相邻导轨上距种子点Pi最近的刀位点
Figure BDA0002041853210000035
若
Figure BDA0002041853210000034
中无满足条件的点，则该子集
Figure BDA0002041853210000036
中没有种子点Pi的临轨最近刀位点，即
Figure BDA0002041853210000037
不存在，设Lj为当前刀位点Pj距种子点Pi的距离，Lj-1、Lj+1分别为当前遍历点Pj的刀具轨迹上前后相邻两点Pj-1和Pj+1距种子点Pi的距离；
同时，对子集
Figure BDA0002041853210000038
按索引值从大到小进行遍历，当发现所遍历的点Pj满足Lj≤Lj-1且Lj≤Lj+1时，点Pj即为种子点Pi相邻导轨上距种子点Pi最近的刀位点
Figure BDA00020418532100000310
若
Figure BDA0002041853210000039
无满足条件的点，则该子集
Figure BDA00020418532100000311
中没有种子点临轨最近刀位点，即
Figure BDA00020418532100000312
不存在，设Lj为当前遍历刀位点Pj距种子点Pi的距离，Lj-1及Lj+1分别为当前遍历点Pj的刀具轨迹上前后相邻两点Pj-1和Pj+1距种子点Pi的距离。
进一步地，步骤S2.3具体包括以下步骤：
S2.31，若
Figure BDA00020418532100000313
存在，设
Figure BDA00020418532100000314
所在刀轨左右两侧刀位点为
Figure BDA00020418532100000315
及
Figure BDA00020418532100000316
种子点Pi分别向两侧线段所在直线投影，投影点分别为
Figure BDA00020418532100000317
和
Figure BDA00020418532100000318
若
Figure BDA00020418532100000319
不存在，则该种子点Pi在
Figure BDA00020418532100000320
一侧无邻轨投影点，并转至步骤S2.33；
S2.32，通过判断
Figure BDA00020418532100000321
和
Figure BDA00020418532100000322
的位置来确定邻轨投影点Q+；
S2.33，重复步骤S2.31和S2.32的方法在
Figure BDA00020418532100000323
两侧确定对应的邻轨投影点
Figure BDA00020418532100000324
S2.34，将种子点Pi与其所有的邻轨投影点分别配对存储，进而确定刀具轨迹曲面的横向信息。
进一步地，步骤S2.32中，若
Figure BDA00020418532100000325
和
Figure BDA00020418532100000326
都在两侧刀具轨迹上，则选取距种子点最近的投影点作为种子点Pi的临轨投影点Q+。
进一步地，步骤S2.32中，若
Figure BDA0002041853210000041
和
Figure BDA0002041853210000042
只有一个点在刀具轨迹上，则选取该点作为种子点Pi的临轨投影点
Figure BDA0002041853210000043
进一步地，步骤S2.32中，若
Figure BDA0002041853210000044
和
Figure BDA0002041853210000045
均不在两侧刀具轨迹上，则选取距种子点Pi最近的刀位点
Figure BDA0002041853210000046
作为种子点Pi的临轨投影点
Figure BDA0002041853210000047
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的基于投影算法的三轴刀具轨迹曲面横向信息的重构方法主要具有以下有益效果：
1.基于步骤(1)存储的数据寻找每一个刀位点的邻轨投影点，并将所述邻轨投影点与对应的刀位点进行配对及储存，由此得到所有刀位点与对应的邻轨投影点配对组成的刀具轨迹曲面的横向信息，由此无需重构刀具轨迹曲面，减小了计算负担，且考虑了刀具轨迹的横向信息，优化效果较好，适用性较强。
2.分别寻找距离Pi-1、Pi+1最近的30个刀位点集合，记为
Figure BDA0002041853210000048
并求
Figure BDA0002041853210000049
与S’i三个集合的并集以得到最终的邻域点集合Si，由此防止长线段导致的初始邻域点集合S’i中的刀位点集中分布在种子点Pi一侧从而无法找到邻轨投影点，灵活性较好。
3.寻找距离种子点Pi最近的50个刀位点组成初始邻域点集合S’i，测试表明50个刀位点能较好平衡计算效率与查找的全面性，即同时确保了效率及全面性。
4.所述重构方法的流程简单，易于实施，适用性较强，有利于推广应用。
附图说明
图1是本发明提供的基于投影算法的三轴刀具轨迹曲面横向信息的重构方法的流程示意图；
图2是图1中的基于投影算法的三轴刀具轨迹曲面横向信息的重构方法涉及的数控加工中刀具轨迹、刀具轨迹曲面、刀具轨迹曲面中横向、纵向的基本概念示意图；
图3是图1中的基于投影算法的三轴刀具轨迹曲面横向信息的重构方法涉及的出现长线段时种子点邻域点集合示意图；
图4是采用图1中的基于投影算法的三轴刀具轨迹曲面横向信息的重构方法构建的种子点的邻域点集合示意图；
图5是图1中的基于投影算法的三轴刀具轨迹曲面横向信息的重构方法涉及的种子点邻轨上的距种子点最近刀位点的示意图；
图6中的(a)、(b)及(c)是图1中的基于投影算法的三轴刀具轨迹曲面横向信息的重构方法涉及的种子点邻轨上的最近刀位点两侧寻找邻轨投影点的示意图；
图7是图1中的基于投影算法的三轴刀具轨迹曲面横向信息的重构方法涉及的邻轨投影点全部搜索完毕后的示意图。
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说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
请参阅图1及图2，本发明提供的基于投影算法的三轴刀具轨迹曲面横向信息的重构方法，所述重构方法主要包括以下步骤：
步骤一，根据刀位文件记录每一个刀位点的索引，并按照KD-Tree结构进行存储。
本实施方式中，结合图1对刀具加工轨迹中的有关概念进行了解释，刀具轨迹为切削刀具上规定点(通常为刀位点)所走过的轨迹；刀具轨迹曲面为包含刀具轨迹中所有刀位点的曲面；纵向为切削加工中刀具的进给方向；横向为切削加工中垂直于刀具进给方向的方向。
步骤二，寻找每一个刀位点的邻轨投影点，并将所述邻轨投影点与对应的刀位点进行配对及储存，由此得到所有刀位点与对应的邻轨投影点配对组成的刀具轨迹曲面的横向信息；其中，所述邻轨投影点为相邻刀具轨迹上距离种子点最近的点，该刀具轨迹曲面为刀具轨迹中包含所有刀位点的曲面。
请参阅图3、图4、图5以及图6中的(a)、(b)及(c)，邻轨投影点的寻找及配对储存主要包括以下步骤：
S2.1，寻找种子点Pi(即刀位点)的邻域点集合，记为Si，步骤S2.1具体包括以下步骤：
S2.11，寻找距离种子点Pi最近的50个刀位点组成初始邻域点集合S’i(经过测试，50个刀位点能较好平衡计算效率与查找的全面性)。
S2.12，为了防止长线段导致的初始邻域点集合S’i中的刀位点集中分布在种子点Pi一侧从而无法找到邻轨投影点，分别寻找距离Pi-1、Pi+1(与种子点Pi索引相邻的两个刀位点)最近的30个刀位点集合，记为
Figure BDA0002041853210000062
并求
Figure BDA0002041853210000061
与S’i三个集合的并集以得到最终的邻域点集合Si。
S2.2，遍历邻域点集合寻找种子点Pi的相邻刀具轨迹上距离种子点Pi最近的刀位点
Figure BDA0002041853210000064
和
Figure BDA0002041853210000063
步骤S2.2具体包括以下步骤：
S2.21，将邻域点集合Si依照索引划分成大于种子点Pi索引的子集
Figure BDA0002041853210000065
与小于种子点Pi索引的子集
Figure BDA0002041853210000066
S2.22，对子集
Figure BDA0002041853210000067
按索引值从小到大遍历，设Lj为当前刀位点Pj距种子点Pi的距离，Lj-1、Lj+1分别为当前遍历点Pj的刀具轨迹上前后相邻两点Pj-1和Pj+1距种子点Pi的距离。当发现所遍历的点Pj满足Lj≤Lj-1且Lj≤Lj+1时，刀位点Pj即为种子点Pi的相邻导轨上距种子点Pi最近的刀位点
Figure BDA0002041853210000068
若
Figure BDA0002041853210000069
中无满足条件的点，则该子集
Figure BDA00020418532100000610
中没有种子点Pi临轨最近刀位点，即
Figure BDA00020418532100000611
不存在。
S2.23，对子集
Figure BDA00020418532100000612
按索引值从大到小进行遍历，设Lj为当前遍历刀位点Pj距种子点Pi的距离，Lj-1及Lj+1分别为当前遍历点Pj的刀具轨迹上前后相邻两点Pj-1和Pj+1距种子点Pi的距离。当发现所遍历的点Pj满足Lj≤Lj-1且Lj≤Lj+1时，点Pj即为种子点Pi相邻导轨上距种子点Pi最近的刀位点
Figure BDA0002041853210000071
若
Figure BDA0002041853210000072
无满足条件的点，则该子集
Figure BDA0002041853210000073
中没有种子点临轨最近刀位点，即
Figure BDA0002041853210000074
不存在。
S2.3，分别在刀位点
Figure BDA0002041853210000075
和刀位点
Figure BDA0002041853210000076
两侧的刀具轨迹线段上寻找种子点Pi的投影点
Figure BDA0002041853210000077
和Q+，以确定邻轨投影点，并将邻轨投影点与对应的刀位点进行配对存储，由此确定所有刀位点与对应的邻轨投影点配对组成的三轴刀具轨迹曲面的横向信息。请参阅图7，步骤S2.3具体包括以下步骤：
S2.31，若
Figure BDA0002041853210000078
存在，设
Figure BDA0002041853210000079
所在刀轨左右两侧刀位点为
Figure BDA00020418532100000710
以及
Figure BDA00020418532100000711
种子点Pi分别向两侧线段所在直线投影，投影点分别为
Figure BDA00020418532100000712
和
Figure BDA00020418532100000713
若
Figure BDA00020418532100000714
不存在，则该种子点Pi在
Figure BDA00020418532100000715
一侧无邻轨投影点，并转至步骤S2.33。
S2.32，通过判断
Figure BDA00020418532100000717
和
Figure BDA00020418532100000718
的位置，确定邻轨投影点Q+。
具体地，若
Figure BDA00020418532100000719
和
Figure BDA00020418532100000720
都在两侧刀具轨迹上，则选取距种子点最近的投影点作为种子点Pi的临轨投影点Q+；
若
Figure BDA00020418532100000722
和
Figure BDA00020418532100000721
只有一个点在刀具轨迹上，则选取该点作为种子点Pi的临轨投影点
Figure BDA00020418532100000723
若
Figure BDA00020418532100000724
和
Figure BDA00020418532100000725
均不在两侧刀具轨迹上，则选取距种子点Pi最近的刀位点
Figure BDA00020418532100000726
作为种子点Pi的临轨投影点
Figure BDA00020418532100000727
S2.33，重复步骤S2.31和步骤S2.32的方法在
Figure BDA00020418532100000728
两侧确定对应的邻轨投影点
Figure BDA00020418532100000729
S2.34，将种子点Pi与其所有的邻轨投影点分别配对存储，进而确定刀具轨迹曲面的横向信息。
本发明提供的基于投影算法的三轴刀具轨迹曲面横向信息的重构方法，该重构方法能够在无需重构曲面的条件下获得刀具轨迹曲面的横向信息，提高了计算效率及优化效果，为后续刀具轨迹横向一致性优化提供了必要的信息。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于投影算法的三轴刀具轨迹曲面横向信息的重构方法，其特征在于，该重构方法包括以下步骤：
(1)根据刀位文件记录每一个刀位点的索引，并按照KD-Tree结构进行存储；
(2)基于步骤(1)存储的数据寻找每一个刀位点的邻轨投影点，并将所述邻轨投影点与对应的刀位点进行配对及储存，由此得到所有刀位点与对应的邻轨投影点配对组成的刀具轨迹曲面的横向信息；其中，所述邻轨投影点为相邻刀具轨迹上距离种子点最近的点，该刀具轨迹曲面为刀具轨迹中包含所有刀位点的曲面；
其中，步骤(2)包括以下步骤：
S2.1，寻找种子点Pi的邻域点集合，记为Si，种子点Pi为刀位点；
S2.2，遍历邻域点集合寻找种子点Pi的相邻刀具轨迹上距离种子点Pi最近的刀位点Pi +和Pi -；
S2.3，分别在刀位点Pi +和刀位点Pi -两侧的刀具轨迹线段上寻找种子点Pi的投影点
Figure FDA0002443016020000013
和Q+，以确定邻轨投影点，并将邻轨投影点与对应的刀位点进行配对存储，由此确定所有刀位点与对应的邻轨投影点配对组成的刀具轨迹曲面的横向信息；
步骤S2.1具体包括以下步骤：
S2.11，寻找距离种子点Pi最近的预定个数的刀位点组成初始邻域点集合S’i；
S2.12，分别寻找距离Pi-1、Pi+1最近的30个刀位点集合，记为
Figure FDA0002443016020000014
并求
Figure FDA0002443016020000015
与S’i三个集合的并集以得到最终的邻域点集合Si，其中Pi-1、Pi+1是与种子点Pi索引相邻的两个刀位点。
2.如权利要求1所述的基于投影算法的三轴刀具轨迹曲面横向信息的重构方法，其特征在于：所述预定个数为50。
3.如权利要求1所述的基于投影算法的三轴刀具轨迹曲面横向信息的重构方法，其特征在于：步骤S2.2具体包括以下步骤：
S2.21，将邻域点集合Si依照索引划分成大于种子点Pi索引的子集
Figure FDA0002443016020000021
与小于种子点Pi索引的子集
Figure FDA0002443016020000022
S2.22，对子集
Figure FDA0002443016020000023
按索引值从小到大遍历，当发现所遍历的点Pj满足Lj≤Lj-1且Lj≤Lj+1时，刀位点Pj即为种子点Pi的相邻导轨上距种子点Pi最近的刀位点
Figure FDA0002443016020000024
若
Figure FDA0002443016020000025
中无满足条件的点，则该子集
Figure FDA0002443016020000026
中没有种子点Pi的临轨最近刀位点，即
Figure FDA0002443016020000027
不存在，设Lj为当前刀位点Pj距种子点Pi的距离，Lj-1、Lj+1分别为当前遍历点Pj的刀具轨迹上前后相邻两点Pj-1和Pj+1距种子点Pi的距离；
同时，对子集
Figure FDA0002443016020000028
按索引值从大到小进行遍历，当发现所遍历的点Pj满足Lj≤Lj-1且Lj≤Lj+1时，点Pj即为种子点Pi相邻导轨上距种子点Pi最近的刀位点
Figure FDA0002443016020000029
若
Figure FDA00024430160200000210
无满足条件的点，则该子集
Figure FDA00024430160200000211
中没有种子点临轨最近刀位点，即
Figure FDA00024430160200000212
不存在，设Lj为当前遍历刀位点Pj距种子点Pi的距离，Lj-1及Lj+1分别为当前遍历点Pj的刀具轨迹上前后相邻两点Pj-1和Pj+1距种子点Pi的距离。
4.如权利要求3所述的基于投影算法的三轴刀具轨迹曲面横向信息的重构方法，其特征在于：步骤S2.3具体包括以下步骤：
S2.31，若
Figure FDA00024430160200000213
存在，设
Figure FDA00024430160200000214
所在刀轨左右两侧刀位点为
Figure FDA00024430160200000215
及
Figure FDA00024430160200000216
种子点Pi分别向两侧线段所在直线投影，投影点分别为
Figure FDA00024430160200000217
和
Figure FDA00024430160200000218
若
Figure FDA00024430160200000219
不存在，则该种子点Pi在
Figure FDA00024430160200000220
一侧无邻轨投影点，并转至步骤S2.33；
S2.32，通过判断
Figure FDA00024430160200000221
和
Figure FDA00024430160200000222
的位置来确定邻轨投影点Q+；
S2.33，重复步骤S2.31和S2.32的方法在
Figure FDA00024430160200000224
两侧确定对应的邻轨投影点
Figure FDA00024430160200000223
S2.34，将种子点Pi与其所有的邻轨投影点分别配对存储，进而确定刀具轨迹曲面的横向信息。
5.如权利要求4所述的基于投影算法的三轴刀具轨迹曲面横向信息的重构方法，其特征在于：步骤S2.32中，若
Figure FDA0002443016020000031
和
Figure FDA0002443016020000032
都在两侧刀具轨迹上，则选取距种子点最近的投影点作为种子点Pi的临轨投影点Q+。
6.如权利要求4所述的基于投影算法的三轴刀具轨迹曲面横向信息的重构方法，其特征在于：步骤S2.32中，若
Figure FDA0002443016020000033
和
Figure FDA0002443016020000034
只有一个点在刀具轨迹上，则选取该点作为种子点Pi的临轨投影点
Figure FDA0002443016020000035
7.如权利要求4所述的基于投影算法的三轴刀具轨迹曲面横向信息的重构方法，其特征在于：步骤S2.32中，若
Figure FDA0002443016020000036
和
Figure FDA0002443016020000037
均不在两侧刀具轨迹上，则选取距种子点Pi最近的刀位点
Figure FDA0002443016020000038
作为种子点Pi的临轨投影点
Figure FDA0002443016020000039
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