CN110908337A - 一种对nurbs反求控制点预估方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种对NURBS反求控制点预估方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤100、通过已知刀位点以及设定误差阈值，对刀位点进行精简，并选取代表典型轮廓的刀位点；步骤200、将精简后的刀位点作为控制初始值，并计算插值刀位点所需要的控制点；步骤300、以计算后的控制点作为拟合初始值，对NURBS进行拟合，并计算拟合后的轮廓误差；步骤400、将每次计算后的轮廓误差与误差阈值进行比较，并依据比较结果增减控制点，重复步骤200至步骤400直至采用最少的控制点满足误差阈值；本发明突破了传统方式的不足，根据已知的轮廓阈值预估出较准确的控制点，以此为基础，经过若干次迭代，计算出需要的控制点，可以大大提高反求NURBS计算效率。

Description

一种对NURBS反求控制点预估方法
技术领域
本发明实施例涉及数控技术样条刀位轨迹拟合技术领域，具体涉及一种对NURBS反求控制点预估方法。
背景技术
数控机床是一种高效的自动化加工设备，严格按照加工程序，自动对加工零件进行加工，通常机床具有小线段与圆弧插补功能，随着数控技术不断发展，数控系统的插补功能越来越丰富，以NURBS样条插补功能是高档数控机床的重要体现。
NURBS曲线在零件CAD建模中广泛实用，但是需要对建模曲线进行偏置等原因，一般不将NURBS曲线直接作为数控加工的刀位轨迹，比较合理的方法是将CAM软件离散的刀位点，拟合成NURBS刀位轨迹，而拟合成NURBS刀位轨迹，不可避免需要反求控制点，代表NURBS刀位轨迹输送给数控系统是控制点，因此控制点多少直接反映拟合精度，也关系到后续拟合NURBS轨迹迭代的计算量。
NURBS曲线通过次数、控制点、节点向量和权重来定义，其中节点向量是一个非减序列，刀位点参数化后，节点向量把刀位点参数值分布在不同的节点区间，参数值不同、节点区间分布都会影响控制点分布，最终影响曲线形状。以二次NURBS曲线为例，每连续的三个控制点生成一段NURBS曲线，当参数进入新的节点区间后，新的一组包含三个控制点的序组生成一段NURBS样条，每一段样条只与三个控制点相关，而与其余控制点无关。控制点是曲线的几何参数，任何一个控制点的变化都会引起曲线局部形状的改变。权重对曲线的直观反映是权重越大曲线越接近控制点，权重越小曲线越偏离控制点，但是权重与控制点或者曲线的变化没有解析的关系，因此在拟合成曲线时，一般取权重为1，此时NURBS曲线退化为B-spline曲线。
控制点的反求过程是输入刀位点，设置最少控制点n＝4，最多控制点数等于刀位点数。Num_CL为刀位点数。计算节点向量，利用最小二乘方法反求控制点，拟合成NURBS曲线，计算每个刀位点与曲线的逼近误差，取最大误差作为拟合曲线的误差。比较误差与事先设定的误差阈值，假如大于设定的误差阈值，n＝n+1，继续拟合NURBS曲线，比较逼近误差。否则满足逼近误差要求，以反求的控制点为最终符合要求的控制点，生成加工代码。
以上求控制点技术在数控系统或软件中进行实施的，智能由设计和开发人员完成，机床用户无法完成对加工过程NURBS拟合与反求。
发明内容
为此，本发明实施例提供一种对NURBS反求控制点预估方法，以解决现有技术中计算次数多，计算效率低的问题。
为了实现上述目的，本发明的实施方式提供如下技术方案：
一种对NURBS反求控制点预估方法，包括如下步骤：
步骤100、通过已知刀位点以及设定拟合成NURBS曲线轮廓的误差阈值，对刀位点进行精简，并选取代表典型轮廓的刀位点；
步骤200、将精简后的刀位点作为控制初始值，并计算插值刀位点所需要的控制点；
步骤300、以计算后的控制点作为拟合初始值，对NURBS进行拟合，并计算拟合后的轮廓误差；
步骤400、将每次计算后的轮廓误差与误差阈值进行比较，并依据比较结果增减控制点，重复步骤200至步骤400直至采用最少的控制点满足误差阈值。
作为本发明的一种优选方案，选择已知刀位点和对刀位点进行精简的具体规则为：
在轨迹上根据曲率的大小选择刀位点，当轨迹的曲率大时生成的刀位点密集，当曲率小的轨迹平滑时生成的刀位点稀疏，且选取的每个刀位点均满足轮廓误差阈值。
作为本发明的一种优选方案，在步骤200中获取控制点的拟合初始值具体步骤为：
对精简后的刀位点进行插值，并在插值后的刀位点上加2确定为控制初始值。
作为本发明的一种优选方案，在步骤400中，采用迭代的方式来计算控制点，当拟合后的轮廓误差大于误差阈值时增加一个控制点，重新计算轮廓误差，并将重新计算后的轮廓误差与误差阈值进行比较，当拟合后的轮廓误差小于误差阈值时减少一个控制点，重新计算轮廓误差，并将重新计算后的轮廓误差与误差阈值进行比较，直至采用最少的控制点满足误差阈值。
本发明的实施方式具有如下优点：
(1)本发明建立NURBS反求中控制点预估方法，突破了传统的从最少控制开始迭代计算方法，通过拟合精度，直接建立可能需要的控制点个数，以此作为拟合NURBS曲线所需控制点的初始值，以此经过若干次迭代，就能获得最终控制点个数。
(2)本发明无需另外附加的装置，拟合精度是已知的，通过拟合精度获得精简的刀位点，以刀位点加2就是NURBS曲线所需控制点的初始值。
(3)本发明通过预估拟合曲线初始值，减少大量计算，且计算的初始控制点与轮廓误差有关，轮廓误差大初始控制点少，相反控制点多，这样更接近最终需要的控制点，通过简单迭代就可以计算最终控制点，实现反求计算控制点实时高效。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
图1为本文发明方法的实施步骤流程图；
图2为本发明的基于轮廓误差的刀位点精简方法；
图3为本发明的基于轮廓误差动态选取刀位点方法；
图4基于控制点确定的小线段转化NURBS代码方法；
图5本发明采用控制点预估的NURBS拟合方法示意图。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明的目的在于提供一种基于轮廓误差控制的预估控制点的方法，该方法减少计算控制点迭代次数，减轻计算量提高计算效率。具体包括如下步骤：
步骤100、通过已知刀位点以及设定拟合成NURBS曲线轮廓的误差阈值，对刀位点进行精简，并选取代表典型轮廓的刀位点；
步骤200、将精简后的刀位点作为控制初始值，并计算插值刀位点所需要的控制点；
步骤300、以计算后的控制点作为拟合初始值，对NURBS进行拟合，并计算拟合后的轮廓误差；
步骤400、将每次计算后的轮廓误差与误差阈值进行比较，并依据比较结果增减控制点，重复步骤200至步骤400直至采用最少的控制点满足误差阈值。
其中，选择已知刀位点和对刀位点进行精简的具体规则为：
在轨迹上根据曲率的大小选择刀位点，当轨迹的曲率大时生成的刀位点密集，当曲率小的轨迹平滑时生成的刀位点稀疏，且选取的每个刀位点均满足轮廓误差阈值。
在步骤200中获取控制点的拟合初始值具体步骤为：
对精简后的刀位点进行插值，并在插值后的刀位点上加2确定为控制初始值。
在步骤400中，采用迭代的方式来计算控制点，当拟合后的轮廓误差大于误差阈值时增加一个控制点，重新计算轮廓误差，并将重新计算后的轮廓误差与误差阈值进行比较，当拟合后的轮廓误差小于误差阈值时减少一个控制点，重新计算轮廓误差，并将重新计算后的轮廓误差与误差阈值进行比较，直至采用最少的控制点满足误差阈值。
实施例：
步骤1：通过已知刀位点以及拟合成NURBS曲线的轮廓误差，对刀位点进行精简，选取代表典型轮廓的刀位点；
如图2所示，输入刀位点P0，…，Pn，给合轮廓误差dr作为控制因子。设Pk点为起点，Pj作为终点，其中0≤k≤j-2，k+2≤j≤n。选取中间点Pi，k＜i＜j，计算Pi到直线PkPj的误差d。比较d与阈值dr的大小，假如d大于dr，继续往下搜索，否则保存Pj点，以Pk＝Pj作为新的起点，Pj＝Pj+2作为新的终点，继续搜索。
如图3所示，以一条鼠标刀位点为例，以不同的轮廓误差为阈值，得到不同精简后的刀位点。
步骤2：以精简后刀位点为初始值，通常是精简后刀位点加2，作为拟合NURBS刀具轨迹的初始值，计算满足轮廓误差所需要确定的控制点。
如图4所示，·表示原始刀位点，●表示精简后刀位点，Δ表示反求的满足轮廓误差所需的控制点。按照传统从4个控制点开始，是否满足轮廓误差，最终需要20个控制点，需要进行16次迭代。本发明采用控制点预估方法，精简后刀位点16个，控制点初始值为18，只要需要两次迭代就可以确定所需的20个控制点。
步骤3:以步骤1中计算控制点为初始值，计算节点向量，利用最小二乘方法反求控制点，拟合成NURBS曲线，对NURBS进行拟合；
步骤4：当拟合中的轮廓误差大于给定轮廓误差阈值，增加一个控制点，重新比较轮廓误差。比较误差与事先设定的误差阈值，假如大于设定的误差阈值，n＝n+1，继续拟合NURBS曲线，比较逼近误差。以此循环直至满足要求的NURBS刀具轨迹。
如图5所示，通过反求计算出满足轮廓误差的NURBS刀具轨迹，转化成数控系统能够加工的NURBS代码，实现最终加工。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (4)

1.一种对NURBS反求控制点预估方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤100、通过已知刀位点以及设定拟合成NURBS曲线轮廓的误差阈值，对刀位点进行精简，并选取代表典型轮廓的刀位点；
步骤200、将精简后的刀位点作为控制初始值，并计算插值刀位点所需要的控制点；
步骤300、以计算后的控制点作为拟合初始值，对NURBS进行拟合，并计算拟合后的轮廓误差；
步骤400、将每次计算后的轮廓误差与误差阈值进行比较，并依据比较结果增减控制点，重复步骤200至步骤400直至采用最少的控制点满足误差阈值。
2.根据权利要求1所述的一种对NURBS反求控制点预估方法，其特征在于，选择已知刀位点和对刀位点进行精简的具体规则为：
在轨迹上根据曲率的大小选择刀位点，当轨迹的曲率大时生成的刀位点密集，当曲率小的轨迹平滑时生成的刀位点稀疏，且选取的每个刀位点均满足轮廓误差阈值。
3.根据权利要求1所述的一种对NURBS反求控制点预估方法，其特征在于，在步骤200中获取控制点的拟合初始值具体步骤为：
对精简后的刀位点进行插值，并在插值后的刀位点上加2确定为控制初始值。
4.根据权利要求1所述的一种对NURBS反求控制点预估方法，其特征在于，在步骤400中，采用迭代的方式来计算控制点，当拟合后的轮廓误差大于误差阈值时增加一个控制点，重新计算轮廓误差，并将重新计算后的轮廓误差与误差阈值进行比较，当拟合后的轮廓误差小于误差阈值时减少一个控制点，重新计算轮廓误差，并将重新计算后的轮廓误差与误差阈值进行比较，直至采用最少的控制点满足误差阈值。
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Assignee: Chongqing Fangding Technology Co.,Ltd.

Assignor: XIANGTAN University

Contract record no.: X2024980002285

Denomination of invention: A Method for Predicting Control Points in NURBS Reverse Engineering

Granted publication date: 20210413

License type: Common License

Record date: 20240228

Application publication date: 20200324

Assignee: Chongqing Qiluo Machinery Manufacturing Co.,Ltd.

Assignor: XIANGTAN University

Contract record no.: X2024980002283

Denomination of invention: A Method for Predicting Control Points in NURBS Reverse Engineering

Granted publication date: 20210413

License type: Common License

Record date: 20240228

Application publication date: 20200324

Assignee: CHONGQING QILUO FLUID EQUIPMENT Co.,Ltd.

Assignor: XIANGTAN University

Contract record no.: X2024980002282

Denomination of invention: A Method for Predicting Control Points in NURBS Reverse Engineering

Granted publication date: 20210413

License type: Common License

Record date: 20240228

EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract

Application publication date: 20200324

Assignee: Chongqing Yiquan Small and Medium Enterprise Service Co.,Ltd.

Assignor: XIANGTAN University

Contract record no.: X2024980002570

Denomination of invention: A Method for Predicting Control Points in NURBS Reverse Engineering

Granted publication date: 20210413

License type: Common License

Record date: 20240307

Application publication date: 20200324

Assignee: Youzhengyun (Chongqing) Technology Development Co.,Ltd.

Assignor: XIANGTAN University

Contract record no.: X2024980002569

Denomination of invention: A Method for Predicting Control Points in NURBS Reverse Engineering

Granted publication date: 20210413

License type: Common License

Record date: 20240307

Application publication date: 20200324

Assignee: Yuao Holdings Co.,Ltd.

Assignor: XIANGTAN University

Contract record no.: X2024980002568

Denomination of invention: A Method for Predicting Control Points in NURBS Reverse Engineering

Granted publication date: 20210413

License type: Common License

Record date: 20240307

Application publication date: 20200324

Assignee: Chongqing Qinlang Technology Co.,Ltd.

Assignor: XIANGTAN University

Contract record no.: X2024980002576

Denomination of invention: A Method for Predicting Control Points in NURBS Reverse Engineering

Granted publication date: 20210413

License type: Common License

Record date: 20240307

Application publication date: 20200324

Assignee: Chongqing Shuaicheng Network Technology Co.,Ltd.

Assignor: XIANGTAN University

Contract record no.: X2024980002572

Denomination of invention: A Method for Predicting Control Points in NURBS Reverse Engineering

Granted publication date: 20210413

License type: Common License

Record date: 20240307

Application publication date: 20200324

Assignee: Bainuo Zhongcheng (Chongqing) Electronic Technology Co.,Ltd.

Assignor: XIANGTAN University

Contract record no.: X2024980002571

Denomination of invention: A Method for Predicting Control Points in NURBS Reverse Engineering

Granted publication date: 20210413

License type: Common License

Record date: 20240307

EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract
EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract

Application publication date: 20200324

Assignee: Chongqing Baiyi medical supplies Co.,Ltd.

Assignor: XIANGTAN University

Contract record no.: X2024980003000

Denomination of invention: A Method for Predicting Control Points in NURBS Reverse Engineering

Granted publication date: 20210413

License type: Common License

Record date: 20240319

EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract
EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract

Application publication date: 20200324

Assignee: Chongqing Luqian Technology Co.,Ltd.

Assignor: XIANGTAN University

Contract record no.: X2024980003374

Denomination of invention: A Method for Predicting Control Points in NURBS Reverse Engineering

Granted publication date: 20210413

License type: Common License

Record date: 20240325

Application publication date: 20200324

Assignee: Chongqing Difeida Technology Co.,Ltd.

Assignor: XIANGTAN University

Contract record no.: X2024980003371

Denomination of invention: A Method for Predicting Control Points in NURBS Reverse Engineering

Granted publication date: 20210413

License type: Common License

Record date: 20240325

EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract