CN111045382B - 刀具路径生成方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种刀具路径生成方法，包括以下步骤：构建工件的三维模型；在工件的待加工曲面上选取外周缘线和中心部，并设定刀具的步距；在待加工曲面上选取多个固定线组件，每个固定线组件包括两条固定线；选取射线发射源点，从射线发射源点发射多条呈放射状分布的射线；将刀具从外周缘线朝向中心部按照步距以螺旋状的路径进行移动，并在经过固定线时调整方向，刀具中心点依次与多条射线相连形成多条直线，多条直线分别与待加工曲面相交形成多个交点；将多个交点从外周缘线到中心部依次相连接，形成一螺旋状的刀具路径。本发明还提供一种刀具路径生成装置。上述刀具路径生成方法及装置所生成的刀具路径所加工的工件纹路形态一致，外观品质较好。

Description

刀具路径生成方法及装置

技术领域

本发明涉及数控机床技术领域，特别是一种数控机床的刀具路 径生成方法及装置。

背景技术

随着航空航天，造船，汽车，能源、冶金等工业的发展，数控 机床加工技术正广泛地运用于高精密工件的加工中。在数控机床加 工过程中，可以根据工件的几何形状和工艺参数合理规划出刀具路 径，并依据该刀具路径生成数控加工程序，从而数控机床依据该数控加工程序驱动刀具进行加工。

目前，有些工件的表面为3D曲面，所述3D曲面包括顶面及 位于顶面四周的过渡面。现有的加工方法通常为分别采用两个数控 加工程序来加工顶面和过渡面，每个数控加工程序中包括一个刀具 路径，然而，加工后顶面与过渡面的纹路形态不一致，顶面与过渡面之间的相接处容易产生明显的接刀痕迹，从而工件的外观品质不 高，且加工效率不高。

发明内容

鉴于上述状况，有必要提供一种能够加工较高外观品质且提升 加工效率的刀具路径生成方法及装置，以解决上述问题。

一种刀具路径生成方法，包括以下步骤：

构建工件的三维模型；

在所述工件的待加工曲面上选取外周缘线和中心部，并设定刀 具的步距；

在所述工件的所述待加工曲面上选取多个固定线组件，每个所 述固定线组件包括两条固定线，两条所述固定线分别位于所述待加 工曲面的拐角的两侧，且每条所述固定线自所述中心部延伸至所述 外周缘线上；

选取射线发射源点，从所述射线发射源点发射多条呈放射状均 匀分布的射线，部分所述射线均匀地投射在整个待加工曲面上；

将刀具从所述外周缘线朝向所述中心部按照所述步距以螺旋 状的路径进行移动，并在经过所述固定线时调整方向，刀具中心点 依次与多条所述射线相连形成多条直线，多条所述直线分别与所述 待加工曲面相交形成多个交点，在自所述中心部朝向所述外周缘线 上任一点的连线上，相邻的两个所述交点之间的距离均等于所述步 距；

将多个所述交点从所述外周缘线到所述中心部依次相连接，形 成一螺旋状的刀具路径。

一种刀具路径生成装置，包括处理器与存储器，所述刀具路径 生成装置中运行有一刀具路径生成系统，所述刀具路径生成系统包 括：

模型建立模块，用于构建工件的三维模型；

设定模块，用于在工件的待加工曲面上选取外周缘线和中心 部、设定刀具的步距、以及选取多组固定线组件，每个所述固定线 组件包括两条固定线，两条所述固定线分别位于所述待加工曲面的 拐角的两侧，且每条所述固定线自所述中心部延伸至所述外周缘线 上；

射线发射模块，用于选取射线发射源点，从所述射线发射源点 发射多条呈放射状均匀分布的射线，部分所述射线均匀地投射在整 个待加工曲面上；

刀具移动模块，用于控制刀具从所述外周缘线朝向所述中心部 按照所述步距以螺旋状的路径进行移动，并在经过所述固定线时调 整方向；

路径生成模块，用于在所述刀具移动时，将刀具中心点依次与 多条所述射线相连形成多条直线，使多条所述直线分别与所述待加 工曲面相交形成多个交点，在自所述中心部朝向所述外周缘线上任 一点的连线上，相邻的两个所述交点之间的距离均等于所述步距；

所述路径生成模块还用于将多个所述交点从所述外周缘线到 所述中心部依次相连接，形成一螺旋状的刀具路径。

本发明的刀具路径生成方法及装置能够生成加工工件的刀具 路径，简单方便，省时省力。采用上述刀具路径所加工的工件纹路 形态一致，不会产生接刀痕迹，工件的外观品质较好，不需人工打 磨接刀痕迹，提升了加工效率，节省了人力成本。

附图说明

图1为本发明提供一实施方式中刀具路径生成方法的流程图。

图2为本发明提供一实施方式中工件的三维模型的示意图。

图3为图2所示的工件在刀具路径生成方法中的过程示意图之 一

图4为图2所示的工件在刀具路径生成方法中的过程示意图之 二。

图5为图2所示的工件在刀具路径生成方法中的过程示意图之 三。

图6为图2所示的工件在刀具路径生成方法中的过程示意图之 四。

图7为图6所示的刀具路径生成方法中的过程示意图中VII部 的局部放大示意图。

图8为图7所示的局部放大示意图在另一状态下的示意图。

图9为本发明提供一实施方式中的刀具路径之示意图。

图10为发明提供一实施方式中刀具路径生成装置的模块示意 图。

主要元件符号说明

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面 结合附图和具体实施方式对本发明进行详细描述。需要说明的是， 在不冲突的情况下，本申请的实施方式及实施方式中的特征可以相 互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明， 所描述的实施方式仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施 方式。基于本发明中的实施方式，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它实施方式，都属于本发明保护 的范围。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本 发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明 的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不 是旨在限制本发明。

本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目 的任意的和所有的组合。

请参照图1，本发明提供一种数控机床的刀具路径生成方法， 用于加工工件上的3D曲面，所述刀具路径生成方法包括以下步骤：

步骤S101：构建工件的三维模型。

具体地，取得工件的形状数据，以依据工件的形状数据构建工 件的三维模型，所述工件包括待加工曲面。较佳地，在构建工件 200的三维模型后，还需去除多余的工位。

请同时参照图2至图4，在本实施方式中，工件200大致呈立 方体，所述工件200包括待加工曲面210，待加工曲面210包括工 件的顶面211以及位于顶面211四周的过渡面212，所述过渡面212 连接于工件200的顶面211与多个侧面213之间。所述顶面211与 所述过渡面212均为3D曲面。所述顶面211大致呈矩形，且四周 具有圆角。所述待加工曲面210包括四个拐角214。

步骤S102：在工件的待加工曲面210上选取外周缘线201和 中心部202，并设定刀具的步距。

外周缘线201位于待加工曲面210的最外侧，本实施例中，外 周缘线201大致呈具有圆角的矩形。中心部202位于待加工曲面 210的中心，在本实施例中，中心部202为待加工曲面210的中心 点。可以理解，在其他实施方式中，中心部202也可为曲线，例如 中心部202可为与外周缘线201形状相似的曲线。

所述刀具的步距可依据加工的精度要求进行设置，通常，刀具 的步距为0.1～0.15毫米(mm)。

步骤S103：在工件的待加工曲面210上选取固定线组件203， 每个固定线组件203包括两条固定线2031，两条固定线2031分别 位于待加工曲面210的拐角214的两侧，且每条固定线2031自中 心部202延伸至外周缘线201上，以便于形成均匀的刀具路径。

固定线2031用于指示刀具路径调整延伸方向。在本实施方式 中，待加工曲面210包括四个拐角214，在待加工曲面210上选取 包括四个固定线组件203，即八条固定线2031。

步骤S104：选取射线发射源点，从射线发射源点发射多条呈 放射状均匀分布的射线。

请同时参照图5，在本实施方式中，射线发射源点204为工件 的三维中心点朝向远离待加工曲面210的方向偏移一定的距离所 选取的点，所述偏移的距离等于待加工曲面210之边长的一半。由 于多条射线呈放射状均匀分布，其中有部分射线均匀地投射到整个待加工曲面210上。

步骤S105：将刀具从外周缘线201朝向中心部202按照所述 步距以螺旋状的路径进行移动，并在经过固定线2031时调整移动 方向，刀具中心点依次与多条射线相连形成多条直线，多条所述直 线分别与所述待加工曲面210相交形成多个交点，在自中心部202 朝向外周缘线201上任一点的连线上，相邻的两个交点之间的距离 均等于刀具的步距。

请同时参照图6至图8，当刀具300位于待加工曲面210的外 周缘线上时，刀具中心点301与其中一条射线相连形成直线，所述 直线与所述待加工曲面210相交形成一个交点205。较佳地，刀具 中心点301为刀具300之刀头的中心点。

将刀具300按照预定的程序，从外周缘线201朝向中心部202， 按照步距以螺旋状的路径进行移动，并在经过固定线2031时调整 移动方向，刀具中心点301依次与多条射线相连形成多条直线，多 条所述直线分别与所述待加工曲面210相交形成多个交点205。

请同时参照图4与图8，步距设定后，多个交点205均匀设置 在所述待加工曲面210上，利于后续可形成形态均匀的刀具路径。 在自中心部202朝向外周缘线201上任一点的连线上，相邻的两个 交点205之间的距离均等于刀具的步距。

步骤S106：将多个所述交点205自外周缘线201朝向中心部 202依次相连接，形成一螺旋状的刀具路径。

图9为刀具路径206之示意图。请同时参照图4与图9，该刀 具路径206呈螺旋状，仅包括一个起点和终点，所述起点位于所述 外周缘线201上，所述终点位于所述中心部202上。所述刀具路径 206包括多个相互平行的直线段2061和多个相互平行的弧线段 2062，每个弧线段2062连接于在相邻的两个直线段2061之间，并 与拐角214相对应。任意两个相邻的直线段2061之间的间距，以 及任意两个相邻的弧线段2062之间的间距均等于步距。可以理解， 实际生成的刀具路径之直线段2061、弧线段2062均较为密集，为 方便立即，图9中的刀具路径206仅供示意。

在加工工件时，控制刀具按照上述刀具路径206进行加工。由 于工件的顶面211与过渡面212均采用同一个刀具路径206进行加 工，整个加工过程只有一个进出刀的动作，步距可控，加工后的顶 面211与过渡面212的相接处比较顺滑，没有接刀痕迹，顶面211 与过渡面212上的走刀纹路形态一致，因此，加工后的工件光洁度 较好，且较为美观。

请参照图10，本发明同时提供一种刀具路径生成装置100，该 刀具路径生成装置100可为建置在机床控制系统之外独立运行的 辅助装置，也可当作机床控制系统的子单元，运作于机床控制系统 中。上述刀具路径生成装置100至少包括处理器10及存储器20。

所述处理器10可以是中央处理器、数字信号处理器或者单片 机等，适于实现各指令。

所述存储器20用于存储所述刀具路径生成装置100的各种数 据，例如程序代码等。

可理解，所述存储器20可为硬盘、软盘、U盘、随机存取存 储器等。

在至少一实施方式中，所述存储器20可以是内部存储系统， 例如闪存，随机读取存储器RAM，可读取的存储器ROM。

在至少一实施方式中，所述存储器20还可以是一个存储系统， 例如影碟，存储卡，或者数据存储媒介。所述存储器20还包括不 稳定或者稳定的存储设备。

在至少一实施方式中，所述存储器20包括两个或者多个存储 设备，例如，其中一个存储设备为记忆体，其中另一个存储设备为 硬盘驱动器。此外，所述存储器20还可以全部或者部分独立于所 述刀具路径生成装置1。

刀具路径生成装置100中运行有一刀具路径生成系统30，刀 具路径生成系统30至少包括模型建立模块31、设定模块32、射线 发射模块33、刀具移动模块34，以及路径生成模块35。在一实施 方式中，所述模型建立模块31、设定模块32、射线发射模块33、 刀具移动模块34，以及路径生成模块35为存储于所述的刀具路径 生成装置100存储器20中的，能够被所述刀具路径生成装置100 的处理器10所执行并且能够完成固定功能的一系列计算机程序指 令段。在其他实施方式中，所述刀具路径生成系统30的多个模块 为固化于处理器10的硬件单元，例如为固化于处理器10的韧体。

所述模型建立模块31用于构建工件200的三维模型。

所述设定模块32用于在工件200的待加工曲面210上选取外 周缘线201和中心部202、设定刀具300的步距、以及选取多个固 定线组件203。

其中，所述外周缘线201位于待加工曲面210的最外侧，所述 中心部202位于待加工曲面210的中心，所述刀具300的步距可依 据加工的精度要求进行设置。每个固定线组件203包括两条固定线 2031，两条固定线2031分别位于待加工曲面210的拐角214的两 侧，且每条固定线2031自中心部202延伸至外周缘线201上，且 以便于形成均匀的刀具路径。

所述射线发射模块33用于选取射线发射源点204，并从射线 发射源点204发射多条呈放射状分布的射线。在本实施方式中，射 线发射源点204为工件的三维中心点朝向远离待加工曲面210的方 向偏移一定的距离所选取的点，所述偏移的距离等于待加工曲面210边长的一半。

所述刀具移动模块34用于控制刀具300从外周缘线201朝向 中心部202按照所述步距以螺旋状的路径进行移动，并在经过固定 线2031时调整方向。

所述路径生成模块35用于在刀具300移动时，将刀具中心点 301依次与多条射线相连形成多条直线，使多条所述直线分别与所 述待加工曲面210相交形成多个交点205。

所述路径生成模块35还用于将多个所述交点205从外周缘线 201到中心部202依次相连接，形成一螺旋状的刀具路径206。

可以理解，在其他实施方式中，工件200及待加工曲面210可 为其他形状，上述刀具路径生成方法适用于多种具有曲面的工件。

本发明的刀具路径生成方法及刀具路径生成装置100能够生 成加工工件的刀具路径，简单方便，省时省力。采用上述刀具路径 所加工的工件纹路形态一致，不会产生接刀痕迹，工件的外观品质 较好，不需人工打磨接刀痕迹，节省了人力成本。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施 方式的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能 够以其它的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应 将实施方式看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由 所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等 同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本发明内。不应将权利要 求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包 括”一词不排除其它单元或步骤，单数不排除复数。系统权利要求中陈述的多个单元或系统也可以由同一个单元或系统通过软件或 者硬件来实现。

最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而 非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的 普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同 替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种刀具路径生成方法，包括以下步骤：

构建工件的三维模型；

在所述工件的待加工曲面上选取外周缘线和中心部，并设定刀具的步距；

在所述工件的所述待加工曲面上选取多个固定线组件，每个所述固定线组件包括两条固定线，两条所述固定线分别位于所述待加工曲面的拐角的两侧，且每条所述固定线自所述中心部延伸至所述外周缘线上；

选取射线发射源点，从所述射线发射源点发射多条呈放射状均匀分布的射线，部分所述射线均匀地投射在整个待加工曲面上；

将刀具从所述外周缘线朝向所述中心部按照所述步距以螺旋状的路径进行移动，并在经过所述固定线时调整方向，刀具中心点依次与多条所述射线相连形成多条直线，多条所述直线分别与所述待加工曲面相交形成多个交点，且在自所述中心部朝向所述外周缘线上任一点的连线上，相邻的两个所述交点之间的距离均等于所述步距；

将多个所述交点从所述外周缘线到所述中心部依次相连接，形成一螺旋状的刀具路径；

所述射线发射源点为所述工件的三维中心点朝向远离所述待加工曲面的方向偏移一定的距离所设定的点，所述偏移的距离等于所述待加工曲面边长的一半。

2.如权利要求1所述的刀具路径生成方法，其特征在于：所述刀具路径包括多个相互平行的直线段和多个相互平行的弧线段，每个所述弧线段连接于相邻的两个所述直线段之间并与所述拐角相对应。

3.如权利要求2所述的刀具路径生成方法，其特征在于：任意两个相邻的所述直线段之间的间距，以及任意两个相邻的所述弧线段之间的间距均等于所述步距。

4.如权利要求1所述的刀具路径生成方法，其特征在于：所述刀具的步距为0.1～0.15毫米。

5.一种刀具路径生成装置，包括处理器与存储器，所述刀具路径生成装置中运行有一刀具路径生成系统，其特征在于，所述刀具路径生成系统包括：

模型建立模块，用于构建工件的三维模型；

设定模块，用于在工件的待加工曲面上选取外周缘线和中心部、设定刀具的步距、以及选取多组固定线组件，每个所述固定线组件包括两条固定线，两条所述固定线分别位于所述待加工曲面的拐角的两侧，且每条所述固定线自所述中心部延伸至所述外周缘线上；

射线发射模块，用于选取射线发射源点，从所述射线发射源点发射多条呈放射状均匀分布的射线，部分所述射线均匀地投射在整个待加工曲面上；

刀具移动模块，用于控制刀具从所述外周缘线朝向所述中心部按照所述步距以螺旋状的路径进行移动，并在经过所述固定线时调整方向；

路径生成模块，用于在所述刀具移动时，将刀具中心点依次与多条所述射线相连形成多条直线，使多条所述直线分别与所述待加工曲面相交形成多个交点，且在自所述中心部朝向所述外周缘线上任一点的连线上，相邻的两个所述交点之间的距离均等于所述步距；所述路径生成模块还用于将多个所述交点从所述外周缘线到所述中心部依次相连接，形成一螺旋状的刀具路径；

所述射线发射源点为所述工件的三维中心点朝向远离所述待加工曲面的方向偏移一定的距离所设定的点，所述偏移的距离等于所述待加工曲面边长的一半。

6.如权利要求5所述的刀具路径生成装置，其特征在于：所述刀具路径包括多个相互平行的直线段和多个相互平行的弧线段，每个所述弧线段连接于相邻的两个所述直线段之间并与所述拐角相对应。

7.如权利要求6所述的刀具路径生成装置，其特征在于：任意两个相邻的所述直线段之间的间距，以及任意两个相邻的所述弧线段之间的间距均等于所述步距。

8.如权利要求5所述的刀具路径生成装置，其特征在于：所述刀具的步距为0.1～0.15毫米。

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