CN111880480B - 一种基于cnc铣床的铣刀切割路径生成方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于CNC铣床的铣刀切割路径生成方法及系统，包括：获得原始点序列，并顺序连线形成若干段初始向量；根据铣刀半径获得偏置点序列，并顺序连线形成若干段偏置向量；判断各段偏置向量的方向是否与对应的初始向量的方向相同，若是，则为有效向量，并将各段连续相接的有效向量相连形成若干段连续向量；计算相邻两段连续向量的交点，并使对应的各段有效向量的端点替换对应的交点，形成若干离散的有效点序列；顺序连线各有效点序列，并按照单调变化原则划分为若干段单调链，再根据各段单调链之间的交点重新将有效点序列划分为若干个闭合链；根据各闭合链生成铣刀切割路径。本发明能够消除铣刀运动轨迹中的局部干扰，提高铣刀切割效率。

Description

一种基于CNC铣床的铣刀切割路径生成方法及系统

技术领域

本发明涉及CNC技术领域，特别涉及一种基于CNC铣床的铣刀切割路径生成方法。本发明还涉及一种基于CNC铣床的铣刀切割路径生成系统。

背景技术

随着工艺技术的发展，越来越多的制造加工工艺已得到开发应用。

CNC(Computer Numerical Control，电子数控)铣床是一种数控机床，在传统铣床上实现了自动加工工艺。数控铣床的功能强大，目前迅速发展的加工中心、柔性加工单元等都是在数控铣床的基础上产生的。由于数控铣削工艺较复杂，需要解决的技术问题也最多，因此铣削加工是目前的研究重点。

铣床的加工表面形状一般是由直线、圆弧或其他曲线所组，传统的铣床操作者根据图样的要求，不断改变刀具与工件之间的相对位置，再与选定的铣刀转速相配合，使刀具对工件进行切削加工，便可加工出各种不同形状的工件。而数控铣床加工是把刀具与工件的运动坐标分割成最小的单位量，即最小位移量，由数控系统根据工件程序的要求，使各坐标移动若干个最小位移量，从而实现刀具与工件的相对运动，以完成零件的铣削加工。

在加工工艺中，如果直接按工件轮廓线编程，那么在加工工件内轮廓时，实际轮廓线将大了一个刀具半径值；而在加工工件外轮廓时，实际轮廓线又小了一个刀具半径值。因此，目前CNC铣床一般使用刀具半径补偿的方法，通过数控系统自动计算刀具中心轨迹，使刀具中心偏离工件轮廓一个刀具半径值，从而加工出符合图纸要求的轮廓，利用刀具半径补偿的功能，改变刀具半径补偿量，还可以补偿刀具磨损量和加工误差，实现对工件的粗加工和精加工。

然而，由于工件的形状结构各异，难免存在部分细小复杂的结构特征，如此将使得刀具根据半径补偿轨迹运动时存在局部干扰，即大量无效的往复运动或同一区域内的频繁往复运动，甚至不连续的断续运动，容易导致铣刀切割效率下降、铣刀切割路径长度过大甚至铣刀突然加速碰撞工件的情况。

因此，如何使铣刀切割路径在满足半径补偿原则的基础上，消除铣刀运动轨迹中的局部干扰，提高铣刀切割效率，是本领域技术人员所面临的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于CNC铣床的铣刀切割路径生成方法，能够使铣刀切割路径在满足半径补偿原则的基础上，消除铣刀运动轨迹中的局部干扰，提高铣刀切割效率。本发明的另一目的是提供一种基于CNC铣床的铣刀切割路径生成系统。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于CNC铣床的铣刀切割路径生成方法，包括：

根据工件的期望轮廓获得若干离散的原始点序列，并按照预设加工方向顺序连线各所述原始点序列，形成若干段初始向量；

根据铣刀半径在所述期望轮廓的内部获得与各所述原始点序列互相对应的若干离散的偏置点序列，并按照预设加工方向顺序连线各所述偏置点序列，形成若干段偏置向量；

判断各段所述偏置向量的方向是否与对应的所述初始向量的方向相同，若是，则为有效向量，并将各段连续相接的所述有效向量相连形成若干段连续向量；

计算相邻两段所述连续向量的交点，并使对应的各段所述有效向量的端点替换对应的交点，形成若干离散的有效点序列；

按照预设加工方向顺序连线各所述有效点序列，并按照单调变化原则划分为若干段单调链，再根据各段所述单调链之间的交点重新将所述有效点序列划分为若干个闭合链；

根据各所述闭合链生成铣刀切割路径。

优选地，在生成铣刀切割路径之前，且在划分闭合链之后，还包括：

根据各个所述闭合链中的有效向量的方向判断各个所述闭合链对应的时针方向是否与预设加工方向相同，若否，则删除对应的所述闭合链。

优选地，在判断各段所述偏置向量的方向是否与对应的所述初始向量的方向相同时，若否，则删除对应的所述偏置向量。

优选地，在计算相邻两段所述连续向量的交点时，若当前所述连续向量与相邻的在前连续向量或相邻的在后连续向量的交点为零，则删除当前所述连续向量。

优选地，根据工件的期望轮廓获得若干离散的原始点序列，具体包括：

扫描工件的轮廓线，并根据所述轮廓线的自然结构特征对所述期望轮廓的相应位置处进行断点，以形成若干离散的原始点序列。

优选地，根据铣刀半径在所述期望轮廓的内部获得与各所述原始点序列互相对应的若干离散的偏置点序列，具体包括：

计算原始点序列中相邻两段所述初始向量的角平分线；

根据铣刀半径在所述角平分线上确定等距点；

遍历计算与原始点序列对应的各个等距点，以形成偏置点序列。

优选地，按照单调变化原则划分为若干段单调链，具体包括：

沿加工基准面的预设坐标系的各个坐标轴方向对所述有效点序列进行单调链划分，并计算不同坐标轴方向对应的单调链数量，取其中数量最少者为所述有效点序列的单调链划分结果。

本发明还提供一种基于CNC铣床的铣刀切割路径生成系统，包括：

初始计算模块，用于根据工件的期望轮廓获得若干离散的原始点序列，并按照预设加工方向顺序连线各所述原始点序列，形成若干段初始向量；

偏置计算模块，用于根据铣刀半径在所述期望轮廓的内部获得与各所述原始点序列互相对应的若干离散的偏置点序列，并按照预设加工方向顺序连线各所述偏置点序列，形成若干段偏置向量；

有效计算模块，用于判断各段所述偏置向量的方向是否与对应的所述初始向量的方向相同，若是，则为有效向量，并将各段连续相接的所述有效向量相连形成若干段连续向量；

有效优化模块，用于计算相邻两段所述连续向量的交点，并使对应的各段所述有效向量的端点替换对应的交点，形成若干离散的有效点序列；

路径划分模块，用于按照预设加工方向顺序连线各所述有效点序列，并按照单调变化原则划分为若干段单调链，再根据各段所述单调链之间的交点重新将所述有效点序列划分为若干个闭合链；

路径输出模块，用于根据各所述闭合链生成铣刀切割路径。

本发明所提供的基于CNC铣床的铣刀切割路径生成方法，主要包括6个步骤，其中，在第一步中，首先根据工件的期望轮廓(即目标轮廓)获得若干离散的原始点序列，然后按照预设的加工方向(如顺时针或逆时针走刀方向)将各个原始点序列顺序相连，从而形成若干段初始向量(方向即为预设的加工方向)；然后，在第二步中，考虑到刀具半径补偿原则，根据铣刀的半径在工件的期望轮廓内获得与原始点序列相对应的偏置点序列，同样按照加工方向进行顺序连线，以形成若干段偏置向量；之后，在第三步中，为消除局部干扰，需要判断各段偏置向量的方向与对应的初始向量的方向是否相同，如果不同，则说明该段偏置向量会导致铣刀路径往复，为无效的干扰向量，因此只需保留方向相同的有效向量，同时将各段连续相接的有效向量连接形成若干段连续向量；在第四步中，为优化路径，首先计算相邻两段连续向量的交点，然后使该两段连续向量中的对应的各段有效向量，将其端点与计算出的交点进行替换，从而形成更新后的各段有效向量，其中包括若干离散的有效点序列；在第五步中，按照加工方向将有效点序列顺序连线，并将其按照单调变化原则进行划分，获得多段单调变化的单调链，然后计算出各段单调链间的交点，最后再根据该交点对有效点序列进行重新划分，以获得若干个闭合链；在第六步中，各个闭合链即分别对应着铣刀的切割路径，按照各个闭合链对应生成铣刀切割路径即可。相比于现有技术，本发明利用偏置点序列形成的偏置向量与原始点序列对应的初始向量进行对比计算，能够使铣刀切割路径在满足半径补偿原则的基础上，消除铣刀运动轨迹中的局部干扰，避免铣刀进行无效往复运动，同时形成连续闭合的铣刀运动轨迹，提高铣刀切割效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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本发明的实施例，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获得其他的附图。

图1为本发明所提供的一种具体实施方式的方式流程图。

图2为本发明所提供的一种具体实施方式中的铣刀切割轨迹生成过程示意图。

图3为本发明所提供的一种具体实施方式的系统结构图。

其中，图3中：

初始计算模块—1，偏置计算模块—2，有效计算模块—3，有效优化模块—4，路径划分模块—5，路径输出模块—6。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

请参考图1、图2，图1为本发明所提供的一种具体实施方式的方式流程图，图2为本发明所提供的一种具体实施方式中的铣刀切割轨迹生成过程示意图。

在本发明所提供的一种具体实施方式中，基于CNC铣床的铣刀切割路径生成方法主要包括6个步骤，分别为：

S1、根据工件的期望轮廓获得若干离散的原始点序列，并按照预设加工方向顺序连线各原始点序列，形成若干段初始向量；

S2、根据铣刀半径在期望轮廓的内部获得与各原始点序列互相对应的若干离散的偏置点序列，并按照预设加工方向顺序连线各所述偏置点序列，形成若干段偏置向量；

S3、判断各段偏置向量的方向是否与对应的初始向量的方向相同，若是，则为有效向量，并将各段连续相接的有效向量相连形成若干段连续向量；

S4、计算相邻两段连续向量的交点，并使对应的各段有效向量的端点替换对应的交点，形成若干离散的有效点序列；

S5、按照预设加工方向顺序连线各有效点序列，并按照单调变化原则划分为若干段单调链，再根据各段单调链之间的交点重新将有效点序列划分为若干个闭合链；

S6、根据各闭合链生成铣刀切割路径。

其中，在步骤S1中，根据工件的期望轮廓(即目标轮廓)获得若干离散的原始点序列，然后按照预设的加工方向(如顺时针或逆时针走刀方向)将各个原始点序列顺序相连，从而形成若干段初始向量(方向即为预设的加工方向)。具体的，可扫描工件获得工件的轮廓线，然后根据扫描出的轮廓线的自然结构特征(如直线段、曲线段、折线端、转角等)对期望轮廓的相应位置处进行断点，通过各个断点即形成离散的原始点序列。

在步骤S2中，考虑到刀具半径补偿原则，根据铣刀的半径在工件的期望轮廓内获得与原始点序列相对应的若干个离散的偏置点序列，同样按照加工方向进行顺序连线，以形成若干段偏置向量。具体的，首先可计算原始点序列中的相邻三个离散断点之间的两段相邻初始向量，然后计算该两段初始向量之间的角平分线，之后根据铣刀的半径在该角平分线上找到等距点，该等距点即为与相邻三个离散断点的中心断点对应的偏置点，之后如此遍历计算与所有原始点对应的偏置点，从而形成偏置点序列。

在步骤S3中，为消除局部干扰，需要判断各段偏置向量的方向与对应的初始向量的方向是否相同，如果不同，则说明该段偏置向量会导致铣刀路径往复，为无效的干扰向量，因此只需保留方向相同的有效向量(为潜在的正确铣刀路径的组成部分)，同时将各段连续相接的有效向量连接形成若干段连续向量。此外，在判断各段偏置向量的方向是否与对应的初始向量的方向相同时，若方向不同，则为无效向量，此时可删除对应的偏置向量，仅留下部分有效的偏置向量。

在步骤S4中，考虑到相邻的两段连续向量之间为了消除局部干扰向量，必然造成相邻的两段连续向量的首尾两端不连续相接，为优化路径，减少铣刀往复路径，首先计算相邻两段连续向量的交点，然后使该两段连续向量中的对应的各段有效向量，将其端点与计算出的交点进行替换，从而形成更新后的各段有效向量，其中包括若干离散的有效点序列。此外，对于部分工件而言，存在部分分布密度较小的连续向量，此时可能存在当前连续向量与相邻的在先连续向量或与相邻的在后连续向量不存在交点的情况，此时可删除当前连续向量，并将对应的在先连续向量与在后连续向量顺序相连即可形成新的连续向量。

在步骤S5中，所有连续向量均首尾连续相接后，按照预设加工方向将形成的有效点序列顺序连线，并将其按照单调变化原则进行划分，获得多段单调变化的单调链，然后计算出各段单调链间的交点，最后再根据该交点对有效点序列进行重新划分，以获得若干个闭合链。具体的，在划分单调链时，具体可沿着加工基准面(比如工件的装夹面等)的预设坐标系的某个坐标轴方向进行单调变化划分，比如可沿着X-Y坐标系的X轴方向，按照有效点序列的X方向单调递增(或递减)原则进行划分，或者沿着Y轴方向，按照有效点序列的Y方向单调递增(或递减)原则进行划分。同时，根据不同的坐标轴方向划分出的单调链的数量可能不同，此时可取其中数量较少的单调链作为有效点序列的最终划分结果。

在步骤S6中，各个闭合链即分别对应着铣刀的切割路径，按照各个闭合链对应生成铣刀切割路径即可。

相比于现有技术，本实施例利用偏置点序列形成的偏置向量与原始点序列对应的初始向量进行对比计算，能够使铣刀切割路径在满足半径补偿原则的基础上，消除铣刀运动轨迹中的局部干扰，避免铣刀进行无效往复运动，同时形成连续闭合的铣刀运动轨迹，提高铣刀切割效率。

另外，在步骤S5与步骤S6之间，当单调链划分完成且闭合链形成之后，考虑可能存在部分闭合链的面积较小，此种情况是由于工件上的部分区域加工面积狭窄引起的，一般存在轮廓狭缝、连接狭管的结构特征，此时若铣刀进刀，则会出现工件断裂会铣刀空运行的情况，即铣刀切割路径中的全局干扰。针对此，本实施例首先根据判断各个闭合链中的各段有效向量(其端点已更新)的方向判断该闭合链对应的时针反向(顺时针或逆时针)，然后将其与生成原始点序列时的加工方向进行对比，若方向相同，则说明该闭合链有效，为正常的铣刀切割路径，若方向不相同，则说明该闭合链无效，此时需要删除对应的闭合链，仅以剩下的有效闭合链作为铣刀的切割路径。

如图3所示，图3为本发明所提供的一种具体实施方式的系统结构图

本实施例还提供一种基于CNC铣床的铣刀切割路径生成系统，主要包括初始计算模块1、偏置计算模块2、有效计算模块3、有效优化模块4、路径划分模块5和路径输出模块6。

其中，初始计算模块1主要用于根据工件的期望轮廓获得若干离散的原始点序列，并按照预设加工方向顺序连线各原始点序列，形成若干段初始向量。偏置计算模块2主要用于根据铣刀半径在期望轮廓的内部获得与各原始点序列互相对应的若干离散的偏置点序列，并按照预设加工方向顺序连线各偏置点序列，形成若干段偏置向量。有效计算模块3主要用于判断各段偏置向量的方向是否与对应的初始向量的方向相同，若是，则为有效向量，并将各段连续相接的有效向量相连形成若干段连续向量。有效优化模块4主要用于计算相邻两段连续向量的交点，并使对应的各段有效向量的端点替换对应的交点，形成若干离散的有效点序列。路径划分模块5主要用于按照预设加工方向顺序连线各有效点序列，并按照单调变化原则划分为若干段单调链，再根据各段单调链之间的交点重新将有效点序列划分为若干个闭合链。路径输出模块6主要用于根据各闭合链生成铣刀切割路径。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种基于CNC铣床的铣刀切割路径生成方法，其特征在于，包括：

根据工件的期望轮廓获得若干离散的原始点序列，并按照预设加工方向顺序连线各所述原始点序列，形成若干段初始向量；

根据铣刀半径在所述期望轮廓的内部获得与各所述原始点序列互相对应的若干离散的偏置点序列，并按照预设加工方向顺序连线各所述偏置点序列，形成若干段偏置向量；

判断各段所述偏置向量的方向是否与对应的所述初始向量的方向相同，若是，则为有效向量，并将各段连续相接的所述有效向量相连形成若干段连续向量；

计算相邻两段所述连续向量的交点，并使对应的各段所述有效向量的端点替换对应的交点，形成若干离散的有效点序列；

按照预设加工方向顺序连线各所述有效点序列，并按照单调变化原则划分为若干段单调链，再根据各段所述单调链之间的交点重新将所述有效点序列划分为若干个闭合链；

根据各所述闭合链生成铣刀切割路径；

按照单调变化原则划分为若干段单调链，具体包括：

沿加工基准面的预设坐标系的各个坐标轴方向对所述有效点序列进行单调链划分，并计算不同坐标轴方向对应的单调链数量，取其中数量最少者为所述有效点序列的单调链划分结果；

在计算相邻两段所述连续向量的交点时，若当前连续向量与相邻的在先连续向量或相邻的在后连续向量的交点为零，则删除当前连续向量，并将对应的在先连续向量与在后连续向量顺序相连形成新的连续向量。

2.根据权利要求1所述的基于CNC铣床的铣刀切割路径生成方法，其特征在于，在生成铣刀切割路径之前，且在划分闭合链之后，还包括：

根据各个所述闭合链中的有效向量的方向判断各个所述闭合链对应的时针方向是否与预设加工方向相同，若否，则删除对应的所述闭合链。

3.根据权利要求2所述的基于CNC铣床的铣刀切割路径生成方法，其特征在于，在判断各段所述偏置向量的方向是否与对应的所述初始向量的方向相同时，若否，则删除对应的所述偏置向量。

4.根据权利要求1所述的基于CNC铣床的铣刀切割路径生成方法，其特征在于，根据工件的期望轮廓获得若干离散的原始点序列，具体包括：

扫描工件的轮廓线，并根据所述轮廓线的自然结构特征对所述期望轮廓的相应位置处进行断点，以形成若干离散的原始点序列。

5.根据权利要求4所述的基于CNC铣床的铣刀切割路径生成方法，其特征在于，根据铣刀半径在所述期望轮廓的内部获得与各所述原始点序列互相对应的若干离散的偏置点序列，具体包括：

计算原始点序列中相邻两段所述初始向量的角平分线；

根据铣刀半径在所述角平分线上确定等距点；

遍历计算与原始点序列对应的各个等距点，以形成偏置点序列。

6.一种基于CNC铣床的铣刀切割路径生成系统，其特征在于，包括：

初始计算模块，用于根据工件的期望轮廓获得若干离散的原始点序列，并按照预设加工方向顺序连线各所述原始点序列，形成若干段初始向量；

偏置计算模块，用于根据铣刀半径在所述期望轮廓的内部获得与各所述原始点序列互相对应的若干离散的偏置点序列，并按照预设加工方向顺序连线各所述偏置点序列，形成若干段偏置向量；

有效计算模块，用于判断各段所述偏置向量的方向是否与对应的所述初始向量的方向相同，若是，则为有效向量，并将各段连续相接的所述有效向量相连形成若干段连续向量；

有效优化模块，用于计算相邻两段所述连续向量的交点，并使对应的各段所述有效向量的端点替换对应的交点，形成若干离散的有效点序列；

路径划分模块，用于按照预设加工方向顺序连线各所述有效点序列，并按照单调变化原则划分为若干段单调链，再根据各段所述单调链之间的交点重新将所述有效点序列划分为若干个闭合链；

路径输出模块，用于根据各所述闭合链生成铣刀切割路径；

其中，所述路径划分模块具体用于：

沿加工基准面的预设坐标系的各个坐标轴方向对所述有效点序列进行单调链划分，并计算不同坐标轴方向对应的单调链数量，取其中数量最少者为所述有效点序列的单调链划分结果；

所述有效优化模块具体用于：

在计算相邻两段所述连续向量的交点时，若当前连续向量与相邻的在先连续向量或相邻的在后连续向量的交点为零，则删除当前连续向量，并将对应的在先连续向量与在后连续向量顺序相连形成新的连续向量。

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