CN112748701A - 用于cnc加工的适应路径生成 - Google Patents

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CN112748701A CN202011181596.1A CN202011181596A CN112748701A CN 112748701 A CN112748701 A CN 112748701A CN 202011181596 A CN202011181596 A CN 202011181596A CN 112748701 A CN112748701 A CN 112748701A
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Abstract

一种用于将CNC机器工具路径从标称工件形状适配到实际工件形状的方法和系统。所述方法包括在标称工件形状上定义特征点的网格，其中特征点包含机器工具路径周围的区域，但不一定包括机器工具路径上的点。使用探针来检测实际工件上的特征点的位置。计算空间映射函数作为从标称特征点到实际特征点的变换，并且将该函数应用于标称工具路径以计算新工具路径。新工具路径被CNC机器使用以在实际工件上操作。所述特征点用于表征实际工件的工作表面的三维形状，而不仅仅是曲线或轮廓。

Description

用于CNC加工的适应路径生成
技术领域
本发明涉及计算机数字控制(CNC)机器的计算工具路径的领域，并且更具体地涉及用于将CNC机器工具路径从标称工件形状适配到实际工件形状的方法，其定义了标称工件形状上的多个特征点的网格，测量实际工件形状上的所述多个特征点的位置，并且使用具有测量的位置的空间映射函数来将CNC机器的路径变换为实际工件形状。
背景技术
计算机数字控制(CNC)机器-例如钻孔机、车床和铣床-已经使用了许多年，以基于限定零件形状的计算机辅助设计(CAD)文件自动地生产零件。CNC机器提供精确性以可靠地且重复地将零件生产到想要的形状和规格，且能够快速地生产零件。
然而，就其本质而言，CNC机器相对于设计的标称工件形状执行其切削操作。实际上，每个真实工件具有与标称设计形状略微不同的实际形状。在一些类型的工件中，标称工件形状与实际工件形状之间的变化是无关紧要的。然而，在其它类型的工件中，标称工件形状与实际工件形状之间的变化以及每个单独的实际工件的形状之间的变化可能是显著的。
例如，一些应用要求CNC机器在零件的表面上铣削或蚀刻形状。如果零件是铸造或锻造零件，则表面的实际形状可在零件与零件之间变化。在这些应用中，为了以恒定深度将形状蚀刻到零件的表面中，必须知道表面的实际形状。在不知道实际表面形状和轮廓的情况下，CNC机器可能在一些地方蚀刻得太深和/或在其它地方蚀刻得不够深。
鉴于上述情况，需要一种鲁棒且精确的技术，用于使CNC机器工具路径适应每个可能不同的实际工件形状。
发明内容
根据本公开的教导，公开了一种用于将CNC机器工具路径从标称工件形状适配到实际工件形状的方法。所述方法包括在标称工件形状上定义多个特征点的网格，其中多个特征点包含机器工具路径周围的区域，但不一定表示机器工具路径上的点。使用探针来检测实际工件上的多个特征点的位置。计算空间映射函数作为从多个标称特征点到多个实际特征点的变换，并且将该函数应用于标称工具路径以计算新工具路径。新工具路径被CNC机器使用以在实际工件上操作。所述多个特征点用于表征实际工件的工作表面的三维形状，而不仅仅是曲线或轮廓。
结合附图，根据以下描述和所附权利要求，当前公开的装置和方法的附加特征将变得显而易见。
附图说明
图1是当为标称工件形状设计的CNC机器工具路径被应用于具有与标称不同的形状的实际工件时发生的情况的图示；
图2是根据本公开的实施例的用于CNC加工的适应路径生成的技术的图示；
图3是根据本公开的实施例的应用于与标称零件不同的带有适配和没有适配的实际零件的CNC机器工具路径的图示；
图4是根据本公开的实施例的用于CNC加工的适应路径生成的方法的流程图；以及
图5是根据本公开的实施例的用于CNC加工的适应路径生成的系统的示意图。
具体实施方式
以下对本公开的实施例的讨论涉及用于CNC加工的适应路径生成的方法和系统，其本质上仅是示例性的，并且决不旨在限制所公开的设备及其技术或应用或使用。
计算机数字控制(CNC)机器已经使用了许多年，以基于计算机辅助设计(CAD)文件或限定零件形状的其它数据自动地生产零件。有几种不同类型的机器，它们可以是数学或数字控的，例如钻床、车床和铣床。在本公开中对CNC机器的讨论应当被理解为包括上述类型的机器和任何其它类型的机器工具，该机器工具由计算机或处理器自动控制以根据表示形状的数学模型或数字数据文件执行加工功能。
CNC机器根据设计相对于标称工件形状执行其切削操作。即，被操作的零件具有例如在CAD系统中限定的一些标称预加工形状，并且机器工具路径基于该标称形状计算。然而，实际上，每个真实工件具有可能与标称设计形状略微不同的实际形状。在一些类型的工件中，标称工件形状与实际工件形状之间的变化是无关紧要的。然而，在其它类型的工件中，标称工件形状与实际工件形状之间的变化以及每个单独的实际工件的形状之间的变化可能是显著的。
图1是当为标称工件形状设计的CNC机器工具路径被应用于具有与标称不同的形状的实际工件时发生的情况的图示。标称工件110具有被认为是标准或标称形状的形状。标称工件110可以是来自CAD模型的设计形状，或者可以是原型或生产零件的测量形状，其被认为是标称的或"基准"。实际工件120具有在某种程度上不同于标称工件110的形状。在图1中，能够看出，实际工件120具有与标称工件110不同的横截面曲率。
考虑CNC机器的任务是在由标称工件110表示的零件的上表面上铣削或蚀刻图案112的应用。还考虑到要求图案112具有进入由标称工件110表示的零件的表面中的恒定切割深度。CNC机器被编程有基于标称工件110的形状的工具路径。当该工具路径被施加到实际工件120时，结果将是完全不可接受的；图案112的一些部分将具有太浅或完全错过实际工件120的深度，而图案112的其它部分将具有太大的切割深度。能够设想许多其他场景，其中基于标称工件形状的CNC工具路径在应用于实际工件形状时将不令人满意。这是通过本公开的技术解决的问题。
其它已知的路径适配技术测量沿着零件的周边或沿着预期的工具路径的点，通过实际零件上的测量点拟合样条曲线，然后尝试估计实际零件与标称零件相比的轮廓，并基于偏移补偿工具路径。然而，这些技术不提供对零件的整个工作表面的全面考虑，因为它们基于曲线而不是表面的插值。此外，这些技术需要沿工具路径的长度的大量特征点，以便定义良好质量的样条曲线。
图2是根据本公开的实施例的用于CNC加工的适应路径生成的技术的图示。在图2中，蛋用作工件(例如模制或铸造零件)的象征。图2的情况是要在蛋壳的外表面上铣削出模型。显然，必须在非常浅且一致的深度处铣削图案，以避免穿透壳体。因为每个蛋的尺寸和形状稍微变化，所以清楚的是，CNC机器工具路径不能基于一个"标称"蛋限定，并且然后令人满意地应用到每个其它蛋。相反，根据本公开的技术，相对于标称蛋上的测量特征点的网格来定义机器工具路径，然后使用每个实际蛋上的测量特征点的对应网格来计算空间映射函数，该空间映射函数使得能够为每个实际蛋计算调整的工具路径。注意，在蛋壳上加工仅是一个示例。所公开的技术能够应用于超出该具体示例的零件加工的一般情况。
标称工件210表示具有指定或理论尺寸和形状的零件，并且在步骤1示出。相对于标称工件210的形状限定标称工具路径212。标称工具路径212具有规定的形状或图案(在该示例中，字母"F"为某一尺寸)，并且能够具有任何合适的或期望的特征，例如切入标称工件210的表面的恒定深度、可变的切削深度和/或表面法向条件。标称特征点214的网格被限定在标称工具210的表面上围绕标称工具路径212的区域中。标称特征点214的网格中的各个特征点不需要被叠加在标称工具路径212上；相反，仅仅要求标称特征点214的网格限定包含或围绕标称工具路径212的区域。标称特征点214的网格可以具有适于实现期望的加工精度的任何尺寸。在图2所示的示例中，使用6×8点的网格。然而，标称特征点214的网格可以是正方形、矩形或适于适当地拟合标称工具路径212的其它形状。标称特征点214的网格优选地相当均匀地间隔开，在行和列中的点之间具有近似相等的距离。在步骤2和3中，标称特征点214的网格和标称工具路径212被提供给下一行工序步骤以应用于实际工件。
新工件220(步骤4)是机器工具实际上将在其上操作的零件。新工件220具有与标称工件210略微不同的形状；因此，必须为新工件220计算新工具路径222。在步骤5中使用探针230来测量新工件220上的实际特征点224的网格。探针230可以是任何合适的点位置测量装置，例如机械探针、激光探针或其它类型。探针230可以是CNC机器的一部分。探头230测量实际特征点224的网格中的每个单独特征点的三维位置。实际特征点224的网格的总体位置可以通过任何适当的手段来建立，例如具有相对于新工件220的两端和两侧边缘建立的位置的拐角网格点或中央网格点，或者位于新工件220上的最高点处的中央网格点，其中新工件220在探针测量期间被保持在固定装置中。可以适当地建立用于测量实际特征点224的网格的规则-例如要求探针230在与已知的标称特征点214的网格中的局部切面垂直的方向上接近每个单独的网格点。
在测量了实际特征点224的网格之后，在步骤6中构造构造映射函数f，其将实际特征点224的网格与标称特征点214的网格相关联。换句话说，函数f被构造为在空间中配准两个点集合，使得应用于每个标称特征点214的f等于或接近实际特征点224的网格中的对应一个。函数f可以是任何合适的空间映射函数，其描述第一表面曲面块(标称特征点214的网格)和第二表面曲面块(实际特征点224的网格)之间的数学关系。例如，函数f可以是多个1阶、2阶或3阶独立函数的组合，每个函数定义标称/实际特征点的网格的局部区域中的空间映射，其中各个1阶、阶2或3阶独立函数中的每一个使用网格中的点的子集作为输入。
在计算之后，函数f被应用(步骤7)到标称工具路径212以获得新工具路径222。应当理解，标称工具路径212和新工具路径222通常都是三维形状。也就是说，尽管标称工具路径212的字母F在图中呈现为有些二维，但是它实际上被扭曲或卷绕以符合标称工件210的表面形状。同样地，新工具路径222被卷绕以符合新工件220的表面形状。此外，标称工具路径212和新工具路径222被建模为离散点集，使得标称工具路径212的每个点可以被插入函数f以获得新工具路径222中的相应点。在使用函数f计算新工具路径222之后，CNC机器使用新工具路径222在新工件220上执行加工操作。对每个新实际工件重复该过程的步骤4-7。
在一些实施例中，当函数f应用于标称工具路径212以获得新工具路径222时，新工具路径222不仅包括位置(x，y，z)，而且包括工具定向角(例如偏航、倾斜和滚动或W、P、R旋转)。工具定向角度差对于限定加工区域的表面法线、减小工具振动/颤动以及出于其它原因可能是显著的。一种用于确定定向角的技术是使用实际特征点224的网格中的相邻点的位置来估计特定网格点的表面切面和表面法线方向。然后，实际特征点224的网格中的每个点的表面法线方向能够应用于新工具路径222，其中CNC机器工具然后能够被定向到新工具路径222中的每个点的表面法线方向。
图3是根据本公开的实施例的应用于与标称零件不同的实际零件的没有适配和带有适配的CNC机器工具路径的图示。标称工件210在图3的左侧示出，标称工具路径212和标称特征点214的网格如图2的步骤1所示，在图3的右侧，新工件220的一部分以放大视图示出。在右上方，示出了新工件220，其中标称工具路径212和标称特征点214的网格被重叠；也就是说，特征点的网格和工具路径尚未适配新工件220的形状。能够看出，在没有适配的情况下，标称工具路径212和标称特征点214的网格都偏离新工件220的表面。如果CNC机器试图使用标称工具路径212在新工件220上操作，则很明显，对于大部分操作，将不存在工具-工件的接触。这正是本公开的技术被设计来解决的问题。
在图3的右下方，示出了新工件220，其中新工具路径222和实际特征点224的网格被覆盖；也就是说，特征点的网格和工具路径已经适配于新工件220的形状。能够看出，通过根据本公开的适配，新工具路径222和实际特征点224的网格都如实地遵循新工件220的表面。当CNC机器使用新工具路径222在新工件220上操作时，工具将在整个操作中保持与新工件220的表面接触，并且加工操作将在整个工具路径上提供期望的结果(切削深度等)。正确地你和到新工件220的新工具路径222还导致改善的表面光洁度质量和减小的工具振动。
上面公开的适应工具路径生成技术已经显示对所有类型的标称零件与实际零件形状差异都工作良好。这些差异包括：这两个零件具有相同的特征形状但不同的曲率(即，蛋的示例)；一个部分具有凹形形状，而另一个部分具有凸形形状；在一个部分和另一个部分之间的不同数量的凹形和凸形区域(凹陷和隆起)；以及工具路径的区域中的标称零件和实际零件的表面之间的形状的其它类型的任意差异。所公开的自适应工具路径生成技术能够处理所有这些类型的零件到零件的形状差异，因为点的网格用于表征整个表面，而不仅仅是轮廓或单个路径。
图4是根据本公开的实施例的用于CNC加工的适应路径生成的方法的流程图400。在框402，提供标称工件以及标称工具路径。标称工具路径被设计成在标称工件上执行期望的操作。在框404，在标称工件的表面上为围绕标称工具路径的区域限定标称特征点的网格。框402和404的活动在图2的步骤1-3示出并在相应的讨论中描述。
在框406，如图2的步骤4所示，提供新工件，其中新工件是将由CNC机器操作的实际零件。在框408，如图2的步骤5所示和在相应讨论中所述，通过探针在新工件上测量实际特征点的网格。在框410，构造空间映射函数f。如在图2的步骤6的讨论中所述，空间映射函数f是当应用于标称特征点的网格(来自框404)时产生实际特征点的网格(来自框408)的函数。在框412，通过将空间映射函数f应用于标称工具路径来计算新工具路径。然后，CNC机器使用新工具路径在新工件上执行加工操作。流程图400的过程然后循环回到框406，在那里提供另一个新工件。标称工件形状、标称工具路径和标称特征点的网格被用作所有新/实际工件的基线。
图5是根据本公开的实施例的用于CNC加工的适应路径生成的系统500的示意图。系统500包括至少一个计算机、控制器或服务器，其由计算机502表示。计算机502包括处理器和存储器504，并且能够接收和存储数据、执行计算以及可选地控制机器工具。存储器504包含如前所述的关于标称工件的数据，包括图2的步骤1-3所示的标称路径和标称特征点的网格。关于标称工件的数据可以从不同的计算机，例如CAD系统或3D建模系统，提供给计算机502的存储器504。
系统500还包括图2所示的和先前讨论的探针230。探针230可以是机械探针、激光探针或能够测量实际/新工件上的多个特征点的其它装置。探针230与计算机502通信，并在测量所述点之后提供定义实际特征点的网格的数据。计算机502基于标称特征点的网格和实际特征点的网格执行空间映射函数f的计算或构造。计算机502a还通过将空间映射函数f应用于标称工具路径计算新工具路径。
系统500还可以包括CNC机器506，其从计算机502接收新工具路径，并在实际/新工件上执行加工操作。CNC机器506本身不是本公开的适应路径生成过程的必需部分，而是接收适应路径生成的输出。如前所述，CNC机器506可以是任何类型的CNC机器，例如钻孔机、车床或铣床，或者是由计算机或处理器自动控制以根据限定工具路径的模型或数据文件执行加工功能的任何其它类型的机器工具。实际上，探针230可以是CNC机器506的一部分，并且计算机502可以是CNC机器506的控制器。
在一些实施方式中，计算机502可以是在网络上(有线或无线)通信的多个计算机。如本领域技术人员将理解的，若干计算功能包括提供描述标称工件的CAD数据、控制探针230、计算空间映射函数f并使用f计算新工具路径、以及控制CNC机器506，其可以通过一个或多个计算装置的任何组合来执行，而不改变当前公开的技术的范围或性质。这些设备可以是通用计算机、定制控制器或处理器、或任何其他适于该目的计算设备。在上述优选实施例中，计算机502是CNC机器控制器；即，描述标称工件的数据被提供给CNC机器控制器，探针230也是CNC机器506的一部分，并将测量数据提供给控制器，CNC机器控制器计算空间映射函数f，并使用f计算新工具路径。
如上所述，所公开的用于CNC加工的适应路径生成的技术改进了用于零件到零件变化显著或加工操作对零件形状的甚至微小变化敏感的应用的加工操作的性能。
尽管以上已经讨论了用于CNC加工的适应路径产生的方法和系统的多个示例性方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其修改、置换、添加和子组合。因此，旨在将所附权利要求书和此后引入的权利要求书解释为包括在其真实精神和范围内的所有此类修改，置换，添加和子组合。

Claims (20)

1.一种用于使机器工具路径适应实际零件形状的方法，所述方法包括：
提供在标称工件的表面上限定加工操作的标称工具路径；
定义多个标称特征点的网格，其中所述多个标称特征点的每一个都位于所述标称工件的所述表面上，并且所述多个标称特征点的网格覆盖包含所述标称工具路径的区域；
提供新工件；
测量所述新工件上的多个实际特征点的网格；
使用具有处理器和存储器的计算机来构造空间映射函数，其中所述空间映射函数定义从所述多个标称特征点的网格到所述多个实际特征点的网格的空间变换；以及
使用所述计算机，通过将所述空间映射函数应用于所述标称工具路径来计算新工具路径。
2.根据权利要求1所述的方法，其中在计算机辅助设计系统中定义所述标称工具路径和所述多个标称特征点的网格。
3.根据权利要求1所述的方法，其中测量所述多个实际特征点的网格包括使用探针测量所述多个实际特征点，所述探针包括机械探针或激光探针。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，利用所述探头通过在垂直于局部表面切面的方向上接近对应的标称特征点的位置来测量所述多个实际特征点中的每一个，其中，所述局部表面切面是根据所述多个标称特征点的网格中的相邻点确定的。
5.根据权利要求3所述的方法，其中所述探针是执行所述加工操作的机器工具的一部分。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述计算机是执行所述加工操作的所述机器工具的控制器。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多个实际特征点的网格具有与所述多个标称特征点的网格相同数量的行和列的点。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述空间映射函数指定所述多个标称特征点的网格中的点与所述多个实际特征点的网格中的点之间的数学关系，并且其中，所述空间映射函数包括多个1阶、2阶或3阶的独立函数，每个独立函数定义所述多个标称特征点和多个实际特征点的网格的局部区域中的空间映射，其中，所述多个独立函数中的每个独立函数使用所述网格中的点的子集作为输入。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述新工具路径包括与所述标称工具路径的x、y和z位置差异以及与所述标称工具路径的偏转、倾斜和滚动旋转差异。
10.根据权利要求1所述的方法，还包括由机器工具使用所述新工具路径来在所述新工件上执行所述加工操作。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述机器工具是计算机控制的铣床、钻床或车床。
12.一种使机器工具路径适应实际零件形状的方法，包括：在标称工件的表面上定义多个标称特征点的网格，所述多个标称特征点的网格覆盖了包含标称工具路径的区域；测量新工件上的多个实际特征点的网格；使用具有处理器和存储器的计算机构造空间映射函数，其中所述空间映射函数定义了从所述多个标称特征点的网格到所述多个实际特征点的网格的空间变换；以及通过将所述空间映射函数应用于所述标称工具路径来计算新工具路径。
13.一种用于使机器工具路径适应实际零件形状的系统，所述系统包括：
测量探针，其配置为测量实际工件上的多个实际特征点的网格的位置；以及
具有处理器和存储器的计算机，所述计算机与所述探针通信并接收所述多个实际特征点的网格的位置，所述计算机配置成构建空间映射函数，所述函数定义从多个标称特征点的网格到所述多个实际特征点的网格的空间变换，所述多个标称特征点的网格在标称工件的表面上并覆盖包含标称工具路径的区域，并通过将所述空间映射函数应用于所述标称工具路径来计算新工具路径。
14.根据权利要求13所述的系统，其中所述标称工具路径和所述多个标称特征点的网格在计算机辅助设计系统中被限定并被提供给所述计算机。
15.根据权利要求13所述的系统，其中所述测量探针是机械探针或激光探针。
16.根据权利要求15所述的系统，其中，通过所述探头在垂直于局部表面切面的方向上接近对应的标称特征点的位置来测量所述多个实际特征点中的每一个，其中，所述局部表面切面是根据所述多个标称特征点的网格中的相邻点确定的。
17.根据权利要求13所述的系统，其中，所述多个实际特征点的网格具有与所述多个标称特征点的网格相同数量的行和列的点。
18.根据权利要求13所述的系统，其中，所述空间映射函数指定所述多个标称特征点的网格中的点与所述多个实际特征点的网格中的点之间的数学关系，并且其中，所述空间映射函数包括多个1阶、3阶或3阶的独立函数，每个独立函数定义所述多个标称特征点和多个实际特征点的网格的局部区域中的空间映射，其中，所述多个独立函数中的每个独立函数使用所述网格中的点的子集作为输入。
19.根据权利要求18所述的系统，其中，所述新工具路径包括与所述标称工具路径的x、y和z位置差异以及与所述标称工具路径的偏转、倾斜和滚动旋转差异。
20.根据权利要求13所述的系统，其中所述探针和所述计算机被包含在机器工具中，所述机器工具使用所述新工具路径来对所述实际工件执行所述加工操作，其中所述机器工具是计算机控制的铣床、钻床或车床。
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