CN112965440B - 刀具路径生成方法、电子设备以及存储介质 - Google Patents

Abstract

本申请是关于一种刀具路径生成方法。该方法包括：分解刀具路径为x段子刀轨；根据预设的采样间隔在刀具姿态角范围内确定子刀轨中y个刀触点的可行刀具姿态，其中，一个刀触点对应有z个可行刀具姿态；根据可行刀具姿态确定x段子刀轨中每段子刀轨对应的z个第一刀具姿态序列；针对于z个第一刀具姿态序列中的每一个第一刀具姿态序列，通过最短路径算法将x段子刀轨中各个对应匹配的第一刀具姿态序列进行首尾相接，得到z个完整刀具姿态序列；确定z个第二刀具姿态序列的光顺指标；根据光顺指标在z个第二刀具姿态序列中确定最优刀具姿态序列。本申请提供的方案，能够有效提高获取光顺刀具姿态序列的运算效率，提升刀具路径的光顺程度。

Description

刀具路径生成方法、电子设备以及存储介质

技术领域

本申请涉及刀具技术领域，尤其涉及刀具路径生成方法、电子设备以及存储介质。

背景技术

五轴数控高速加工中，刀轴矢量突变会造成刀具的破损、加工过程的不平稳，直接影响零件表面加工质量，留有刀具痕迹，甚至会过切工件，因此对光顺的加工路径生成算法的研究显得尤为重要。目前刀具路径光顺优化方法可以分为工件坐标系下平滑刀轴方向和在机床坐标系下平滑机床旋转轴运动。现有的机床旋转轴运动光顺的刀具路径生成方法多使用最短路径算法在可行空间中求解光顺的刀轴矢量。

在现有技术中，在公告号为CN107065768B的专利(一种叶轮加工刀具路径整体优化方法)中，提出利用最短路径算法求解函数，得到最优刀具姿态，从而得出最优刀具路径。

上述现有技术存在以下缺陷：

1、使用最短路径算法直接求解完整刀轨会造成运算时间长，计算效率不高的问题；

2、没有进行光顺优化，所得刀具刀尖点运动轨迹和机床旋转轴运动轨迹可能有突变现象，造成刀具路径不光顺。

发明内容

为克服相关技术中存在的问题，本申请提供一种刀具路径生成方法，该刀具路径生成方法，能够有效提高获取光顺刀具姿态序列的运算效率，提升刀具路径的光顺程度。

本申请第一方面提供一种刀具路径生成方法，包括：

步骤1：分解刀具路径为x段子刀轨，x为大于1的整数；

步骤2：根据预设的采样间隔在刀具姿态角范围内确定子刀轨中y个刀触点的可行刀具姿态，刀具姿态角范围为预设的刀具角度变化范围，其中，一个刀触点对应有z个可行刀具姿态，y为大于1的整数；

步骤3：根据可行刀具姿态确定x段子刀轨中每段子刀轨对应的z个第一刀具姿态序列；

步骤4：针对于z个第一刀具姿态序列中的每一个第一刀具姿态序列，通过最短路径算法将x段子刀轨中各个对应匹配的第一刀具姿态序列进行首尾相接，得到z个第二刀具姿态序列，第二刀具姿态序列为刀具路径的完整刀具姿态序列；

步骤5：确定z个第二刀具姿态序列的光顺指标；

步骤6：根据光顺指标在z个第二刀具姿态序列中确定第三刀具姿态序列，第三刀具姿态序列为z个第二刀具姿态序列中的最优刀具姿态序列。

在一种实施例方式中，根据可行刀具姿态确定x段子刀轨中每段子刀轨对应的z个第一刀具姿态序列，包括：

步骤3.1：针对第一段子刀轨的第一个刀触点的z个可行刀具姿态中的第一个可行刀具姿态，在其余的y-1个刀触点中通过最短路径算法连接对应匹配的可行刀具姿态，获得第一段子刀轨对应的首个第一刀具姿态序列；

根据步骤3.1的处理方式，分别得到第一段子刀轨中的其余z-1个第一刀具姿态序列。

在一种实施例方式中，根据步骤3.1的处理方式，分别得到第一段子刀轨中的其余z-1个第一刀具姿态序列之后，包括：

在第i段子刀轨首个刀触点之前，插入第i-1段子刀轨最后一个刀触点的可行刀具姿态，i为大于1小于x的整数；

第i段子刀轨首个刀触点的可行刀具姿态与第i-1段子刀轨最后一个刀触点的可行刀具姿态对应匹配；

第i段子刀轨中第k个刀触点的可行刀具姿态与第k-1个刀触点的可行刀具姿态对应匹配，k为大于1小于y的整数；

第x段子刀轨的第y个刀触点的可行刀具姿态与第y-1个刀触点的可行刀具姿态对应匹配。

在一种实施例方式中，根据光顺指标在z个第二刀具姿态序列中确定第三刀具姿态序列之后，包括：

判断当前第三刀具姿态序列计算步骤的迭代次数是否满足预设值；

若不满足，则调整刀具姿态角范围和采样间隔，重新执行步骤2至步骤6；

若满足，则确认选择当前第三刀具姿态序列作为第四刀具姿态序列，第四刀具姿态序列为最终输出的刀具姿态序列，根据第四刀具姿态序列生成刀具路径。

在一种实施例方式中，根据预设的采样间隔在刀具姿态角范围内确定子刀轨中y个刀触点的可行刀具姿态，包括：

根据刀位数据执行碰撞检测，根据碰撞检测的结果判断是否为可行刀具姿态，刀位数据由刀具姿态角计算获得。

在一种实施例方式中，根据刀位数据执行碰撞检测之前，包括：

指定刀柄与加工工件，或刀杆与加工工件的偏置距离，偏置距离为刀柄与加工工件，或刀杆与加工工件的预设最小距离指定值。

在一种实施例方式中，根据刀位数据执行碰撞检测，包括：

将加工工件的加工曲面离散为第一点云；

获取第二点云，并通过坐标系变换将第二点云转换至刀具坐标系中，分别计算第二点云中各点到刀具轴线的第一距离，第二点云为第一点云中与指定点的欧氏距离在预设半径范围内的点集，指定点为刀具坐标系中的预设定点；

根据第一距离判断加工曲面与刀具切削部分、刀杆或刀柄是否发生碰撞干涉，确定在当前刀位数据下的刀具姿态是否为可行刀具姿态。

在一种实施例方式中，确定z个第二刀具姿态序列的光顺指标，包括：

根据第二刀具姿态序列，通过插值获取第二刀具姿态序列对应的机床旋转轴运动轨迹和刀尖点运动轨迹，根据机床旋转轴运动轨迹和刀尖点运动轨迹确定光顺指标。

本申请第二方面提供一种电子设备，包括：

处理器；以及

存储器，其上存储有可执行代码，当所述可执行代码被所述处理器执行时，使所述处理器执行如上所述的方法。

本申请第三方面提供一种非暂时性机器可读存储介质，其上存储有可执行代码，当所述可执行代码被电子设备的处理器执行时，使所述处理器执行如上所述的方法。

本申请提供的技术方案可以包括以下有益效果：

通过对刀具路径进行分解，对各段子刀轨的刀触点进行可行刀具姿态的获取，根据可行刀具姿态利用最短路径算法获取各段子刀轨对应的第一刀具姿态序列，将各子刀轨的第一刀具姿态序列组合为完整刀具姿态序列，通过计算各个完整刀具姿态序列的光顺指标，在完整刀具姿态序列的集合内确定当前最优的刀具姿态序列。对比现有技术，本方案将完整的刀具路径进行了分解，采用最短路径算法获取子刀轨的刀具姿态序列，再利用最短路径算法把各子刀轨的刀具姿态序列组合，相比于直接对完整刀具路径进行最短路径算法，提高了获取刀具姿态序列的运算效率，增加了对各个刀具姿态序列进行光顺指标的计算，确保了当前所获得的最优刀具姿态序列的光顺程度，提高工件的加工质量。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

通过结合附图对本申请示例性实施方式进行更详细的描述，本申请的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本申请示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1是本申请实施例中刀具路径生成方法实施例一的流程示意图；

图2是本申请实施例中刀具路径生成方法实施例二的流程示意图；

图3是本申请实施例中刀具路径生成方法实施例三的流程示意图；

图4是本申请实施例中刀具路径生成方法实施例四的流程示意图；

图5是本申请实施例中刀具路径生成方法实施例五的流程示意图；

图6是本申请实施例示出的电子设备的结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本申请的优选实施方式。虽然附图中显示了本申请的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本申请而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本申请更加透彻和完整，并且能够将本申请的范围完整地传达给本领域的技术人员。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本申请可能采用术语“第一”、“第二”、“第三”等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

实施例一

五轴数控高速加工中，刀轴矢量突变会造成刀具的破损，加工过程的不平稳，直接影响零件表面加工质量，留有刀具痕迹，甚至会过切工件，因此对光顺的加工路径生成算法的研究显得尤为重要。目前刀具路径光顺优化方法可以分为工件坐标系下平滑刀轴方向和在机床坐标系下平滑机床旋转轴运动。在机床坐标系下的优化可以使机床各轴运动平稳，避免各轴频繁地加减速。现有的机床旋转轴运动光顺的刀具路径生成方法多使用最短路径算法在可行空间中求解光顺的刀轴矢量。在现有技术中，提出利用最短路径算法求解函数，得到最优刀具姿态，从而得出最优刀具路径。但上述现有技术存在以下缺陷：在完整刀轨中直接使用最短路径算法求解会造成运算时间长，计算效率不高的问题；没有进行光顺优化，所得刀具刀尖点运动轨迹和机床旋转轴运动轨迹可能有突变现象，造成刀具路径不光顺。

针对上述问题，本申请实施例提供一种刀具路径生成方法，该刀具路径生成方法，能够有效提高获取刀具姿态序列的运算效率，提升刀具路径的光顺程度。

以下结合附图详细描述本申请实施例的技术方案。

请参阅图1，本申请实施例中刀具路径生成方法的一个实施例包括：

101、分解刀具路径为x段子刀轨；

刀具路径即为刀具轨迹，即为切削刀具上规定点所走过的轨迹，此规定点通常为刀具加工中在空间的位置点。

子刀轨是指刀具路径分解后的其中一段刀具轨迹，x的取值范围为大于1的整数。

102、根据预设的采样间隔在刀具姿态角范围内确定子刀轨中y个刀触点的可行刀具姿态；

在刀具姿态角范围内间隔一定角度进行采样，所述的一定角度即为采样间隔，采样间隔为根据实际应用情况所预设的角度值，示例性的，可以把采样间隔设置为1.5°，但不作为采样间隔的唯一限定。

刀具姿态角范围包括刀具前倾角范围和刀具侧倾角范围，前倾角和侧倾角均为刀具的角度参数，是指切削过程中实际的切削角度，示例性的，前倾角的范围可以设置为76.56°至90°，但不作为前倾角范围的唯一限定；示例性的，侧倾角的范围可以设置为0°至180°，但不作为侧倾角范围的唯一限定。

由于子刀轨是完整刀具路径分解所得的，因此在子刀轨上分布有刀触点，刀触点指的是切削刃与加工曲面的切触点，y的取值范围为大于1的整数。

可行刀具姿态是指在特定可行的刀位数据下的适合进行切削工作刀具姿态，刀位数据由刀具姿态角，即前倾角和侧倾角，以及机床的第四轴和第五轴的角度位置组成。示例性的，可行刀具姿态可以表示为(λ，ω，θ，γ)，其中λ，ω，θ，γ均为可行刀具姿态的刀位数据，不作为表示可行刀具姿态的唯一限定。

103、根据可行刀具姿态确定所述x段子刀轨中每段子刀轨对应的z个第一刀具姿态序列；

第一段子刀轨的第一个刀触点有z个可行刀具姿态，后续的其余子刀轨都根据第一段子刀轨的第一个刀触点的z个可行刀具姿态一一对应匹配确定可行刀具姿态序列。

104、第一刀具姿态序列进行首尾相接得到z个第二刀具姿态序列；

针对于z个第一刀具姿态序列中的每一个第一刀具姿态序列，通过最短路径算法将x段子刀轨中各个对应匹配的第一刀具姿态序列进行首尾相接，得到z个第二刀具姿态序列，第二刀具姿态序列是指刀具路径的完整刀具姿态序列。

首尾相接是指第一段子刀轨的最后一个刀触点与第二段子刀轨的第一个刀触点组合连接，如此类推，直到倒数第二段的最后一个刀触点与最后一段子刀轨的首个刀触点组合连接，根据此规律连接成第二刀具姿态序列。

Dijkstra算法(迪杰斯特拉)是典型的最短路径算法，用于计算一个节点到其他所有节点的最短路径。主要特点是以起始点为中心向外层层扩展，直到扩展到终点为止。Dijkstra算法能得出最短路径的最优解，但由于它遍历计算的节点很多，所以效率低。可以用堆优化。

Dijkstra一般的表述通常有两种方式，一种用永久和临时标号方式，一种是用OPEN,CLOSE表方式，Drew为了和下面要介绍的A*算法和D*算法表述一致，这里均采用OPEN,CLOSE表的方式。

其采用的是贪心法的算法策略

大概过程：

创建两个表，OPEN,CLOSE。

OPEN表保存所有已生成而未考察的节点，CLOSED表中记录已访问过的节点。

①访问路网中距离起始点最近且没有被检查过的点，把这个点放入OPEN组中等待检查。

②从OPEN表中找出距起始点最近的点，找出这个点的所有子节点，把这个点放到CLOSE表中。

③遍历考察这个点的子节点。求出这些子节点距起始点的距离值，放子节点到OPEN表中。

④重复第2和第3步,直到OPEN表为空，或找到目标点。

可以理解的是，在实际应用中，最短路径算法还有很多其他计算方法，上述用Dijkstra算法作为最短路径算法仅是示例性的，并不作为最短路径算法的唯一方式。

105、确定z个第二刀具姿态序列的光顺指标；

光顺指标反映刀具路径的光顺程度，光顺指标根据机床旋转轴运动轨迹和刀尖点运动轨迹来确定。

106、根据光顺指标在z个第二刀具姿态序列中确定第三刀具姿态序列；

假设令m表示第一个刀触点CC₀的刀具姿态可行域里的可行刀具姿态个数，刀具姿态可行域即为刀具姿态对应的刀位数据的四个参数的取值范围组合。对于CC₀可行域的第i个元素，令S_i＝{(λ_j,ω_j),j＝0,1,...,n}表示其对应的整条刀轨的第j个可行刀具姿态序列，即第二刀具姿态序列中的其中一条完整刀轨，其中λ表示前倾角，ω表示侧倾角，n为正整数，则H＝{S_i,i＝0,1,...,m-1}表示所有刀具姿态序列的可选解。

针对H＝{S_i,i＝0,1,…,m-1}每个元素S_i，根据光顺指标的确定结果，从集合H中选出最好的解即为第三刀具姿态序列。

可以理解的是，上述表述方式仅为示例性的，不作限定。

从上述实施例一可以看出有以下有益效果：

通过对刀具路径进行分解，对各段子刀轨的刀触点进行可行刀具姿态的获取，根据可行刀具姿态利用最短路径算法获取各段子刀轨对应的第一刀具姿态序列，将各子刀轨的第一刀具姿态序列组合为完整刀具姿态序列，通过计算各个完整刀具姿态序列的光顺指标，在完整刀具姿态序列的集合内确定当前最优的刀具姿态序列。对比现有技术，本方案将完整的刀具路径进行了分解，采用最短路径算法获取子刀轨的刀具姿态序列，再利用最短路径算法把各子刀轨的刀具姿态序列组合，相比于直接对完整刀具路径进行最短路径算法，提高了获取刀具姿态序列的运算效率，增加了对各个刀具姿态序列进行光顺指标的计算，确保了当前所获得的最优刀具姿态序列的光顺程度，提高工件的加工质量。

实施例二

为了便于理解，以下提供了刀具路径生成方法的一个实施例进行说明，在实际应用中，针对于获取各段子刀轨的第一刀具姿态序列以及把各个第一刀具姿态序列组合起来可以通过如下实施方式进行操作，请参阅图2，本申请实施例中刀具路径生成方法的一个实施例包括：

201、分解刀具路径为x段子刀轨；

在本申请实施例中，步骤201的具体内容与上述实施例一中的步骤101内容相似，此处不作赘述。

202、根据预设的采样间隔在刀具姿态角范围内确定子刀轨中y个刀触点的可行刀具姿态；

在本申请实施例中，步骤202的具体内容与上述实施例一中的步骤102内容相似，此处不作赘述。

203、确定第一段子刀轨的z个第一刀具姿态序列；

步骤3.1：针对第一段子刀轨的第一个刀触点的z个可行刀具姿态中的第一个可行刀具姿态，在第二个刀触点的可行刀具姿态中匹配一个与上述第一段子刀轨的第一个刀触点的z个可行刀具姿态中的第一个可行刀具姿态相对应的可行刀具姿态，第三个刀触点直到最后一个刀触点也是通过同样的规律在各个刀触点处匹配对应的可行刀具姿态。通过最短路径算法将获得的对应匹配的可行刀具姿态依次连接，获得第一段子刀轨对应的首个第一刀具姿态序列。

根据步骤3.1的处理方式，按照同样的规律根据其余第一段子刀轨的第一个刀触点的z-1个可行刀具姿态分别得到第一段子刀轨中的其余z-1个第一刀具姿态序列。

204、确定其余子刀轨的第一刀具姿态序列；

在第i段子刀轨首个刀触点之前，插入第i-1段子刀轨最后一个刀触点的可行刀具姿态，作为构造第i段子刀轨有向图的源点，保证各段子刀轨之间的连续性，i为大于1小于x的整数。

第i段子刀轨首个刀触点的可行刀具姿态与第i-1段子刀轨最后一个刀触点的可行刀具姿态对应匹配，确定各段子刀轨之间连接组合的刀触点的可行刀具姿态。

第i段子刀轨中第k个刀触点的可行刀具姿态与第k-1个刀触点的可行刀具姿态对应匹配，确定每段子刀轨中的每个刀触点的可行刀具姿态，k为大于1小于y的整数。

第x段子刀轨的第y个刀触点的可行刀具姿态与第y-1个刀触点的可行刀具姿态对应匹配，确定最后一段子刀轨的最后一个刀触点的可行刀具姿态后，即完全确定了所有子刀轨所有刀触点的可行刀具姿态，通过最短路径算法把可行刀具姿态连接，获得其余子刀轨的第一刀具姿态序列。

对应第一段子刀轨的z个第一刀具姿态序列，其余子刀轨也相应有z个第一刀具姿态序列一一对应。

205、组合对应匹配的第一刀具姿态序列获得第二刀具姿态序列；

通过最短路径算法，第一段子刀轨的第一个第一刀具姿态序列，与第二段子刀轨中的第一个第一刀具姿态序列连接。第二段子刀轨中的第一个第一刀具姿态序列是根据第一段子刀轨的第一个第一刀具姿态序列中的最后一个刀触点的可行刀具姿态获得的，是与第一段子刀轨的第一个第一刀具姿态序列相匹配的。

根据上述规律，将各段子刀轨的各个第一刀具姿态序列一一对应连接，获得z个第二刀具姿态序列。

从上述实施例二可以看出有以下有益效果：

通过对刀具路径进行分解，对各段子刀轨的刀触点进行可行刀具姿态的获取，在构造下一段子刀轨的第一刀具姿态时插入前一段子刀轨的最后一个可行刀具姿态，各个刀触点处的可行刀具姿态相互匹配，在确定了所有刀触点的可行刀具姿态后，利用最短路径算法获取各段子刀轨对应的第一刀具姿态序列，再将各子刀轨的第一刀具姿态序列对应匹配利用最短路径算法组合为完整刀具姿态序列。相对于现有技术，对比直接使用最短路径算法进行求解，本方案保证所获得的完整刀具姿态序列具有连续性，减少突变现象，提升工件加工质量，提升了刀具姿态序列的计算效率。

实施例三

为了便于理解，以下提供了刀具路径生成方法的一个实施例进行说明，在实际应用中，采样间隔的预设值以及刀具姿态角的预设范围通常较大，因此在上述实施例一中所得到的第三刀具姿态序列需要通过调整刀具姿态角范围和采样间隔进行优化，以得到最终输出的最佳刀具姿态序列，并根据此最佳的刀具姿态序列生成刀具路径。

请参阅图3，本申请实施例中刀具路径生成方法的一个实施例包括：

301、判断当前第三刀具姿态序列计算步骤的迭代次数是否满足预设值；

在本实施例中，预设了一个最大迭代次数的阈值，即默认当迭代次数达到或超过最大迭代次数时，则迭代停止；当迭代次数未达到最大迭代次数时，则继续进行迭代。

302、调整刀具姿态角范围和采样间隔进行迭代；

进一步缩小采样间隔以及进一步缩窄刀具姿态角的范围，示例性的可以根据已知可行刀具姿态角来确定调整后的范围，并可以通过以下表达式计算调整后的刀具姿态角的范围以及调整后的采样间隔：

[λ_i-△λ，λ_i+△λ]；

[ω_i-△ω，ω_i+△ω]；

△λ/2；△ω/2；

其中，λ_i为已知第i个可行刀具姿态角的前倾角，△λ为原前倾角采样间隔，[λ_i-△λ，λ_i+△λ]为调整后的前倾角范围；ω_i为已知第i个可行刀具姿态角的侧倾角，△ω为原侧倾角采样间隔，[ω_i-△ω，ω_i+△ω]为调整后的侧倾角范围；△λ/2为调整后的前倾角采样间隔；△ω/2为为调整后的侧倾角采样间隔。

根据调整后的刀具姿态角范围和采样间隔重新执行上述实施例一中的步骤102至步骤106，对第三刀具姿态序列进行迭代更新。

303、输出最终的刀具姿态序列；

当迭代次数满足预设的最大迭代次数时，输出当前第三刀具姿态序列作为第四刀具姿态序列，即最终的刀具姿态序列，根据最终的刀具姿态序列生成刀具路径。

从上述实施例三可以看出有以下有益效果：

通过调整刀具姿态角范围和采样间隔，对初始获得的第三刀具姿态序列进行迭代优化，在满足最大迭代次数后输出最终的刀具姿态序列，并根据最终的刀具姿态序列生成刀具路径。对比现有技术，缩窄刀具姿态角范围和采样间隔能更精确地找到各刀触点出的最佳可行刀具姿态，从而输出更优质的刀具姿态序列，通过多次的光顺指标的评价，保证了最终输出的刀具路径的光顺程度，提高工件的加工质量。

实施例四

为了便于理解，以下提供了刀具路径生成方法的一个实施例进行说明，在实际应用中，加工工件在加工过程中可能会出现与刀杆或者刀柄发生干涉的情况，需要在选择刀具姿态的过程中对刀具、刀柄和加工工件的加工曲面之间进行碰撞测试，以获得可行刀具姿态。

请参阅图4，本申请实施例中刀具路径生成方法的一个实施例包括：

401、输入参数；

输入参数包括但不限于：刀轨的刀触点集合{CC_i,i＝0,1,...,n}、刀具和刀柄参数、加工工件曲面模型、机床结构类型和旋转轴行程范围、刀具姿态角范围[λ_i，ω_i]和采样间隔。

402、确定各个刀触点处的刀具姿态可行域；

针对每一个刀触点CC_i，根据刀具姿态角范围确定机床的第四轴和第五轴的角度位置，则示例性的，可行刀具姿态可以表示为(λ，ω，θ，γ)，其中λ，ω，θ，γ均为可行刀具姿态的刀位数据，进一步的λ，ω，θ，γ的各自范围组成了各个刀触点处的刀具姿态可行域。

403、指定刀柄与加工工件或刀杆与加工工件的偏置距离；

偏置距离定义为刀柄与加工工件或刀杆与加工工件的预设最小距离指定值。为了安全性，加工工件与刀杆或刀柄的最小距离要大于某个指定值，即预设最小距离指定值。

可以理解的是，在实际应用中，最小距离指定值可以根据实际应用情况进行设定，此处不作限定。

404、预测加工曲面与刀具或与刀柄发生碰撞或干涉的位置；

将加工工件的加工曲面转换为模型，将曲面模型离散为第一点云，在逆向工程中通过测量仪器得到的产品外观表面的点数据集合称之为点云。

获取第一点云中与指定点的欧氏距离在预设半径范围内的点集，所获得的点集定义为第二点云，预设半径范围是指加工曲面可能与刀具和刀柄发生接触的距离，通过坐标系变换的方式将第二点云转换至刀具坐标系中。

坐标是对空间实体的位置描述，坐标系变换定义为是从一种坐标系统变换到另一种坐标系统的过程，通过建立两个坐标系统之间一一对应关系来实现。刀具坐标系定义为在刀具实际工作状态下建立的坐标系。指定点是指刀具坐标系中的预设指定点，可以理解的是，在实际应用中需要根据实际应用情况来设定此指定点在刀具坐标系中的位置，示例性的可能设定在刀具轴线之上，此处不作限定。

在第二点云中获得的点集即为加工曲面可能与刀具或刀柄发生接触的点，可以根据点集定位预测加工曲面与刀具发生碰撞的位置，或加工曲面与刀柄发生干涉的位置。

405、判断点集内的点的位置状态并确定在当前刀位数据下的刀具姿态是否为可行刀具姿态；

计算点集内的任一点与刀具轴线的相对距离，得到N个轴线相对距离，N为点集内点的数量。刀具轴线为刀具上的一条假想直线，它与刀具制造或重磨时的定位面以及刀具使用时的安装面有一定的关系。

计算点集内的任一点与刀具轴线的相对距离用于判断点集内的点是否存在于刀具或刀柄的可触范围之内。

点集内的点处于刀具内而不处于刀柄内定义为没有任意一点存在于刀柄内，此时判断发生碰撞，则确定在当前刀位数据下的刀具姿态为可行刀具姿态。

点集内的点处于刀柄内定义为只要有任意一点处于刀柄内，此时判断发生干涉，则确定在当前刀位数据下的刀具姿态为不可行刀具姿态。

从上述实施例四可以看出有以下有益效果：

通过对加工曲面进行离散，利用离散后的点云预测加工曲面与刀具或刀柄之间的位置关系，排除刀具坐标系中无效的点，获得可能与刀具和刀柄发生接触的有效点集，通过计算所获得点集中的点与刀具轴线的相对距离确定点集中的点与刀具或刀柄的位置状态关系，并以此判断是否会发生干涉，再进一步判断当前刀具姿态是否为可行刀具姿态。本实施例所提出的技术方案中，通过排除刀具坐标系中无效的点，获得可能与刀具和刀柄发生接触的有效点集，提高了获取可行刀具姿态的精确度以及运算效率，通过判断是否发生干涉来确保筛选后的可行刀具姿态不会与刀柄发生接触，提高了工件的加工质量以及加工的安全性。

实施例五

为了便于理解，以下提供了刀具路径生成方法的一个实施例进行说明，在实际应用中，刀具路径光顺指标可以根据机床旋转轴运动轨迹和刀尖点运动轨迹来确定，请参阅图5，本申请实施例中刀具路径生成方法的一个实施例包括：

501、根据各个第二刀具姿态序列获得刀尖点轨迹连续曲线和机床旋转轴运动轨迹连续曲线；

对各个第二刀具姿态序列通过使用B样条曲线插值刀位数据来获得刀尖点轨迹和机床旋转轴运动轨迹。

B样条曲线曲面具有几何不变性、凸包性、保凸性、变差减小性、局部支撑性等许多优良性质，是CAD系统常用的几何表示方法，是B-样条基曲线的线性组合，也是贝兹曲线(又称贝塞尔曲线)的一种一般化。

插值是用于填充离散数据之间的空隙，在离散数据的基础上补插连续函数，使得这条连续曲线通过全部给定的离散数据点。插值是离散函数逼近的重要方法，利用它可通过函数在有限个点处的取值状况，估算出函数在其他点处的近似值。在本实施例中，通过插值刀位数据使刀尖点轨迹和机床旋转轴运动轨迹变成连续曲线。

502、计算刀具路径光顺指标；

采用刀尖点轨迹和机床旋转轴运动轨迹的一阶、二阶、三阶导数平方和作为刀具路径光顺指标。示例性的，可以通过以下矩阵表达式对光顺指标进行计算：

F_first,forth＝d_forth ^T·H₁·d_forth,F_second,forth＝d_forth ^T·H₂·d_forth,F_third,forth＝d_forth ^T·H₃·d_forth

F_first,fifth＝d_fifth ^T·H₁·d_fifth,F_second,fifth＝d_fifth ^T·H₂·d_fifth,F_third,fifth＝d_fifth ^T·H₃·d_fifth

F_first,pt＝d_pt ^T·H₁·d_pt,F_second,pt＝d_pt ^T·H₂·d_pt,F_third,pt＝d_pt ^T·H₃·d_pt

其中，F为刀具路径光顺指标；下标first、second和third分别为一阶导数、二阶导数和三阶导数；下标forth和fifth分别表示机床第四轴和机床第五轴；下标pt表示刀尖点。

其中，d表示刀尖点运动轨迹和机床旋转轴运动轨迹的控制点，控制点定义为控制曲线形状的必要定点，

为l维实数集合，l表示控制点个数。

其中，H1、H2和H3均为刚度矩阵，示例性的，可以通过以下表达式进行计算：

其中，p表示B样条曲线次数，B_i,p(u)是B样条曲线的基函数，[u_p，u_l]是刀尖点运动轨迹和机床旋转轴运动轨迹的定义域。

从上述实施例四可以看出有以下有益效果：

通过使用B样条曲线插值刀位数据，得到刀尖点轨迹连续曲线和机床旋转轴运动轨迹连续曲线，采用刀尖点轨迹和机床旋转轴运动轨迹的一阶、二阶、三阶导数平方和作为刀具路径光顺指标，相对于现有技术，本方案能避免所得旋转轴运动轨迹只能C0连续，容易发生突变现象的问题，保证了刀具路径的光顺程度，提高了工件的加工质量，减少留有刀具痕迹以及过切工件的现象。

与前述应用功能实现方法实施例相对应，本申请还提供了一种刀具路径生成方法的电子设备及相应的实施例。

图6是本申请实施例示出的电子设备的结构示意图。

参见图6，电子设备1000包括存储器1010和处理器1020。

处理器1020可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

存储器1010可以包括各种类型的存储单元，例如系统内存、只读存储器(ROM)，和永久存储装置。其中，ROM可以存储处理器1020或者计算机的其他模块需要的静态数据或者指令。永久存储装置可以是可读写的存储装置。永久存储装置可以是即使计算机断电后也不会失去存储的指令和数据的非易失性存储设备。在一些实施方式中，永久性存储装置采用大容量存储装置(例如磁或光盘、闪存)作为永久存储装置。另外一些实施方式中，永久性存储装置可以是可移除的存储设备(例如软盘、光驱)。系统内存可以是可读写存储设备或者易失性可读写存储设备，例如动态随机访问内存。系统内存可以存储一些或者所有处理器在运行时需要的指令和数据。此外，存储器1010可以包括任意计算机可读存储媒介的组合，包括各种类型的半导体存储芯片(DRAM，SRAM，SDRAM，闪存，可编程只读存储器)，磁盘和/或光盘也可以采用。在一些实施方式中，存储器1010可以包括可读和/或写的可移除的存储设备，例如激光唱片(CD)、只读数字多功能光盘(例如DVD-ROM，双层DVD-ROM)、只读蓝光光盘、超密度光盘、闪存卡(例如SD卡、min SD卡、Micro-SD卡等等)、磁性软盘等等。计算机可读存储媒介不包含载波和通过无线或有线传输的瞬间电子信号。

存储器1010上存储有可执行代码，当可执行代码被处理器1020处理时，可以使处理器1020执行上文述及的方法中的部分或全部。

上文中已经参考附图详细描述了本申请的方案。在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。本领域技术人员也应该知悉，说明书中所涉及的动作和模块并不一定是本申请所必须的。另外，可以理解，本申请实施例方法中的步骤可以根据实际需要进行顺序调整、合并和删减，本申请实施例装置中的模块可以根据实际需要进行合并、划分和删减。

此外，根据本申请的方法还可以实现为一种计算机程序或计算机程序产品，该计算机程序或计算机程序产品包括用于执行本申请的上述方法中部分或全部步骤的计算机程序代码指令。

或者，本申请还可以实施为一种非暂时性机器可读存储介质(或计算机可读存储介质、或机器可读存储介质)，其上存储有可执行代码(或计算机程序、或计算机指令代码)，当所述可执行代码(或计算机程序、或计算机指令代码)被电子设备(或电子设备、服务器等)的处理器执行时，使所述处理器执行根据本申请的上述方法的各个步骤的部分或全部。

本领域技术人员还将明白的是，结合这里的申请所描述的各种示例性逻辑块、模块、电路和算法步骤可以被实现为电子硬件、计算机软件或两者的组合。

附图中的流程图和框图显示了根据本申请的多个实施例的系统和方法的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标记的功能也可以以不同于附图中所标记的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

以上已经描述了本申请的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (8)

1.一种刀具路径生成方法，其特征在于，包括：

步骤1：分解刀具路径为x段子刀轨，所述x为大于1的整数；

步骤2：根据预设的采样间隔在刀具姿态角范围内确定所述子刀轨中y个刀触点的可行刀具姿态，所述刀具姿态角范围为预设的刀具角度变化范围，其中，一个所述刀触点对应有z个所述可行刀具姿态，所述y为大于1的整数；

步骤3：根据所述可行刀具姿态确定所述x段子刀轨中每段子刀轨对应的z个第一刀具姿态序列；

所述根据所述可行刀具姿态确定所述x段子刀轨中每段子刀轨对应的z个第一刀具姿态序列，包括：

步骤3.1：针对第一段子刀轨的第一个刀触点的z个所述可行刀具姿态中的第一个可行刀具姿态，在其余的y-1个所述刀触点中通过最短路径算法连接对应匹配的所述可行刀具姿态，获得所述第一段子刀轨对应的首个所述第一刀具姿态序列；

根据所述步骤3.1的处理方式，分别得到所述第一段子刀轨中的其余z-1个所述第一刀具姿态序列；

所述根据所述步骤3.1的处理方式，分别得到所述第一段子刀轨中的其余z-1个所述第一刀具姿态序列之后，包括：

在第i段子刀轨首个刀触点之前，插入第i-1段子刀轨最后一个刀触点的所述可行刀具姿态，所述i为大于1小于x的整数；

所述第i段子刀轨首个刀触点的所述可行刀具姿态与所述第i-1段子刀轨最后一个刀触点的所述可行刀具姿态对应匹配；

所述第i段子刀轨中第k个刀触点的可行刀具姿态与第k-1个刀触点的可行刀具姿态对应匹配，所述k为大于1小于y的整数；

第x段子刀轨的第y个刀触点的可行刀具姿态与第y-1个刀触点的可行刀具姿态对应匹配；

步骤4：针对于所述z个第一刀具姿态序列中的每一个第一刀具姿态序列，通过最短路径算法将所述x段子刀轨中各个对应匹配的所述第一刀具姿态序列进行首尾相接，得到z个第二刀具姿态序列，所述第二刀具姿态序列为所述刀具路径的完整刀具姿态序列；

步骤5：确定所述z个第二刀具姿态序列的光顺指标；

步骤6：根据所述光顺指标在所述z个第二刀具姿态序列中确定第三刀具姿态序列，所述第三刀具姿态序列为所述z个第二刀具姿态序列中的最优刀具姿态序列。

2.根据权利要求1所述的刀具路径生成方法，其特征在于，

所述根据所述光顺指标在所述z个第二刀具姿态序列中确定第三刀具姿态序列之后，包括：

判断当前所述第三刀具姿态序列计算步骤的迭代次数是否满足预设值；

若不满足，则调整所述刀具姿态角范围和所述采样间隔，重新执行所述步骤2至所述步骤6；

若满足，则确认选择当前所述第三刀具姿态序列作为第四刀具姿态序列，所述第四刀具姿态序列为最终输出的刀具姿态序列，根据所述第四刀具姿态序列生成所述刀具路径。

3.根据权利要求1所述的刀具路径生成方法，其特征在于，

所述根据预设的采样间隔在刀具姿态角范围内确定所述子刀轨中y个刀触点的可行刀具姿态，包括：

根据刀位数据执行碰撞检测，根据碰撞检测的结果判断是否为所述可行刀具姿态，所述刀位数据由刀具姿态角计算获得。

4.根据权利要求3所述的刀具路径生成方法，其特征在于，

所述根据刀位数据执行碰撞检测之前，包括：

指定刀柄与加工工件，或刀杆与加工工件的偏置距离，所述偏置距离为所述刀柄与所述加工工件，或所述刀杆与所述加工工件的预设最小距离指定值。

5.根据权利要求3所述的刀具路径生成方法，其特征在于，

所述根据刀位数据执行碰撞检测，包括：

将加工工件的加工曲面离散为第一点云；

获取第二点云，并通过坐标系变换将所述第二点云转换至刀具坐标系中，分别计算所述第二点云中各点到刀具轴线的第一距离，所述第二点云为所述第一点云中与指定点的欧氏距离在预设半径范围内的点集，所述指定点为所述刀具坐标系中的预设定点；

根据所述第一距离判断所述加工曲面与刀具切削部分、刀杆或刀柄是否发生碰撞干涉，确定在当前刀位数据下的刀具姿态是否为所述可行刀具姿态。

6.根据权利要求1所述的刀具路径生成方法，其特征在于，

所述确定所述z个第二刀具姿态序列的光顺指标，包括：

根据所述第二刀具姿态序列，通过插值获取所述第二刀具姿态序列对应的机床旋转轴运动轨迹和刀尖点运动轨迹，根据所述机床旋转轴运动轨迹和刀尖点运动轨迹确定光顺指标。

7.一种电子设备，其特征在于，包括：

处理器；以及

存储器，其上存储有可执行代码，当所述可执行代码被所述处理器执行时，使所述处理器执行如权利要求1-6中任一项所述的方法。

8.一种非暂时性机器可读存储介质，其上存储有可执行代码，当所述可执行代码被电子设备的处理器执行时，使所述处理器执行如权利要求1-6中任一项所述的方法。

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