CN114211380A - 一种基于等步长法的封头抛光路径规划的方法 - Google Patents

一种基于等步长法的封头抛光路径规划的方法 Download PDF

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CN114211380A CN202210154248.8A CN202210154248A CN114211380A CN 114211380 A CN114211380 A CN 114211380A CN 202210154248 A CN202210154248 A CN 202210154248A CN 114211380 A CN114211380 A CN 114211380A
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polishing
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孙南山
陈昕
方成刚
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Abstract

本发明公开一种基于等步长法的封头抛光路径规划的方法,采用统一的曲线表达式对不同压力容器封头进行建模并将其参数化表示;在保证封头弓高允差的要求下,采用等距离步长法求出封头曲线上曲率最大,即最小曲率半径处的抛光步长;弓高允差的大小将理想封头曲线进行偏置;抛光步长大小得到实际封头曲线,与偏置曲线进行比较,从而验证所求抛光步长的正确性。本发明基于等距离步长法来求出封头曲线在最大曲率变化处的抛光步长,保证了封头表面光洁度,提高了抛光步长的计算速度和抛光工作效率;通过开发的抛光交互界面系统,操作人员可直接输入封头尺寸、工艺参数生成G代码,提高了抛光工作效率,改善了操作人员的工作条件。

Description

一种基于等步长法的封头抛光路径规划的方法
技术领域
本发明属于自动化技术领域,具体地说,涉及一种压力容器封头曲线基于等步长法生成抛光G代码的方法。
背景技术
压力容器封头大致可分为以下几类:球形、椭圆形、碟形等,由于封头表面及其内壁在制造过程中会产生毛刺、凹凸等缺陷,因此需要对其进行抛光处理。
近年来,各封头抛光企业开始逐步从人工抛光转向数控抛光,数控抛光编程系统是集建立封头模型、生成抛光轨迹、生成指定G代码等功能为一体,因此针对不同形状的封头抛光需要分别建模;封头的抛光路径规划算法主要有等弓高差法、等步长法等,在保证封头光洁度的前提下,算法的计算速度和工作效率也尤为重要。
由上可知,为了提高抛光工作效率以及抛光路径规划算法的计算速度,需要解决数控抛光编程系统针对不同封头分别建模的问题和封头抛光在路径规划步长计算方面存在的问题。
发明内容
为了解决压力容器封头抛光在路径规划步长计算方面存在的问题,本发明提出了一种封头曲线基于等距离步长的方法来进行抛光路径规划,根据所要抛光封头的光洁度要求(弓高允差)来确定抛光步长。采用新的等步长法确定的加工路径轨迹,在实际抛光工作中大大减少了抛光步长的计算量,提高了计算速度和工作效率。
为了达到上述目的,具体技术方案如下:
一种基于等步长法的封头抛光路径规划的方法,该方法包括以下步骤:
S1、采用统一的曲线表达式(NURBS曲线)对不同压力容器封头:椭圆、球形、碟形等进行建模并将其参数化表示;
S2、在保证封头表面光洁度(弓高允差)的要求下,采用等距离步长算法求出封头曲线上曲率最大,即最小曲率半径处的抛光步长;
S3、根据步骤S2中弓高允差大小将理想封头曲线进行偏置;
S4、根据步骤S2中抛光步长大小得到实际封头曲线,与步骤S3中偏置曲线进行比较,从而验证所求抛光步长的正确性;
进一步地,步骤S1中对不同封头曲线进行统一建模并将其参数化表示步骤如下:
S1-1、采用NURBS曲线表达式来表达压力容器椭圆、球形、碟形等封头曲线;
Figure 303479DEST_PATH_IMAGE001
式中
Figure 578864DEST_PATH_IMAGE002
为封头曲线控制顶点;
式中
Figure 444052DEST_PATH_IMAGE003
为权因子;
式中
Figure 645226DEST_PATH_IMAGE004
为K次B样条基函数,由节点矢量
Figure 228654DEST_PATH_IMAGE005
按Cox-de Boor递推公式定义:
Figure 478370DEST_PATH_IMAGE006
S1-2、将封头NURBS曲线参数化表示;
结合具体封头尺寸形状特征,根据权因子对曲线类型的影响,可赋值
Figure 525961DEST_PATH_IMAGE007
,求出
Figure 835719DEST_PATH_IMAGE008
表达式。用解析法求出
Figure 906443DEST_PATH_IMAGE009
等参数以及封头曲线控制顶点
Figure 22167DEST_PATH_IMAGE002
将已知条件带入封头NURBS表达式解得封头参数方程为:
Figure 861947DEST_PATH_IMAGE010
进一步地,步骤S2中采用等距离步长法求抛光步长步骤如下:
S2-1、对步骤S1-2中封头曲线
Figure 903459DEST_PATH_IMAGE011
求一阶、二阶微分:
Figure 195900DEST_PATH_IMAGE012
Figure 52998DEST_PATH_IMAGE013
S2-2、求出封头曲线上对应各抛光轮触点曲率以及对应曲率半径:
Figure 747284DEST_PATH_IMAGE014
Figure 461162DEST_PATH_IMAGE015
S2-3、遍历上述封头曲线中各触点所对应的曲率以及曲率半径,并找出其中最大曲率(最小曲率半径);
由步骤S2-2已知:
Figure 506479DEST_PATH_IMAGE016
求解得到
Figure 901688DEST_PATH_IMAGE017
S2-4、根据几何关系,求出抛光压力容器封头的步长、抛光弓高差、抛光轮触点对应曲率半径三者之间的表达式;
曲率半径、抛光步长、弓高差之间的关系式如下:
Figure 512798DEST_PATH_IMAGE018
S2-5、根据要求弓高允差的大小,求出具体抛光步长;
根据封头光洁度要求(弓高差e),求出最大步长关系式如下:
Figure 600839DEST_PATH_IMAGE019
进一步地,步骤S3中根据弓高允差将封头曲线进行偏置步骤如下:
S3-1、根据已知封头曲线
Figure 867873DEST_PATH_IMAGE011
,求出沿该封头曲线上每一点的法向矢量
Figure 129090DEST_PATH_IMAGE020
Figure 532389DEST_PATH_IMAGE021
S3-2、设封头曲线上
Figure 791332DEST_PATH_IMAGE011
任意一点
Figure 109443DEST_PATH_IMAGE022
为抛光轮触点,则下一抛光轮触点为
Figure 846455DEST_PATH_IMAGE023
S3-3、将上述封头曲线沿着法向矢量正向(或负向)偏置抛光允许弓高差距离e,得到封头的弓高误差偏置曲线
Figure 369841DEST_PATH_IMAGE024
Figure 799685DEST_PATH_IMAGE025
为了解决数控抛光编程系统针对不同封头需要分别建模的问题,本发明基于Matlab软件开发了一个友好的封头抛光交互界面。采用该界面,在实际抛光工作中可直接输入不同封头的尺寸参数、抛光工艺参数即可生成抛光G代码文件。
为了达到上述目的,具体技术方案如下:
封头选择模块,用于选择具体封头类型;
图形预览模块,用于操作人员预览具体封头的图形信息;
尺寸参数模块,用于操作人员输入具体封头尺寸参数;
工艺参数模块,用于操作人员输入具体抛光工艺参数,更进一步地,所述工艺参数模块包括:
抛光轮直径(mm);
抛光线速度(m/s);
压紧力(N);
转速(r/min);
抛光进给(mm/r);
代码生成模块,用于生成并保存抛光G代码;
界面操作说明,具体说明内容如下:
抛光轮直径(mm)、转速(r/min)、抛光进给(mm/r)抛光线速度(m/s)、压紧力(N):具有输入提示(报警)功能;
抛光线速度(m/s):根据线速度公式,输入相关参数后在线速度窗口自动弹出具体值;
压紧力(N):根据压紧力实验公式,输入相关参数后在压紧力窗口自动弹出具体值;
生成模块:任意参数漏输时无法生成代码文件,弹出报警(再次确认)窗口;
本发明的有益效果是:
本发明基于等距离步长法来求出封头曲线在最大曲率变化处的抛光步长,在保证了封头表面光洁度的要求下还大大提高了抛光步长的计算速度和抛光工作效率;通过开发的抛光交互界面,操作人员可直接输入封头尺寸、工艺参数生成G代码,进一步的提高了抛光工作效率,还改善了操作人员的工作条件。
附图说明
图1为封头曲线、弓高差偏置曲线示意图;
图2为自由曲线弓高差、弦长步长示意图;
图3为椭圆弓高允差、弦长步长示意图;
图4为碟形弓高允差、弦长步长示意图;
图5为曲率半径、弓高差、弦长步长几何示意图;
图6为开发软件的登录界面截图;
图7为开发软件的操作界面截图;
图8为椭圆封头G代码生成的界面截图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案更加清楚明白,以下将结合附图详细说明本发明的优选实施方式。
实施例(一):压力容器椭圆封头
如图3,抛光轮在压力容器椭圆封头上作业,实际加工曲线与理想曲线之间的误差称之为弓高误差,相邻抛光轮触点之间的距离称之为抛光步长。本发明通过抛光弦长步长与曲率半径的关系式并给定弓高误差的大小,进而求出封头椭圆曲线上曲率最大即曲率半径最小处(曲率变化最明显处)的抛光步长,最终达到抛光椭圆形压力容器封头路径规划的目的。具体步骤如下:
S1、给定具体椭圆封头尺寸参数,椭圆封头方程
Figure 838048DEST_PATH_IMAGE026
,其中
Figure 378751DEST_PATH_IMAGE027
Figure 22222DEST_PATH_IMAGE028
S2、采用NURBS曲线来表达上述压力容器椭圆封头曲线:
Figure 419705DEST_PATH_IMAGE001
式中
Figure 148627DEST_PATH_IMAGE002
为封头曲线控制顶点:
Figure 227441DEST_PATH_IMAGE029
Figure 787735DEST_PATH_IMAGE030
Figure 293803DEST_PATH_IMAGE031
Figure 510021DEST_PATH_IMAGE032
Figure 392526DEST_PATH_IMAGE033
Figure 305862DEST_PATH_IMAGE034
Figure 248410DEST_PATH_IMAGE035
式中
Figure 686345DEST_PATH_IMAGE003
为权因子:
Figure 169279DEST_PATH_IMAGE036
,令
Figure 641849DEST_PATH_IMAGE037
Figure 489719DEST_PATH_IMAGE038
式中节点矢量:
Figure 477266DEST_PATH_IMAGE039
Figure 701574DEST_PATH_IMAGE004
为K次B样条基函数:
Figure 28650DEST_PATH_IMAGE040
Figure 375318DEST_PATH_IMAGE041
Figure 787845DEST_PATH_IMAGE042
Figure 550265DEST_PATH_IMAGE043
S3、将封头NURBS曲线参数化表示;
将步骤S2中各参数带入NURBS曲线中得到一般表达式:
Figure 295629DEST_PATH_IMAGE044
将封头曲线的控制顶点
Figure 750881DEST_PATH_IMAGE045
带入上述表达式解得:
Figure 650704DEST_PATH_IMAGE046
Figure 279131DEST_PATH_IMAGE047
,此时
Figure 315221DEST_PATH_IMAGE048
Figure 941374DEST_PATH_IMAGE049
Figure 390810DEST_PATH_IMAGE050
Figure 495032DEST_PATH_IMAGE051
,此时
Figure 651207DEST_PATH_IMAGE052
Figure 510579DEST_PATH_IMAGE053
采用解析法求得
Figure 119414DEST_PATH_IMAGE054
Figure 292907DEST_PATH_IMAGE055
Figure 864440DEST_PATH_IMAGE056
,带入
Figure 832396DEST_PATH_IMAGE057
Figure 928528DEST_PATH_IMAGE058
得到该椭圆封头参数方程:
Figure 436870DEST_PATH_IMAGE059
S4、求该椭圆封头的抛光步长;
根据该椭圆封头弓高允差(e=0.01mm)求出抛光步长,步骤如下:
S4-1、对上述封头曲线
Figure 567637DEST_PATH_IMAGE011
求一阶、二阶微分:
Figure 706494DEST_PATH_IMAGE060
Figure 352239DEST_PATH_IMAGE061
S4-2、求出封头曲线上对应各抛光轮触点曲率以及对应曲率半径:
Figure 601955DEST_PATH_IMAGE062
Figure 587228DEST_PATH_IMAGE063
S4-3、遍历上述封头曲线中各触点所对应的曲率及其对应曲率半径,并找出其中最大曲率(最小曲率半径),带入抛光步长、弓高差、曲率半径三者关系式中得到该椭圆封头抛光步长:
Figure 959304DEST_PATH_IMAGE064
S5、根据步骤S4中抛光步长大小得到实际封头曲线,与理论封头曲线偏置曲线进行比较,从而验证所求抛光步长的正确性;
偏置理论封头曲线步骤如下:
S5-1、根据已知封头曲线
Figure 30028DEST_PATH_IMAGE011
,求出沿该封头曲线上每一点的法向矢量
Figure 83435DEST_PATH_IMAGE020
Figure 923215DEST_PATH_IMAGE065
S5-2、将上述封头曲线沿着法向矢量正向(或负向)偏置抛光允许弓高差距离e,得到封头的弓高误差偏置曲线
Figure 967656DEST_PATH_IMAGE024
Figure 260098DEST_PATH_IMAGE066
实施例(二):压力容器碟形封头
如图4,抛光轮在压力容器碟形封头上作业,实际加工曲线与理想曲线之间的误差称之为弓高误差,相邻抛光轮触点之间的距离称之为抛光步长。本发明通过抛光弦长步长与曲率半径的关系式并给定弓高误差的大小,进而求出封头碟形曲线上曲率最大即曲率半径最小处(曲率变化最明显处)的抛光步长,最终达到抛光碟形压力容器封头路径规划的目的。具体步骤如下:
S1、给定具体碟形封头尺寸参数,碟形封头方程为
Figure 117195DEST_PATH_IMAGE067
其中
Figure 873799DEST_PATH_IMAGE068
S2、采用NURBS曲线来表达上述压力容器碟形封头曲线:
Figure 525360DEST_PATH_IMAGE001
式中
Figure 570676DEST_PATH_IMAGE002
为封头曲线控制顶点:
Figure 28202DEST_PATH_IMAGE029
Figure 576995DEST_PATH_IMAGE030
Figure 665037DEST_PATH_IMAGE031
Figure 994387DEST_PATH_IMAGE032
Figure 927708DEST_PATH_IMAGE033
Figure 596587DEST_PATH_IMAGE034
Figure 416382DEST_PATH_IMAGE035
式中
Figure 905132DEST_PATH_IMAGE003
为权因子:
Figure 907723DEST_PATH_IMAGE036
,令
Figure 493425DEST_PATH_IMAGE037
Figure 657690DEST_PATH_IMAGE038
式中节点矢量:
Figure 899316DEST_PATH_IMAGE039
Figure 502336DEST_PATH_IMAGE004
为K次B样条基函数:
Figure 880227DEST_PATH_IMAGE040
Figure 480973DEST_PATH_IMAGE041
Figure 6632DEST_PATH_IMAGE042
Figure 351026DEST_PATH_IMAGE043
S3、将封头NURBS曲线参数化表示;
将步骤S2中各参数带入NURBS曲线中得到一般表达式:
Figure 475102DEST_PATH_IMAGE044
将封头曲线的控制顶点
Figure 981170DEST_PATH_IMAGE045
带入上述表达式解得:
Figure 259704DEST_PATH_IMAGE046
Figure 142210DEST_PATH_IMAGE047
,此时
Figure 494693DEST_PATH_IMAGE048
Figure 233979DEST_PATH_IMAGE049
Figure 671914DEST_PATH_IMAGE050
Figure 358110DEST_PATH_IMAGE051
,此时
Figure 125953DEST_PATH_IMAGE052
Figure 239402DEST_PATH_IMAGE053
采用解析法求得
Figure 226950DEST_PATH_IMAGE054
Figure 451258DEST_PATH_IMAGE069
Figure 778334DEST_PATH_IMAGE070
,带入
Figure 125002DEST_PATH_IMAGE057
Figure 271949DEST_PATH_IMAGE058
得到该碟形封头参数方程:
Figure 299948DEST_PATH_IMAGE071
S4、求该碟形封头的抛光步长;
根据该碟形封头弓高允差(e=0.01mm)求出抛光步长,步骤如下:
S4-1、对上述封头曲线
Figure 543848DEST_PATH_IMAGE011
求一阶、二阶微分:
Figure 999100DEST_PATH_IMAGE072
Figure 898923DEST_PATH_IMAGE073
S4-2、求出封头曲线上对应各抛光轮触点曲率以及对应曲率半径:
Figure 465033DEST_PATH_IMAGE074
Figure 64904DEST_PATH_IMAGE075
S4-3、遍历上述封头曲线中各触点所对应的曲率及其对应曲率半径,并找出其中最大曲率(最小曲率半径),带入抛光步长、弓高差、曲率半径三者关系式中得到该碟形封头抛光步长:
Figure 691057DEST_PATH_IMAGE076
S5、根据步骤S4中抛光步长大小得到实际封头曲线,与理论封头曲线偏置曲线进行比较,从而验证所求抛光步长的正确性;
偏置理论封头曲线步骤如下:
S5-1、根据已知封头曲线
Figure 812597DEST_PATH_IMAGE011
,求出沿该封头曲线上每一点的法向矢量
Figure 244715DEST_PATH_IMAGE020
Figure 400890DEST_PATH_IMAGE077
S5-2、将上述封头曲线沿着法向矢量正向(或负向)偏置抛光允许弓高差距离e,得到封头的弓高误差偏置曲线
Figure 197945DEST_PATH_IMAGE024
Figure 869098DEST_PATH_IMAGE078
实施例(三):开发界面说明,以实施例一中椭圆封头为例
如图7,该椭圆封头G代码生成界面由图形预览面板和控制面板组成,操作人员可根据图形预览中椭圆封头曲线的尺寸标注,结合实际封头大小给定压力容器椭圆封头曲线尺寸参数:长半轴、短半轴,并根据实际抛光需要给定压力容器椭圆封头的抛光工艺参数:抛光轮直径、抛光线速度、转速、进给速度、压紧力,最终达到自动生成抛光G代码的目的。具体步骤如下:
S1、选择具体封头类型:椭圆,根据图形预览中椭圆封头曲线的尺寸标注,给定压力容器椭圆封头曲线尺寸参数,点击“生成图形”,可生成抛光图形,参数值如下:
长半轴:800mm
短半轴:400mm;
S2、给定抛光压力容器封头的抛光工艺参数并在对应文本框中输入,参数值如下:
抛光轮直径:180mm
抛光线速度:30m/s
压紧力:140N
转速:2800r/min
抛光进给:0.01mm/r;
S3、操作人员正常输入上述参数可进入步骤(4),如果未输入其中某一个参数,界面会弹出报警窗口,点击“确定“后将参数补全进入步骤(4);
S4、根据上述一种基于等距离步长法的方法求出抛光步长为3.9mm,点击“generate“,生成G代码文件并保存(nc、txt等格式);
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于等步长法的封头抛光路径规划的方法,其特征在于:该方法包括以下步骤:
S1、采用统一的曲线表达式对不同压力容器封头进行建模并将其参数化表示;
S2、在保证封头弓高允差的要求下,采用等距离步长法求出封头曲线上曲率最大,即最小曲率半径处的抛光步长;
S3、根据步骤S2中弓高允差的大小将理想封头曲线进行偏置;
S4、根据步骤S2中抛光步长大小得到实际封头曲线,与步骤S3中偏置曲线进行比较,从而验证所求抛光步长的正确性。
2.根据权利要求1所述一种基于等步长法的封头抛光路径规划的方法,其特征在于:所述步骤S1中对不同压力容器封头曲线进行统一建模并将其参数化表示步骤如下:
S1-1、采用NURBS曲线表达式来表达压力容器椭圆、球形、碟形的封头曲线;
Figure 988513DEST_PATH_IMAGE001
式中
Figure 999194DEST_PATH_IMAGE002
为封头曲线控制顶点;
式中
Figure 967150DEST_PATH_IMAGE003
为权因子;
式中
Figure 125599DEST_PATH_IMAGE004
为K次B样条基函数,由节点矢量
Figure 837203DEST_PATH_IMAGE005
按Cox-de Boor递推公式定义:
Figure 967970DEST_PATH_IMAGE006
S1-2、将封头NURBS曲线参数化表示:
结合具体封头尺寸形状特征,根据权因子对曲线类型的影响,可赋值
Figure 169145DEST_PATH_IMAGE007
,求出
Figure 486993DEST_PATH_IMAGE008
表达式;用解析法求出
Figure 2288DEST_PATH_IMAGE009
等参数以及封头曲线控制顶点
Figure 49879DEST_PATH_IMAGE002
将已知条件带入封头NURBS表达式解得封头参数方程为:
Figure 359637DEST_PATH_IMAGE010
3.根据权利要求1所述一种基于等步长法的封头抛光路径规划的方法,其特征在于:所述步骤S2中采用等距离步长法求抛光步长步骤如下:
S2-1、对步骤S1-2中封头曲线
Figure 164782DEST_PATH_IMAGE011
求一阶、二阶微分:
Figure 781971DEST_PATH_IMAGE012
Figure 621751DEST_PATH_IMAGE013
S2-2、求出封头曲线上对应各抛光轮触点曲率以及对应曲率半径:
Figure 102411DEST_PATH_IMAGE014
Figure 722748DEST_PATH_IMAGE015
S2-3、遍历上述封头曲线中各触点所对应的曲率以及曲率半径,并找出其中最大曲率,即最小曲率半径;
由步骤S2-2已知:
Figure 314266DEST_PATH_IMAGE016
求解得到
Figure 274132DEST_PATH_IMAGE017
S2-4、根据几何关系,求出抛光压力容器封头的步长、抛光弓高允差、抛光轮触点对应曲率半径三者之间的表达式;
曲率半径、抛光步长、弓高允差之间的关系式如下:
Figure 988010DEST_PATH_IMAGE018
S2-5、根据要求弓高允差的大小,求出具体抛光步长:
根据封头光洁度要求(弓高差e),求出最大步长关系式如下:
Figure 767747DEST_PATH_IMAGE019
4.根据权利要求1所述一种基于等步长法的封头抛光路径规划的方法,其特征在于:所述步骤S3中根据弓高允差将封头曲线进行偏置步骤如下:
S3-1、根据已知封头曲线
Figure 162956DEST_PATH_IMAGE011
,求出沿该封头曲线上每一点的法向矢量
Figure 39646DEST_PATH_IMAGE020
Figure 862108DEST_PATH_IMAGE021
S3-2、设封头曲线上
Figure 129141DEST_PATH_IMAGE011
任意一点
Figure 888894DEST_PATH_IMAGE022
为抛光轮触点,则下一抛光轮触点为
Figure 557772DEST_PATH_IMAGE023
S3-3、将上述封头曲线沿着法向矢量正向或负向偏置抛光允许弓高允差距离e,得到封头的弓高误差偏置曲线
Figure 551136DEST_PATH_IMAGE024
Figure 305466DEST_PATH_IMAGE025
5.根据权利要求1所述一种基于等步长法的封头抛光路径规划的方法,其特征在于:采用封头抛光交互界面系统,该系统在抛光工作中可直接输入不同封头的尺寸参数、抛光工艺参数即可生成抛光G代码文件;
该系统包括封头选择模块、图形预览模块、尺寸参数模块、工艺参数模块、代码生成模块和生成模块;
封头选择模块,用于选择具体封头类型;
图形预览模块,用于操作人员预览具体封头的图形信息;
尺寸参数模块,用于操作人员输入具体封头尺寸参数;
工艺参数模块,用于操作人员输入具体抛光工艺参数;
代码生成模块,用于生成并保存抛光G代码;
生成模块:任意参数漏输时无法生成代码文件,弹出报警(再次确认)窗口;
根据权利要求4所述一种基于等步长法的封头抛光路径规划的方法,其特征在于:所述工艺参数包括抛光轮直径、抛光线速度、压紧力、转速和抛光进给;
抛光线速度(m/s):根据线速度公式,输入相关参数后在线速度窗口自动弹出具体值;
压紧力(N):根据压紧力实验公式,输入相关参数后在压紧力窗口自动弹出具体值。
6.根据权利要求5所述一种基于等步长法的封头抛光路径规划的方法,其特征在于:输入抛光轮直径、转速、抛光进给、抛光线速度、压紧力的参数时具有输入提示或者报警功能。
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