CN115555914A

CN115555914A - 数控加工刀轨路径的规划方法和装置

Info

Publication number: CN115555914A
Application number: CN202211176419.3A
Authority: CN
Inventors: 胡铭
Original assignee: Shanghai Lynuc Numerical Control Technology Co ltd
Current assignee: Shanghai Lynuc Numerical Control Technology Co ltd
Priority date: 2022-09-26
Filing date: 2022-09-26
Publication date: 2023-01-03

Abstract

本申请公开了一种数控加工刀轨路径的规划方法和装置，规划方法包括构建贯穿目标几何模型的切割中心轴；构建多个环绕所述切割中心轴分布的切平面；计算每一所述切平面与所述目标几何模型的交线；基于所述交线，规划加工所述目标几何模型的刀轨路径。本申请规划方法通过均匀环绕切割中心轴布置的多个切平面获取交线，基于交线上获取的样本点，获取由加工零点最高点至最低点间均匀布置的环线，基于环线获取空间螺旋线，得到刀轨路径，能够适用于不同几何形状的模型中，保证刀轨路径的精度，同时简化刀轨路径构建过程。

Description

数控加工刀轨路径的规划方法和装置

技术领域

本申请属于数控加工技术领域，具体涉及一种数控加工刀轨路径的规划方法和装置。

背景技术

构建刀轨路径是数控加工零部件的第一步，现有技术一般是将待加工零部件的几何模型导入三维软件中，采用分层切割的方式获得切割面与模型的交点，并以此方式生成刀轨路径。

然而，这种构建方式的刀轨路径并不总是最优的，在遇到较大的几何模型时会遇到处理量过大，处理时间过长的情况。另外在待加工零部件的几何形状具有某些特征时，例如层间高度变化较小时，难以通过分层获得切割轨迹。

发明内容

本申请的目的在于提供一种数控加工刀轨路径的规划方法和装置，以解决现有技术中的刀轨路径构建方法构建的刀轨路径并不总是最优的，在遇到较大的几何模型时会遇到处理量过大，处理时间过长的情况，在待加工零部件的几何形状具有某些特征时，难以获得切割轨迹的技术问题。

为了实现上述目的，本申请采用的一个技术方案是：

提供一种数控加工刀轨路径的规划方法，包括：

构建贯穿目标几何模型的切割中心轴；

构建多个环绕所述切割中心轴分布的切平面；

计算每一所述切平面与所述目标几何模型的交线；

基于所述交线，规划加工所述目标几何模型的刀轨路径。

在一个或多个实施方式中，所述构建贯穿目标几何模型的切割中心轴的步骤包括：

构建直角坐标系；

平移和/或旋转所述目标几何模型，以使所述目标几何模型的加工零点位于最高点，且所述直角坐标系的Z轴穿过所述加工零点；

以所述直角坐标系的Z轴作为所述切割中心轴。

在一个或多个实施方式中，所述构建多个环绕所述切割中心轴分布的切平面的步骤包括：

构建以所述切割中心轴为边线的初始切平面；

以设定角度绕所述切割中心轴旋转所述初始切平面，获取其他所述切平面。

在一个或多个实施方式中，所述目标几何模型由三角面片组成；所述计算每一所述切平面与所述目标几何模型的交线的步骤包括：

计算每一所述切平面与所述目标几何模型中三角面片的交点；

构建连接每一所述切平面交点的样条曲线，作为所述交线。

在一个或多个实施方式中，所述构建连接每一所述切平面交点的样条曲线的步骤包括：

遍历所述交点以删除重复点；

对剩余的所述交点进行排序，并构建依序连接剩余的所述交点的样条曲线。

在一个或多个实施方式中，所述基于所述交线，规划加工所述目标几何模型的刀轨路径的步骤包括：

由每一所述交线上取v个均匀分布的样本点；

连接每条所述交线上位置对应的所述样本点，得到v条环线；

计算相邻所述环线之间的螺旋连接线，得到v-1条螺旋连接线；

连接所述v-1条螺旋连接线，得到刀轨路径。

在一个或多个实施方式中，所述计算相邻所述环线之间的螺旋连接线的步骤包括：

在相邻所述环线上位于同一所述交线的两个所述样本点之间进行线性插值，得到插值点；

依序连接位于相邻所述环线之间的所述插值点，得到所述螺旋连接线；

优选的，所述在相邻所述环线上位于同一所述交线的两个所述样本点之间进行线性插值，得到插值点的步骤具体为：

计算位于第i和第i+1条所述环线之间的螺旋连接线上的点Q_j：

其中，j＝(1,2,…,U)，U为所述切平面的总数量，

与

分别表示第i+1条和第i条所述环线中的第j个点,r＝j-1/U-1。

为了实现上述目的，本申请采用的另一个技术方案是：

提供一种数控加工刀轨路径的规划装置，包括：

第一构建模块，用于构建贯穿目标几何模型的切割中心轴；

第二构建模块，用于构建多个环绕所述切割中心轴分布的切平面；

计算模块，用于计算每一所述切平面与所述目标几何模型的交线；

规划模块，用于基于所述交线，规划加工所述目标几何模型的刀轨路径。

为了实现上述目的，本申请采用的又一个技术方案是：

提供一种电子设备，包括：

至少一个处理器；以及

存储器，所述存储器存储有指令，当所述指令被所述至少一个处理器执行时，使得所述至少一个处理器执行如上述任一实施方式所述的数控加工刀轨路径的规划方法。

为了实现上述目的，本申请采用的又一个技术方案是：

提供一种机器可读存储介质，其存储有可执行指令，所述指令当被执行时使得所述机器执行如上述任一实施方式所述的数控加工刀轨路径的规划方法。

区别于现有技术，本申请的有益效果是：

本申请的刀轨路径的规划方法能够解决传统刀轨路径构建方法在约到较大的几何模型时处理量过大、处理时间过长的问题；同时本申请的规划方法能够应用与不同几何模型，克服传统刀轨路径构建方法在应用至具有特定形状的几何模型时无法保证刀轨路径的精度的问题；

本申请的刀轨路径的规划方法通过均匀环绕切割中心轴布置的多个切平面获取交线，基于交线上获取的样本点，获取由加工零点最高点至最低点间均匀布置的环线，基于环线获取空间螺旋线，得到刀轨路径，能够适用于不同几何形状的模型中，保证刀轨路径的精度，同时简化刀轨路径构建过程。

附图说明

图1是传统刀轨路径的构建方法的示意图；

图2是几何模型的结构示意图；

图3是本申请数控加工刀轨路径的规划方法一实施方式的流程示意图；

图4是图3中步骤S100对应的一实施方式的流程示意图；

图5是图3中步骤S200对应的一实施方式的流程示意图；

图6是图5中步骤S201对应的一实施方式的结构示意图；

图7是图3中步骤S300对应的一实施方式的流程示意图；

图8是切平面与三角面片的相交状态示意图；

图9是图7中步骤S302对应的一实施方式的流程示意图；

图10是图3中步骤S400对应的一实施方式的流程示意图；

图11是图10中步骤S401对应的一实施方式的结构示意图；

图12是图10中步骤S403对应的一实施方式的流程示意图；

图13是图12中步骤S4032对应的一实施方式的结构示意图；

图14是图10中步骤S404对应的一实施方式的结构示意图；

图15是本申请数控加工刀轨路径的规划装置一实施方式的结构框图；

图16是本申请的电子设备一实施方式的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的各实施方式对本申请进行详细描述。但该等实施方式并不限制本申请，本领域的普通技术人员根据该等实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本申请的保护范围内。

传统的刀轨路径的构建一般是将待加工零部件的几何模型导入三维软件中，采用分层切割的方式获得切割面与模型的交点，并以此方式生成刀轨路径。

例如图1中的模型，图1是传统刀轨路径的构建方法的示意图。自模型最高的加工零点至最低点均匀设置若干切割面，计算每一切割面与模型的交点，来获取刀轨路径。其中，加工零点是数控加工的终点，设置在模型的最高点处，以保证数控机床自动构建坐标系的准确性。

但这种传统的构建方法在遇到较大的几何模型时会遇到处理量过大，处理时间过长的情况。特别地，在遇到具有一定形状的几何模型时，例如图2所示的几何模型，传统的构建方法无法通过分层获取准确的刀轨路径。

为了解决上述问题，申请人开发了一种新型的数控加工刀轨路径的规划方法，该规划方法通过平面切分模型的方式，有效避免了传统构建方法的缺点。

具体地，请参阅图3，图3是本申请数控加工刀轨路径的规划方法一实施方式的流程示意图。

该规划方法包括：

S100、构建贯穿目标几何模型的切割中心轴。

具体地，请参阅图4，图4是图3中步骤S100对应的一实施方式的流程示意图。

在一个实施方式中，切割中心轴的构建方法包括：

S101、构建直角坐标系。

该直角坐标系可以是目标几何模型原有的坐标系，也可以是重新构建的直角坐标系，均能够实现本实施方式的效果。

S102、平移和/或旋转目标几何模型，以使目标几何模型的加工零点位于最高点，且直角坐标系的Z轴穿过加工零点。

S103、以直角坐标系的Z轴作为切割中心轴。

将目标几何模型的加工零点调整至最高点位置，同时Z轴穿过加工零点，使得Z轴处于目标几何模型的中心位置，以Z轴作为切割中心轴能够保证后续对目标几何模型切割时的均匀度。

S200、构建多个环绕切割中心轴分布的切平面。

在切割中心轴的基础上，设置多个环绕设置的切平面，以将目标几何模型均匀切分成若干块。

具体地，请参阅图5，图5是图3中步骤S200对应的一实施方式的流程示意图。

在一个实施方式中，切平面的构建方法包括：

S201、构建以切割中心轴为边线的初始切平面。

在一个应用场景中，可以以XOZ平面内X小于0的区域作为初始切平面，如图6所示，图6是图5中步骤S201对应的一实施方式的结构示意图。

在其他应用场景中，也可以以切割中心轴为边线的任意一个平面作为初始切平面，均能够实现本实施方式的效果。

S202、以设定角度绕切割中心轴旋转初始切平面，获取其他切平面。

在一个应用场景中，可以绕切割中心轴每旋转0.5°得到一个切平面，总共得到720个切平面。在其他应用场景中，也可以以其他设定的角度旋转初始切平面，得到均匀环绕分布的多个切平面。

可以理解的，可以在避免处理量过大的前提下，获取尽量多的切平面，以保证刀轨路径的构建精度。

S300、计算每一切平面与目标几何模型的交线。

在一个应用场景中，目标几何模型可以为由三角面片组成的STL模型，该模型可以通过三维软件读取，也可以通过C++代码读取；在其他应用场景中，目标几何模型也可以是其他由面片组成的三维模型。

基于已知的切平面，能够获取切平面与目标几何模型的交线。

具体地，请参阅图7，图7是图3中步骤S300对应的一实施方式的流程示意图。

在一个实施方式中，计算交线的方法包括：

S301、计算每一切平面与目标几何模型中三角面片的交点。

基于已知的切平面和已知的模型面片，可以计算出切平面和模型面片的交点。

具体地，以目标几何模型中的面片为三角面片为例，切平面和模型面片的相交存在五种情况，如图8所示，图8是切平面与三角面片的相交状态示意图。

图8中最左侧示出的情况下，切平面与面片无交点，其余四种情况由于面片的顶点和切平面均是已知的，因此可以计算出此时切平面和面片的每个交点在坐标系中的位置。

S302、构建连接每一切平面交点的样条曲线，作为交线。

将计算出的交点依次连接构建样条曲线，即可得到交线。

具体地，请参阅图9，图9是图7中步骤S302对应的一实施方式的流程示意图。

在一个实施方式中，构建样条曲线的方法包括：

S3021、遍历交点以删除重复点。

S3022、对剩余的交点进行排序，并构建依序连接剩余的交点的样条曲线。

步骤S301计算出的交点实际上是无序性的，并且存在重复点。其中，无序性是由目标几何模型的三角面片的无序性导致的；存在重复点则是因为切平面切分两个有公共边的三角面片时，公共边上的交点被重复计算。

因此，可以首先遍历交点删除重复点，之后再对交点排序，依序连接剩余交点构建样条曲线，作为交线。

S400、基于交线，规划加工目标几何模型的刀轨路径。

通过获取每个切平面与目标几何模型的交线，能够开始规划刀轨路径。

具体地，请参阅图10，图10是图3中步骤S400对应的一实施方式的流程示意图。

规划刀轨路径的方法包括：

S401、由每一交线上取v个均匀分布的样本点。

基于已知的交线，能够由交线上获取均匀分布的样本点。在一个应用场景中，可以在交线上基于x坐标的单调变化获取100个样本点，如图11所示，图11是图10中步骤S401对应的一实施方式中，基于目标几何模型的交线取样本点的模型示意图。

在其他应用场景中，也可以基于其他变量，例如基于变量在交线上的交线变化来获取均匀分布的样本点。这里的变量可以是弧长、样本点的坐标值，也可以是坐标值的函数，均能够实现本实施方式的效果。

S402、连接每条交线上位置对应的样本点，得到v条环线。

将每条交线上位置对应的样本点连接，即可得到v条均匀间隔的环线。

配合参图11，还是以目标几何模型对应720条交线、且每条交线上取100个样本点为例。目标几何模型对应交线可以编号为L1、L2、L3、…、L720，并且，以交线与切割中心轴连接的点为初始参考点，自该初始参考点出发，交线L1上包括样本点L1-P1、L1-P2、LI-P3、…、L1-P100，交线L2上包括样本点L2-P1、L2-P2、L2-P3、…、L2-P100，以此类推，交线L720上包括样本点L720-P1、L720-P2、L720-P3、…、L720-P100。

在这样的一组交线中，本申请将其中的样本点L1-P1、L2-P1、……、L720-P1称为每条交线上位置对应的样本点，又或者，L1-P2、L2-P2、……、L720-P2也称为每条交线上位置对应的样本点。以此类推，这样的一组交线中包括100组位置对应的样本点，连接这些位置对应的每组样本点，可以得到100条上述的环线。

S403、计算相邻环线之间的螺旋连接线，得到v-1条螺旋连接线。

可以看出，在这样的构建方式中，相邻环线之间是跳跃性的，为了使得能够得到平滑的空间曲线，可以在相邻环线间进一步计算空间螺旋线。

具体地，请参阅图12，图12是图10中步骤S403对应的一实施方式的流程示意图。

计算螺旋连接线的方法包括：

S4031、在相邻环线上位于同一交线的两个样本点之间进行线性插值，得到插值点。

S4032、依序连接位于相邻环线之间的插值点，得到螺旋连接线。

可以通过线性插值的方式在相邻环线之间获得插值点，通过连接计算得到的插值点，可以得到平滑的空间螺旋线，即得到刀轨在相邻环线之间的路径。

在一个实施方式中，进行线性插值的方法具体为：

计算位于第i和第i+1条环线之间的螺旋连接线上的点Q_j：

其中，j＝(1,2,…,U)，U为切平面的总数量，

与

分别表示第i+1条和第i条环线中的第j个点,r＝j-1/U-1。

可以理解的，可以以相邻环线上对应的样本点作为线性插值的基点，在相邻环线上对应的样本点之间插入点Q_j，之后依序连接获取的插值点Q_j，即可获取在相邻环线之间的空间螺旋线，如图13所示，图13是图12中步骤S4032对应的一实施方式的结构示意图。

S404、连接v-1条螺旋连接线，得到刀轨路径。

将相邻环线的螺旋连接线依次连接，即可得到平滑的刀轨路径，如图14所示，图14是图10中步骤S404对应的一实施方式的结构示意图。

本申请还提供了一种数控加工刀轨路径的规划装置，如图15所示，图15是本申请数控加工刀轨路径的规划装置一实施方式的结构框图。

该规划装置包括第一构建模块21，第二构建模块22，计算模块23和规划模块24。

其中，第一构建模块21用于构建贯穿目标几何模型的切割中心轴；第二构建模块22用于构建多个环绕切割中心轴分布的切平面；计算模块23用于计算每一切平面与目标几何模型的交线；规划模块24用于基于交线，规划加工目标几何模型的刀轨路径。

如上参照图3到图14，对根据本说明书实施例数控加工刀轨路径的规划方法进行了描述。在以上对方法实施例的描述中所提及的细节，同样适用于本说明书实施例的数控加工刀轨路径的规划装置。上面的数控加工刀轨路径的规划装置可以采用硬件实现，也可以采用软件或者硬件和软件的组合来实现。

图16示出了本申请的电子设备一实施方式的结构示意图。如图16所示，电子设备30可以包括至少一个处理器31、存储器32(例如非易失性存储器)、内存33和通信接口34，并且至少一个处理器31、存储器32、内存33和通信接口34经由总线35连接在一起。至少一个处理器31执行在存储器32中存储或编码的至少一个计算机可读指令。

应该理解，在存储器32中存储的计算机可执行指令当执行时使得至少一个处理器31进行本说明书的各个实施例中以上结合图3-图14描述的各种操作和功能。

在本说明书的实施例中，电子设备30可以包括但不限于：个人计算机、服务器计算机、工作站、桌面型计算机、膝上型计算机、笔记本计算机、移动电子设备、智能电话、平板计算机、蜂窝电话、个人数字助理(PDA)、手持装置、消息收发设备、可佩戴电子设备、消费电子设备等等。

根据一个实施例，提供了一种比如机器可读介质的程序产品。机器可读介质可以具有指令(即，上述以软件形式实现的元素)，该指令当被机器执行时，使得机器执行本说明书的各个实施例中以上结合图1-图5描述的各种操作和功能。具体地，可以提供配有可读存储介质的系统或者装置，在该可读存储介质上存储着实现上述实施例中任一实施例的功能的软件程序代码，且使该系统或者装置的计算机或处理器读出并执行存储在该可读存储介质中的指令。

在这种情况下，从可读介质读取的程序代码本身可实现上述实施例中任何一项实施例的功能，因此机器可读代码和存储机器可读代码的可读存储介质构成了本说明书的一部分。

可读存储介质的实施例包括软盘、硬盘、磁光盘、光盘(如CD-ROM、CD-R、CD-RW、DVD-ROM、DVD-RAM、DVD-RW、DVD-RW)、磁带、非易失性存储卡和ROM。可选择地，可以由通信网络从服务器计算机上或云上下载程序代码。

本领域技术人员应当理解，上面公开的各个实施例可以在不偏离发明实质的情况下做出各种变形和修改。因此，本说明书的保护范围应当由所附的权利要求书来限定。

需要说明的是，上述各流程和各系统结构图中不是所有的步骤和单元都是必须的，可以根据实际的需要忽略某些步骤或单元。各步骤的执行顺序不是固定的，可以根据需要进行确定。上述各实施例中描述的装置结构可以是物理结构，也可以是逻辑结构，即，有些单元可能由同一物理客户实现，或者，有些单元可能分由多个物理客户实现，或者，可以由多个独立设备中的某些部件共同实现。

以上各实施例中，硬件单元或模块可以通过机械方式或电气方式实现。例如，一个硬件单元、模块或处理器可以包括永久性专用的电路或逻辑(如专门的处理器，FPGA或ASIC)来完成相应操作。硬件单元或处理器还可以包括可编程逻辑或电路(如通用处理器或其它可编程处理器)，可以由软件进行临时的设置以完成相应操作。具体的实现方式(机械方式、或专用的永久性电路、或者临时设置的电路)可以基于成本和时间上的考虑来确定。

上面结合附图阐述的具体实施方式描述了示例性实施例，但并不表示可以实现的或者落入权利要求书的保护范围的所有实施例。在整个本说明书中使用的术语“示例性”意味着“用作示例、实例或例示”，并不意味着比其它实施例“优选”或“具有优势”。出于提供对所描述技术的理解的目的，具体实施方式包括具体细节。然而，可以在没有这些具体细节的情况下实施这些技术。在一些实例中，为了避免对所描述的实施例的概念造成难以理解，公知的结构和装置以框图形式示出。

本公开内容的上述描述被提供来使得本领域任何普通技术人员能够实现或者使用本公开内容。对于本领域普通技术人员来说，对本公开内容进行的各种修改是显而易见的，并且，也可以在不脱离本公开内容的保护范围的情况下，将本文所对应的一般性原理应用于其它变型。因此，本公开内容并不限于本文所描述的示例和设计，而是与符合本文公开的原理和新颖性特征的最广范围相一致。

Claims

1.一种数控加工刀轨路径的规划方法，其特征在于，包括：

构建贯穿目标几何模型的切割中心轴；

构建多个环绕所述切割中心轴分布的切平面；

计算每一所述切平面与所述目标几何模型的交线；

基于所述交线，规划加工所述目标几何模型的刀轨路径。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述构建贯穿目标几何模型的切割中心轴的步骤包括：

构建直角坐标系；

以所述直角坐标系的Z轴作为所述切割中心轴。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述构建多个环绕所述切割中心轴分布的切平面的步骤包括：

构建以所述切割中心轴为边线的初始切平面；

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述目标几何模型由三角面片组成；所述计算每一所述切平面与所述目标几何模型的交线的步骤包括：

构建连接每一所述切平面交点的样条曲线，作为所述交线。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述构建连接每一所述切平面交点的样条曲线的步骤包括：

遍历所述交点以删除重复点；

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述交线，规划加工所述目标几何模型的刀轨路径的步骤包括：

由每一所述交线上取v个均匀分布的样本点；

连接每条所述交线上位置对应的所述样本点，得到v条环线；

连接所述v-1条螺旋连接线，得到刀轨路径。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述计算相邻所述环线之间的螺旋连接线的步骤包括：

计算位于第i和第i+1条所述环线之间的螺旋连接线上的点Q_j：

其中，j＝(1,2,…,U)，U为所述切平面的总数量，

与

分别表示第i+1条和第i条所述环线中的第j个点,r＝j-1/U-1。

8.一种数控加工刀轨路径的规划装置，其特征在于，包括：

第一构建模块，用于构建贯穿目标几何模型的切割中心轴；

9.一种电子设备，其特征在于，包括：

至少一个处理器；以及

存储器，所述存储器存储有指令，当所述指令被所述至少一个处理器执行时，使得所述至少一个处理器执行如权利要求1至7任一项所述的数控加工刀轨路径的规划方法。

10.一种机器可读存储介质，其特征在于，其存储有可执行指令，所述指令当被执行时使得所述机器执行如权利要求1至7任一项所述的数控加工刀轨路径的规划方法。