CN117348524B - 一种根据图纸自动控制加工中心的cam系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种根据图纸自动控制加工中心的CAM系统，涉及自动控制技术领域，特征提取模块通过分析CAD图纸中的几何模型，提取出几何模型的加工特征，工艺规划模块根据加工特征制定加工工艺，路径生成模块根据加工工艺，生成刀具在工件表面上移动的刀具路径，刀具路径包括粗加工和精加工阶段的路径规划，路径优化模块对刀具路径进行分析后，优化生成的刀具路径，代码生成模块将生成的刀具路径转化为适用于具体数控机床的控制代码。该CAM能够自动对输入的图纸进行特征提取并规划刀具路径后自动生成控制代码发送至加工中心，有效降低操作人员的劳动强度和降低用工成本，且操作简单，节约对入职员工的培训时间。
Description
技术领域
本发明涉及自动控制技术领域，具体涉及一种根据图纸自动控制加工中心的CAM系统。
背景技术
随着计算机技术的发展，数字控制技术已经广泛应用于工业控制的各个领域，尤其是机械制造业中，普通机械正逐渐被高效率、高精度、高自动化的数控机械所代替，目前，虽是使用电脑数字控制加工机械的方式，但一些工件加工时，即便操作人员已不需要通过复杂的编程进行操作加工，但操作人员仍需要根据工件的加工要求输入复杂参数，此外，对于非专业的加工使用者，对其的培训所需耗费的时间精力更多，造成非必要浪费不符合经济效应，同时增加了操作人员的学习与使用难度，增大工作量；
基于此，本发明提供一种根据图纸自动控制加工中心的CAM系统，通过对图纸进行识别后自动控制加工中心运行，以解决目前需要操作员进行输入复杂参数，以及操作人员需进行培训并达到一定的知识技术水平才能进行加工操作，造成非必要浪费不符合经济效应等技术性问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种根据图纸自动控制加工中心的CAM系统，以解决背景技术中不足。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种根据图纸自动控制加工中心的CAM系统，包括数据导入模块、几何建模模块、特征提取模块、工艺规划模块、路径生成模块、路径优化模块、碰撞检测模块、代码生成模块以及模拟验证模块：
数据导入模块：用于将CAD图纸中的几何信息导入CAM系统；
几何建模模块：对导入的CAD图纸进行检测，若CAD图纸几何信息有误，用户通过几何建模工具创建或编辑零件的几何模型；
特征提取模块：通过分析CAD图纸中的几何模型，提取出几何模型的加工特征；
工艺规划模块：根据加工特征制定加工工艺；
路径生成模块：根据加工工艺，生成刀具在工件表面上移动的刀具路径，刀具路径包括粗加工和精加工阶段的路径规划；
路径优化模块：对刀具路径进行分析后，优化生成的刀具路径；
碰撞检测模块：在生成刀具路径后且在生成控制代码前，进行碰撞检测，分析刀具路径无碰撞风险后，唤醒代码生成模块；
代码生成模块：将生成的刀具路径转化为适用于具体数控机床的控制代码；
模拟验证模块：对输入的控制代码通过模拟和验证工具进行仿真模拟测试，当测试验证合格后，将控制代码发送至加工中心。
在一个优选的实施方式中，所述碰撞检测模块分析刀具路径有无碰撞风险包括以下步骤；
获取刀具移动路径上的分离轴重叠指数、交叉指数、深度缓冲区指数；
将分离轴重叠指数、交叉指数、深度缓冲区指数进行归一化处理后，综合计算得到碰撞系数；
若碰撞系数值小于碰撞阈值，碰撞检测模块分析刀具路径存在碰撞风险，需要向相关操作人员发送警示信号；
若碰撞系数值大于等于碰撞阈值，碰撞检测模块分析刀具路径不存在碰撞风险，生成控制代码。
在一个优选的实施方式中，所述分离轴重叠指数的计算逻辑为：
获取刀具的法向量和刀具路径上物件的法向量；
将刀具的顶点投影到每个法向量上，得到投影线段M；
将刀具路径上物件的顶点投影到每个法向量上，得到投影线段N；
对于每个法向量，计算刀具法向量与刀具路径上物件法向量的投影重叠程度，计算表达式为：；式中，/>为刀具法向量投影，/>为刀具路径上物件法向量投影；
分离轴重叠指数的计算表达式为：；式中，/>，n为刀具上法向量数量，/>表示刀具上第i个法向量与刀具路径上物件相应法向量的重叠距离。
在一个优选的实施方式中，所述模拟验证模块对输入的控制代码通过模拟和验证工具进行仿真模拟测试包括以下步骤：
解析控制代码提取运动指令、速度设定信息，使用计算机辅助设计数据构建虚拟加工环境；
根据控制代码模拟刀具在虚拟环境中的运动轨迹，并在虚拟环境中可视化刀具的运动；
分析控制代码中的工艺参数，工艺参数包括切削速度、进给速度是否符合加工要求；
评估仿真模拟性能，模拟性能包括切削时间、刀具磨损、加工精度；
记录仿真过程中的性能指标，并与预期的加工结果进行比较，确保刀具路径和工艺规划符合预期，以可视化方式呈现仿真结果；
将经过验证的刀具路径和工艺参数转化为最终的数控机床控制代码，最终的控制代码发送至加工中心。
在一个优选的实施方式中，所述路径优化模块优化生成的刀具路径包括以下步骤：
使用最短路径算法最小化刀具的移动距离；
依据切削速度、进给速度优化刀具路径；
基于平滑算法使刀具路径在连接点处平滑过渡；
利用实时传感器数据动态调整切削速度、进给速度。
在一个优选的实施方式中，所述路径优化模块使用最短路径算法最小化刀具的移动距离包括以下步骤：
将加工区域离散化成节点，并确定相邻节点之间的移动路径；
根据刀具的起始位置确定初始节点后确定目标节点；
设置初始节点到自身的距离为0，初始节点到其他节点的距离为无穷大；
初始路径为空，重复以下步骤，直到目标节点被标记为已访问：
选择未访问的节点中距离最短的节点；
更新与该节点相邻的节点的距离和路径信息；
标记该节点为已访问；
从目标节点回溯到初始节点，记录经过的节点和边，得到刀具的最短移动路径。
在一个优选的实施方式中，所述路径优化模块基于平滑算法使刀具路径在连接点处平滑过渡包括以下步骤：
将刀具路径分为相对独立的小段，使用曲线拟合算法将每个小段的离散路径数据拟合为连续的平滑曲线；
通过三次样条插值算法使路径在连接点处平滑过渡；
引入减速和加速控制策略，根据路径曲率和转折情况，适应性调整刀具的速度。
在一个优选的实施方式中，所述几何建模工具用于检测和纠正图纸中的几何错误，检测和纠正几何错误包括修复孤立的或重叠的几何元素、填充缺失的几何信息、平滑曲线；
孤立元素检测和修复：识别图纸中孤立的几何元素，孤立的几何元素为没有与其他元素连接单独存在的点、线或曲面，几何建模工具自动连接孤立元素；
重叠元素检测和修复：检测图纸中几何元素重叠情况，重叠情况包括两个线段或曲面部分重叠，几何建模工具自动消除或合并重叠元素；
缺失信息填充：分析图纸中的几何信息并检测缺失部分，缺失部分包括缺失的线段、曲面或边，几何建模工具自动填充缺失的几何信息；
平滑曲线和曲面：识别图纸中存在的曲线或曲面的不平滑区域，不平滑区域包括锯齿状或不连续的曲线，几何建模工具基于平滑算法自动调整曲线或曲面的控制点。
在一个优选的实施方式中，所述几何建模工具基于平滑算法自动调整曲线或曲面的控制点包括以下步骤：
使用贝塞尔曲线算法将曲线或曲面参数化；
使用曲线或曲面的导数获取在参数空间内的微分信息；
通过最小化曲率调整曲线或曲面的控制点；
通过梯度下降最小化平滑度误差；
对调整后的曲线或曲面进行验证，并进行曲线或曲面的几何性质检查；
将调整后的控制点或参数化方程应用到几何模型。
在一个优选的实施方式中，所述图纸中的几何模型具有四个控制点的贝塞尔曲线，通过调整/>的位置平滑曲线，贝塞尔曲线参数方程为： ；
一阶导数的计算表达式为：；式中，/>为曲线参数，取值范围为/>，/>为控制点坐标；
目标函数方程为：；式中，/>表示目标函数；
目标函数的梯度计算表达式为：；
则梯度下降更新规则为：；式中，/>为学习率，用于控制每次梯度下降的步长，/>表示第一个贝塞尔曲线在参数/>处的一阶导数，/>表示第二个贝塞尔曲线在参数/>处的一阶导数，/>为目标函数。
在上述技术方案中，本发明提供的技术效果和优点：
1、本发明通过特征提取模块通过分析CAD图纸中的几何模型，提取出几何模型的加工特征，工艺规划模块根据加工特征制定加工工艺，路径生成模块根据加工工艺，生成刀具在工件表面上移动的刀具路径，刀具路径包括粗加工和精加工阶段的路径规划，路径优化模块对刀具路径进行分析后，优化生成的刀具路径，代码生成模块将生成的刀具路径转化为适用于具体数控机床的控制代码。该CAM能够自动对输入的图纸进行特征提取并规划刀具路径后自动生成控制代码发送至加工中心，有效降低操作人员的劳动强度和降低用工成本，且操作简单，节约对入职员工的培训时间。
2、本发明通过碰撞检测模块在生成刀具路径后且在生成控制代码前，进行碰撞检测，分析刀具路径无碰撞风险后，唤醒代码生成模块，模拟验证模块对输入的控制代码通过模拟和验证工具进行仿真模拟测试，当测试验证合格后，将控制代码发送至加工中心。CAM系统对生成的刀具路径进行碰撞检测，保障刀具移动的安全性和稳定性，并且对生成的控制代码进行仿真模型测试，大大降低了产品的不良品率。
3、本发明通过将分离轴重叠指数、交叉指数、深度缓冲区指数进行归一化处理后，综合计算得到碰撞系数，不仅有效提高对数据的处理效率，而且分析更为全面，并且，依据碰撞系数/>值与预先设定的碰撞阈值的对比结果分析刀具路径是否存在碰撞风险，保障数控机床的安全加工。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的系统模块图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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作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。
实施例1：请参阅图1所示，本实施例所述一种根据图纸自动控制加工中心的CAM系统，包括数据导入模块、几何建模模块、特征提取模块、工艺规划模块、路径生成模块、路径优化模块、碰撞检测模块、代码生成模块以及模拟验证模块：
数据导入模块：负责将CAD图纸中的几何信息导入CAM系统，以便后续的加工规划和路径生成，CAD图纸信息发送至几何建模模块；
几何建模模块：对导入的CAD图纸进行检测，如果CAD图纸不包含准确的几何信息，CAM系统可能需要提供一些手动或自动的几何建模工具，以便用户能够创建或编辑零件的几何模型，编辑后的CAD图纸发送至特征提取模块；
特征提取模块：通过分析CAD图纸中的几何模型，提取出几何模型需要的加工特征，如孔、凹槽、平面等，这有助于确定加工路径和工艺，加工特征发送至工艺规划模块；
工艺规划模块：根据加工特征制定加工工艺，包括选择切削工具、切削速度、进给速度等，加工工艺数据发送至路径生成模块；
路径生成模块：根据加工工艺，生成刀具在工件表面上移动的路径，这可能涉及到粗加工和精加工阶段的路径规划，刀具路径发送至路径优化模块；
路径优化模块：对刀具路径进行分析后，优化生成的刀具路径，以提高加工效率、减少切削时间，减小切削力等，优化后的刀具路径发送至代码生成模块；
碰撞检测模块：在生成刀具路径后且生成控制代码前，进行碰撞检测，分析刀具路径无碰撞风险后，唤醒代码生成模块，确保刀具不会与工件、夹具或机床本身发生碰撞；
代码生成模块：将生成的刀具路径转化为适用于具体数控机床的控制代码，这通常是特定于加工中心型号和控制系统的，生成的控制代码发送至模拟验证模块；
模拟验证模块：提供模拟和验证工具，对输入的控制代码进行仿真模拟测试，以便在实际加工之前检查刀具路径并验证工艺规划，避免错误和减少废品，当测试验证合格后，将控制代码发送至加工中心，由加工中心依据控制代码自动对产品进行加工。
其中，加工中心包括车床与控制装置，CAM系统嵌入在控制装置中，控制装置为通过控制软件可执行操作者指令和CAM系统控制代码并包含人机界面的终端设备；
人机界面包括图纸文件选择区、参数设置区、图纸显示区、刀库设置区、工件平面和材料选择区、加工选项区、加工列表区、主轴控制区以及监视界面；
终端设备包括用以处理人机界面软件以及储存相关控制程序及控制参数的主机板，用于显示实际加工坐标、加工程序、加工参数、系统参数以及操作信息的显示器，用于输入加工程序、加工参数及系统参数的键盘，用于存储人机界面软件、加工程序、加工参数及系统参数的硬盘，用于控制相关参数及图形对话框软件的输入输出的控制板，硬盘与控制板集成在主机板内部；
键盘包括主轴控制区、主车控制区以及副车控制区，主轴控制区设置在主机板下方，主轴控制区内容包括开始、暂停、急停的按键，主车控制区内容包括主轴启动、主轴停止、切削液开、切削液关、Z轴对刀、Z轴提刀、XY轴回零、清空的按键，副车控制区内容包括主轴启动、主轴停止、切削液开、切削液关、W轴对刀、UV去待机位、W轴提刀、UV回零的按键。
CAM系统主要包括以下功能区：
a、图纸文件选择区：将CAD图纸另保存为DXF文件格式，复制到图纸文件选择区的XZCAM文件夹下，点击刷新按钮，文件自动添加到列表，点击对应工件的文件，则自动载入程序，点击下方编辑图纸按钮，可将图纸进行修改编辑；
b、参数设置区：可设置主轴停转冷却时间、自动喷切削液时间，定位孔深、钻孔深度、Z加工速度，自动断屑深度、上料抬刀高度、加工抬刀高度，可设置两个主轴安全间距；
c、刀库设置区：系统加载图纸时，可自动识别图纸中预加工工件的孔径，并统计加工所需的加工刀具的加工次数，刀具可以设置颜色，可根据颜色分类，方便在图纸上进行区分、观察和操作；
d、图纸显示区：系统加载图纸时，根据刀库的颜色设置，扫描到对应刀具加工直径的圆孔，则图纸上的圆孔设置颜色和该刀具设置颜色相同，主轴位置也会在图纸上显示，点击图纸位置点，主轴可移动到工件对应位置；工件加工时加工进度亦可在CAD图纸上联动显示；
e、工件平面和材料选择区：选择工件平面和材料，可选择选项如下：直角铝803008-30、直角铝803008-80、方钢管408003-40、方钢管408003-80，
f、加工选项区：可选择功能选项如下：方钢管4040，-5~-35自动提速、加工是半速贴近、加工完成自动抬刀、方钢管2040，-5~-15自动提速、T035.2MM打孔后自动攻丝；
g、加工列表区：CAM系统加载图纸时，CAM系统可识别加工所需刀具的刀号和预加工圆孔的XYZ坐标并自动添加到加工列表，Z坐标为钻孔深度，若Z坐标为正数，则表示主轴到达此位置主轴，提刀，避开工件压板，列表下方设有加工功能选项：先打定位孔、点击时小车移动到对应位置、只加工一个孔、加工完成回到零位；
若只进行打孔加工，加工列表只显示打孔列表，若在加工5.2MM的圆孔时，在加工选项设置里打钩“T035.2MM打孔后自动攻丝”，加工列表显示打孔列表和攻丝列表，其中，上为打孔列表，下为攻丝列表，若进行铣平面加工，系统识别图纸上的线段，识别线段的所有图层是“T05”时，则该线段的颜色设置成和刀库对应的颜色，并做对应的次数统计，同时该线段数据增加到矢量刀路列表；
h、主轴控制区：主轴控制区设置可控制小车的开始、暂停、急停的按键，设置主车控制区中的主轴启动、主轴停止、切削液开、切削液关、Z轴对刀、Z轴提刀、XY回零、清空的按键，设置副车控制区中的主轴启动、主轴停止、切削液开、切削液关、W轴对刀、UV去待机位、W轴提刀、UV回零的按键；
i、监视界面显示界面：列表监视：传统监视界面，聊天监视：新型监视界面，界面简洁，一目了然，所需功能区参数及功能设定之后，即可对工件进行加工。
本发明是一种根据图纸自动控制加工中心的CAM系统，不需要操作人员编写程序，也不需要输入复杂的参数来对工件进行操作加工，只需要载入加工工件的CAD图纸即可快速加工，CAM系统系统智能识别CAD图纸自动加工，不需要出刀路，也不需要出中间代码，操作简单，并且图纸可视化，加工进度在图纸上联动显示，界面直观简洁，可直接驱动双主轴加工中心，主车打孔，副车攻丝，钻孔攻丝自动一体化，气动夹紧，自动连续上下料，工作效率高，大大降低了操作人员的劳动强度同时也降低了用工成本，另外，入职员工无需任何操作技术知识，非常容易掌握操作方法、简单易学，从而使得用工门槛超低不再为招工而烦恼，同时也节约了大量的培训时间。
本申请通过特征提取模块通过分析CAD图纸中的几何模型，提取出几何模型的加工特征，工艺规划模块根据加工特征制定加工工艺，路径生成模块根据加工工艺，生成刀具在工件表面上移动的刀具路径，刀具路径包括粗加工和精加工阶段的路径规划，路径优化模块对刀具路径进行分析后，优化生成的刀具路径，代码生成模块将生成的刀具路径转化为适用于具体数控机床的控制代码。该CAM能够自动对输入的图纸进行特征提取并规划刀具路径后自动生成控制代码发送至加工中心，有效降低操作人员的劳动强度和降低用工成本，且操作简单，节约对入职员工的培训时间。
本申请通过碰撞检测模块在生成刀具路径后且在生成控制代码前，进行碰撞检测，分析刀具路径无碰撞风险后，唤醒代码生成模块，模拟验证模块对输入的控制代码通过模拟和验证工具进行仿真模拟测试，当测试验证合格后，将控制代码发送至加工中心。CAM系统对生成的刀具路径进行碰撞检测，保障刀具移动的安全性和稳定性，并且对生成的控制代码进行仿真模型测试，大大降低了产品的不良品率。
实施例2：A、数据导入模块负责将CAD图纸中的几何信息导入CAM系统，以便后续的加工规划和路径生成，CAD图纸信息发送至几何建模模块，具体为：
数据导入模块需要能够解析不同CAD软件生成的文件格式，因为不同CAD软件使用不同的文件格式来存储几何信息，常见的CAD文件格式包括DXF（Drawing-Exchange-Format）、DWG（AutoCAD-Drawing-Database）、STEP（Standard-for-the-Exchange-of-Product-model-data）等，一旦文件格式被解析，数据导入模块需要识别和提取CAD图纸中的几何信息，如点、线、圆、弧、曲面等，这些几何元素构成了零件的形状和结构，提取的几何信息需要在CAM系统内部进行适当的表示，通常以数据结构的形式存储，以便后续的处理，这可能涉及到将CAD图纸中的实体转换为CAM系统中的几何对象；
确保从CAD图纸中提取的几何信息使用正确的单位和比例，这是因为CAD软件中可能使用的单位和比例与CAM系统中的标准要求可能不同，除了基本的几何信息外，CAD图纸还可能包含有关材料、加工特征、约束条件等方面的附加信息，数据导入模块可能需要处理这些信息，以支持后续的工艺规划和刀具路径生成。
B、几何建模模块对导入的CAD图纸进行检测，如果CAD图纸不包含准确的几何信息，CAM系统可能需要提供一些手动或自动的几何建模工具，以便用户能够创建或编辑零件的几何模型，编辑后的CAD图纸发送至特征提取模块，具体为：
手动几何建模工具：CAM系统可以提供一组手动绘制和编辑工具，使用户能够直接在CAM系统中创建或修改几何形状，这些工具可以包括绘制线条、圆弧、多边形，或者进行移动、缩放、旋转等基本的几何变换；
CAM系统还包含一些自动修复工具，用于检测和纠正CAD图纸中的几何错误，这可能包括修复孤立的或重叠的几何元素、填充缺失的几何信息、平滑曲线等，一些CAM系统可能具有自动特征识别的功能，能够识别并自动提取一些基本的几何特征，如孔、凹槽、凸台等，这有助于后续的加工规划和路径生成，提供一系列形状编辑工具，使用户能够调整、拉伸、弯曲、切割等对几何形状进行更复杂的编辑，提供实时的几何模型预览，使用户能够在编辑过程中即时看到所做的更改，以便及时调整和验证；
B1、几何建模工具用于检测和纠正CAD图纸中的几何错误，这可能包括修复孤立的或重叠的几何元素、填充缺失的几何信息、平滑曲线包括以下步骤：
孤立元素检测和修复：工具可能首先识别图纸中孤立的几何元素，即没有与其他元素连接的单独存在的点、线或曲面，工具可以提供选项来自动连接孤立元素或者通过用户交互的方式引导用户将这些元素与其他部分连接；
重叠元素检测和修复：工具可能检测出图纸中存在的几何元素重叠的情况，例如两个线段或曲面部分重叠，工具可以提供功能来自动消除或合并重叠的元素，以确保图纸的几何结构正确；
缺失信息填充：工具可能分析图纸中的几何信息，检测出可能的缺失部分，例如缺失的线段、曲面或边，工具可以自动填充缺失的几何信息，或者通过与用户交互来引导用户手动绘制或选择适当的几何元素；
平滑曲线和曲面：工具可能识别图纸中存在的曲线或曲面的不平滑之处，例如锯齿状或不连续的曲线，工具可以应用平滑算法，自动调整曲线或曲面的控制点，以实现更加平滑的外观；
尺寸和比例检查：工具可能检查图纸中的尺寸和比例，以确保它们在合理的范围内，并符合设计要求，工具可能提供自动或半自动的功能来调整尺寸和比例，以满足设计规格。
B11、几何建模工具应用平滑算法，自动调整曲线或曲面的控制点，以实现更加平滑的外观包括以下步骤：
使用贝塞尔曲线算法将曲线或曲面参数化，以便在参数空间内进行平滑操作，分析曲线或曲面在参数空间内的微分几何特性，以了解其曲率、切线方向等信息，使用曲线或曲面的导数（一阶、二阶等）来获取在参数空间内的微分信息，通过最小化曲率调整曲线或曲面的控制点，以实现平滑，通过迭代或优化方法，逐步调整控制点以逼近平滑的曲线或曲面，通过梯度下降最小化平滑度误差，对调整后的曲线或曲面进行验证，确保其满足平滑性和其他设计要求，进行曲线或曲面的几何性质检查，如曲率是否平滑、切线方向是否一致等，将调整后的控制点或参数化方程应用到整个模型，确保整体的平滑性；
例如，几何模型中具有四个控制点的贝塞尔曲线，我们的目标是通过调整/>的位置，使曲线在连接点处更加平滑，这可以通过最小化连接点处的一阶导数差异来实现；
贝塞尔曲线参数方程为：
；式中，/>为曲线参数，取值范围为/>，/>为控制点坐标；
目标函数方程为：；其中，/>表示目标函数，表示第一个贝塞尔曲线在参数/>处的一阶导数，/>表示第二个贝塞尔曲线在参数/>处的一阶导数；
一阶导数的计算表达式为：；
目标函数的梯度计算表达式为：；
则梯度下降更新规则为：；式中，/>为学习率，用于控制每次梯度下降的步长。
C、特征提取模块通过分析CAD图纸中的几何模型，提取出几何模型需要的加工特征，如孔、凹槽、平面等，这有助于确定加工路径和工艺，加工特征发送至工艺规划模块，具体为：
特征提取模块使用算法和规则来识别CAD图纸中的各种加工特征，这可能涉及到检测圆形、矩形、槽口等形状，以及测量它们的尺寸和位置，一旦特征被识别，特征提取模块负责提取每个特征的关键参数，如直径、深度、位置等，这些参数将在后续的工艺规划中使用，在一些情况下，特征可能相互关联，例如一个孔的位置可能与一个凹槽的位置有关；
特征提取模块可能需要识别和记录这些关联，以确保后续的加工工艺是一致的，特征提取模块可能还包括一些检测和修复机制，用于处理CAD图纸中的潜在错误或不一致性，将提取的特征进行分类，例如将孔、凹槽、平面等区分开来，以便后续的工艺规划能够根据特征的性质采取不同的加工策略。
D、工艺规划模块根据加工特征制定加工工艺，包括选择切削工具、切削速度、进给速度等，加工工艺数据发送至路径生成模块，具体为：
工艺规划模块会根据特征的性质和要求，选择适当的切削工具，这可能涉及到刀具的类型、直径、长度以及刃数等参数的选择，工艺规划模块会根据材料的类型、切削工具的特性以及加工特征的要求，计算并确定适当的切削速度和进给速度，这是为了确保在加工过程中既能保证工件表面的质量，又能最大限度地提高加工效率，工艺规划模块会根据特征的几何形状和要求，确定切削的深度和宽度，这涉及到确保在一次切削中达到所需的几何形状，并避免刀具过度磨损或工件表面质量下降；
根据切削工艺的要求，工艺规划模块可能会制定冷却和润滑方案，以确保刀具和工件在加工过程中保持在适当的温度范围内，从而延长刀具寿命并提高加工质量，工艺规划模块决定刀具在工件表面上的运动路径，包括初始位置、切削顺序、切削方向等，这是为了最大程度地减少刀具的空载移动，提高加工效率，工艺规划模块还需要考虑切削过程中的安全性和稳定性，防止刀具与工件或夹具发生碰撞，确保整个加工过程是可控的。
E、路径生成模块根据加工工艺，生成刀具在工件表面上移动的路径，这可能涉及到粗加工和精加工阶段的路径规划，刀具路径发送至路径优化模块，具体为：
在加工过程中，通常会有粗加工和精加工两个阶段，粗加工路径规划阶段负责确定快速但粗略的刀具路径，以迅速去除大部分材料，这可以涉及大跨度的刀具移动，以便在精加工之前快速形成工件的初步形状，精加工路径规划阶段负责在工件表面进行更为精细的刀具路径规划，它可能采用更小的刀具，更精细的切削参数，以便实现更高的表面质量和更精确的几何形状。
F、代码生成模块将生成的刀具路径转化为适用于具体数控机床的控制代码，这通常是特定于加工中心型号和控制系统的，生成的控制代码发送至模拟验证模块，具体为：
代码生成模块根据刀具路径和加工工艺数据，生成适用于具体数控机床的控制代码，这可能包括G代码、M代码以及机床制造商定义的其他指令，生成的控制代码可能需要经过后处理，以适应目标数控机床的特定语法和格式，这可能涉及到转换坐标系、修正轴向插补、处理切削工具的切换等，控制代码还可能包含一些与具体机床相关的参数，例如速度、加速度、工件坐标系等，代码生成模块可能需要配置这些参数以确保代码与目标机床兼容，在发送控制代码之前，代码生成模块可能进行一些安全性检查，确保生成的代码不会导致机床过载、碰撞或其他潜在的危险情况，生成的控制代码被发送至模拟验证模块，准备进行模拟验证。
实施例3：G、路径优化模块对刀具路径进行分析后，优化生成的刀具路径，以提高加工效率、减少切削时间，减小切削力等，优化后的刀具路径发送至代码生成模块；
使用最短路径算法，考虑工件的几何形状和加工特征，以最小化刀具的移动距离，优化刀具路径，使得刀具在加工过程中的移动距离最短，考虑切削速度、进给速度等参数，通过优化刀具路径，使得切削过程更为高效，缩短刀具与工件接触的时间，降低切削周期，避免刀具在空转或低效率区域的移动，并优化进给速度，以提高生产效率，减少切削过程中不必要的空转和减小非切削时间，应用平滑算法，使刀具路径在连接点处平滑过渡，减小机床在高速切削时的振动，避免急剧的转折和加速，减少机床的振动，根据切削工艺和材料特性调整刀具路径，避免过大的切削力集中在刀具的特定区域，减小切削力，延长刀具寿命，利用实时传感器数据或模拟分析，动态调整切削速度、进给速度等参数，以适应不同部分的加工要求；
G1、使用最短路径算法，考虑工件的几何形状和加工特征，以最小化刀具的移动距离包括以下步骤：
根据工件的几何形状和加工特征，将加工区域离散化成节点，并确定相邻节点之间的可行移动路径，根据刀具的起始位置确定初始节点，根据加工要求确定目标节点，设置初始节点到自身的距离为0，到其他节点的距离为无穷大，初始路径为空，重复以下步骤，直到目标节点被标记为已访问：选择未访问的节点中距离最短的节点，更新与该节点相邻的节点的距离和路径信息，标记该节点为已访问，从目标节点回溯到初始节点，记录经过的节点和边，得到刀具的最短移动路径。
G2、应用平滑算法，使刀具路径在连接点处平滑过渡，减小机床在高速切削时的振动，避免急剧的转折和加速，减少机床的振动包括以下步骤：
根据工件几何形状和加工特征，将刀具路径分为相对独立的小段，每个小段内的运动相对较为简单，使用曲线拟合算法，如最小二乘法、B-spline拟合等，将每个小段的离散路径数据拟合为连续的平滑曲线，通过三次样条插值算法使路径在连接点处平滑过渡，减小机床在高速切削时的振动，平滑算法可以调整路径的曲率，确保路径的导数连续，引入减速和加速控制策略，根据路径曲率和转折情况，适时地调整刀具的速度，以确保平滑过渡，根据机床的动力学模型，调整路径规划，避免频繁的速度变化和加速度冲击，减小机床的振动。
H、碰撞检测模块在生成刀具路径后且生成控制代码前，进行碰撞检测，分析刀具路径无碰撞风险后，唤醒代码生成模块，确保刀具不会与工件、夹具或机床本身发生碰撞；
获取刀具移动路径上的分离轴重叠指数、交叉指数、深度缓冲区指数；
将分离轴重叠指数、交叉指数、深度缓冲区指数进行归一化处理后，综合计算得到碰撞系数，表达式为：/>，式中，/>为交叉指数，/>为深度缓冲区指数，为分离轴重叠指数；
由碰撞系数的计算表达式可知，碰撞系数/>值越小，表明刀具路径移动过程中越容易出现碰撞风险，因此，计算获取碰撞系数/>值后，将碰撞系数/>值与预先设定的碰撞阈值进行对比；
若碰撞系数值小于碰撞阈值，碰撞检测模块分析刀具路径存在碰撞风险，需要向相关操作人员发送警示信号，相关操作人员需要进行相应管理，使得刀具路径无碰撞风险后才继续生成控制代码；
若碰撞系数值大于等于碰撞阈值，碰撞检测模块分析刀具路径不存在碰撞风险，可以生成控制代码。
本申请通过将分离轴重叠指数、交叉指数、深度缓冲区指数进行归一化处理后，综合计算得到碰撞系数，不仅有效提高对数据的处理效率，而且分析更为全面，并且，依据碰撞系数/>值与预先设定的碰撞阈值的对比结果分析刀具路径是否存在碰撞风险，保障数控机床的安全加工。
交叉指数的计算逻辑为：将刀具的起点标记为O，方向向量标记为D，将刀具路径上物件的三个顶点分别标记为/>，计算刀具路径上物件的边向量和法向量，边向量计算表达式为：/>，式中，/>为物件第一边向量，/>为物件第二边向量，法向量计算表达式为：/>，则切线T计算表达式为：/>，计算重心坐标/>，，/>；
若且 />且 />，表示刀具与刀具路径上物件可能相交，交叉指数/>，若/>或 />或 />，表示刀具与刀具路径上物件不相交，交叉指数1。
深度缓冲区指数的计算逻辑为：通过相机从深度缓冲区中获取当前像素的深度值/>，计算刀具路径在当前像素处的深度值/>，若/>，表明刀具路径在当前像素处在物体前面，可能存在碰撞，深度缓冲区指数/>，若/>，表明刀具路径在当前像素处在物体后面，无碰撞，深度缓冲区指数/>；
刀具路径在当前像素处的深度值通过使用透视投影矩阵和相机坐标系中的位置获取，涉及到刀具路径在视图空间（或相机空间）中的坐标和相应的透视投影，该获取方式属于现有技术，在此不做赘述。
分离轴重叠指数的计算逻辑为：获取刀具的法向量和刀具路径上物件的法向量，将刀具的顶点投影到每个法向量上，得到投影线段M，将刀具路径上物件的顶点投影到每个法向量上，得到投影线段N，对于每个法向量，计算刀具法向量与刀具路径上物件法向量的投影重叠程度，重叠程度通常通过投影的最小和最大值之间的距离来衡量，分离轴重叠指数定义为两个投影的重叠距离；
重叠距离的计算表达式为：
；式中，/>为刀具法向量投影，/>为刀具路径上物件法向量投影；
则分离轴重叠指数的计算表达式为：
；式中，/>，n为刀具上法向量数量，/>表示刀具上第i个法向量与刀具路径上物件相应法向量的重叠距离，分离轴重叠指数越大，表明刀具在移动路径上受到碰撞的风险越大。
I、模拟验证模块提供模拟和验证工具，对输入的控制代码进行仿真模拟测试，以便在实际加工之前检查刀具路径并验证工艺规划，避免错误和减少废品，当测试验证合格后，将控制代码发送至加工中心，由加工中心依据控制代码自动对产品进行加工；
解析控制代码，提取其中的运动指令、速度设定等信息，创建一个虚拟的加工环境，包括工件模型、刀具模型、夹具模型等，使用计算机辅助设计（CAD）数据或其他几何建模信息，构建虚拟加工环境，根据控制代码模拟刀具在虚拟环境中的运动轨迹，应用控制代码中的运动指令，模拟刀具的轨迹，并在虚拟环境中可视化刀具的运动，验证工艺规划的准确性和有效性，分析控制代码中的工艺参数，例如切削速度、进给速度等，以确保它们符合加工要求，评估仿真模拟的性能，包括切削时间、刀具磨损、加工精度等，记录仿真过程中的关键性能指标，并与预期的加工结果进行比较，以可视化方式呈现仿真结果，方便用户检查，生成仿真报告、刀具路径图、碰撞检测结果等可视化信息，以便用户进行直观的检查和评估，将仿真验证的结果与预期的加工要求进行比对，对仿真验证的结果进行自动或手动的检查，确保刀具路径和工艺规划符合预期，当仿真验证通过后，生成最终的控制代码用于实际加工，将经过验证的刀具路径和工艺参数转化为最终的数控机床控制代码，将最终的控制代码发送至加工中心，将生成的数控机床控制代码传输至相应的数控机床，启动实际加工过程。
上述公式均是去量纲取其数值计算，公式是由采集大量数据进行软件模拟得到最近真实情况的一个公式，公式中的预设参数由本领域的技术人员根据实际情况进行设置。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (8)
1.一种根据图纸自动控制加工中心的CAM系统，其特征在于：包括数据导入模块、几何建模模块、特征提取模块、工艺规划模块、路径生成模块、路径优化模块、碰撞检测模块、代码生成模块以及模拟验证模块：
数据导入模块：用于将CAD图纸中的几何信息导入CAM系统；
几何建模模块：对导入的CAD图纸进行检测，若CAD图纸几何信息有误，用户通过几何建模工具创建或编辑零件的几何模型；
特征提取模块：通过分析CAD图纸中的几何模型，提取出几何模型的加工特征；
工艺规划模块：根据加工特征制定加工工艺；
路径生成模块：根据加工工艺，生成刀具在工件表面上移动的刀具路径，刀具路径包括粗加工和精加工阶段的路径规划；
路径优化模块：对刀具路径进行分析后，优化生成的刀具路径；
碰撞检测模块：在生成刀具路径后且在生成控制代码前，进行碰撞检测，分析刀具路径无碰撞风险后，唤醒代码生成模块；
代码生成模块：将生成的刀具路径转化为适用于具体数控机床的控制代码；
模拟验证模块：对输入的控制代码通过模拟和验证工具进行仿真模拟测试，当测试验证合格后，将控制代码发送至加工中心；
所述碰撞检测模块分析刀具路径有无碰撞风险包括以下步骤；
获取刀具移动路径上的分离轴重叠指数、交叉指数、深度缓冲区指数；
将分离轴重叠指数、交叉指数、深度缓冲区指数进行归一化处理后，综合计算得到碰撞系数，表达式为：/>，式中，/>为交叉指数，/>为深度缓冲区指数，/>为分离轴重叠指数；
若碰撞系数值小于碰撞阈值，碰撞检测模块分析刀具路径存在碰撞风险，需要向相关操作人员发送警示信号；
若碰撞系数值大于等于碰撞阈值，碰撞检测模块分析刀具路径不存在碰撞风险，生成控制代码；
交叉指数的计算逻辑为：将刀具的起点标记为O，方向向量标记为D，将刀具路径上物件的三个顶点分别标记为/>，计算刀具路径上物件的边向量和法向量，边向量计算表达式为：/>，式中，/>为物件第一边向量，/>为物件第二边向量，法向量计算表达式为：/>，则切线T计算表达式为：/>，计算重心坐标/>，，/>；
若且/>且/>，表示刀具与刀具路径上物件可能相交，交叉指数/>，若/>或/>或/>，表示刀具与刀具路径上物件不相交，交叉指数1；
深度缓冲区指数的计算逻辑为：通过相机从深度缓冲区中获取当前像素的深度值，计算刀具路径在当前像素处的深度值/>，若/>，表明刀具路径在当前像素处在物体前面，可能存在碰撞，深度缓冲区指数/>，若/>，表明刀具路径在当前像素处在物体后面，无碰撞，深度缓冲区指数/>；
刀具路径在当前像素处的深度值通过使用透视投影矩阵和相机坐标系中的位置获取，涉及到刀具路径在视图空间或相机空间中的坐标和相应的透视投影；
分离轴重叠指数的计算逻辑为：获取刀具的法向量和刀具路径上物件的法向量，将刀具的顶点投影到每个法向量上，得到投影线段M，将刀具路径上物件的顶点投影到每个法向量上，得到投影线段N，对于每个法向量，计算刀具法向量与刀具路径上物件法向量的投影重叠程度，重叠程度通常通过投影的最小和最大值之间的距离来衡量，分离轴重叠指数定义为两个投影的重叠距离；
重叠距离的计算表达式为：
；式中，/>为刀具法向量投影，为刀具路径上物件法向量投影；
则分离轴重叠指数的计算表达式为：
；式中，/>，n为刀具上法向量数量，/>表示刀具上第i个法向量与刀具路径上物件相应法向量的重叠距离。
2.根据权利要求1所述的一种根据图纸自动控制加工中心的CAM系统，其特征在于：所述模拟验证模块对输入的控制代码通过模拟和验证工具进行仿真模拟测试包括以下步骤：
解析控制代码提取运动指令、速度设定信息，使用计算机辅助设计数据构建虚拟加工环境；
根据控制代码模拟刀具在虚拟环境中的运动轨迹，并在虚拟环境中可视化刀具的运动；
分析控制代码中的工艺参数，工艺参数包括切削速度、进给速度是否符合加工要求；
评估仿真模拟性能，模拟性能包括切削时间、刀具磨损、加工精度；
记录仿真过程中的性能指标，并与预期的加工结果进行比较，确保刀具路径和工艺规划符合预期，以可视化方式呈现仿真结果；
将经过验证的刀具路径和工艺参数转化为最终的数控机床控制代码，最终的控制代码发送至加工中心。
3.根据权利要求1所述的一种根据图纸自动控制加工中心的CAM系统，其特征在于：所述路径优化模块优化生成的刀具路径包括以下步骤：
使用最短路径算法最小化刀具的移动距离；
依据切削速度、进给速度优化刀具路径；
基于平滑算法使刀具路径在连接点处平滑过渡；
利用实时传感器数据动态调整切削速度、进给速度。
4.根据权利要求3所述的一种根据图纸自动控制加工中心的CAM系统，其特征在于：所述路径优化模块使用最短路径算法最小化刀具的移动距离包括以下步骤：
将加工区域离散化成节点，并确定相邻节点之间的移动路径；
根据刀具的起始位置确定初始节点后确定目标节点；
设置初始节点到自身的距离为0，初始节点到其他节点的距离为无穷大；
初始路径为空，重复以下步骤，直到目标节点被标记为已访问：
选择未访问的节点中距离最短的节点；
更新与该节点相邻的节点的距离和路径信息；
标记该节点为已访问；
从目标节点回溯到初始节点，记录经过的节点和边，得到刀具的最短移动路径。
5.根据权利要求4所述的一种根据图纸自动控制加工中心的CAM系统，其特征在于：所述路径优化模块基于平滑算法使刀具路径在连接点处平滑过渡包括以下步骤：
将刀具路径分为相对独立的小段，使用曲线拟合算法将每个小段的离散路径数据拟合为连续的平滑曲线；
通过三次样条插值算法使路径在连接点处平滑过渡；
引入减速和加速控制策略，根据路径曲率和转折情况，适应性调整刀具的速度。
6.根据权利要求1所述的一种根据图纸自动控制加工中心的CAM系统，其特征在于：所述几何建模工具用于检测和纠正图纸中的几何错误，检测和纠正几何错误包括修复孤立的或重叠的几何元素、填充缺失的几何信息、平滑曲线；
孤立元素检测和修复：识别图纸中孤立的几何元素，孤立的几何元素为没有与其他元素连接单独存在的点、线或曲面，几何建模工具自动连接孤立元素；
重叠元素检测和修复：检测图纸中几何元素重叠情况，重叠情况包括两个线段或曲面部分重叠，几何建模工具自动消除或合并重叠元素；
缺失信息填充：分析图纸中的几何信息并检测缺失部分，缺失部分包括缺失的线段、曲面或边，几何建模工具自动填充缺失的几何信息；
平滑曲线和曲面：识别图纸中存在的曲线或曲面的不平滑区域，不平滑区域包括锯齿状或不连续的曲线，几何建模工具基于平滑算法自动调整曲线或曲面的控制点。
7.根据权利要求6所述的一种根据图纸自动控制加工中心的CAM系统，其特征在于：所述几何建模工具基于平滑算法自动调整曲线或曲面的控制点包括以下步骤：
使用贝塞尔曲线算法将曲线或曲面参数化；
使用曲线或曲面的导数获取在参数空间内的微分信息；
通过最小化曲率调整曲线或曲面的控制点；
通过梯度下降最小化平滑度误差；
对调整后的曲线或曲面进行验证，并进行曲线或曲面的几何性质检查；
将调整后的控制点或参数化方程应用到几何模型。
8.根据权利要求7所述的一种根据图纸自动控制加工中心的CAM系统，其特征在于：所述图纸中的几何模型具有四个控制点的贝塞尔曲线，通过调整/>的位置平滑曲线，贝塞尔曲线参数方程为：/>；
一阶导数的计算表达式为：；式中，/>为曲线参数，取值范围为/>，/>为控制点坐标；
目标函数方程为：；式中，/>表示目标函数；
目标函数的梯度计算表达式为：；
则梯度下降更新规则为：；式中，/>为学习率，用于控制每次梯度下降的步长，/>表示第一个贝塞尔曲线在参数/>处的一阶导数，/>表示第二个贝塞尔曲线在参数/>处的一阶导数，/>为目标函数。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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