TWI512418B - 一種五軸曲面側銑加工系統及其路徑規劃方法 - Google Patents

一種五軸曲面側銑加工系統及其路徑規劃方法 Download PDF

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Description

一種五軸曲面側銑加工系統及其路徑規劃方法
本發明之一範疇在於提供一種五軸曲面側銑加工系統及其路徑規劃方法,更明確的說,本發明的路徑規劃方法係一種利用曲線插補進行刀具路徑規劃以減少其需求解變數進而提高演算效率的系統及方法。
五軸加工被廣泛使用於航太、汽車、模具製造等產業中,對複雜曲面的加工具有極佳的成型能力。相較於三軸加工,五軸加工的刀具運動擁有更高的自由度,提供較佳的成型能力與材料移除率。五軸加工技術可區分為端銑與側銑兩種方式,端銑是以刀具的刀尖進行材料移除,而側銑則是透過刀柄部分的刀刃。相較之下,側銑由於材料接觸刀具的面積較大,因此生產效率較高。但另一方面,側銑的切削誤差較難以控制,路徑規劃的複雜度也較高。
需知道,相較於傳統的CNC控制器僅能接受直線和圓弧的刀具運動,當以曲線描述的零件進行加工時,刀具 路徑需依設定的精度,轉換成直線與圓弧組合。最新的CNC控制器能夠接受參數式描述的曲線運動,直接使用曲線插補定所生成的參數式曲線命令來定義刀具運動以直接對工具機各伺服軸的作動進行控制。
惟目前針對五軸側銑加工的路徑規劃,尚未見任何得以自動生成應用CNC曲線插補且可進行曲面誤差控制的刀具路徑規劃技術。故如何開發出一種得以自動生成應用CNC曲線插補且可進行曲面誤差控制的刀具路徑規劃技術,實有待相關業界再加以思索,並為突破之目標及方向者。
據此,因應前述的問題,本發明係提出創新性的五軸側銑路徑規劃方法,產生基於曲線插補的刀具路徑。更明確的說,本發明係以降低曲面切削之總體誤差為目標,透過智慧型演算法進行計算,自動決定定義刀具路徑曲線多項式的係數。能以極少的資料量來定義連續的刀具運動,對應的路徑較為平滑,同時有效提高曲面精度。
承上,以下將對本發明之具體設計進行說明。
1‧‧‧加工系統
10‧‧‧介面裝置
20‧‧‧儲存裝置
30‧‧‧控制裝置
40‧‧‧刀具
91、92‧‧‧邊界曲線
圖一係繪述了一種習知的線性插補之上、下初始邊界曲線、其刀具位置及其代表矩陣的示意圖。
圖二係繪述了本發明的曲線插補之上、下初始邊界曲線、其刀具位置及其代表矩陣之示意圖。
圖三係繪述了一設計曲面及其控制點之座標列表。
圖四係繪述了習知之線性插補技術之效果依線性插補方式產生之刀具路徑。
圖五係繪述了本發明的曲線插補與習知之線性插補技術產生之刀具路徑之示意圖及其控制點之座標列表。
圖六係繪述了本發明的曲線插補與習知之線性插補技術之效果差別比較表。
圖七係繪述了本發明的系統之功能方塊圖。
本發明係揭露了一種五軸曲面側銑加工系統及其刀具路徑規劃方法。需注意的是,本說明書所指的線性插補刀具路徑一詞係一得以定義複數個連續刀具位置(Cutter Location)之手段,而工件一詞係指被加工物,設計曲面一詞則係指工件所欲加工成的彎曲表面。再者,本說明書中的五軸曲面側銑加工系統及其方法,將分別以『加工系統』及『規劃方法』予以代表。另外,在實施本發明時,應得參酌本案發明人『瞿志行』先生於早前發表之各篇關於五軸加工控制之論文或專利之內容以為實施時的輔助。如中華民國第96147909號專利申請案所揭露之基於全域最佳化方式之曲面切削加工路徑規劃方法,即為一例。另外,需強調的是,本文中提及之最佳化模式,係指既有之最佳化計算方法,例如 遺傳基因演算法、粒子族群最佳化、螞蟻最佳化演算法或模擬退火演算法等,由於其己應用方法己得見於習知的文獻,故本發明將對其演算方式之說明予以省略,合先敘明。
以下將對本發明之使用曲線插補進行刀具路徑規劃的方法進行說明。為了能更明確的說明本發明與先前技術之分別,以下將先對習知的線性插補進行說明。請參閱圖一,圖一係繪述了一種習知的線性插補之上、下初始邊界曲線、其刀具位置及其代表矩陣的示意圖。由圖可見,習知的線性插補之刀具路徑規劃係應用有刀具兩端之中心點來定義一個刀具之位置。亦即每兩個變數係對應有單一刀具位置。而及由則係對應了兩邊界曲線91、92上的各個座標點。
而相對應的,請參閱圖二,圖二係繪述了本發明的曲線插補之上、下初始邊界曲線、其刀具位置及其代表矩陣之示意圖。而相對於先前技術的利用多條刀具位置來定義,本發明係以一高階運動方程式以為取代。藉此,刀具路徑的計算將係由曲線方程式之各個係數所決定,以圖中兩條三次方曲線為例,算式如圖二所繪。由圖可見,其僅利用共二十四個可調係數即得完整地定義有一刀具路途。而相對應地,習知的線性插補之刀具路徑規劃係採用兩端中心點定義一個刀具位置,而二十四個可調系數將僅能產生12個刀具位置,其所產生的路徑將無法切削出高精度的曲面,如圖一所 繪述。
據此,相較先前技術利用線性插補作為刀具路徑規劃,本發明利用曲線插補進行刀具路徑規劃時,其需求解變數將較線性插補較少。而當待需求解變數越少(編碼長度越小時),所需的計算問題本身的複雜度則相對地較低,使規劃問題在求解時需較少的運算資源,從而取得有一較佳的效率。而為了取得該曲線方程式之係數,應用者得針對路徑以曲面的總切削誤差為目標式來針對路徑對應的曲線方程式之係數進行搜尋從而取得一較佳解。
而上述曲線方程式係數的決定,可採用演化式計算方法求解,如遺傳基因演算法(Genetic Algorithm)、粒子群最佳化(Particle Swarm Optimization)、螞蟻最佳化演算法(Ant Colony Optimization)或模擬退火演算法(Simulated Annealing)等演算法以為之。
需注意的是,前述的總切削誤差一詞得指過切誤差以及讓切誤差之總合。而過切誤差係被定義為工件不應切除的材料,卻被刀具切除而導致的誤差;而讓切誤差則被定義為工件應被切除的材料,而刀具卻未切除而導致的誤差。
換句話說,本發明之主要技術特徵在於本發明教示了以總切削誤差為曲線方程式之目標式以求得複數個參數進而求得該多(高)階方程式以為曲線插補之用。
為顯示本項技術的效果,以下將以一相同的設計 曲面為標的來分別利用先前技術的線性插補技術及本發明的曲線插補技術來進行比較。本發明係藉由曲面切削誤差最小化為目標,分別以曲線插補與線性插補的方式,透過最佳化演算法求解並產生路徑
請參閱圖三,圖三係繪述了一設計曲面及其控制點之座標列表,而各個控制點之座標係分別利用A1至A4及B1至B4來表示。
再請參閱圖四,圖四係繪述了習知之線性插補技術之效果依線性插補方式產生之刀具路徑。為了能更明確地說明該等線性插補方式之作動方式及設計曲面之特徵,特附上其線性插補路徑機器控制碼,如下列:下列機碼之前三個數字表示刀具中心點座標,後三個數字表示刀具軸向。
GOTO/ 70.7474,0.548459,-14.1637,-0.0168174,-0.104798,0.994351
GOTO/71.4926,0.860449,-14.1929,0.0103954,-0.106483,0.99426
GOTO/72.1653,1.1366,-14.2169,0.041359,-0.107944,0.993296
GOTO/72.9036,1.41877,-14.2327,0.0662703,-0.11192,0.991505
GOTO/73.6571,1.68768,-14.2353,0.0844826,-0.117699,0.989449
GOTO/74.3943,1.94156,-14.2492,0.105514,-0.123429,0.986728
GOTO/75.1148,2.17322,-14.2537,0.127471,-0.1288,0.983444
GOTO/75.4807,2.30762,-14.2267,0.177887,-0.128008,0.97569
GOTO/76.1939,2.52264,-14.2239,0.208923,-0.133443,0.968785
GOTO/77.0182,2.73639,-14.2268,0.22641,-0.140737,0.963811
GOTO/77.4663,2.8656,-14.2013,0.272003,-0.142337,0.951711
GOTO/78.036,3.00059,-14.1686,0.3056,-0.145685,0.940949
GOTO/78.6405,3.12248,-14.132,0.32506,-0.150241,0.933683
GOTO/79.538,3.27887,-14.1368,0.323519,-0.158238,0.932897
GOTO/80.4008,3.41323,-14.1276,0.33445,-0.164325,0.927976
GOTO/81.2961,3.53035,-14.1338,0.338504,-0.170156,0.925452
GOTO/82.1392,3.61348,-14.099,0.351106,-0.17406,0.920015
GOTO/83.1979,3.69525,-14.0903,0.352339,-0.178751,0.918643
GOTO/83.9042,3.72941,-14.0523,0.374184,-0.179403,0.909836
GOTO/84.8057,3.75701,-14.0333,0.380548,-0.180763,0.906922
GOTO/85.5043,3.758,-13.9827,0.401044,-0.179781,0.898244
GOTO/86.3457,3.74737,-13.9619,0.411279,-0.178445,0.893872
GOTO/87.2607,3.71836,-13.9474,0.4093,-0.176902,0.895086
GOTO/88.2311,3.66635,-13.9255,0.409558,-0.173518,0.89563
GOTO/89.2911,3.59085,-13.9175,0.399025,-0.169302,0.901175
GOTO/90.2079,3.49637,-13.8853,0.404768,-0.162383,0.899886
GOTO/91.1087,3.38602,-13.8526,0.408334,-0.153992,0.89975
GOTO/92.245,3.23434,-13.8415,0.400519,-0.142909,0.905075
GOTO/93.2015,3.07004,-13.805,0.406175,-0.129308,0.9046
GOTO/94.3738,2.87511,-13.7971,0.390007,-0.114265,0.913695
GOTO/95.5632,2.64035,-13.7761,0.378207,-0.0946006,0.920875
GOTO/96.6683,2.40037,-13.749,0.366552,-0.0735657,0.927485
GOTO/97.891,2.11265,-13.728,0.350026,-0.0472565,0.935547
GOTO/98.9974,1.82092,-13.6788,0.339977,-0.0187099,0.940248
GOTO/100.242,1.4928,-13.6699,0.311945,0.0130589,0.95001
GOTO/101.683,1.10292,-13.636,0.271584,0.0517942,0.96102
GOTO/103.01,0.695311,-13.5849,0.243805,0.0954655,0.965114
GOTO/104.308,0.300572,-13.5235,0.204828,0.137913,0.969033
GOTO/105.717,-0.165704,-13.4477,0.166158,0.189796,0.967662
GOTO/106.763,-0.566879,-13.3401,0.151902,0.238907,0.959088
GOTO/108.102,-1.05472,-13.2372,0.116038,0.295701,0.948207
由圖可見,為了定義刀具之路徑,習知的線性插補技術係大致地由其係由複數條刀具位置所組合而成,而每條刀具位置則係顯由二個以上(頭端及尾端)座標參數所組成。
接著,再請參閱圖五,圖五係繪述了本發明的曲線插補與習知之線性插補技術產生之刀具路徑之示意圖及其控制點之座標列表。由於其參考座標與圖三中所繪述者一致,故將於圖中省略以維持圖式之簡潔。由圖可見,相較於先前技術之線性插補需要應用複數條刀具路徑以為路徑之定義,本發明之刀具路徑僅係由二曲線以為之,藉此應能得悉本發明與先前技術間之可變參數量的分別。
而就其功效而言,請參閱圖六。圖六係繪述了本發明的曲線插補與習知之線性插補技術之效果差別比較表。更明確的說,該表為一切削誤差模擬結果比較表。由表中之 數值應得見,本發明之曲線插補除了前述之所需資源較少以外,其總切削誤差之效果亦較習知的線性插補佳。
藉此,應能得證本發明之功效。簡單來說,本發明係以降低曲面切削誤差為目標,透過智慧型演算法進行計算,自動決定定義刀具路徑曲線多項式的係數。能以極少的資料量來定義連續的刀具運動,對應的路徑較為平滑,同時有效提高曲面精度。
除此之外,本發明之另一範圍在於提供一種應用前述之刀具路徑規劃方法來產生一刀具路徑之五軸曲面側銑加工系統及其方法。請參閱圖七,圖七係繪述了本發明的系統之功能方塊圖。由圖可見,本發明的系統1係包含有一介面裝置10、一儲存裝置20以及一控制裝置30並選擇性地包含有一刀具。介面裝置10係用於提供有一資料擷取功能。儲存裝置20係用於提供有一資料儲存功能,於應用時,其儲存有一預定程序,該預定程序之內容將於下列說明。而控制裝置30則係提供有一控制功能,用於執行該預定程序。
更明確的說,介面裝置10係得以自使用者擷取一設計曲面及一使用者指令之裝置。於本例中,該介面裝置10係指一個人電腦之鍵盤。惟其不以其為限,介面裝置10亦得泛指其他如觸控面板、鍵盤、讀卡機或網路卡等具有數據匯入功能之介面裝置10。
另一方面,於本例中,儲存裝置20係指一硬碟。 惟其不以其為限,儲存裝置20亦得泛指一與其耦接的揮發或非揮發式記憶體,甚至是一藉由網路與其耦接之網路伺服器,本發明並不對此多加限制。
再者,於本例中,控制裝置30係指一中央處理器及其控制軟體。惟其不以中央處理器為限,其亦得為一具有控制功能的單晶片。以下將對儲存裝置20中所儲存的一預定程序進行說明。在本例中,預定程序係包含步驟、程序如下列,該等步驟、程序得以一程式碼之方式以為之,本發明不對此多加限制。
步驟S1係指控制該介面裝置10之該資料擷取功能以擷取一預定目標。該預定目標係指曲面切削之總體誤差之減少或最小化,該總體誤差得由一過切誤差量以及一讓切誤差量所組成。惟本發明之該預定目標並不以前述之降低曲面切削之總體誤差為限,按設計者之需求,其亦得以最小化讓切誤差或是最小化過切誤差以為其目標。
步驟S2為自介面裝置10取得預定目標。
步驟S3為根據該設計曲面及該預定目標來針對路徑對應的曲線方程式之係數進行搜尋從而取得相對於二曲線之多階方程式。需注意的是,於本例中,該二曲線方程式為一三階方程式。
步驟S4利用該二方程式來產生有一刀具路徑。
步驟S5為將該刀具路徑輸往該控制裝置30,進而 使該控制裝置30控制一刀具以為加工之用。
在應用時,該控制裝置30自該儲存裝置20讀取並執行該預定程序,便得該刀具路徑。
在對本發明進行進一步的說明前,需瞭解除非有另外定義,否則本說明書所用之所有技術及科學術語,皆具有與熟習本發明所屬技術者通常所瞭解的意義相同之意義。另外,本說明書目前所述者,僅屬本發明的眾多實例方法之其中之一,在本發明之實際使用時,可使用與本說明書所述方法及裝置相類似或等效之任何方法或手段為之。再者,本說明書中所提及之一數目以上或以下,係包含數目本身。
且應瞭解的是,說明書的『此』一字係與『本發明的』一詞同義。再者,本說明書揭示執行所揭示功能之某些方法、流程,並不以說明書中所記載之順序為限,除說明書有明確排除,否則各步驟、流程先後順序之安排端看使用者之要求而自由調整。再者,本說明書中的各圖式間的各元件間之比例已經過調整以維持各圖面的簡潔,故此,除了說明書有明確說明外,圖面中的各個元件的相對應大小、位置以及形狀均僅供參考,在不脫離本發明的發明觀念下,各個元件的大小、位置以及形狀等特徵之安排端看使用者之要求而自由變更。另外,考量本發明之各元件之性質為相互類似,故各元件間的說明、標號為相互適用。
藉由以上較佳具體實施例之詳述,係希望能更加 清楚描述本發明之特徵與精神,而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地,其目的是希望能涵蓋各種改變,及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。因此,本發明所申請之專利範圍的範疇應根據上述的說明作最寬廣的解釋,以致使其涵蓋所有可能的改變以及具相等性的安排。
40‧‧‧刀具
91、92‧‧‧邊界曲線

Claims (10)

  1. 一種五軸曲面側銑加工系統,用以產生一刀具路徑,其包含:一介面裝置,具有一資料擷取功能;一儲存裝置,儲存有一預定程序,該預定程序係包含有:控制該介面裝置之該資料擷取功能以擷取一預定目標;自該介面裝置取得該預定目標;根據該設計曲面及該預定目標來搜尋複數個係數從而取得兩條多階方程式,每條該多階方程式係分別地與一邊界曲線對應;以及根據該兩條多階方程式來以一曲線插補程序來產生有該刀具路徑;一控制裝置,具有一資料運算功能,與該介面裝置及該儲存裝置耦接;在應用時,該控制裝置自該儲存裝置讀取並執行該預定程序。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之系統,其中該預定目標為最小化一總體誤差,該總體誤差係包含有一過切誤差量以及一讓切誤差量。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之系統,其中該預定目標為最小化一過切誤差量或最小化一讓切誤差量。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之系統,其中該多階方程式為一三階方程式。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之系統,其中該多階方程式為一四階方程式。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之系統,其進一步包含有一刀具,該刀具係受該控制裝置控制而按該刀具路徑作動進而對一工件進行加工。
  7. 一種五軸曲面側銑加工系統的路徑規劃方法,用以產生一刀具路徑,該方法包含下列步驟:控制該介面裝置之該資料擷取功能以擷取一預定目標;自該介面裝置取得該預定目標;根據該設計曲面及該預定目標來搜尋複數個係數從而取得兩條多階方程式,每條該多階方程式係分別地與一邊界曲線對應;以及根據該兩條多階方程式來以一曲線插補程序來產生該刀具路徑。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之方法,其中該預定目標為最小化一總體誤差,該總體誤差係包含有一過切誤差量以及一讓切誤差量。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之方法,其中該多階方程式為一三階方程式。
  10. 如申請專利範圍第7項所述之方法,其中該多階方程式為一四階方程式。
TW102126814A 2013-07-26 2013-07-26 一種五軸曲面側銑加工系統及其路徑規劃方法 TWI512418B (zh)

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