CN103240639B - 一种宽行加工等参数线刀轨快速精确搭接方法 - Google Patents

Abstract

一种宽行加工等参数线刀轨快速精确搭接方法，它有五大步骤：一、设定刀轨的正负搭接系数和边界特征刀位个数；二、根据加工范围、走刀方向和起始参数计算第一条刀轨各参数；三、根据已有刀轨行宽采用抛物线插值预测出下一行刀轨的行宽，并结合刀轨搭接系数得到刀轨偏置距离，将当前刀轨驱动线移动一个偏置距离得到下一行刀轨的驱动线；四、计算下一行刀轨各参数；五、刀轨排列自左向右时判断下一行的左边界是否落在当前行的有效搭接区域内部，若是，则搭接成功；若否，分两种情况即搭接过多或搭接不上，分别用步进法和二分法处理。本发明在金属切削加工技术领域里有实用价值和广阔地应用前景。

Description

一种宽行加工等参数线刀轨快速精确搭接方法

技术领域

本发明涉及一种宽行数控加工中刀轨搭接的方法，尤其涉及一种宽行加工等参数线刀轨快速精确搭接方法。属于金属切削加工技术领域。

背景技术

等参数线走刀是非常常见的一种五轴加工刀轨规划方式。其中走刀行距的大小对曲面的加工质量和效率影响很大，过大的行距会导致加工后表面的残留高度增大，过小的行距则会造成重复切削，使加工效率严重降低。

现有技术中，可以用于等参数线刀轨搭接的方法有多种。

现有技术一，基于微分几何的行距估计方法。该方法根据刀具的有效切削半径、曲面在垂直于进给方向平面内的平均曲率半径和最大允许残留高度给出了行距的估算公式。

现有技术二，基于包络理论的行距计算方法。先给定一个初始行距，确定下一行的初始刀位，再通过计算相邻两行刀轨的包络面交线到理论曲面的距离来判断是否超差，然后通过调整行距使得该距离与允许的最大残留高度足够接近。

现有技术一在曲面比较复杂或者加工行宽较大的时候会带来显著的误差，因此不太适用于宽行加工。

现有技术二需要进行包络面之间的频繁求交，计算量非常大，另外在计算一些曲率变化急剧的曲面时，相邻两行刀轨前后两个刀位包络面之间可能不存在交线，造成求交失败。

发明内容

1、目的：本发明的目的是提供一种宽行加工等参数线刀轨快速精确搭接方法，以提高宽行加工等参数线刀轨的搭接精度和搭接效率。

2、技术方案：本发明的目的是通过以下技术方案来实现的。

本发明一种宽行加工等参数线刀轨快速精确搭接方法，它包括以下步骤：

步骤一、设定刀轨的正负搭接系数和边界特征刀位个数，当刀轨排列方向为自左向右时指左边界特征刀位个数，当刀轨的排列方向为自右向左时指右边界特征刀位个数。

步骤二、根据加工范围、走刀方向和起始参数计算第一条刀轨，确定该刀轨的参数行宽值、行宽的左右边界和有效搭接区域。

步骤三、根据已有刀轨行宽采用抛物线插值预测出下一行刀轨的行宽，并结合刀轨搭接系数得到刀轨偏置距离，将当前刀轨驱动线移动一个偏置距离得到下一行刀轨的驱动线。

步骤四、计算下一行刀轨，得到其参数行宽及左右边界和该行的左边界特征刀位（刀轨排列自左向右时）。

步骤五、判断下一行的左边界（刀轨排列自左向右时）是否落在当前行的有效搭接区域内部，若是，则搭接成功，若否，则分为两种情况：若搭接过多，用步进法移动下一行的刀轨驱动线找到第一个搭接不上的位置，然后用二分法查找到符合有效搭接条件的位置；若搭接不上，用步进法移动下一行的刀轨驱动线找到第一个搭接过多的位置，然后用二分法查找到符合有效搭接条件的位置。

其中，在步骤一中所述的刀轨的正负搭接系数是用来控制两行刀轨之间允许的最大重叠量或者偏离量，当前刀轨行宽与正搭接系数的乘积为允许的最大重叠量，当前刀轨行宽与负搭接系数的乘积为允许的最大偏离量。所述的边界特征刀位指行宽左（右）边界最靠近所在刀轨左（右）边界的那几个刀位，一行刀轨的左（右）边界由该行所有刀位左（右）边界的最右（左）值决定，即刀轨的左右边界为所有刀位边界决定的最窄边界。

其中，在步骤二中所述的加工范围指曲面要加工区域的参数范围，走刀方向为参数U向或者V向。走刀方向为U向时起始参数指的是第一条刀轨驱动线对应的V参数，走刀方向为V向时起始参数指的是第一条刀轨驱动线对应的U参数。这里的刀轨驱动线为等V线或者等U线，即等参数线刀轨。所述的计算第一条刀轨，其顺序为：先将刀轨驱动线离散成一些刀位点，再根据定位方法将刀具在每个刀位点上进行定位，然后通过计算刀具落入曲面公差带的部分得到了每个刀位加工行宽的左右边界。所述的有效搭接区域指的是：当刀轨排列方向为自左向右（自右向左）时，在参数域内以当前行的右边界（左边界）为基准，向左（右）偏置一个允许的最大重叠量（当前刀轨行宽与正搭接系数的乘积）确定了有效搭接区域的左（右）边界，向右（左）偏置一个允许的最大偏离量（当前刀轨行宽与负搭接系数的乘积）确定了有效搭接区域的右（左）边界。

其中，在步骤三中所述的根据已有刀轨行宽采用抛物线插值预测下一行刀轨行宽，指的是：当计算第2或第3行刀轨时，预测其行宽等于上一行刀轨的行宽，当计算第4行及以后刀轨时，可以将它前面紧邻的3行刀轨的行宽进行抛物线拟合，然后插值得到该行刀轨行宽的预测值。所述的刀轨偏置距离指的是，预测的下一行刀轨驱动线到当前刀轨驱动线之间的参数距离，刀轨偏置距离由下一行刀轨行宽的预测值和正负搭接系数决定，其中正负搭接系数对刀轨偏置距离的修正是为了让下一行刀轨的左边界（刀轨排列自左向右时）落在当前刀轨有效搭接区域内部的概率达到最大。

其中，在步骤四中所述的左边界特征刀位（在刀轨自左向右排列时）指的是，将下一行刀轨上所有刀位的左边界按照从大到小进行排序（假设参数从左向右递增），根据步骤一中定义的边界特征刀位个数选取左边界最大的几个刀位，即为左边界特征刀位，左边界特征刀位决定了整行刀轨的左边界。

其中，在步骤五中所述的搭接过多是指下一行刀轨的左边界（在刀轨自左向右排列时）在当前刀轨有效搭接区域的左边，搭接不上是指下一行刀轨的左边界在当前刀轨有效搭接区域的右边。所述的用步进法移动下一行刀轨的驱动线其关键在于，步距为下一行刀轨左边界（在刀轨自左向右排列时）到当前刀轨有效搭接区域中线的参数距离。所述的有效搭接条件指的是下一行刀轨的左边界（在刀轨自左向右排列时）落在当前刀轨有效搭接区域内部。步骤五中，在用步进法或二分法调整刀轨驱动线时只需计算前面定义的左边界特征刀位，若过程中满足了有效搭接条件则停止搜索，计算该行除了左边界特征刀位以外的其它刀位，然后计算其它行。

3、优点和功效：

本发明统筹考虑了等参数线刀轨的搭接精度和搭接效率。通过调整刀轨驱动参数线的位置使得相邻两行刀轨之间的残留高度可以得到有效的控制，提高了加工的精度。根据前几行刀轨的行宽用抛物线插值预测下一行的行宽，并且在计算刀轨偏置距离以及后续的步进法和二分法调整过程中，使预测的下一行刀轨的左边界落在了当前刀轨有效搭接区域的中线上。这样从统计学上使得计算出的下一行刀轨满足有效搭接条件的可能性达到最大。另外，算法中通过提取几个边界特征刀位大大降低了刀轨驱动线调整时的计算量，二分法保证了算法的鲁棒性。因而本发明提出的算法可以有效保证搭接的效率。

附图说明

图1为相邻两行刀轨搭接不上的示意图

图2为相邻两行刀轨搭接过多的示意图

图3为刀轨及其边界在参数域内的示意图

图4左边界特征刀位示意图

图5为满足有效搭接条件的刀轨在参数域内的示意图

图6为刀轨搭接具体实施例的流程图

图中的代号、符号说明如下：

u_min,u_max—加工区域沿着U向的最小值和最大值。

v_min,v_max—加工区域沿着V向的最小值和最大值。

v_i,left,v_i,right—第i行刀轨的左边界和右边界。

v_i+1,left,v_i+1,right—第i+1行刀轨的左边界和右边界。

v_i,v_i+1,v_i+2—分别为第i行、第i+1行和第i+2行刀轨的驱动线。

U_i,U_i+1—第i行和第i+1行刀轨的有效搭接区域。

W_i,W_i+1,W_i+2—第i行、第i+1行和第i+2行刀轨的加工行宽。

具体实施方式

见图6，本发明一种宽行加工等参数线刀轨快速精确搭接方法，具体实施步骤如下：

设沿着U参数线方向走刀，刀轨排列的方向沿着参数V增大的方向。曲面上要加工的参数域为（（u_min,v_min），（u_max,v_max））。第i行刀轨在参数线v_i上，该行的刀位点依次为（u_i,0,v_i）、（u_i,1,v_i）、（u_i,2,v_i）…（u_i,Mi,v_i），其中M_i为该行刀位点数目。

步骤一：设定正搭接系数为ζ=0.05和负搭接系数ξ=0.02，一般情况下有ζ≥ξ。设定边界特征刀位个数Ｎ_i+1=5。

正搭接系数ζ取值范围为0<ζ<1，负搭接系数ξ取值范围为0<ξ<1，正搭接系数ζ越大，则允许的重叠量越大，即有效搭接区域U_i增大，这样会提高搭接效率，但是可能导致加工刀轨数目增多，进而影响加工效率，ζ一般设为0.05左右。负搭接系数ξ越大，两行刀轨之间越容易产生超差。ξ一般设为0.02左右。边界特征刀位个数一般取一行刀轨刀位个数的十分之一左右。若取得太多会影响搭接效率，若取得太少，可能在刀轨驱动线移动的过程中实际刀轨发生了较大变化，导致边界特征刀位丧失了代表所在刀轨边界的作用。

该步骤中的参数说明：ζ—设定的正搭接系数，ξ—设定的负搭接系数，N_i+1—定义的边界特征刀位个数。

步骤二：根据起始参数v₁、走刀方向U和加工范围计算第i条刀轨（i=1）。对于该行刀轨的第j个刀位，加工行宽的左右边界分别为vⁱ _j,left和ⁱ _vj,right，该刀位的参数行宽为W_i,j=vⁱ _j,right-vⁱ _j,left，该行刀轨的参数边界为v_i,left=max（vⁱ _j,left，j=1，2，…，M_i），v_i,right=min（vⁱ _j,right，j=1，2,…,M_i），该行刀轨的参数行宽为W_i=v_i,right-v_i,left。该行刀轨的有效搭接区域为U_i=（v_i,right-ζ·W_i，v_i,right+ξ·W_i）=(U_i,left,U_i,right)，中点为U_i,mid=v_i,right+(ξ-ζ)·W_i/2=(U_i,left+U_i,right)/2，见图3所示。即只要刀轨v_i+1的左边界v_i+1,left落在区域U_i的内部就算搭接成功。设定正负搭接精度意味着当前行与下一行刀轨参数行宽的最大重叠量不能超过ζ·W_i，最大偏离不能超过ξ·W_i。

该步骤中的参数说明：vⁱ _j,left—第i行刀轨第j个刀位加工行宽的左边界，vⁱ _j,right—第i行刀轨的第j个刀位加工行宽的右边界，W_i,j—第i行刀轨第j个刀位的加工行宽，v_i,left—第i行刀轨的左边界，v_i,right—第i行刀轨的右边界，W_i—第i行刀轨的加工行宽，U_i—第i行刀轨的有效搭接区域，ζ—设定的正搭接系数，ξ—设定的负搭接系数，U_i,left—第i行刀轨的有效搭接区域的左边界，U_i,right—第i行刀轨的有效搭接区域的右边界，U_i,mid—第i行刀轨有效搭接区域中线的参数。图1为相邻两行刀轨搭接不上的示意图，图2为相邻两行刀轨搭接过多的示意图。

步骤三：若i≥3，采用抛物线拟合第i-2、i-1和i行刀轨的行宽，并插值得到第i+1行的行宽预测值W_i+1,yu，若i＜3，则取i+1行的行宽预测值W_i+1,yu=W_i。估计两行刀轨驱动线之间的距离为d=[1-(ζ ξ)/2]·W_i+1,yu，则下一行刀轨驱动线的位置为v_i+1=v_i+d=v_i+[1-(ζ ξ)/2]·W_i+1,yu。

该步骤中的参数说明：W_i+1,yu—第i+1行刀轨行宽的预测值，W_i—第i行刀轨的加工行宽，d—两行刀轨驱动线之间的距离，ζ—设定的正搭接系数，ξ—设定的负搭接系数，v_i—第i行刀轨的驱动线，v_i+1—第i+1行刀轨的驱动线。

步骤四：计算第i+1行刀轨，得到该行刀轨的参数边界为v_i+1,left、v_i+1,right和该行刀轨的参数行宽为W_i+1=v_i+1,right-v_i+1,left。注意到每行刀轨的边界由极少数刀位的边界决定，因此可以将刀轨v_i+1的所有刀位的左边界vⁱ⁺¹ _j,left按照从大到小排序，得到N_i+1个左边界最大的刀位u_i+1,k1，u_i+1,k2，…，u_i+1,k(Ni+1)（其中k₁,k₂…,k_(Ni+1)记录了这些刀位在刀轨所有刀位中的序号），称为左边界特征刀位，见图4所示。

该步骤中的参数说明：v_i+1,left—第i+1行刀轨的左边界，v_i+1,right—第i+1行刀轨的右边界，W_i+1—第i+1行刀轨的行宽，v_i+1—第i+1行刀轨驱动线对应的参数，vⁱ⁺¹ _j,left—第i+1行刀轨第j个刀位的左边界，N_i+1—定义的边界特征刀位个数，v_i+1—第i+1行刀轨的驱动线，u_i+1,k1—第i+1行刀轨中所有刀位按照左边界从大到小排序排在第1位的刀位，u_i+1,k(Ni+1)—第i+1行刀轨中所有刀位按照左边界从大到小排序排在第N_i+1位的刀位。

步骤五：

（1）判断v_i+1,left与有效搭接区域U_i的相对位置关系。若v_i+1,left落在有效搭接区域U_i的内部，则搭接成功，转（4）。如果v_i+1,left落在有效搭接区域U_i的左边，则表示搭接过多，会造成重复切削，转（2）。如果v_i+1,left落在有效搭接区域U_i的右边，则表示没有搭接上，会造成部分区域超差，转（3）。

（2）记v_i+1,ok=v_i+1。用步进法增大行距，步长为step=U_i,mid-v_i+1,left，刀轨驱动线移动后刀轨v_i+1只计算前面定义的Ｎ_i+1个边界特征刀位。找到第一个搭接不上的位置v_i+1,no（在寻找v_i+1,no过程中若满足有效搭接条件则计算刀轨中除了Ｎ_i+1个刀位以外的其他刀位并转（4）），然后用二分法在v_i+1,ok和v_i+1,no之间进行搜索，找到满足参数左边界落在有效搭接区域U_i的刀轨v_i+1，然后计算刀轨中除了Ｎ_i+1个刀位以外的其他刀位，再转（4）。

（3）记v_i+1,no=v_i+1。用步进法减小行距，步长为step=v_i+1,left-U_i,mid，刀轨驱动线移动后刀轨v_i+1只计算前面定义的Ｎ_i+1个边界特征刀位。找到第一个搭接过多的位置v_i+1,ok（在寻找v_i+1,ok过程中若满足有效搭接条件则计算刀轨中除了Ｎ_i+1个刀位以外的其他刀位并转（4）），然后用二分法在v_i+1,ok和v_i+1,no之间进行搜索，找到满足参数左边界落在有效搭接区域U_i的刀轨v_i+1，然后计算刀轨中除了Ｎ_i+1个刀位以外的其他刀位。

（4）进行下一行v_i+2的估计和搭接，直至覆盖全部加工范围。搭接成功的刀轨示意图见图5，以上步骤的流程图见图6。

该步骤中的参数说明：v_i+1,left—第i+1行刀轨的左边界，U_i—第i行刀轨的有效搭接区域，v_i+1,ok—第i+1行刀轨搭接过多时的驱动线参数，v_i+1—第i+1行刀轨的驱动线，step—第i+1行刀轨的驱动线用步进法移动的步距，U_i,mid—第i行刀轨有效搭接区域中线的参数，N_i+1—边界特征刀位个数，v_i+1,no—第i+1行刀轨搭接不上时的驱动线参数，v_i+2—第i+2行刀轨驱动线的参数。

本发明的宽行加工等参数线刀轨快速精确搭接方法实现途径为：在VC++6.0环境下对三维加工软件UG进行二次开发，编制计算刀轨的程序，用本发明提供的刀轨搭接方法来实现相邻两行刀轨的搭接，计算好一张曲面的刀轨并进行后置处理后即可进行加工。

通过测试曲面对本发明进行实验验证：

采用环心圆半径为9mm、截面半径为1.5mm的圆环面刀计算一航空发动机叶片曲面，沿着等参数线方向走刀，给定公差0.01mm，设定刀轨正搭接系数为0.05、负搭接系数为0.02，边界特征刀位数为5。计算结果表明，平均搭接次数为2次左右，在曲率变化较快的区域搭接次数稍多，在曲率变化缓慢的区域1次搭接就能成功。在VERICUT软件中对计算的刀轨进行仿真，发现欠切误差在0.01mm之内。

以上所述仅为本发明较佳的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化和替换都应涵盖在本发明的保护范围之内，另外本发明提供的方法可以集成到任何包含等参数线走刀方式的加工软件中。

Claims (1)

1.一种宽行加工等参数线刀轨快速精确搭接方法，其特征在于：它包括以下步骤：

步骤一、设定刀轨的正负搭接系数和边界特征刀位个数，当刀轨排列方向为自左向右时指左边界特征刀位个数，当刀轨的排列方向为自右向左时指右边界特征刀位个数；

步骤二、根据加工范围、走刀方向和起始参数计算第一条刀轨，确定该刀轨的参数行宽值、行宽的左右边界和有效搭接区域；

步骤三、根据已有刀轨行宽采用抛物线插值预测出下一行刀轨的行宽，并结合刀轨搭接系数得到刀轨偏置距离，将当前刀轨驱动线移动一个偏置距离得到下一行刀轨的驱动线；

步骤四、计算下一行刀轨，得到其参数行宽及左右边界和该行的左边界特征刀位；

步骤五、刀轨排列自左向右时判断下一行的左边界是否落在当前行的有效搭接区域内部，若是，则搭接成功；若否，则分为两种情况：若搭接过多，用步进法移动下一行的刀轨驱动线找到第一个搭接不上的位置，然后用二分法查找到符合有效搭接条件的位置；若搭接不上，用步进法移动下一行的刀轨驱动线找到第一个搭接过多的位置，然后用二分法查找到符合有效搭接条件的位置；

其中，步骤一中所述的刀轨的正负搭接系数是用来控制两行刀轨之间允许的最大重叠量或者偏离量，当前刀轨行宽与正搭接系数的乘积为允许的最大重叠量，当前刀轨行宽与负搭接系数的乘积为允许的最大偏离量；所述的边界特征刀位指行宽左或右边界最靠近所在刀轨左或右边界的那几个刀位，一行刀轨的左或右边界由该行所有刀位左或右边界的最右或左值决定，即刀轨的左右边界为所有刀位边界决定的最窄边界；

其中，步骤二中所述的加工范围指曲面要加工区域的参数范围，走刀方向为参数U向或者V向；走刀方向为U向时起始参数指的是第一条刀轨驱动线对应的V参数，走刀方向为V向时起始参数指的是第一条刀轨驱动线对应的U参数；这里的刀轨驱动线为等V线或者等U线，即等参数线刀轨；所述的计算第一条刀轨，其顺序为：先将刀轨驱动线离散成一些刀位点，再根据定位方法将刀具在每个刀位点上进行定位，然后通过计算刀具落入曲面公差带的部分得到了每个刀位加工行宽的左右边界；所述的有效搭接区域指的是：当刀轨排列方向为自左向右或自右向左时，在参数域内以当前行的右边界或左边界为基准，向左或右偏置一个允许的最大重叠量即当前刀轨行宽与正搭接系数的乘积确定了有效搭接区域的左或右边界，向右或左偏置一个允许的最大偏离量即当前刀轨行宽与负搭接系数的乘积确定了有效搭接区域的右或左边界；

其中，步骤三中所述的根据已有刀轨行宽采用抛物线插值预测下一行刀轨行宽，指的是当计算第2或第3行刀轨时，预测其行宽等于上一行刀轨的行宽，当计算第4行及以后刀轨时，将它前面紧邻的3行刀轨的行宽进行抛物线拟合，然后插值得到该行刀轨行宽的预测值；所述的刀轨偏置距离，指的是预测的下一行刀轨驱动线到当前刀轨驱动线之间的参数距离，刀轨偏置距离由下一行刀轨行宽的预测值和正负搭接系数决定，其中正负搭接系数对刀轨偏置距离的修正是为了让下一行刀轨的左边界——刀轨排列自左向右时落在当前刀轨有效搭接区域内部的概率达到最大；

其中，步骤四中所述的左边界特征刀位指的是，将下一行刀轨上所有刀位的左边界按照从大到小进行排序，根据步骤一中定义的边界特征刀位个数选取左边界最大的几个刀位，即为左边界特征刀位，左边界特征刀位决定了整行刀轨的左边界；

其中，步骤五中所述的搭接过多是指下一行刀轨的左边界在当前刀轨有效搭接区域的左边，搭接不上是指下一行刀轨的左边界在当前刀轨有效搭接区域的右边；所述的用步进法移动下一行刀轨的驱动线其关键在于，步距为下一行刀轨左边界到当前刀轨有效搭接区域中线的参数距离；所述的有效搭接条件指的是下一行刀轨的左边界落在当前刀轨有效搭接区域内部；在用步进法或二分法调整刀轨驱动线时只需计算前面定义的左边界特征刀位，若过程中满足了有效搭接条件则停止搜索，计算该行除了左边界特征刀位以外的其它刀位，然后计算其它行。