面向光顺加工的数控加工轨迹处理方法
【专利摘要】本发明公开了一种面向光顺加工的数控加工轨迹处理方法，所述方法包括以下步骤：S1、遍历整条加工轨迹上的所有小线段，进行插值子区间的判定；S2、对插值子区间内的小线段，采用圆弧插值的方法进行插值计算；S3、遍历整条加工轨迹上的所有小线段，进行光顺滤波子区间的判定；S4、对需要进行光顺滤波的各个拐角采用滑动滤波技术进行滤波。本发明能满足数控系统实时性的要求，以及光顺加工对加工轨迹的特殊要求。
【专利说明】面向光顺加工的数控加工轨迹处理方法【技术领域】
[0001]本发明涉及数控加工轨迹处理【技术领域】，特别是涉及一种面向光顺加工的数控加工轨迹处理方法。
【背景技术】
[0002]不同的加工类型对数控加工的要求也不同，如木工雕刻加工中大多追求最快的加工速度，对加工精度和加工表面的光洁度要求较低；在精密仪器配件的加工中则更看重加工精度，会在加工的过程中牺牲一定的速度以换取更高的加工精度；然而，在部分模件的加工过程中，加工表面的光洁度则是其最重要的评价指标。通常，加工速度、精度和表面光洁度是三个互斥的评价指标。因此，为了提高其中某个指标的性能，往往需要牺牲其他两个指标的性能。为了解决该问题，已有部分针对加工效率优先和加工精度优先的数控加工方案提出。但是，现有的数控加工中对表面光洁度加工优先加工模式的支持较少，光洁度的保证主要还是靠加工后期的抛光来完成的。显然，手工抛光速度相对较慢，这严重影响了加工效率。
[0003]在数控加工中，待加工模件的表面一般是由若干平面和自由曲面组合而成的，而数控机床只能控制刀具完成点到点的运动。因此，当在CAD中完成对待加工模件的建模后，需要首先将其送入CAM系统，将待曲面离散成数控系统能够识别的待加工轨迹，即完成路径规划操作，然后再将生成的加工轨迹送入数控系统中完成加工。
[0004]CAM系统完成加工路径规划时最常用的方法是等残余高度法，它的主要思想是根据给定的最大残余高度(公差)和刀具半径，用一系列的刀具路径去覆盖整个加工曲面。当对加工表面的光洁度要求较高时，一般会设置较小的最大残余高度，提高加工精度的方法来改善加工表面的光洁度。在这种设置下，生成的总路径长度变长，单条小线段的长度变短。然而，提高加工表面的精度虽然有助于改善加工表面的光顺性，但是光顺与精度并不是两个等价的概念。表面的加工精度是指加工表面上的最大残余高度，而光顺则更多地体现在加工路径上小线段间拐角的平滑过渡。
[0005]因此，针对上述技术问题，需要提出一种面向光顺加工的数控加工轨迹处理方法，从而得到更为光洁的零件加工表面。
【发明内容】
[0006]有鉴于此，为了解决现有对光顺加工研究的不足，本发明将针对现有数控加工路径不满足光顺加工条件这一问题，研究数控加工路径的光顺预处理问题，通过引入圆弧插值技术和滑动滤波技术，提供了一种面向光顺加工的数控加工轨迹处理方法。
[0007]为了实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下:
[0008] 一种面向光顺加工的数控加工轨迹处理方法，所述方法包括以下步骤:
[0009]S1、遍历整条加工轨迹上的所有小线段，进行插值子区间的判定；
[0010]S2、对插值子区间内的小线段，采用圆弧插值的方法进行插值计算。[0011]作为本发明的进一步改进，所述步骤SI具体包括:
[0012]S11、遍历整条加工轨迹上的小线段；
[0013]S12、设定最短插值小线段长度；
[0014]S13、判断当前所遍历到的小线段长度是否大于所设定的最短插值小线段长度，如果是，则执行S14;否则，执行S18;
[0015]S14、设定最大拐角；
[0016]S15、判断小线段终点处的拐角大小是否小于所设定的最大拐角，如果是，则执行S16 ;否则，执行S18 ；
[0017]S16、将该小线段加入到插值子区间中； [0018]S17、得到需要插值计算的小线段集合；
[0019]S18、得到不需要插值计算的小线段集合。
[0020]作为本发明的进一步改进，所述步骤S2具体包括:
[0021]S21、获取插值子区间内的小线段；
[0022]S22、用一段圆弧逼近原有的小线段；
[0023]S23、判断圆弧的方向；
[0024]S24、求出圆弧的表达式；
[0025]S25、求出插值圆弧的表达式；
[0026]S26、在圆弧上进行插值计算，求出插值点。
[0027]作为本发明的进一步改进，所述步骤S2后还包括:
[0028]S3、遍历整条加工轨迹上的所有小线段，进行光顺滤波子区间的判定；
[0029]S4、对需要进行光顺滤波的各个拐角采用滑动滤波技术进行滤波。
[0030]作为本发明的进一步改进，所述步骤S3具体为:
[0031]S31、遍历每条路径上的轨迹点；
[0032]S32、按照小线段间的方向变化应满足一致性的原则将整条加工轨迹划分成若干个子区间；
[0033]S33、判断子区间内是否至少存在两条相邻小线段之间的拐角小于预设值，如果是，则执行S34 ;否则，执行S35 ；
[0034]S34、得到需要光顺滤波的子区间的集合；
[0035]S35、得到不需要光顺滤波的子区间的集合。
[0036]作为本发明的进一步改进，所述步骤S4具体为:
[0037]S41、设置滑动窗口 Nw;
[0038]S42、求出本周期滑动滤波的结果输出；
[0039]S43、对小线段角度的变化采用滑动平均滤波器进行滤波。
[0040]作为本发明的进一步改进，所述步骤S42中对于滤波子区间上的第i条小线段，输
出结果为.风:^^丨，且Nj满足Nj=Hiin (i+Nw，N)，其中，N为小线段的条数。
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[0041]本发明的面向光顺加工的数控加工轨迹处理方法，将滑动滤波技术与插值技术引入到数控加工路径的光顺处理问题中，在不将小线段所组成的加工路径拟合成曲线的基础上，设计一种实现加工路径上相邻小线段间拐角连续变化的光顺路径预处理机制。针对具有不同特点的加工轨迹，采用不同的预处理方法。例如，对于单条小线段较长的加工轨迹，采用插值的方式，而对于单条小线段较短的加工轨迹，则进一步采用滑动滤波的方式来减少小角度的轨迹点过渡，满足数控系统实时性的要求，增强光顺处理功能的适应性。
【专利附图】
【附图说明】
[0042]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0043]图1为本发明一【具体实施方式】中面向光顺加工的数控加工轨迹处理方法的流程图；
[0044]图2为本发明第一实施方式中步骤SI插值子区间判定方法的具体流程图；
[0045]图3为本发明第一实施方式中步骤S2插值计算过程的具体流程图；
[0046]图4为本发明二【具体实施方式】中面向光顺加工的数控加工轨迹处理方法的流程图；
[0047]图5为本发明第二实施方式中步骤S3光顺滤波子区间判定方法的具体流程图；
[0048]图6为本发明第二实施方式中步骤S4光顺滤波过程的具体流程图；
[0049]图7为圆弧方向的两种可能性的不意图，其中，图7 (a)为上圆弧的不意图，图7(b)为下圆弧的示意图；
[0050]图8为计算插值圆弧表达式的辅助线示意图；
[0051]图9为在圆弧上插值计算、求出插值点的示意图；
[0052]图10为滑动平均滤波器的模块示意图。
【具体实施方式】
[0053]为了使本【技术领域】的人员更好地理解本发明中的技术方案，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，所描述的实施例仅仅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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
[0054]为了解决现有对光顺加工研究的不足，在上述对光顺加工造成的影响的诸多因素中，本发明将着重考虑单条加工路径不满足光顺加工条件这一问题，研究数控加工路径的光顺预处理问题，提供了一种面向光顺加工的数控运动轨迹处理方法。
[0055]参图1所示，本发明第一实施方式中，面向光顺加工的数控加工轨迹处理方法包括以下步骤:
[0056]S1、遍历整条加工轨迹上的所有小线段，进行插值子区间的判定；
[0057]S2、对插值子区间内的小线段，采用圆弧插值的方法进行插值计算。
[0058]下面首先对本发明实施方式步骤SI所提供的一种插值子区间判定的方法进行介绍。[0059]当加工采用NURBS曲线所表示的加工轨迹时，每个插补周期都存在加工方向的变化，这就将小线段所表示的加固轨迹中每个拐点的转折角度较为均匀地分布在了多个插补周期中。因而，NURBS曲线插补技术具有更高的加工速度、精度和更好的加工表面光顺性。
[0060]根据上述特点，为了使小线段所表示的加工轨迹能更好地适用光顺加工的需求，本发明采用圆弧插值技术，将符合要求的一段小线段插值为多段小线段，从而将原拐点的角度变化较为均匀地分摊到多个拐点中，使加工表面具有更好的光顺性。
[0061]所设计的插值计算算法是为了减少加工轨迹上的小角度拐点过渡，所以算法需要首先判断哪些小线段需要进行插值运算，并将其加入到插值子区间当中。
[0062]参图2所示，步骤SI具体包括:
[0063]S11、遍历整条加工轨迹上的小线段；
[0064]S12、设定最短插值小线段长度；
[0065]S13、判断当前所遍历到的小线段长度是否大于所设定的最短插值小线段长度，如果是，则执行S14;否则，执行S18;
[0066]S14、设定最大拐角；
[0067]S15、判断小线段终点处的拐角大小是否小于所设定的最大拐角，如果是，则执行S16 ;否则，执行S18 ；
[0068]S16、将该小线段加入到插值子区间中；
[0069]S17、得到需要插值计算的小线段集合；
[0070]S18、得到不需要插值计算的小线段集合。
[0071]下面对本发明实施方式步骤S2所提供的插值计算的过程进行介绍。
[0072]对于所有加入到插值子区间内的小线段，采用圆弧插值的方法来对其进行插值计算。显然，如果插值之后得到的小线段过短，可能使得插值后的小线段长度小于实际加工时每个插补周期的实际步长，从而影响加工效率。为了避免这一情况出现，设定一个插值的最小步长，即插值后得到的小线段长度不应小于该最小步长，假设允许的插值后最小步长用
LmJn。
[0073]参图3所示,步骤S2具体包括:
[0074]S21、获取插值子区间内的小线段；
[0075]这里给定的小线段是经过插值子区间判定后，需要差值计算的集合中的任意一段小线段。
[0076]S22、用一段圆弧逼近原有的小线段；
[0077]S23、判断圆弧的方向；
[0078]为了保证在用圆弧逼近小线段时尽可能地保证加工精度，希望圆弧的方向与原有加工曲面上的曲线方向相同。通过CAM的轨迹生成原理和观察发现，通过与小线段相邻的轨迹点，可以求出使圆弧更接近于原有加工曲面的插值圆弧方向。同时，如果在该方向上构建圆弧，不仅不会丢失加工精度，还对CAM生成加工轨迹时丢失的部分精度具有补偿作用。
[0079]如图7所示，取该小线段的两个端点A和B，以及终点B的下一轨迹点C，以A为坐标原点，线段AB方向为X轴方向，若点C在X轴上方，则插值圆弧应为下圆弧，参图7 (b)所示；否则，点C在X轴下方，插值圆弧为上圆弧，参图7(a)所示。
[0080]S24、求出圆弧的表达式；[0081]假设最大加工误差为e，接下来就可以根据圆弧的方向、最大加工误差e以及插值小线段的两个端点坐标，求出该圆弧的表达式。当圆弧的方向已知时，该圆弧的表达式由圆弧的两个端点和圆弧半径唯一确定。在所要求的插值圆弧中，圆弧的两个端点即为所要插值小线段的两个端点。这样只需要再求出圆弧上的一点，根据公式(I)就可以求出该圆弧的表达式。
[0082]( x~a)2+ (y-b)2 = R2 ( I)
[0083]S25、求出插值圆弧的表达式；
[0084]如图8所示，小线段AB可以看作是圆弧所在圆的弦，取AB的中点，记做点0，然后从0点做AB的垂线，记做0E。然后在OE上取线段0F，使得OF的长度等于最大加工误差，即弓高误差最后，求出点F的坐标值。这样，必然存在一个圆，同时过A、F、B三点。根据公式(1)，可以求出参数a，b，R的具体取值，从而得到该插值圆弧的表达式。
[0085]S26、在圆弧上进行插值计算，求出插值点。
[0086]在插值计算时，利用前面定义的插值后最小步长去逼近该插值圆弧，具体做法如下:
[0087]从圆弧起点(原小线段起点)开始，以最小插值步长Lmin作为弦长去逼近插值圆弧。假设圆弧起点为A，如图9所示，插值后得到的第一个插值点为B，它们的坐标分别用(xA, yA)和(xB，yB)表示。显然，B为圆弧上一点，且到A点的距离为Lmin。那么根据下面的公式(2)，可以很容易求出B点的坐标值。
[0088]
【权利要求】
1.一种面向光顺加工的数控加工轨迹处理方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤: 51、遍历整条加工轨迹上的所有小线段，进行插值子区间的判定； 52、对插值子区间内的小线段，采用圆弧插值的方法进行插值计算。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤SI具体包括: SI 1、遍历整条加工轨迹上的小线段； 512、设定最短插值小线段长度； 513、判断当前所遍历到的小线段长度是否大于所设定的最短插值小线段长度，如果是，则执行S14 ;否则，执行S18 ； 514、设定最大拐角； 515、判断小线段终点处的拐角大小是否小于所设定的最大拐角，如果是，则执行S16；否则，执行S18 ； 516、将该小线段加入到插值子区间中； 517、得到需要插值计算的小线段集合； 518、得到不需要插值计算的小线段集合。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括: 521、获取插值子区间内的小线段； 522、用一段圆弧逼近原有的小线段； 523、判断圆弧的方向； 524、求出圆弧的表达式； 525、求出插值圆弧的表达式； 526、在圆弧上进行插值计算，求出插值点。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2后还包括: 53、遍历整条加工轨迹上的所有小线段，进行光顺滤波子区间的判定； 54、对需要进行光顺滤波的各个拐角采用滑动滤波技术进行滤波。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤S3具体为: 531、遍历每条路径上的轨迹点； 532、按照小线段间的方向变化应满足一致性的原则将整条加工轨迹划分成若干个子区间； 533、判断子区间内是否至少存在两条相邻小线段之间的拐角小于预设值，如果是，则执行S34;否则，执行S35; 534、得到需要光顺滤波的子区间的集合； 535、得到不需要光顺滤波的子区间的集合。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤S4具体为: 541、设置滑动窗口Nw; 542、求出本周期滑动滤波的结果输出； 543、对小线段角度的变化采用滑动平均滤波器进行滤波。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤S42中对于滤波子区间上的第i条小线段，输出结果为:
【文档编号】G05B19/41GK103676788SQ201310753094
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年12月31日 优先权日:2013年12月31日
【发明者】黄河, 孙玉娥, 徐伟, 卜霄菲, 李凡长, 杨季文 申请人:苏州大学