基于三维图形设计平台的智能化线切割编程方法及系统与流程

本发明涉及模具加工数控编程技术领域，特别涉及一种基于三维图形设计平台的智能化线切割编程方法及系统。

背景技术：

为适应市场需求以及工业4.0以及中国制造2025的智能化制造发展需要，许多制造企业引进了大量新型多轴线切割加工机床用于加工生产。然而限于编程人员经验与能力，许多复杂的几何加工模型线割编程效率较低，导致高性能线割设备利用率不足。主要存在以下问题：

(1)目前市面销售与应用的线切割编程软件应用环境为2D而目前3D设计软件已成为制造企业的主流选择；

(2)3D数据转换至2D时通常会产生大量样条曲线，这类曲线无法被现有的编程软件识别，需要大量手动修补工作，会影响编程的精度和效率；

(3)2D环境下由于缺少加工零件的细节特征，在应用线切割编程软件时需要额外指定一些参数，导致效率降。

技术实现要素：

有鉴于此，有必要提供一种能够解决3D数据转换至2D时通常会产生大量样条曲线，从而影响编程的精度和效率，且需要额外指定工艺参数的问题的基于三维图形设计平台的智能化线切割编程方法及系统。

一种基于三维图形设计平台的智能化线切割编程方法，所述基于三维图形设计平台的智能化线切割编程方法包括如下步骤：

S1、对待切割曲面进行相邻性分组，判断待分析待切割曲面的可见性和可加工性，并通过可见性与可加工性求解相邻曲面边界；

S2、判断待切割曲面是否为规则曲面，根据曲面特性计算曲面加工轨迹；

S3、设定工艺参数，并结合曲面加工轨迹由线割刀路生成器生成指定工艺类型的通用的线割刀路轨迹编码。

一种基于三维图形设计平台的智能化线切割编程系统，所述基于三维图形设计平台的智能化线切割编程系统包括如下功能模块：

边界求解模块、用于对待切割曲面进行相邻性分组，判断待分析待切割曲面的可见性和可加工性，并通过可见性与可加工性求解相邻曲面边界；

轨迹分析模块、用于判断待切割曲面是否为规则曲面，根据曲面特性计算曲面加工轨迹；

编码生成模块、用于设定工艺参数，并结合曲面加工轨迹由线割刀路生成器生成指定工艺类型的通用的线割刀路轨迹编码。

本发明所述基于三维图形设计平台的智能化线切割编程方法及系统，其通过对待切割曲面进行相邻性分组，判断待分析待切割曲面的可见性和可加工性，并通过可见性与可加工性求解相邻曲面边界；再判断待切割曲面是否为规则曲面，根据曲面特性计算曲面加工轨迹；最后设定工艺参数，并结合曲面加工轨迹由线割刀路生成器生成指定工艺类型的通用的线割刀路轨迹编码。本发明基于当前主流的3D设计软件NX三维图形设计平台实现线切割自动化编程系统，采用全3D线割编程，数据无缝传输，中间无人为周转；且通过集成线割工艺，进行智能化运算，减少人为操作强度和提高数据的稳定性；可自动分成多段的无线头线割工艺，反割工艺、主副程式、无屑线割工艺，解决了现有技术中3D数据转换至2D时通常会产生大量样条曲线，从而影响编程的精度和效率，且需要额外指定工艺参数的问题。

附图说明

图1为本发明所述基于三维图形设计平台的智能化线切割编程方法的流程框图；

图2为图1中步骤S1的流程框图；

图3为图1中步骤S2的流程框图；

图4为图3中步骤S2a的流程框图；

图5为图3中步骤S2b的流程框图；

图6为图5中步骤S2b1的流程框图；

图7为本发明所述基于三维图形设计平台的智能化线切割编程方法的步骤流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例提供一种基于三维图形设计平台的智能化线切割编程方法，所述基于三维图形设计平台的智能化线切割编程方法包括如下步骤：

S1、对待切割曲面进行相邻性分组，判断待分析待切割曲面的可见性和可加工性，并通过可见性与可加工性求解相邻曲面边界；

S2、判断待切割曲面是否为规则曲面，根据曲面特性计算曲面加工轨迹；

S3、设定工艺参数，并结合曲面加工轨迹由线割刀路生成器生成指定工艺类型的通用的线割刀路轨迹编码。

其中，如图2所示，所述步骤S1、对待切割曲面进行相邻性分组，判断待分析待切割曲面的可见性和可加工性，并通过可见性与可加工性求解相邻曲面边界。其包括以下分步骤:

S11、判断用户指定曲面集合中的各个待切割曲面是否具有公共边，将具有公共边的待切割曲面归类为一组，并迭代查找与该组相邻的待切割曲面，直至所有待切割曲面都已归组；

S12、调取NX三维图形设计平台的射线判断接口，判断待分析曲面附近是否可以被射线穿透，能够被射线穿透的面则认为具有可见性；

S13、当相邻曲面的共边与加工坐标系Z轴角度大于设定值，则认为其中一个与其它待切割曲面不相邻的面为不可加工面；

S14、通过可见性与可加工性过滤大部分非线割曲面，并求解相邻曲面边界。

具体的，由于线切割加工主要加工对象为孔与外形，因此加工对象面在几何属性上具备相邻的特征。因此，通过用户指定曲面集合中的各个待切割曲面是否具有公共边，将具有公共边的待切割曲面归类为一组，并迭代查找与该组相邻的待切割曲面，直至所有待切割曲面都已归组。

由于线切割的加工方式是通过金属丝放电腐蚀的方式进行加工，金属线一定会穿过工件，故待加工的面上的各点一定是能够放置一根直线不被遮挡的，故而本发明通过调取NX平台的射线判断接口，判断待分析面附近是否可以被射线穿透，能被射线穿透的面则认为具有可见性。同时，由于当前主流线切割加工机台的最大加工角度小于45°，且实际加工过程中该角度会设定的更小，一般为15°。因此当相邻面的共边与加工坐标系Z轴角度大于设定值，则认为其中一个与其它加工面不相邻的面为不可加工面；继而通过可见性与可加工性过滤大部分非线割曲面，求解相邻曲面边界。

不过对于相邻曲面边界中部分存在的二义性曲面边界，可以通过边界宽度、边界法向、加工量三种方法的基础经验公式计算出最优解并将其他不同结果作为备选方案，当用户在处理二义性的曲面边界时，系统自动提示用户可以切换为备选方法进行加工，将最终加工方式记录至数据库中。具体方法如下：

设边界宽度为X，边界法向与加工坐标系Z轴夹角为Y，边界端点UV参数与曲面UV参数上下限差值的绝对值为Z，定义经验公式F(X,Y,Z)为X,Y,Z的三次多项式，

F(X,Y,Z)＝0.01X³+0.2X²+X+0.005Y³+0.012Y²+5Y+0.1Z²+Z

其中，上述经验公式的最初系数通过企业经验数据设定。

定期提取加工参数并通过遗传算法求解多项式系数的最优值，并更新经验公式系数的配置文件。

当求解相邻曲面边界之后，进入步骤S2。

步骤S2、判断待切割曲面是否为规则曲面，根据曲面特性计算曲面加工轨迹。通过对曲面进行分类分析，从而快速获取平面、圆柱面、圆锥面等规则曲面的几何信息。

如图3所示，所述步骤S2包括以下分步骤:

S2a、如果待切割曲面是规则曲面，则继续判断所述规则曲面是平面还是圆柱面；

具体的，规则曲面上的运动轨迹可以直接通过曲面类型得到。即当所有点的法矢都相同时，判断其为平面，则其加工轨迹为该平面与加工坐标系X-Y平面的相交直线；以曲面上Z轴高度相同的任意三点构成两条直线段，直线段的中垂线交点到当前曲面Z轴高度相同的任意点距离都相同时，判断其为圆柱面，则其加工轨迹为以圆柱中轴线与X-Y平面相交点为圆心，圆柱面半径为半径的圆弧。

S2b、如果待切割曲面不是规则曲面，则求取得到所有关键切割点，根据关键切割点拟合出曲面加工轨迹。即通过曲面展开算法求解非标准曲面关键切割点的轨迹。

如图4和图5所示，通过NX三维图形设计平台提供的二次开发接口函数得到曲面沿XY方向变化率，根据曲面沿XY方向变化率对上述得到的曲面进行UV向展开求出UV向的一阶导数、二阶导数，并通过牛顿迭代法求解出延展方向一致性的矢量。

具体的，取当前关键切割点的多个矢量方向作为起始方向，分别进行迭代计算得到满足公差的矢量，当前关键切割点沿矢量方向平移阈值距离后与该曲面距离得到误差值；对比多个矢量的误差值，取误差值最小的矢量作为延展方向一致性矢量。该方法避免陷入局部最优解的情况，同时充分考虑到工程应用场景，将最常见情况纳入至算法中，提高发明的执行效率。

取相邻曲面边界上的任意一点作为当前关键切割点，将当前关键切割点以延展方向一致性的矢量与法向矢量叉乘后的矢量进行偏移一微调阈值距离求得下一个关键切割点，依次循环，直至求到的关键切割点与曲面边界的距离小于微调阈值距离，即得到该曲面所有关键切割点；通过直线段连接关键切割点拟合出曲面加工轨迹。所述微调阈值距离为最小加工直线段长度，优选0.01mm。

所述步骤S3、设定工艺参数，并结合曲面加工轨迹由线割刀路生成器生成指定工艺类型的通用的线割刀路轨迹编码。

本发明提供加工工艺模板数据库支持，通过不同类型的加工方式，如：内孔，开放式，无屑加工会对应不同的加工速度，退刀距离等，同时用户随时定制加工工艺参数模板，如：丝径，精修次数，加工方向等，从而快速设定加工工艺参数。

根据加工工艺参数生成通用代码的过程是将运动轨迹以标准NC代码格式的圆弧与直线运动描述出来，用加工坐标XY标示圆弧的起始端，IJ标示终止端，R标示半径；直线用XY标示起始端,IJ表示终止段。对于不同设备代码会不一样，但整体格式一致，本发明通过替换字段的形式实现指定机型的规则转换。

若线割丝以直线直接切入线割轮廓，当线割第一段轮廓也为直线时，通常此情况此两条直线有夹角，直线与直线间有个拐点，由于线割线经过此拐点时，不能保证均匀放电，会在此拐点除给零件留下被重复放电的丝痕，特别当此怪角为尖角的时候尤为严重。使用相切的圆弧路径进刀可以明显改善这一点。在实际线割路径中，因为直接进刀会导致进刀口处过量放电，因此我们会在圆弧进刀轨迹前加一段L型的线割丝调整角度的过渡路径，防止发生过切现象。

图6为本发明所述基于三维图形设计平台的智能化线切割编程方法的步骤流程图，如图6所示，所述基于三维图形设计平台的智能化线切割编程方法具有以下步骤：

步骤1：对待切割曲面进行相邻性分组，指定待分析曲面，进入步骤2；

步骤2：调取NX三维图形设计平台的射线判断接口，判断待分析曲面的可见性，进入步骤3；

步骤3：根据相邻曲面的共边与加工坐标系Z轴角度判断待分析曲面的可加工性，进入步骤4；

步骤4：根据可见性与可加工性求解相邻曲面边界，进入步骤5；

步骤5：判断待分析曲面是否为规则曲面，如果是规则曲面，则进入步骤6；如果不是规则曲面，则进入步骤7；

步骤6：直接通过曲面类型规则得到曲面上的运动轨迹，进入步骤5；

步骤7：根据曲面沿XY方向变化率求解出延展方向一致性的矢量，进入步骤8；

步骤8：通过直线段连接关键切割点拟合出曲面加工轨迹，进入步骤9；

步骤9：根据加工工艺模板数据库以及用户输入提取加工工艺参数，进入步骤10；

步骤11：根据加工工艺参数生成线切割轨迹代码，进入步骤12；

步骤12：根据特定机床的指令将线割刀路轨迹代码转换为该类型机床可识别的数控指令，进入步骤13；

步骤13：输出数控指令。

基于三维图形设计平台的智能化线切割编程方法，本发明还提供一种基于三维图形设计平台的智能化线切割编程系统，所述基于三维图形设计平台的智能化线切割编程系统包括如下功能模块：

边界求解模块、用于对待切割曲面进行相邻性分组，判断待分析待切割曲面的可见性和可加工性，并通过可见性与可加工性求解相邻曲面边界；

轨迹分析模块、用于判断待切割曲面是否为规则曲面，根据曲面特性计算曲面加工轨迹；

编码生成模块、用于设定工艺参数，并结合曲面加工轨迹由线割刀路生成器生成指定工艺类型的通用的线割刀路轨迹编码。

其中，所述边界求解模块包括以下功能子模块：

所述曲面分组子模块、用于判断用户指定曲面集合中的各个待切割曲面是否具有公共边，将具有公共边的待切割曲面归类为一组，并迭代查找与该组相邻的待切割曲面，直至所有待切割曲面都已归组；

可见性判断子模块、用于调取NX三维图形设计平台的射线判断接口，判断待分析曲面附近是否可以被射线穿透，能够被射线穿透的面则认为具有可见性；

可加工性判断子模块、用于当相邻曲面的共边与加工坐标系Z轴角度大于设定值，则认为其中一个与其它待切割曲面不相邻的面为不可加工面；

过滤删选子模块、用于通过可见性与可加工性过滤大部分非线割曲面，并求解相邻曲面边界。

其中，所述轨迹分析模块包括二次判断子模块：

二次判断子模块、用于当待切割曲面是规则曲面时，则继续判断所述规则曲面是平面还是圆柱面；

具体的，所述二次判断子模块包括以下功能单元：

平面加工轨迹获取单元、用于当所有关键切割点的法矢都相同时，判断其为平面，则其加工轨迹为该平面与加工坐标系X-Y平面的相交直线；

圆柱面加工轨迹获取单元、用于以曲面上Z轴高度相同的任意三点构成两条直线段，直线段的中垂线交点到当前曲面Z轴高度相同的任意点距离都相同时，判断其为圆柱面，则其加工轨迹为以圆柱中轴线与X-Y平面相交点为圆心，圆柱面半径为半径的圆弧。

其中，所述轨迹分析模块还包括加工轨迹求取子模块：

加工轨迹求取子模块、用于当待切割曲面不是规则曲面时，则求取得到所有关键切割点，根据关键切割点拟合出曲面加工轨迹；

具体的，所述加工轨迹求取子模块包括以下功能单元：

延展方向矢量求解单元、用于根据曲面沿XY方向变化率对待切割曲面进行UV向展开求出UV向的一阶导数、二阶导数，并通过牛顿迭代法求解出延展方向一致性的矢量；

关键点求解单元、用于取相邻曲面边界上的任意一点作为当前关键切割点，将当前关键切割点以延展方向一致性的矢量与法向矢量叉乘后的矢量进行偏移一微调阈值距离求得下一个关键切割点，依次循环，直至求到的关键切割点与曲面边界的距离小于微调阈值距离，即得到该曲面所有关键切割点；

加工轨迹生成单元、用于通过直线段连接关键切割点拟合出曲面加工轨迹。

进一步的，所述延展方向矢量求解单元还包括以下功能子单元：

公差矢量迭代子单元、用于取当前关键切割点的多个矢量方向作为起始方向，分别进行迭代计算得到满足公差的矢量；

误差求解子单元、用于在当前关键切割点沿矢量方向平移阈值距离后与该曲面距离得到误差值；

误差对比子单元、用于对比多个矢量的误差值，取误差值最小的矢量作为延展方向一致性矢量。

本发明所述基于三维图形设计平台的智能化线切割编程方法及系统，其通过对待切割曲面进行相邻性分组，判断待分析待切割曲面的可见性和可加工性，并通过可见性与可加工性求解相邻曲面边界；再判断待切割曲面是否为规则曲面，根据曲面特性计算曲面加工轨迹；最后设定工艺参数，并结合曲面加工轨迹由线割刀路生成器生成指定工艺类型的通用的线割刀路轨迹编码。本发明基于当前主流的3D设计软件NX三维图形设计平台实现线切割自动化编程系统，采用全3D线割编程，数据无缝传输，中间无人为周转；且通过集成线割工艺，进行智能化运算，减少人为操作强度和提高数据的稳定性；可自动分成多段的无线头线割工艺，反割工艺、主副程式、无屑线割工艺，解决了现有技术中3D数据转换至2D时通常会产生大量样条曲线，从而影响编程的精度和效率，且需要额外指定工艺参数的问题。

以上装置实施例与方法实施例是一一对应的，装置实施例简略之处，参见方法实施例即可。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能性一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应超过本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机储存器、内存、只读存储器、电可编程ROM、电可檫除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其他形式的存储介质中。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。