考虑误差区域性分布的数控加工刀轨分区映射方法与流程

本发明涉及一种刀轨映射方法，尤其是一种在按工件实际面加工的过程中根据工件实际面不同的误差分布类型选择不同的刀轨映射方法从而保证刀轨映射效率和质量的方法，具体地说是一种考虑误差区域性分布的数控加工刀轨分区映射方法。

背景技术：

在产品加工中，加工设备、加工工艺、材料性能等因素均会导致工件变形，对于诸如飞机蒙皮、火箭壁板、发动机叶片等薄壁工件而言，变形导致理论面和实际面产生较大偏差，此时如果还按照理论面进行后续加工，会过切或者欠切，所以需要按照实际面重新计算实际刀轨，再根据实际刀轨进行加工，重算刀轨时间长，期间机床不能进行任何生产活动，严重影响机床产能。

刀轨映射是基于工件实际形状的几何特点以理论刀轨为依据快速生成实际刀轨的方法。目前主要有刀轨投影、等弧长映射、等参数映射等刀轨映射方法，它们各有优缺点。刀轨投影方便高效，但是当工件实际面和理论面偏离较远时无法保证投影后实际刀位点的位置精度，甚至工件理论面边界处的理论刀位点无法投影到实际面上；等弧长映射的刀轨映射方法可以保证工件实际面和理论面偏离较远时映射后实际刀位点位置足够精确，但是映射算法复杂、效率低而且在工件发生塑性变形的局部区域内由于弧长已经改变，这个方法不适用；等参数映射的刀轨映射方法既可以保证映射后实际刀位点的位置精确性也适用于工件发生塑性变形的局部区域但是需要精确的边界信息，而检测实际面的过程中边界信息很难精确获得，所以等参数映射不适用于在整张实际面上使用。传统的刀轨映射针对整个工件实际面只使用一种刀轨映射方法，而工件实际面和理论面往往误差变形情况各异，传统单一的刀轨映射方法无法保证效率和质量。

针对以上问题，本专利提出一种考虑误差区域性分布的数控加工刀轨分区映射方法，该方法将多个传统单一的刀轨映射方法有机结合起来，先根据工件实际面不同误差类型的区域性分布特征划分区域，再根据划分结果针对不同误差类型的区域选择不同的刀轨映射方法将理论刀轨映射到工件实际面上完成刀轨映射，充分利用了各种刀轨映射方法的优点，保证了刀轨映射的效率和质量。

技术实现要素：

本发明的目的是针对按工件实际面加工中现有的刀轨映射方法无法应对工件实际面和理论面误差情况各异的问题，发明一种考虑误差区域性分布的数控加工刀轨分区映射方法，它能根据工件实际面不同误差类型的区域性分布特征划分区域，再根据划分结果针对不同的区域选择不同的刀轨映射方法从而同时保证刀轨映射效率和质量的方法。

本发明的技术方案是：

一种考虑误差区域性分布的数控加工刀轨分区映射方法，其特征在于首先根据工件理论面生成理论刀轨并从中提取理论刀位点，再将实际面与理论面对比得到实际面上不同误差类型的区域性分布特征，然后根据该区域性分布特征对实际面进行区域划分，得到对应于不同误差类型的误差区域，有均匀误差区域：工件实际面区域内误差在±δ范围内，δ由工艺人员根据经验确定；梯度误差区域：工件实际面区域内误差超过±δ范围并朝该区域边界不断加速增大，在区域边界处达到最大值，表现为实际面在这一边界处的翘曲；以及局部误差区域：工件实际面在某一区域内的误差超过±δ范围并向区域内部一点不断减速增大，最终在区域内某处达到该区域的局部误差最大值，表现为实际面上这一区域隆起形成凸包或塌陷形成凹坑。针对均匀误差区域采用投影的方法、针对梯度误差区域采用等弧长映射的方法、针对局部误差区域采用等参数映射的方法，将工件理论面上的理论刀位点映射到工件实际面上从而实现理论刀轨到实际刀轨的转换，完成刀轨映射。

所述的针对梯度误差区域采用等弧长映射的方法，其特征在于使用刀轨文件中两个定位点j1和j2的连线l1构建等弧长映射的基准直线，再根据这条基准直线建立几何关系求解实际刀位点。定位点j1和j2为工件设计加工时的两个基准点，理论面和实际面的这两个点是重合的，所以将l1作为等弧长映射的基准。等弧长映射的具体步骤为：

步骤一、连接两个定位点j1和j2获得空间的一条基准直线l1。

步骤二、设pt是一个理论刀位点，构建以直线l1为法矢并且过点pt的平面t1。

步骤三、将l1分别向理论面和实际面投影得两条投影曲线d1和d2，曲线d1和d2分别交平面t1于ct和cr。

步骤四、测得ct和pt在理论面上连线的弧长为s1，在实际面上以cr为起点，在平面t1和实际面的交线上确定点pr使得cr到pr连线的弧长也等于s1。

步骤五、多次迭代上述过程直至梯度误差区域内所有理论刀位点全部映射。

此外，当梯度误差区域包络局部误差区域形成环形区域时，需要先对比理论面和实际面获得梯度误差和局部误差边界，然后根据局部误差区域的位置情况对该梯度误差区域进行再次分区并在不同子区域内使用各自的新基准进行等弧长映射，这些基准均由最初的定位点连线的基准平移获得。局部误差区域会影响等弧长映射的实施，所以需要根据局部误差区域的位置将梯度误差区域再次分区并且使用各自的基准以避免局部误差区域带来的影响。而均匀误差区域却不会影响等弧长映射的实施。

所述的针对局部误差区域采用等参数映射的方法，其特征在于在理论面st中找到对应于局部误差区域的子曲面stom，求出理论刀位点在子曲面stom上的u向和v向参数，记为up和vp，同样在实际面sr中找到对应于该局部误差区域的子曲面srom，在srom上取u向和v向参数为up和vp的点即为实际刀位点pr，多次迭代上述过程直至局部误差区域内所有理论刀位点全部映射。此外，当局部误差区域包络在均匀误差区域中时，首先获得局部误差区域和均匀误差区域的边界，再分别在局部误差区域内使用等参数映射，在均匀误差区域内使用投影即可；当局部误差区域包络在梯度误差区域内时，先获得局部误差区域和梯度误差区域的边界，然后在局部误差区域中依然使用等参数映射，而此时梯度误差区域内的等弧长映射需要适当平移基准线才能进行。

本发明的有益效果是：

1、本发明使用的刀轨映射方法和重新计算刀轨相比，速度大大提高，能高效地完成理论刀轨到实际刀轨的映射过程。

2、本发明使用的刀轨分区映射方法和传统单一的刀轨映射方法相比，充分利用了各种刀轨映射方法的优点，避免了其缺点，能在应对工件实际面和理论面复杂变形情况时依然保证刀轨映射的效率和质量。

附图说明

图1为本发明的考虑误差区域性分布的数控加工刀轨分区映射方法流程图。

图2为本发明所应用的示例工件误差区域性分布结果示意图，图中sr是实际面，st是理论面。l和d是这个工件在两个方向上的尺寸。在sr上n1代表第一个梯度误差区域，j代表均匀误差区域，n2代表第二个梯度误差区域，m代表局部误差区域。

图3为示例工件的加工刀轨文件图，图中每一行goto后面都是一个刀位点，每一个刀位点由其在工件加工坐标系下x,y,z坐标值和刀轴矢量组成。

图4为等弧长映射整体示意图，其中sr是实际面，st是理论面，j1和j2是两个定位点，pt是理论刀位点，pr是实际刀位点。连接j1和j2获得空间中的一条基准直线l1，构建以l1为法矢并且过pt的平面t1，再将l1分别向理论面和实际面投影得两条投影曲线d1和d2，曲线d1和d2分别交平面t1于ct和cr，测得ct和pt在理论面上连线的弧长为s1，在实际面上以cr为起点，在平面t1和实际面的交线上确定实际刀位点pr使得cr到pr连线的弧长也等于s1。

图5为等弧长映射局部放大图，其中j1和j2是两个定位点，pt是理论刀位点，pr是实际刀位点。连接j1和j2获得空间中的一条基准直线l1，构建以l1为法矢并且过pt的平面t1，再将l1分别向理论面和实际面投影得两条投影曲线d1和d2，曲线d1和d2分别交平面t1于ct和cr，测得ct和pt在理论面上连线的弧长为s1，在实际面上以cr为起点，在平面t1和实际面的交线上确定实际刀位点pr使得cr到pr连线的弧长也等于s1。

图6为等参数映射原理示意图，图中st是理论面，stom是理论面上对应于局部误差区域的子面，sr是实际面，srom是实际面上对应于局部误差区域的子面。u和v分别代表子曲面的两个参数方向，pt是理论刀位点，up和vp是pt在stom上的曲面参数，在srom上找出u、v参数也等于up和vp的点即为实际刀位点pr。

图7为梯度误差区域包络局部误差区域时刀轨映射的示意图，其中st是理论面，stom是st上对应于局部误差区域的子面，u和v分别代表子面的两个参数方向，m是局部误差区域，n是梯度误差区域，ptm是stom上的一个理论刀位点，ptn是梯度误差区域内的一个理论刀位点，up和vp是ptm在stom上的曲面参数；sr是实际面，srom是sr上对应于局部误差区域的子面，prm是局部误差区域内的一个实际刀位点，prn是梯度误差区域内的一个实际刀位点，up和vp也是prm在srom上的曲面参数。

图8为梯度误差区域包络局部误差区域时等弧长映射的示意图，其中st是理论面，j1和j2是工件的两个定位点，l1为j1和j2所连接的直线，n是梯度误差区域，ptn是梯度误差区域中的一个刀位点，m是局部误差区域，b1为m和l1的最近切点，b2为m和l1的最远切点，r1是l1上方的一个阴影部分区域，r2和r3是l1下方的两块阴影部分区域。lm1是将l1平移至刚好过b2的新基准直线。

图9为均匀误差区域包络局部误差区域时刀轨映射的示意图，图中st是理论面，sr是实际面，stom是理论面上对应于局部误差区域的子面，srom是实际面上对应于局部误差区域的子面。u和v分别代表子曲面的两个参数方向，m代表局部误差区域，ptm是stom内的一个理论刀位点，up和vp是ptm在stom上的曲面参数，prm是srom内的一个实际刀位点，它在srom上的曲面参数也是up和vp，prm由ptm等参数映射得到，j代表均匀误差区域，ptj是理论面上均匀误差区域内的一个理论刀位点，prj是实际面上均匀误差区域的实际刀位点，它由ptj向实际面投影得到。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式及示例零件对本发明作进一步说明：

一种考虑误差区域性分布的数控加工刀轨分区映射方法，如图1所示，它包括以下步骤：

首先，根据工件理论面生成理论刀轨并从中提取理论刀位点，再将实际面与理论面对比得到实际面上不同误差类型的区域性分布特征，

其次，根据区域性分布特征对实际面进行区域划分，得到对应于不同误差类型的误差区域：

有均匀误差区域：工件实际面区域内误差在±δ范围内，δ由工艺人员根据经验确定；

梯度误差区域：工件实际面区域内误差超过±δ范围并朝该区域边界不断加速增大，在区域边界处达到最大值，表现为实际面在这一边界处的翘曲；

局部误差区域：工件实际面在某一区域内的误差超过±δ范围并向区域内部一点不断减速增大，最终在区域内某处达到该区域的局部误差最大值，表现为实际面上这一区域隆起形成凸包或塌陷形成凹坑；

最后，针对均匀误差区域采用投影的方法、针对梯度误差区域采用等弧长映射的方法、针对局部误差区域采用等参数映射的方法，将工件理论面上的理论刀位点映射到工件实际面上从而实现理论刀轨到实际刀轨的转换，完成刀轨映射。

其中：针对梯度误差区域采用等弧长映射的方法时使用刀轨文件中两个定位点j1和j2的连线l1构建等弧长映射的基准直线，再根据这条基准直线建立几何关系求解实际刀位点。定位点j1和j2为工件设计加工时的两个基准点，理论面和实际面的这两个点是重合的，所以将l1作为等弧长映射的基准。等弧长映射的具体步骤为：

步骤一、连接两个定位点j1和j2获得空间的一条基准直线l1。

步骤二、设pt是一个理论刀位点，构建以直线l1为法矢并且过点pt的平面t1。

步骤三、将l1分别向理论面和实际面投影得两条投影曲线d1和d2，曲线d1和d2分别交平面t1于ct和cr。

步骤四、测得ct和pt在理论面上连线的弧长为s1，在实际面上以cr为起点，在平面t1和实际面的交线上确定点pr使得cr到pr连线的弧长也等于s1。

步骤五、多次迭代上述过程直至梯度误差区域内所有理论刀位点全部映射。

此外，当梯度误差区域包络局部误差区域形成环形区域时，需要先对比理论面和实际面获得梯度误差和局部误差边界，然后根据局部误差区域的位置情况对该梯度误差区域进行再次分区并在不同子区域内使用各自的新基准进行等弧长映射，这些基准均由最初的定位点连线的基准平移获得。局部误差区域会影响等弧长映射的实施，所以需要根据局部误差区域的位置将梯度误差区域再次分区并且使用各自的基准以避免局部误差区域带来的影响。而均匀误差区域却不会影响等弧长映射的实施。

针对局部误差区域采用等参数映射的方法时可在理论面st中找到对应于局部误差区域的子曲面stom，求出理论刀位点在子曲面stom上的u向和v向参数，记为up和vp，同样在实际面sr中找到对应于该局部误差区域的子曲面srom，在srom上取u向和v向参数为up和vp的点即为实际刀位点pr，多次迭代上述过程直至局部误差区域内所有理论刀位点全部映射。此外，当局部误差区域包络在均匀误差区域中时，首先获得局部误差区域和均匀误差区域的边界，再分别在局部误差区域内使用等参数映射，在均匀误差区域内使用投影即可；当局部误差区域包络在梯度误差区域内时，先获得局部误差区域和梯度误差区域的边界，然后在局部误差区域中依然使用等参数映射，而此时梯度误差区域内的等弧长映射需要适当平移基准线才能进行。

详述如下：

如图2所示，这是一张飞机蒙皮工件，其尺寸为4000mm×2000mm。工件实际外形和理论外形有明显的偏差，上下边缘发生了明显的翘曲，现使用考虑误差区域性分布的数控加工刀轨分区映射方法将理论面上的理论刀轨映射到工件实际面上生成实际刀轨。具体步骤如下：

步骤一、提取该蒙皮理论刀轨的所有理论刀位点。

获得该蒙皮理论刀轨文件并打开该文件，如附图3所示，含有goto的每一行均代表一个刀位点，后面的6个数值分别为一个刀位点在加工坐标系下的x,y,z坐标和刀轴矢量，提取该蒙皮工件所有的理论刀位点。经统计，该蒙皮工件一共有39720个刀位点，选取其中连续的12个理论刀位点显示如下表：

步骤二、将该蒙皮工件理论面和实际面对比并根据误差分布情况分区。

将理论面与实际面对比得到实际面上不同误差类型的区域性分布特征，然后根据该区域性分布特征对实际面进行区域划分，得到对应于不同误差类型的误差区域。如附图2所示，该蒙皮工件的实际面一共划分出4个误差区域，分别为两个梯度误差区域，用n1和n2来表示；一个均匀误差区域，用j来表示；一个局部误差区域，用m来表示。

将39720个理论刀位点根据这个误差类型分区结果分类，以区号来标识，这里的区号有n1、n2、j和m分别代表四个区域。在上一步中展示的12个理论刀位点分类结果如下表：

从结果中可以发现，上一步展示的12个理论刀位点刚好处在第一个梯度误差区域和均匀误差区域的边界处。

步骤三、对每个区域选择各自的刀轨映射方法进行刀轨映射。

对标识为n1、n2的梯度误差区域的理论刀位点采用等弧长映射的方法，对标识为j的均匀误差区域的理论刀位点采用投影的方法，对标识为m的局部误差区域的理论刀位点采用等参数映射的方法，将39720个理论刀位点映射到实际面上成为实际刀位点。

对n1区域内的每一个理论刀位点进行等弧长映射，如附图4和附图5所示：sr是实际面，st是理论面，j1和j2是两个定位点，pt是理论刀位点。连接j1和j2获得空间中的一条基准直线l1，构建以l1为法矢并且过pt的平面t1，再将l1分别向理论面和实际面投影得两条投影曲线d1和d2，曲线d1和d2分别交平面t1于ct和cr，测得ct和pt在理论面上连线的弧长为s1，在实际面上以cr为起点，在平面t1和实际面的交线上确定实际刀位点pr使得cr到pr连线的弧长也等于s1。

由于n2区域包络了局部误差区域m，所以需要根据m所在位置情况对该梯度误差区域进行再次分区并在不同子区域内使用各自的新基准进行等弧长映射。如附图8所示：j1和j2是工件的两个定位点，l1为j1和j2所连接的直线也是初始基准，n是梯度误差区域，ptn是梯度误差区域中的一个理论刀位点，m是局部误差区域，b1为m和l1的最近切点，b2为m和l1的最远切点，将l1平移至刚好过b2得到新的基准lm1，并用lm1将整个n2划分为两个区域，对应图中的r2和r3，对于r2中的理论刀位点采用l1作为等弧长映射基准，对于r3中的理论刀位点采用lm1作为等弧长映射基准，以此完成整个n2区域的等弧长映射。

对j区域内的每一个理论刀位点向工件实际面投影，得到实际刀位点。

对m区域内的每一个理论刀位点进行等参数映射，如附图6所示，图中st是理论面，stom是理论面上对应于局部误差区域的子面，sr是实际面，srom是实际面上对应于局部误差区域的子面。u和v分别代表子曲面的两个参数方向，pt是理论刀位点，获得pt在stom上的曲面参数up和vp，在srom取u、v参数等于up和vp的点即为实际刀位点pr。

步骤一中展示的12个理论刀位点映射情况如下表：

生成实际刀轨文件完成刀轨映射，最终各个误差区域的刀轨映射情况如下表：

本发明未涉及部分与现有技术相同采用现有技术加以实现。