一种针对蒙皮镜像铣工艺约束条件下的基于图像处理的环切刀轨生成方法与流程

本发明属于计算机辅助制造(cam)技术领域，尤其是一种环切刀轨的生成及优化方法，具体地说是一种蒙皮镜像铣的环切刀轨生成方法，它通过将蒙皮上待加工型腔几何边界转化为图像信息，而后基于此信息利用图像处理技术在工艺约束下生成并优化环切刀轨的方法。

背景技术：

飞机蒙皮上有众多槽特征，由于其自身的特点，尺寸大，外形复杂，材料去除率高，刚性差，导致其加工质量一直不能得到很好的控制。为了克服蒙皮在铣削过程中因刚度不足产生变形超差的弊端，目前制造业采用蒙皮镜像铣系统。通过在蒙皮背面施加与刀具镜像随动的顶撑装置，为薄壁蒙皮增加刚性。顶撑装置安装有超声测厚传感器，能够实时监测蒙皮厚度，进一步保证加工质量。也正因为厚度传感器的存在，导致蒙皮镜像铣的刀轨受工艺约束。

首先，为保证蒙皮最终形状，需要沿刀轨加工无残留；其次，刀轨间的步距应在一定范围内变化。如果步距过大超过刀具直径，会导致加工残留，需要增加额外刀轨去除这些局部残留，影响加工效率；如果步距过小小于超声波测厚装置预留的安全使用距离，相邻两层刀轨加工区域重叠过多，导致测厚传感器的测量区域存在阶刀差，信号紊乱，影响其测量精度。除此之外，由于蒙皮表面粗糙度要求高，因此刀轨需要尽可能光顺，没有避免刀具急剧回转。由于顶撑装置和刀具需要始终保持镜像随动，而每次进刀都需要一段刀轨进行镜像校准，因此为了避免镜像校准，蒙皮镜像铣过程中也应当避免抬刀。

行切刀轨和环切刀轨是铣削加工中常用的两种刀轨形态。当加工区域形状复杂时，行切刀轨面临刀具频繁撤回和直角回转，刀具频繁加速减速，降低加工效率。行切刀轨的加工模式在顺铣和逆铣中不断转换，减少刀具寿命，也降低加工表面质量。且行切刀轨由于不能很好适应加工区域边界，极易产生局部加工残余，需要对刀轨进行后处理优化去除局部残留。相比于行切刀轨，环切刀轨由多层与加工区域边界轮廓线相似的刀轨组成，更适用于复杂加工区域，且加工模式能够保持逆铣不变，不存在频繁加速减速和急剧回转现象，加工质量更高，应用也更为广泛。

传统环切刀轨的生成方法主要分为几何图形法和图像法，其中几何图形法又分为voronoi图法和双边偏置法，这两种方法均基于边的偏置，通过检测自相交和无效环生成环切刀轨。图像法将加工边界分解为离散像素，通过改变像素点的值进行加工仿真。这些方法都是通过边界向内生成刀轨，由于几何退化，不可避免的出现加工残余和尖角。目前也有学者从几何图形和图像处理的角度出发，增加额外局部刀轨或待加工区域图像施加高斯平滑和锐化，以此去除局部加工残余，但尖角仍然存在，所生成的环切刀轨平滑度差，且步距难以保证，不适用于工艺约束蒙皮镜像铣系统。

传统刀轨生成方法从局部出发，但是通过局部优化难以满足工艺约束条件，往往为了满足其中的某个约束条件而牺牲其他工艺要求，因此难以应用于工艺要求严苛的蒙皮镜像铣系统。本发明提出基于图像处理生成并优化工艺约束环切刀轨方法，使用与蒙皮镜像铣系统工艺约束要求，通过将待加工区域几何边界转化为图像，提取图像中心骨架，向外偏置生成初始环切刀轨。利用图像处理技术对刀轨进行优化直至满足工艺约束，得到适用于蒙皮镜像铣的刀轨，满足加工要求。

技术实现要素：

本发明的目的是针对传统刀轨生成方法难以满足工艺约束，不适用于蒙皮镜像铣的问题，发明一种针对蒙皮镜像铣工艺约束条件下的基于图像处理的环切刀轨生成方法，它根据加工区域几何边界生成初始环切刀轨，避免几何退化导致刀轨不平滑的现象，并利用图像处理技术迭代变形刀轨，通过整体优化使最终生成的刀轨满足蒙皮镜像铣的工艺约束。

本发明的具体技术方案是：

一种针对蒙皮镜像铣工艺约束条件下的基于图像处理的环切刀轨生成方法，其特重型上包括以下步骤：

首先，提取蒙皮上待加工型腔区域的边界几何特征，将其转化为图像；

其次，提取二值图像的中心骨架，计算轮廓线像素点与中心骨架间的最短欧几里得距离；

第三，以中心骨架为中心向外偏置生成初始环切刀轨；

最后，将初始刀轨转化为图像，对刀轨进行工艺约束验证，利用图像处理技术迭代变形以此优化刀轨，保证最终生成的刀轨满足工艺约束，满足加工要求。

所述的工艺约束包括加工无残留、步距合格、轨迹光顺以及无抬刀。

所述的待加工型腔区域的边界几何特征转化的图像是二值图像，其中边界轮廓线经过的像素点值为1，其余的像素点值为0。

所述的中心骨架是由型腔边界图像提取骨架并去除骨架分支而得。

所述的计算轮廓线像素点与中心骨架间的最短欧几里得距离指中心骨架上一像素点csj相较于其他中心骨架像素点与加工区域轮廓线上一像素点bi有最短欧几里得距离li，计算所有加工区域轮廓线上像素点{bi}对应的最短欧几里得距离形成集合{li}。

所述的生成初始环切刀轨，其具体步骤为：

首先，根据最短欧几里得距离{li}计算出该型腔最优刀轨数量n和偏置值offset；

其次，利用数学形态学以中心骨架为中心向外偏置生成初始环切刀轨。以中心骨架为中心向外偏置n次，偏置值为offset，生成初始环切刀轨。

所述的将初始刀轨视作图像，其为二值图像，刀轨经过的像素点值为1，其余的为0。

所述的对刀轨进行工艺约束验证是指验证刀轨的加工残余面积和步距是否满足预先设定的阈值，满足阈值要求即为满足工艺约束要求，否则即不满足工艺约束要求。

所述的图像处理技术包括图像形态学处理及图像变形。

所述的步距是指相邻两层刀轨间外层刀轨上像素点与内层刀轨上像素点的最短欧几里得距离。

所述的图像的尺寸能够根据所需加工精度的要求进行调整。

本发明的有益效果是：

本发明能够克服传统刀轨生成方法难以适用于蒙皮镜像铣工艺约束的弊端，实现工艺约束下刀轨的生成，最终获得满足加工无残留，步距合格、轨迹光顺、无抬刀的镜像铣刀轨，满足蒙皮镜像铣加工要求。

本发明能根据加工区域几何边界生成初始环切刀轨，避免几何退化导致刀轨不平滑的现象，并利用图像处理技术迭代变形刀轨，通过整体优化使最终生成的刀轨满足蒙皮镜像铣的工艺约束。

附图说明

图1为本发明实施例中槽特征边界轮廓线二值图。

图2为边界轮廓与中心骨架间最短欧几里得距离示意图。

图3(a)为初始环切刀轨示意图。

图3(b)为初次优化后环切刀轨示意图。

图4为变形控制点选取示意图。

图5为工艺约束验证示意图。

图6为变形控制点调整示意图。

图7为一个槽特征加工区域工艺约束环切刀轨生成及优化流程示意图。

图8为其他三个槽特征加工区域生成的环切刀轨和工艺约束满足情况示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

一种针对蒙皮镜像铣工艺约束条件下的基于图像处理的环切刀轨生成方法，它包括以下步骤：

s1：根据待加工区域几何边界轮廓线建立尺寸为a*b的二值图像，其中有轮廓线经过的像素点的值为1，其余像素点的值为0；a≥xmax-xmin,b≥ymax-ymin,其中x，y为加工区域几何边界平面坐标。

s2：提取二值图像的骨架，并去除骨架分支，保留中心骨架，计算轮廓线像素点与中心骨架间的最短欧几里得距离；

s3:以中心骨架为中心向外偏置生成初始环切刀轨；

s4：对刀轨进行约束验证，利用图像处理技术对刀轨进行迭代优化，直至生成的刀轨满足工艺约束，适应蒙皮镜像铣加工要求。

其中：

步骤s1中二值图像的尺寸可以根据所需加工精度进行调整。

步骤s2中计算轮廓线像素点{bi}与中心骨架{csj}间的最短欧几里得距离即选取任意一个轮廓线像素点bi，计算二值图像上所有像素点与bi的欧几里得距离，{csj}中像素值最小的像素点csj即为bi对应的像素点，csj的像素值li即为bi与中心骨架间的最短欧几里得距离。重复以上过程直至所有轮廓线像素点与中心骨架间的最短欧几里得距离都计算完毕，得到欧几里得距离集合{li}。

步骤s3中以中心骨架为中心向外偏置生成初始环切刀轨是基于欧几里得距离集合{li}，其具体步骤为：

首先，根据最短欧几里得距离{li}计算出该型腔最优刀轨层数n和偏置值offset。刀轨层数n由下式计算而得：

其中lmax与lmin分为{li}的最大值与最小值，r为刀具半径，e为超声波测厚装置预留的安全使用距离。

偏置值offset取步距的平均值：

其次，利用数学形态学以中心骨架为中心向外偏置生成初始环切刀轨。通过数学形态法以中心骨架为中心，向外偏置n次，n即为预先计算的刀轨层数，生成初始等距环切刀轨pathinitial，刀轨步距为预先计算的偏置值offset。

步骤s4中对刀轨进行约束验证指利用图像处理方法验证刀轨是否满足预先设定的加工残余和步距阈值，若满足则表明刀轨满足约束要求，否则需要继续优化刀轨。

步骤s4中利用图像处理技术对刀轨进行迭代优化主要是指利用数学形态法和图像变形技术以蒙皮镜像铣工艺约束为目的对刀轨进行不断优化，直至最终生成的刀轨满足工艺约束。

步骤s4中工艺约束包括加工无残留、步距合格、轨迹光顺以及无抬刀。

详述如下：

以图1所示蒙皮上槽特征为例，实施以下方法。通过提取待加工槽特征的边界轮廓线，将其转化为二值图像，利用数学形态法提取中心骨架，并向外偏置生成初始环切刀轨。对环切刀轨进行约束验证，通过图像处理技术整体迭代优化刀轨，使最终生成的刀轨满足加工无残留、步距合格、轨迹光顺、无抬刀的工艺约束，满足蒙皮镜像铣的加工要求。

如图1，本实施例中优选从蒙皮上提取的四个槽特征来描述上述方法的实施过程，本实例中优选在matlab平台下完成实例测试。

本实例的方法具体包括以下流程：

在说明执行过程前，需要提供的参数有：槽特征几何边界轮廓线，刀具半径r，超声波测厚装置预留的安全使用距离e，满足蒙皮镜像铣加工精度的允许加工残余面积residue以及步距不合格率f_r的阈值。

1、待加工槽特征几何边界图像化：

根据蒙皮镜像铣所需加工精度设定二值图像尺寸，其中每毫米在图像上占用8个像素。根据图像分辨率将刀具半径设为8r个像素，超声波测厚装置预留的安全使用距离设为8e个像素，因此步距限制在8r+8e≤d≤16r。二值图像中槽轮廓线经过的像素点值为1，其余为0，得到轮廓线像素点集合为{bi}，二值图像如图1。

2、提取骨架，计算最短欧几里得距离：

利用数学形态学提取二值图像的骨架，去除骨架分支，保留中心骨架像素点{csj}。选取任意一个轮廓线像素点bi，计算二值图像上所有像素点与bi的欧几里得距离，其中，{csj}里像素值最小的像素点csj即为bi对应的像素点，csj的像素值即为两者间的最短欧几里得距离li。重复选取直至所有轮廓线像素点与中心骨架间的最短欧几里得距离都计算完毕，得到欧几里得距离集合{li}。

3、初始环切刀轨pathinitial的生成：

利用欧几里得距离集合{li}计算刀轨总层数n与偏置值offset，以中心骨架为中心向外偏置生成等步距初始环切刀轨，其具体步骤为：

首先，根据最短欧几里得距离{li}计算出该型腔最优刀轨层数n和偏置值offset。刀轨层数n由下式计算而得：

其中lmax与lmin分为为{li}的最大值与最小值，r为刀具半径，e为超声波测厚装置预留的安全使用距离。

偏置值offset取步距的平均值：

其次，利用数学形态学以中心骨架为中心向外偏置生成初始环切刀轨。通过数学形态法以中心骨架为中心，向外偏置n次，n即为预先计算的刀轨层数，生成初始等距环切刀轨pathinitial，刀轨步距为预先计算的偏置值offset。

生成初始等距环切刀轨pathinitial，刀轨步距为offset。

如图3(a)所示利用数学形态法以中心骨架为中心，向外偏置生成初始等步距环切刀轨pathinitial。

4、基于图像处理迭代优化工艺约束的环切刀轨：

对生成的环切刀轨进行工艺约束验证，利用数学形态学和图像变形等图像处理技术对环切刀轨整体迭代优化，直至其满足蒙皮镜像铣工艺约束，满足加工要求，其具体步骤如下：

①对初始环切刀轨pathinitial进行初次变形优化。

由于pathinitial是基于中心骨架向外偏置而得，其整体形状与槽形状有很大不同，因此需要进一步优化。为保证槽特征最终形状，如图4所示，将槽边界轮廓线向内偏置r生成轮廓c，c即为满足加工要求的最外层刀轨，也是初次变形的优化目标。在pathinitial{n}上等距采样作为变形控制点{pi}，{qi}即为c上{pi}的对应点，，生成变形控制点集cp＝{p,q}。利用基于cp点控制的刚性移动最小二乘(mls)图像变形技术优化变形pathinitial，得到pathoptimized使其整体形状符合加工要求。如图3(b)所示，采用上述方法对初始环切刀轨进行变形得到的pathoptimized。pathoptimized的最外层刀轨也就是c，满足加工要求，无需再进行优化。因此令i＝n-1，表示此后优化对象为pathoptimized{1}至pathoptimized{i}的刀轨。

②环切刀轨的工艺约束验证：

由外向内逐层对刀轨进行加工残余和步距约束验证。如图5所示，通过数学形态学铣削仿真，计算pathoptimized{i}与pathoptimized{i+1}间加工残余面积residue以及步距不合格率f_r。

若满足预先设定的阈值范围，则表明pathoptimized{i}满足工艺约束，i＝i-1，若i＞0重复步骤②，对更内层刀轨进行工艺约束验证；若i＝0，则进入步骤④。

若不满足，则进入步骤③需要对pathoptimized{i}进行进一步优化。

③工艺约束下环切刀轨的优化：

将pathoptimized{1}至pathoptimized{i}的刀轨整体视作一张二值图片，进行工艺约束下环切刀轨的优化。由于出现加工残余根本原因在于刀轨步距大于刀具直径，因此去除加工残余也可转化为步距调整问题。如图6所示，是c向内偏置r+e而得，是c向内偏置2r而得，为了满足加工无残留与步距约束，pathoptimized{i}应当落在与之间的目标变形区域。

根据pathoptimized{i}与pathoptimized{i+1}间的步距分为三类：d＞2r，d＜r+e以及r+e≤d≤2r，根据步距进行变形控制点的选取。

pathoptimized{i}上的像素点步距满足d＞2r记作{p1j}，{p1j}内的像素点落在目标变形区域以内，需要向外移动，选择目标变形区域内步距满足要求的像素点{q1j}作为变形后的点；同理，pathoptimized{i}上的像素点步距满足d＜r+e记作{p2j}，则{p2j}内的像素点落在目标变形区域以外，需要向内移动，选择目标变形区域内步距满足要求的像素点{q2j}作为变形后的点；然而pathoptimized{i}上的像素点步距满足r+e≤d≤2r，因此这些像素点位置不需要变化，为避免过变形每隔20点采样形成{p3j}和{q3j}。

{p1,p2,p3}与{q1,q2,q3}更新cp，用cp控制pathoptimized的刚性变形。得到新的pathoptimized后，回到步骤②对pathoptimized{i}进行约束验证。

④最优环切刀轨的输出：

若i＝0，则表明所有刀轨都经过变形优化，满足所有工艺约束，因此pathoptimized即为pathfinal，将pathfinal输出，得到满足蒙皮镜像铣所有工艺约束的环切刀过，满足加工要求。

本发明所述的针对蒙皮镜像铣工艺约束条件下的基于图像处理的环切刀轨生成方法，将传统几何优化问题巧妙转化为图像处理问题，利用数学形态学和图像变形等图像技术，从整体迭代优化刀轨，解决传统局部优化方法不能兼顾所有工艺要求的弊端，方法具有通用性且能够满足蒙皮镜像铣工艺约束，符合加工要求。

图7完整展示一个槽特征工艺约束环切刀轨生成及优化过程，图8展示其他槽特征最终生成的刀轨，以及加工残余和步距分布约束满足情况，实验结果证明此发明方法的有效性。

本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。