数控机床中处理微小路径段的方法及设备的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于机床的数字控制领域，尤其涉及数控机床中处理微小路径段的方法。
【背景技术】
[0002]计算机数字控制(Computer Numerical Control, CNC)机床是一种由程序控制的自动化机床，其可以简称为数控机床。CNC控制器能够处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，控制机床执行规定好了的动作，通过刀具切削将毛坯料加工成半成品或成品零件。在数控机床中，刀具通常以折线轨迹逼近所要加工的曲线。CNC控制器根据输入的零件程序的信息，将程序段所描述的曲线的起点、终点之间的空间进行数据密化，从而形成要求的轮廓轨迹，这种“数据密化”机制就称为“插补(interpolat1n)”。而零件程序通常是按EIA RS274/IS06938标准编写的机器代码，也可称为“G代码和M代码”，其主要用来描述刀具的运动轨迹。
[0003]图1给出了传统数控机床的工作流程示意图。如图1所示，通常是由计算机辅助制造(Computer Aided Manufacturing, CAM)系统根据来自 CAD(Computer Aided Design,计算机辅助设计)的零件几何设计生成机器命令文件。机器命令文件包括直线指令(GOl)或圆弧指令(G02，G03)。CNC控制器对该机器命令进行插补，并对每一个轴的伺服控制器每x毫秒(X可以从10毫秒到0.1毫秒变化)产生位移命令来控制刀具的运动。此外，CNC控制器还可以操作进给锁定和从某个位置重新启动以及通过倍率改变速度。传统的CNC控制器只提供直线和圆弧插补，对于非直线和非圆弧曲线的零件轮廓，例如任意曲线或复杂曲线，则采用直线和圆弧分段拟合的方法进行插补。这种方法会产生很多微小的GOl直线段以及一些微小的G02/G03圆弧段(在本申请中统称为微小路径段)。这使得在处理任意曲线和复杂曲线时会导致数据量大、精度差、进给速度不均、编程复杂等一系列问题，对零件的加工质量和加工成本造成较大的影响。
[0004]为此，已有研究者提出了直接对复杂曲线的插补方法，以避免产生这些微小路径段，其中最有效并被广泛使用的是样条插补方法。图2给出了采用样条插补的数控机床工作流程图。如图2所示，在CAD设计时采用样条函数描述一些指定点连接成的光滑曲线。样条函数实际上是满足一定的连续条件的分段多项式。由CAM根据零件的CAD设计产生机器命令文件，需要通过特殊结构给出样条的定义，然后在CNC控制器中根据机器命令文件中的样条定义再生成样条函数，并对其进行插补。但是这种方法要求在CAD、CAM、机器命令文件的标准以及CNC控制器中都要做出相应的改变，因此这样的CNC控制器并不能与不支持样条计算的CAD/CAM系统兼容。而且目前的CNC控制器是以I毫秒的速度执行插补数学计算的，当CNC控制器以实时的方式来插补这些样条时，这种采用复杂的数学多项式的方法相比传统的直线和圆弧插补需要更多的计算和处理能力。
[0005]此外，对于所有的CNC操作者来说，作为经典方式的操作，CNC控制器必须能够进给锁定，(重新)循环启动，单程序段执行，和通过倍率改变速度。但如果要对上述复杂曲线进行这些操作，数控系统也需要额外的处理能力。
【发明内容】
[0006]因此，本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种处理微小路径段的CNC插补方法。
[0007]本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
[0008]一方面，本发明提供了一种用于数控机床中处理微小路径段的方法，包括:
[0009]步骤1，对于机器命令文件中连续的多个微小路径段，选择这些微小路径端的起点位置与终点位置之间的若干个中间点；
[0010]步骤2，采用以距离为变量的三次多项式来描述相邻两个中间点之间的样条曲线段；
[0011]步骤3，将机器命令文件中与所述多个微小路径段对应的程序段转换成与所述样条曲线段对应的程序段，产生新的机器命令文件，并依据该新的机器命令文件来控制刀具的运行。
[0012]上述方法中，所述步骤I中选择中间点的步骤可包括:
[0013]对于机器命令文件中连续的多个微小路径段对应的曲线，从第一微小路径段的起点开始，计算在每个微小路径段的起点和终点处的弯曲的曲率，如果曲率符号发生改变，或相对于前一个点曲率变化很快，则选择该点为一个中间点；其中，所选的中间点与上一个中间点之间的距离至少应该大于设定的阈值，该阈值为期望的切割速度的平方除以该机床的最大加速度。
[0014]上述方法中，所述步骤I选择中间点的步骤可以包括:
[0015]对于机器命令文件中连续的多个微小路径段对应的曲线，从第一微小路径段的起点开始，计算在每个微小路径段的起点和终点处的弯曲的曲率，如果曲率符号发生改变，或相对于前一个点曲率变化很快，则选择该点为一个中间点；其中，所选的中间点与上一个中间点之间的距离不低于设定的阈值，该阈值为期望的切割速度除以每秒编译的程序段数。
[0016]上述方法中，在所述步骤2中，对于在X-Y-Z空间中的任意两个点Pl和P2，连接这两个点Pl和P2的所述样条曲线的轮廓可以下面的以距离为变量的三次多项式来描述:
[0017]Px (d) =Cx3.d3+CX2.d2+Cxl.d+CX0
[0018]Py (d) =CY3.d3+CY2.d2+CY1.d+CY0
[0019]Pz (d) =Cz3.d3+CZ2.d2+Czl.d+CZ0
[0020]其中，d变量表示沿着连接这两个点的GOl直线的标准化的距离,O ^ d ^ I,在起点Pl时，d为O,到线的终点P2时，d达到I ;CX1、CY1、Czi (O彡i彡3)表示三次多项式的系数；其中，(I=Petll (t)/pg,pg为起点到终点的沿着连接这两个点的GOl直线的距离,Petll⑴表示当时间为t时，刀具的当前位置与起点之间的、沿连接起点与终点的GOl直线的距离。
[0021]上述方法中，所述步骤2还可包括基于相邻两个中间点在X，Y，Z的方向上的位置以及速度矢量来确定描述连接这两个中间点之间的样条曲线的三次多项式的系数。
[0022]上述方法中，所述中间点的速度矢量的方向可以是在由该中间点与其相邻的上下两个点的两条连线构成的平面上确定的，该中间点的速度矢量的方向垂直于由该中间点与其相邻两个点的连线构成的夹角的中间线。
[0023]上述方法中，所述起点和终点的速度矢量的方向可以是以其与相邻的中间点的连线为基准线，对与其相邻的中间点的速度矢量方向作镜像而得到的。
[0024]上述方法中，所述步骤2可包括:
[0025]21)基于相邻两个中间点在X，Y，Z的方向上的位置以及速度矢量来确定描述连接这两个中间点之间的样条曲线的三次多项式的系数；
[0026]22)对于相邻中间点之间的其他点，判断该点与连接这两个中间点的样条曲线上的相应位置之间的距离是否大于期望的精度；如果小于，则继续评估下一个点；如果大于，则选择在这两个中间点位置处的点作为一个中间点，并回到21)继续执行。
[0027]上述方法中，可以通过下面的方式来确定所述三次多项式的系数:
[0028]对于X，Y，Z轴中的任一轴而言，该轴的位置P、速度V和加速度A可以表示为:
[0029]P (d) =C3.d3+C2.(^+C1.d+C0
[0030]V (d) =3.C3.d2+2.C2.d+C,
[0031]A (d) =6.C3.d+2.C2
[0032]其中，V(d)是对P(d)求导得到的，A(d)是对V(d)求导得到的；假设对于任意相邻的两个中间点，在该轴向上的位置为P1, P2和速度为V1, V2，则上述三次多项式的系数为:
[0033]C0=P1
[0034]C1=V1
[0035]C2=3p2 - - Sp