回转体工件的数控加工方法和装置与流程

1.本发明涉及cnc数控加工领域，特别涉及非圆曲面轮廓的拟合方法和拟合装置、回转体工件的数控加工方法、数控加工装置、数控加工系统、计算设备、计算机可读存储介质和程序产品。


背景技术：

2.cnc加工又称为数控加工，其使用数控加工语言进行编程控制，将工件加工成目标形状。在现有技术中，cnc加工中心需要先对已形成代码的直线、圆弧以及路径等数据信息进行解析，将其转化为实体特征并且以轮廓特征的形式予以呈现。随后加工中心的系统基于轮廓特征，计算得到加工工具的走刀路径。在加工过程中，加工工具从对刀点(或机床固定原点)开始运动，经过设定的加工路径，直至返回该点，从而结束加工程序所经过的路径，完成对工件的加工。
3.在工程应用领域，回转体工件的曲面有时是不规则的非圆曲面。这类非圆曲面的母线不是标准圆弧，其表面曲率逐渐变化，例如单叶双曲面、双曲抛物面、切线曲面等。在对这类非圆曲面轮廓进行拟合时，现有技术常采用空间几何和坐标变换，直接地构建非圆曲面的轮廓特征，这将导致回转体工件的空间轮廓模型十分复杂，其中包括大量参数，并且在绘制轮廓特征时需进行庞大的计算。此外，使用上述的cnc加工方法直接对回转体工件的曲面进行加工时，由于曲面的几何特征(如曲率)不断变化，加工工具的走刀路径也随之改变，这对加工工具的控制精度提出了非常高的要求。


技术实现要素：

4.为解决上述问题，本发明提出了非圆曲面轮廓的拟合方法和拟合装置、回转体工件的数控加工方法、数控加工装置、数控加工系统、计算设备、计算机可读存储介质和程序产品，用于降低非圆曲面的加工难度和加工成本。
5.本公开的第一实施例提出了一种非圆曲面轮廓的拟合方法，用于回转体工件的数控加工，所述回转体工件具有所述非圆曲面，所述方法包括：设置加工轨迹为圆弧，所述圆弧的所在平面平行且偏离所述回转体工件的轴线，所述圆弧在所述回转体工件的上端面相切于第一切点，所述圆弧在所述回转体工件的下端面相切于第二切点，直线经过所述第一切点和所述第二切点，对于在所述轴线方向齐平的位于所述直线上的点与位于所述非圆曲面的母线上的点，基于所述直线上的点到所述轴线的距离等于所述母线上的点到所述轴线的距离，建立所述加工轨迹的参数与所述非圆曲面的母线轮廓之间的映射关系。
6.在该实施例中，一方面，通过建立加工轨迹的参数与母线轮廓之间的映射关系，得到的用于表示非圆曲面轮廓的母线方程较为简单、含参量少，在实际使用时运算量小。另一方面，在利用行走轨迹为圆弧的加工工具对回转体工件进行加工时，降低了对加工工具控制的要求，加工误差更小。
7.本公开的第二实施例提出了一种非圆曲面轮廓的拟合装置，用于回转体工件的数
控加工，所述回转体工件具有所述非圆曲面，所述装置被配置为执行上述的方法。
8.本公开的第三实施例提出了一种回转体工件的数控加工方法，回转体工件具有所述非圆曲面，所述方法包括：获取目标非圆曲面的目标母线信息；基于所述目标母线信息，并根据加工轨迹的参数与非圆曲面的母线轮廓之间的映射关系，确定用于实际加工中的加工轨迹的参数，基于所述用于实际加工中的加工轨迹的参数，生成数控机床的输入信息，以控制加工轨迹为圆弧对所述回转体工件进行加工，所述圆弧的所在平面平行且偏离所述回转体工件的轴线；其中，所述映射关系基于以下步骤得到：设置加工轨迹为圆弧，所述圆弧的所在平面平行且偏离所述回转体工件的轴线，所述圆弧在所述回转体工件的上端面相切于第一切点，所述圆弧在所述回转体工件的下端面相切于第二切点，直线经过所述第一切点和所述第二切点，对于在所述轴线方向齐平的位于所述直线上的点与位于所述非圆曲面的母线上的点，基于所述直线上的点到所述轴线的距离等于所述母线上的点到所述轴线的距离，建立所述加工轨迹的参数与所述非圆曲面的母线轮廓之间的映射关系。
9.本公开的第四实施例提出了一种回转体工件的数控加工装置，回转体工件具有所述非圆曲面，所述装置包括：目标信息获取模块，被配置为获取目标非圆曲面的目标母线信息；加工参数确定模块，被配置为基于所述目标母线信息，并根据加工轨迹的参数与非圆曲面的母线轮廓之间的映射关系，确定用于实际加工中的加工轨迹的参数，其中，所述映射关系基于以下步骤得到：设置加工轨迹为圆弧，所述圆弧的所在平面平行且偏离所述回转体工件的轴线，所述圆弧在所述回转体工件的上端面相切于第一切点，所述圆弧在所述回转体工件的下端面相切于第二切点，直线经过所述第一切点和所述第二切点，对于在所述轴线方向齐平的位于所述直线上的点与位于所述非圆曲面的母线上的点，基于所述直线上的点到所述轴线的距离等于所述母线上的点到所述轴线的距离，建立所述加工轨迹的参数与所述非圆曲面的母线轮廓之间的映射关系；机床输入生成模块，被配置为基于所述用于实际加工中的加工轨迹的参数，生成数控机床的输入信息，以控制加工轨迹为圆弧对所述回转体工件进行加工，所述圆弧的所在平面平行且偏离所述回转体工件的轴线。
10.本公开的第五实施例提出了一种回转体工件的数控加工系统，回转体工件具有所述非圆曲面，所述系统包括：加工工具，用于对所述回转体工件进行加工；计算设备，包括：处理器以及存储器，所述存储器用于存储计算机可执行指令，当所述计算机可执行指令被执行时使得所述处理器执行上述的方法，用于控制所述加工刀具。
11.本公开的第六实施例提出了一种计算设备，所述计算设备包括：处理器；以及存储器，其用于存储计算机可执行指令，当所述计算机可执行指令被执行时使得所述处理器执行上述的方法。
12.本公开的第七实施例提出了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质具有存储在其上的计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于执行上述的方法。
13.本公开的第八实施例提出了一种计算机程序产品，所述计算机程序产品被有形地存储在计算机可读存储介质上，并且包括计算机可执行指令，所述计算机可执行指令在被执行时使至少一个处理器执行上述的方法。
附图说明
14.结合附图并参考以下详细说明，本公开的各实施例的特征、优点及其他方面将变
得更加明显，在此以示例性而非限制性的方式示出了本公开的若干实施例，在附图中：
15.图1示出了根据本公开的实施例的加工轨迹相对于回转体工件的示意图。
16.图2示出了根据本公开的实施例的回转体工件的上端面的示意图。
17.图3示出了根据本公开的实施例的回转体工件的下端面的示意图。
18.图4示出了根据本公开的实施例的母线轮廓的示意图。
19.图5示出了根据本公开的实施例的用于确定加工轨迹参数与母线轮廓之间的映射关系的示例性方法流程图。
20.图6示出了根据本公开的实施例的回转体工件和圆弧在xoz面的示意图。
21.图7示出了根据本公开的实施例的用于回转体工件的数控加工的示例性方法流程图。
22.图8示出了根据本公开的实施例的用于回转体工件的数控加工的示例性装置框图。
23.图9示出了根据本公开的实施例的示例性计算设备的框图。
具体实施方式
24.以下参考附图详细描述本公开的各个示例性实施例。虽然以下所描述的示例性方法、装置包括在其它组件当中的硬件上执行的软件和/或固件，但是应当注意，这些示例仅仅是说明性的，而不应看作是限制性的。例如，考虑在硬件中独占地、在软件中独占地、或在硬件和软件的任何组合中可以实施任何或所有硬件、软件和固件组件。因此，虽然以下已经描述了示例性的方法和装置，但是本领域的技术人员应容易理解，所提供的示例并不用于限制用于实现这些方法和装置的方式。
25.此外，附图中的流程图和框图示出了根据本公开的各个实施例的方法和系统的可能实现的体系架构、功能和操作。应当注意，方框中所标注的功能也可以按照不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，或者它们有时也可以按照相反的顺序执行，这取决于所涉及的功能。同样应当注意的是，流程图和/或框图中的每个方框、以及流程图和/或框图中的方框的组合，可以使用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以使用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
26.本文所使用的术语“包括”、“包含”及类似术语是开放性的术语，即“包括/包含但不限于”，表示还可以包括其它内容。术语“基于”是“至少部分地基于”。术语“一个实施例”表示“至少一个实施例”；术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”等等。
27.本公开提出了一种非圆曲面轮廓的拟合方法，该方法可应用于回转体工件的数控加工。图1示出了根据本公开的实施例的加工轨迹相对于回转体工件的示意图。回转体工件10由非圆曲面∑0、上端面∑1、以及下端面∑2组成，其中，上端面∑1的半径为r1，下端面∑2的半径为r2，非圆曲面∑0可由其母线来表征轮廓特征，回转体工件的轴长为l。在使用cnc加工回转体工件10时，设置加工轨迹为圆弧a。该圆弧a的所在平面平行于回转体工件10的轴线b并且以距离t偏离轴线b。
28.以回转体工件的轴线b的中点作为坐标系原点，设立xyz三维坐标系。圆弧a与回转体工件10相切，具体地，圆弧a与回转体工件10的上端面∑1相切于点m，圆弧a与回转体工件10的下端面∑2相切于点n。图2和图3进一步示出了点m和点n在上端面∑1和下端面∑2的位
置。根据点m在上端面∑1上形成的直角三角形，结合勾股定理，可以得知点m的z坐标为同理可得，点n的z坐标为进一步地，可以确定点m的坐标为点n的坐标为
29.根据点m和点n的位置坐标，可以确定经过点m和点n的直线坐标方程如下
[0030][0031]
假设有一点e(x0，y0，z0)位于mn直线上，那么点e到回转体工件轴线b的距离可以表示为
[0032][0033]
将e(x0，y0，z0)代入式(1)后，可以得出
[0034][0035]
其中由于点e位于mn直线上，所以点e的y坐标y0＝t。将式(3)代入式(2)，可以得到距离
[0036][0037]
对于在轴线方向齐平的位于mn直线上的点与位于非圆曲面∑0的母线上的点，mn直线上的点到轴线b的距离等于母线上的点到轴线b的距离。也就是说，与e(x0，y0，z0)的x坐标相同，且位于母线上的一点f(x0，y1，z1)，该点f到轴线b的距离也符合式(4)。进一步地，对于母线上x坐标为任意值x的点，该点到轴线b的距离应符合
[0038][0039]
因此，针对于位于xoz平面内的母线c，该母线c上的任意一点g(x，y，z)满足
[0040][0041]
式(6)表示母线c的方程，其建立了加工轨迹的参数与非圆曲面∑0的母线轮廓之间的映射关系，其中，加工轨迹的参数包括圆弧a的所在平面偏离轴线b的距离t。例如，在已知r1＝30,r2＝60,l＝80的情况下，设定偏离距离t＝15，根据式(6)，可以绘制出如图4所示的母线轮廓。
[0042]
在本实施例中，一方面，通过建立加工轨迹参数与母线轮廓之间的映射关系，得到的用于表示非圆曲面的母线轮廓的方程较为简单、含参量少，在实际使用时运算量小。另一
方面，在利用行走轨迹为圆弧的加工工具对回转体工件进行加工时，降低了对加工工具控制的要求，加工误差更小。
[0043]
图5为根据本公开的实施例的示例性方法流程图，该方法流程图详细示出了如何建立加工轨迹的参数与母线轮廓之间的映射关系。如上文所述，圆弧a与回转体工件10的上端面∑1相切于第一切点m，圆弧a与回转体工件10的下端面∑2相切于第二切点n。在步骤501处，根据第一切点m和第二切点n的位置坐标，确定经过两个切点的直线坐标方程。在步骤502处，计算直线上的点到轴线的距离。在步骤503处，根据该距离，并结合该点在轴线方向的位置坐标，获得母线的坐标方程，如式(6)。
[0044]
图6示出了实施例中的回转体工件10和圆弧a在xoz面的示意图。在和处的线段分别为回转体工件10的上端面∑1和下端面∑2。回转体工件10与圆弧a相切，并且于上端面∑1相切于点于下端面∑2相切于点设定圆弧a的圆心坐标为o(p，t，q)，圆弧a的半径为r。由于om＝on＝r，所以得出
[0045][0046]
基于圆弧的圆心o与第一切点m、第二切点n之间的距离均为圆弧a的半径r，可以建立加工轨迹的参数与圆弧a的圆心位置坐标o(p，t，q)之间的对应关系，其中，加工轨迹的参数包括圆弧a的所在平面偏离轴线b的距离t、以及圆弧的半径r。
[0047]
此外，本发明还公开了一种非圆曲面轮廓的拟合装置，该拟合装置可用于具有非圆曲面的回转体工件的数控加工。该装置被配置为执行本公开的实施例中的拟合方法。
[0048]
图7为根据本公开的实施例的示例性方法流程图，该方法流程图用于回转体工件的数控加工，其中，回转体工件具有该非圆曲面。在步骤701处，获取目标非圆曲面的目标母线信息，例如目标母线的轮廓。在步骤702处，基于目标母线信息，并根据加工轨迹的参数与非圆曲面的母线轮廓之间的映射关系，确定用于实际加工中的加工轨迹的参数。
[0049]
其中，映射关系基于以下步骤得到：设置加工轨迹为圆弧，圆弧的所在平面平行且偏离回转体工件的轴线，圆弧在回转体工件的上端面相切于第一切点，圆弧在回转体工件的下端面相切于第二切点。直线经过第一切点和第二切点。对于在轴线方向齐平的位于直线上的点与位于非圆曲面的母线上的点，基于直线上的点到轴线的距离等于母线上的点到轴线的距离，建立加工轨迹的参数与非圆曲面的母线轮廓之间的映射关系。
[0050]
经过上述步骤，能够确定用于实际加工中的加工轨迹的参数，例如圆弧的所在平面偏离轴线的距离。在步骤703处，基于用于实际加工中的加工轨迹的参数，生成数控机床
的输入信息，以控制加工轨迹为圆弧对回转体工件进行加工，圆弧的所在平面平行且偏离回转体工件的轴线。
[0051]
进一步地，在回转体工件的数控加工方法中，可以根据本公开的示例性方法流程图5，建立加工轨迹的参数与非圆曲面的母线轮廓之间的映射关系。进一步地，参照上述的非圆曲面轮廓的拟合方法，可以基于圆弧的圆心与第一切点、第二切点之间的距离均为圆弧的半径，建立加工轨迹的参数与圆弧的圆心位置坐标之间的对应关系。
[0052]
图8示出了根据本公开的实施例的用于回转体工件的数控加工装置。该装置800包括目标信息获取模块801、加工参数确定模块802、以及机床输入生成模块803。其中，目标信息获取模块801被配置为执行步骤701。加工参数确定模块802被配置为执行步骤702。机床输入生成模块803被配置为执行步骤703。
[0053]
进一步地，本发明还公开了一种用于回转体工件的数控加工系统。该系统包括：加工工具，用于对回转体工件进行加工；计算设备，包括：处理器以及存储器，该存储器用于存储计算机可执行指令，当计算机可执行指令被执行时使得处理器执行本发明的实施例中的方法，用于控制加工刀具。
[0054]
图9示出了根据本公开的实施例的示例性计算设备900的框图。计算设备900包括处理器901和与处理器901耦合的存储器902。存储器902用于存储计算机可执行指令，当计算机可执行指令被执行时使得处理器901执行上述实施例中的方法。
[0055]
此外，替代地，上述方法能够通过计算机可读存储介质来实现。计算机可读存储介质上载有用于执行本公开的各个实施例的计算机可读程序指令。计算机可读存储介质可以是可以保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以是但不限于电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意合适的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、可擦式可编程只读存储器(eprom或闪存)、静态随机存取存储器(sram)、便携式压缩盘只读存储器(cd-rom)、数字多功能盘(dvd)、记忆棒、软盘、机械编码设备、例如其上存储有指令的打孔卡或凹槽内凸起结构、以及上述的任意合适的组合。这里所使用的计算机可读存储介质不被解释为瞬时信号本身，诸如无线电波或者其他自由传播的电磁波、通过波导或其他传输媒介传播的电磁波(例如，通过光纤电缆的光脉冲)、或者通过电线传输的电信号。
[0056]
因此，在另一个实施例中，本发明提出了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质具有存储在其上的计算机可执行指令，计算机可执行指令用于执行本发明的上述实施例中的方法。
[0057]
在另一个实施例中，本发明提出了一种计算机程序产品，该计算机程序产品被有形地存储在计算机可读存储介质上，并且包括计算机可执行指令，该计算机可执行指令在被执行时使至少一个处理器执行本发明的上述实施例中的方法。
[0058]
一般而言，本发明的各个示例实施例可以在硬件或专用电路、软件、固件、逻辑，或其任何组合中实施。某些方面可以在硬件中实施，而其他方面可以在可以由控制器、微处理器或其他计算设备执行的固件或软件中实施。当本发明的实施例的各方面被图示或描述为框图、流程图或使用某些其他图形表示时，将理解此处描述的方框、装置、系统、技术或方法可以作为非限制性的示例在硬件、软件、固件、专用电路或逻辑、通用硬件或控制器或其他
计算设备，或其某些组合中实施。
[0059]
用于执行本发明的各个实施例的计算机可读程序指令或者计算机程序产品也能够存储在云端，在需要调用时，用户能够通过移动互联网、固网或者其他网络访问存储在云端上的用于执行本发明的一个实施例的计算机可读程序指令，从而实施依据本发明的各个实施例所公开的技术方案。
[0060]
虽然已经参考若干具体实施例描述了本发明的实施例，但是应当理解，本发明的实施例并不限于所公开的具体实施例。本发明的实施例旨在涵盖在所附权利要求的精神和范围内所包括的各种修改和等同布置。权利要求的范围符合最宽泛的解释，从而包含所有这样的修改及等同结构和功能。