一种基于离散刀位点的复合刀具路径生成方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及曲线加工领域，尤其涉及一种复合刀具路径生成技术。
【背景技术】
[0002] 在汽车、航空等领域，经常会涉及到一些起到美观装饰或增强刚度作用的特殊过 渡曲线曲面，通常也被称作自由曲线曲面。
[0003] 自由曲线曲面的加工主要由数控铣削加工来完成，刀具路径设计的优劣直接影响 着曲线曲面的表面加工质量。
[0004] 自由曲线曲面的刀具路径设计，通常采用CAM(ComputerAidedManufacturing， 计算机辅助制造）软件来实现。在自由曲线曲面的刀具路径设计过程中，CAM软件系统首 先根据加工的工艺条件计算被加工面的的刀触点，然后依据加工工具的情况转换为相应的 刀位点。最后将这些大量的有序刀位点通过数控系统所能够识别的直线插补逐点连接，从 而形成加工所需的刀具路径。通过这种直线插补方法生成的刀具路径为折线刀具路径，这 种折线刀具路径应用于自由曲线曲面的高性能数控加工中常常存在一些不足，如大量刀位 点的存在致使代码程序量大，刀具路径本身不具有连续性致使被加工表面不光顺，同时引 起切削运动的不平稳、实际切削速度下降及切削时间延长的问题。
[0005] 为了克服上述不足，采用圆弧或样条曲线插补来表达曲线曲面加工刀具路径已成 为提高刀具路径光顺性的主要措施。这方面的研宄有基于拟合公差带约束的样条曲线的双 圆弧拟合方法，利用全局优化算法实现双圆弧拟合B样条曲线的方法、利用圆弧样条对零 件几何轮廓进行逼近的方法等。这些方法摆脱了用直线插补曲线所带来的加工质量和加工 效率的不足。由于零件的外形轮廓多种多样，曲线轮廓曲率不断变化，圆弧样条拟合和双圆 弧样条拟合不一定能获得理想的拟合圆弧段数和精度。因此，适应不断变化的曲线曲面轮 廓，在减小运算量的基础上保证精度，获得合理的刀具路径仍存在优化空间。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是提供一种基于离散刀位点的复合刀具路径生成方法，能够适应不 断变化的曲线曲面轮廓，在减小运算量的基础上保证精度，实现刀具路径的简化和光顺。
[0007] 本发明通过如下技术方案实现：
[0008] 本发明提供一种基于离散刀位点的复合路径生成方法，其包括：
[0009] 读取刀位点；并计算两相邻数据刀位点之间的距离；
[0010] 当两相邻刀位点之间的距离大于拟合误差第一阀值，且到达最后一个刀位点，则 直接生成直线段刀具路径；当两相邻刀位点之间的距离大于拟合误差第一阀值且未到达最 后一个刀位点，则选择直线拟合方式来生成刀具路径；
[0011] 当两相邻刀位点之间的距离不大于拟合误差第一阀值，且已知刀位点的拟合误差 不大于设定允许公差阈值时，选用B样条曲线拟合来生成刀具路径。
[0012] 更进一步地，在所述选用B样条曲线拟合来生成刀具路径的过程之前，还包括：
[0013] 判断两数据刀位点之间的距离是否大于拟合误差第二阈值，若大于拟合误差第二 阈值则进行圆弧拟合来生成刀具路径；若不大于拟合误差第二阈值，则选用B样条曲线拟 合来生成刀具路径。
[0014] 更进一步地，所述进行圆弧拟合的过程，包括：
[0015] 调取如下公式：
[0017] 式中，Ck为B样条曲线拟合的离散刀位点，0为所求得拟合圆弧的圆心位置矢量， R为拟合圆弧的半径；I|Ck-0| |为离散刀位点到圆心的距离；
[0018] 求公式中函数f(0,R)的最小值，得到误差最小时0和R的值，且保证 |(；-〇||-1?〈6，其中6为设定允许公差阈值，即得到生成的圆弧刀具路径。
[0019] 更进一步地，所述选择直线拟合方式来生成刀具路径的过程包括：
[0020] 读取相邻两刀位点确定一条直线，计算后续刀位点到该直线的距离d;
[0021] 比较距离d与设定允许公差阈值S，当d>S，直线段拟合中止完成直线段刀具路 径。
[0022] 更进一步地，所述选用B样条曲线拟合来生成刀具路径的过程，包括：
[0023] 利用如下公式计算所有刀位点对应的离差之和，并求其最小值：
[0025] 公式中，Ck为B样条曲线拟合的离散刀位点；uk为B样条曲线拟合的离散刀位点 Ck的参数；P(uk)为刀位点相应的参数uk所对应的曲线上的点；PyPph，…，Pm为m个控 制顶点；|Ck-P(uk) |为刀位点Ck与它在曲线上相应的点P(uk)之间的距离；，…，PJ 为所有刀位点对应的离差之和；
[0026] 对于上述公式中各控制点所对应的参数uk，利用如下公式表示：
[0028] 其中公式中各个参数表示如下：
[0029] Pj:刀位点
[0030]uj:点P」相应的参数
[0031]P (u：点P」相应的参数u」所对应的曲线上的点
[0032] :为B样条基函数
[0033] Ci:为曲线的控制多边形顶点
[0034] 其中每个刀位点和控制顶点由笛卡尔坐标系中的三个坐标分量来表示；
[0035] 计算d(u)最小值得到新对应的各参数值，然后利用该新对应的参数值重新对刀 位点进行拟合，得到样条曲线刀具路径。
[0036] 由上面本发明的技术方案可以看出，其面向已知刀位点，通过对拟合误差的判断， 实现直线拟合、圆弧拟合、B样条曲线拟合按照从高到低优先级进行选择的实施流程，从而 能够适应不断变化的曲线曲面轮廓；
[0037] 通过引入拟合误差阀值，设定刀位点距大于拟合误差阀值时直接进入直线拟合方 式，因此能够在减小运算量的基础上保证了精度，实现刀具路径的简化和光顺。
【附图说明】
[0038] 图1是平面轮廓复合刀具路径生成流程图；
[0039] 图2是通过直线拟合方法生成复合刀具路径的原理图；
[0040] 图3是通过圆弧拟合方法生成复合刀具路径的原理图；
[0041] 图4是曲面加工复合刀具路径生成流程图；
[0042] 图5是通过B样条曲线拟合方法生成复合刀具路径的原理图。
【具体实施方式】
[0043] 为使本发明更为清晰，下面结合附图对本发明进行详细地说明。
[0044] 本发明申请人考虑到不同插补方式具有各自的特点，如直线插补方法计算简便， 应用广泛。CNC(Computerizednumericalcontrol，计算机数控）系统在通过直线插补方 式进行高精度曲线曲面加工时，采用高密度的离散刀位点来表示其刀具路径，当零件表面 轮廓复杂、曲线曲率变化较大时，将需要更多的刀位点，导致数控程序扩大和执行时间延 长，刀具路径光顺性不高。与直线插补相比，圆弧、抛物线、椭圆、双曲线等二次曲线插补较 精确，其中圆弧插补最为常用。样条曲线插补以其良好平稳光顺性，成为自由曲面加工先进 插补方式的代表。因此，对于不同加工对象选择适合的刀具路径优化方法：对于平面轮廓加 工，其复合刀具路径的表示使用直线、圆弧和样条三种插补形式的不同组合来表示；对于曲 面加工，则以直线插补和样条曲线插补为主，因圆弧插补主要基于平面，不能灵活应用于曲 面加工中。
[0045] 对应直线、圆弧、B样条曲线这三种插补方式，本发明提出的优化分段方法，将上述 三种方式按优先级进行组合，拟合已知的数控刀位点，生成新的刀具路径。优先级的设置遵 循以下几点：（1)将直线、圆弧和样条曲线拟合设置从高到低的优先级，高优先级方法对应 的运算量较小，精度较低，其拟合误差满足对零件质量的要求时，不更换拟合方式，若拟合 误差超过允许误差，则进入次优先级拟合方式；（2)对拟合的刀位点，在误差符合要求的范 围内，拟合点数持续增加，当读取到某点计算得到的拟合误差超过允许误差，拟合点数无法 再增加，刀具路径分段，该刀具路径生成，进入最高优先级拟合方式对后续点进行拟合；（3) 引入阈值，对于点距超过阈值的点，直接选用优先级最高的直线进行拟合，拟合生成的新刀 具路径，与已知刀位点的误差限制在设定允许公差阈值[S]之内。
[0046] 针对平面轮廓加工，本发明提供的第一实施例是一种基于离散刀位点的复合刀具 路径生成方法，在第一实