一種五軸數控工具機批花加工路徑的生成方法
2023-06-18 21:10:06
專利名稱：一種五軸數控工具機批花加工路徑的生成方法
技術領域：
本發明涉及計算機輔助設計與製造技術領域，特別涉及一種五軸數控工具機批花加工路徑的生成方法。
背景技術：
批花圖案在首飾、打火機、手錶以及一些飾品的設計中經常採用。傳統的批花加工是由人手動操作批花工具機運動來實現的。這種加工方式對於操作人員的技術要求較高，並且生產效率較低，產品的一致性較差，不利於產品的批量生產安排。隨著社會的發展和消費者需求的提高，傳統的生產方式逐漸不能滿足生產的需要。為滿足現代化生產的需要，用五軸數控工具機代替傳統加工方式成為未來的發展趨勢，但是由於批花刀是用側刃加工，而五軸聯動加工的刀具路徑點在刀具底端的中心，加工點與刀具路徑點不重合，使得調整刀軸控制點的方向時，很難想像出產品的加工效果，從而使刀具路徑很難滿足產品的加工要求。
發明內容
本發明的主要目的在於克服現有方法的不足，提供一種五軸數控工具機批花加工路徑的生成方法，實現用五軸聯動數控工具機進行批花加工。為了解決上述技術問題，本發明是通過以下技術方案實現的 一種五軸數控工具機批花加工路徑的生成方法，包括
步驟a，根據應用產品的幾何數據構造出產品的幾何形狀曲面； 步驟b，在平面上設計出批花的形狀曲線，並根據設計的批花形狀定義出批花刀的截面形狀；
步驟c，根據批花刀的截面形狀定義一把錐刀，保證該錐刀刀尖的加工效果和批花刀側刃的加工效果相同；
步驟d，根據設計的平面批花形狀曲線生成錐刀刀尖加工的五軸路徑； 步驟e，通過加工模擬預覽加工效果，判斷是否滿足設計要求；如果與設計形狀存在差異，調整五軸加工路徑，直到加工效果滿足產品設計要求為止；
步驟f，將平面批花的錐刀加工路徑映射到步驟a所構造的曲面上，轉為曲面批花的錐刀加工路徑；
步驟g，通過錐刀和批花刀的對應關係將錐刀刀尖加工的路徑轉換為批花刀側刃批花加工的路徑。優選的，上述一種五軸數控工具機批花加工路徑的生成方法，步驟d中所述的五軸路徑的生成方法是先指定曲線上一些關鍵控制點處的刀軸方向和深度，曲線上其他點處的刀軸方向和深度由相鄰的兩個關鍵控制點處的刀軸方向和深度插值得到，其具體過程為
dl.在軌跡曲線上指定若干關鍵控制點，並按照產品要求設定關鍵控制點的刀軸方向和深度；d2.根據每個關鍵控制點的刀軸方向，計算出各關鍵控制點的仰角和方位角。其中，仰角是指刀軸方向與水平面之間的夾角，角度範圍是一 90° +90° ；方位角是指刀軸方向在水平面上的投影方向與X軸之間的夾角，角度範圍是0° 360° ；對於豎直的刀軸方向方位角無效，只由仰角表示；
d3.根據各關鍵控制點的仰角和方位角分別插值計算出各路徑點的仰角和方位角； d4.根據d3中得到的仰角和方位角分別計算出各路徑點的刀軸方向； d5.根據各關鍵控制點的深度插值計算出各路徑點的深度，生成五軸路徑。優選的，步驟e中所述的調整五軸加工路徑是通過調整關鍵控制點的位置、方向和深度來實現的。優選的，上述方法中所述的關鍵控制點處的方向和深度，可藉助錐刀在設計平面上的截面線的形狀來設定和調整。優選的，上述一種五軸數控工具機批花加工路徑的生成方法，步驟f包括 Π.計算曲面U向和V向等參數線的最大長度Iu和Iv;
f2.在路徑平面上構建一個矩形，矩形的兩條邊分別與X軸和Y軸平行，矩形的X方向和Y方向的邊長分別為Iu和lv，矩形相對於平面路徑的位置與曲面相對於批花的位置一致；
f3.將平面矩形區域與一個二維參數區域對應起來，矩形的左下角點對應參數(0，0) 點，矩形的右上角點對應參數(1，1)點，矩形內的平面路徑根據每個路徑點的二維坐標可以得到一組對應的參數值(U，ν)；
f4.根據得到的每個路徑點的二維參數值(u，v)，在曲面上可以得到一個對應的坐標點，即為曲面上的路徑點坐標；
f5.在曲面上的路徑點處構建一個局部坐標系，曲面上的路徑點作為坐標系的原點，曲面在該點的法向作為坐標系的Z軸方向，根據產品實際需要選擇曲面在該點的U向等參數線的切向作為X軸方向，再根據Z軸和X軸的方向計算出Y軸的方向；或者選擇曲面在該點的V向等參數線的切向作為Y軸方向，再根據Z軸和Y軸的方向計算出X軸的方向；
f6.將平面上路徑點的刀軸方向向量V (i，j，k)作為曲面上對應路徑點處局部坐標系裡的向量，再將該向量換算到世界坐標系，即為曲面上路徑點處的刀軸方向。與現有技術相比，本發明的有益效果是本發明通過對錐刀五軸加工路徑的編輯與調整，利用批花刀與錐刀的對應關係，實現了用五軸數控工具機進行批花的加工，不再依賴工人的手工技術和經驗，加工產品花紋的一致性好，生產效率高，適合於批量生產；同時也降低了生產成本，縮短了新款花式的開發周期。
圖1是本發明方法的流程圖。圖2是本發明實施例提供的表示產品形狀的曲面示意圖。圖3是本發明實施例所設計的平面批花形狀曲線示意圖。圖4是本發明實施例所設定的批花刀與錐刀形狀示意圖。圖5是本發明實施例所生成的平面錐刀五軸加工路徑示意圖。圖6是本發明實施例加工模擬預覽時的效果示意圖。
圖7是本發明實施例映射完成後的曲面錐刀五軸加工路徑示意圖。圖8是本發明實施例最終生成的五軸批花加工路徑示意圖。圖9是本發明實施例提供的五軸路徑生成方法的流程圖。圖10是本發明實施例所指定的曲線關鍵控制點處方向和深度的俯視效果示意圖。圖11是本發明實施例所指定的曲線關鍵控制點處方向和深度的前視效果示意圖。圖12是用來解釋本發明實施例插值計算關鍵控制點得到的曲線上所有路徑點刀軸方向和深度的示意圖。圖13是本發明實施例提供的平面錐刀加工路徑轉為曲面加工路徑的映射方法流程圖。圖14是用來解釋本發明實施例提供的將錐刀刀尖加工路徑轉換為批花刀側刃批花加工路徑方法的示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步詳細描述本發明的一種五軸數控工具機批花加工路徑的生成方法的流程圖如圖1所示，根據戒指上批花的編程實例來說明一下本發明的具體實施方式
。步驟101，根據應用產品的幾何數據構造出產品的幾何形狀曲面，圖2顯示了本實施例構造的一個表示戒指形狀的柱狀曲面。步驟102，在平面上設計出批花的形狀曲線，並根據設計的批花形狀定義出批花刀的截面形狀。圖3顯示的是本實施例中的批花形狀曲線，圖4中10表示的是根據本實施例的批花形狀所選用的批花刀，其側刃錐度為110°。步驟103，根據批花刀的截面形狀定義一把可與之加工效果保持一致的錐刀。如圖 4所示，本實施例所選用的錐刀20的錐度與批花刀10的錐度相同為110°，這樣可以保證錐刀刀尖的加工效果和批花刀側刃的加工效果一致。步驟104，根據設計的批花形狀曲線生成錐刀刀尖的五軸加工路徑。圖5表示的是根據本發明實施例中的批花形狀所生成的平面錐刀的五軸加工路徑。步驟105，加工模擬預覽加工效果，判斷是否滿足設計要求。如果與設計形狀存在差異，則調整五軸加工路徑關鍵點的位置或方向和深度，直到加工效果滿足產品設計要求為止。圖6顯示了本實施例在加工模擬預覽時的效果圖。步驟106，將該平面上的錐刀加工路徑映射到步驟101中所構造曲面上，生成曲面的錐刀加工路徑。圖7表示的即是本發明實施例中映射完成後的曲面五軸錐刀加工路徑。步驟107，通過錐刀和批花刀的對應關係將錐刀刀尖加工的路徑轉換為批花刀側刃批花加工的路徑，從而完成五軸批花路徑的編輯。圖8表示的是本發明實施例中最終生成的五軸批花加工路徑。圖9顯示了本發明實施例步驟104中提供的五軸路徑生成方法的流程圖，具體實施過程如下
步驟901，在軌跡曲線上指定關鍵控制點，並按照產品要求設定關鍵控制點的刀軸方向和深度。其中，刀軸方向和深度可藉助錐刀在設計平面上的截面線的形狀來設定和調整，圖 10和圖11分別從俯視和前視兩個角度表示了本發明實施例中在曲線上指定的一些關鍵控制點及其刀軸方向和深度；
步驟902，根據每個關鍵控制點的刀軸方向，計算出各關鍵控制點的仰角和方位角。其中，仰角是指刀軸方向與水平面之間的夾角，角度範圍是一 90° +90° ；方位角是指刀軸方向在水平面上的投影方向與X軸之間的夾角，角度範圍是0° 360° ；對於豎直的刀軸方向方位角無效，只由仰角表示；
步驟903，根據各關鍵控制點的仰角和方位角分別插值計算出各路徑點的仰角和方位
角；
步驟904，根據步驟903中得到的仰角和方位角分別計算出各路徑點的刀軸方向； 步驟905，根據各關鍵控制點的深度插值計算出各路徑點的深度，生成一條五軸路徑。 圖12表示的是上述曲線根據關鍵控制點插值計算得到的所有路徑點的刀軸方向和深度。圖13顯示了本發明實施例提供的平面錐刀加工路徑轉為曲面加工路徑的映射方法，具體實施過程如下
步驟1301，計算曲面U向和V向等參數線的最大長度Iu和Iv ； 步驟1302，在路徑平面上構建一個矩形，矩形的兩條邊分別與X軸和Y軸平行，矩形的 X方向和Y方向的邊長分別為Iu和lv，矩形相對於平面路徑的位置與曲面相對於批花的位置一致；
步驟1303，將平面矩形區域與一個二維參數區域對應起來，矩形的左下角點對應參數 (0,0)點，矩形的右上角點對應參數(1，1)點，矩形內的平面路徑根據每個路徑點的二維坐標可以得到一組對應的參數值(u，ν)；
步驟1304，根據得到的每個路徑點的二維參數值(u，v)，在曲面上可以得到一個對應的坐標點，即為曲面上的路徑點坐標；
步驟1305，在曲面上的路徑點處構建一個局部坐標系，曲面上的路徑點作為坐標系的原點，曲面在該點的法向作為坐標系的Z軸方向，根據產品實際需要選擇曲面在該點的U向等參數線的切向作為X軸方向，再根據Z軸和X軸的方向計算出Y軸的方向；或者選擇曲面在該點的V向等參數線的切向作為Y軸方向，再根據Z軸和Y軸的方向計算出X軸的方向； 步驟1306，將平面上路徑點的刀軸方向向量V (i，j，k)作為曲面上對應路徑點處局部坐標系裡的向量，再將該向量換算到世界坐標系，即為曲面上路徑點處的刀軸方向。圖14是用來解釋本發明實施例提供的將錐刀刀尖加工路徑轉換為批花刀側刃批花加工路徑的方法如圖14中所示，將錐刀的路徑點pntl轉為批花刀的路徑點pnt2，並將錐刀路徑的刀軸方向axisl轉為批花刀路徑的刀軸方向axis2，從而由曲面上的錐刀加工路徑轉成批花刀的加工路徑。綜上所述，本發明實現了用五軸數控工具機進行批花的加工，不再依賴工人的手工技術和經驗；相對於手工操作，提高了生產效率，降低了生產成本，縮短了新款花式的開發周期，並且加工產品花紋的一致性好，適合於批量生產。儘管上文對本發明進行了詳細說明，但是本發明不限於此，本領域技術人員可以根據本發明的原理進行各種修改。因此，凡按照本發明原理所作的修改，都應當理解為落入本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種五軸數控工具機批花加工路徑的生成方法，其特徵在於，其主要步驟包括 步驟a，根據應用產品的幾何數據構造出產品的幾何形狀曲面；步驟b，在平面上設計出批花的形狀曲線，並根據設計的批花形狀定義出批花刀的截面形狀；步驟c，根據批花刀的截面形狀定義一把錐刀，保證該錐刀刀尖的加工效果和批花刀側刃的加工效果相同；步驟d，根據設計的平面批花形狀曲線生成錐刀刀尖加工的五軸路徑； 步驟e，通過加工模擬預覽加工效果，判斷是否滿足設計要求；如果與設計形狀存在差異，調整五軸加工路徑，直到加工效果滿足產品設計要求為止；步驟f，將平面批花的錐刀加工路徑映射到步驟a所構造的曲面上，轉為曲面批花的錐刀加工路徑；步驟g，通過錐刀和批花刀的對應關係將錐刀刀尖加工的路徑轉換為批花刀側刃批花加工的路徑。
2.根據權利要求1所述的一種五軸數控工具機批花加工路徑的生成方法，其特徵在於 步驟d中所述的五軸路徑的生成方法是先指定曲線上一些關鍵點處的刀軸方向和深度， 曲線上其他點處的刀軸方向和深度由相鄰的兩個關鍵點處的刀軸方向和深度插值得到。
3.根據權利要求2所述的一種五軸數控工具機批花加工路徑的生成方法，其特徵在於 步驟d中所述的五軸路徑的生成方法，其主要步驟包括dl.在軌跡曲線上指定若干關鍵控制點，並按照產品要求設定關鍵控制點的刀軸方向和深度；d2.根據每個關鍵控制點的刀軸方向，計算出各關鍵控制點的仰角和方位角；其中，仰角是指刀軸方向與水平面之間的夾角，角度範圍是一 90° +90° ；方位角是指刀軸方向在水平面上的投影方向與X軸之間的夾角，角度範圍是0° 360° ；對於豎直的刀軸方向方位角無效，只由仰角表示；d3.根據各關鍵控制點的仰角和方位角分別插值計算出各路徑點的仰角和方位角； d4.根據d3中得到的仰角和方位角分別計算出各路徑點的刀軸方向； d5.根據各關鍵控制點的深度插值計算出各路徑點的深度，生成五軸路徑。
4.根據權利要求2或3所述的一種五軸數控工具機批花加工路徑的生成方法，其特徵在於所述的關鍵點處的刀軸方向和深度的設定是藉助錐刀在設計平面上的截面線形狀實現的。
5.根據權利要求2或3所述的一種五軸數控工具機批花加工路徑的生成方法，其特徵在於步驟e中所述的調整五軸加工路徑是通過調整關鍵點的位置、刀軸方向和深度來實現的。
6.根據權利要求5所述的一種五軸數控工具機批花加工路徑的生成方法，其特徵在於 所述的關鍵點處的刀軸方向和深度的調整是藉助錐刀在設計平面上的截面線形狀實現的。
7.根據權利要求1所述的一種五軸數控工具機批花加工路徑的生成方法，其特徵在於 步驟f所述的映射方法，包括Π.計算曲面U向和V向等參數線的最大長度Iu和Iv;f2.在路徑平面上構建一個矩形，矩形的兩條邊分別與X軸和Y軸平行，矩形的X方向和Y方向的邊長分別為Iu和IV，矩形相對於平面路徑的位置與曲面相對於批花的位置一致；f3.將平面矩形區域與一個二維參數區域對應起來，矩形的左下角點對應參數(0，0) 點，矩形的右上角點對應參數(1，1)點，矩形內的平面路徑根據每個路徑點的二維坐標可以得到一組對應的參數值(U，ν)；f4.根據得到的每個路徑點的二維參數值(u，v)，在曲面上可以得到一個對應的坐標點，即為曲面上的路徑點坐標；f5.在曲面上的路徑點處構建一個局部坐標系，曲面上的路徑點作為坐標系的原點，曲面在該點的法向作為坐標系的Z軸方向，根據產品實際需要選擇曲面在該點的U向等參數線的切向作為X軸方向，再根據Z軸和X軸的方向計算出Y軸的方向；或者選擇曲面在該點的V向等參數線的切向作為Y軸方向，再根據Z軸和Y軸的方向計算出X軸的方向；f6.將平面上路徑點的刀軸方向向量V (i，j，k)作為曲面上對應路徑點處局部坐標系裡的向量，再將該向量換算到世界坐標系，即為曲面上路徑點處的刀軸方向。
全文摘要
本發明涉及計算機輔助設計與製造技術領域，特別涉及一種五軸數控工具機批花加工路徑的生成方法。首先根據批花刀的截面形狀定義一把錐刀，然後根據設計的平面批花形狀曲線生成平面批花的五軸錐刀加工路徑，再通過加工模擬預覽加工效果，對五軸加工路徑進行調整，使其滿足產品設計要求，然後將平面批花的錐刀加工路徑映射到表示產品形狀的曲面上生成曲面批花的錐刀加工路徑，最後根據錐刀與批花刀的對應關係，將錐刀加工路徑轉為批花刀的加工路徑，從而完成批花路徑的編輯。本發明實現了用五軸數控工具機進行批花的加工，不再依賴工人的手工技術和經驗，加工產品花紋的一致性好；並且生產效率高，生產成本低，同時也縮短了新款花式的開發周期。
文檔編號G05B19/19GK102495587SQ20111043918
公開日2012年6月13日 申請日期2011年12月26日 優先權日2011年12月26日
發明者劉鑫, 孫藝華, 張保全, 石寶光 申請人:北京進取者軟體技術有限公司