考慮誤差區域性分布的數控加工刀軌分區映射方法與流程

2023-12-05 00:02:11 1

本發明涉及一種刀軌映射方法，尤其是一種在按工件實際面加工的過程中根據工件實際面不同的誤差分布類型選擇不同的刀軌映射方法從而保證刀軌映射效率和質量的方法，具體地說是一種考慮誤差區域性分布的數控加工刀軌分區映射方法。

背景技術：

在產品加工中，加工設備、加工工藝、材料性能等因素均會導致工件變形，對於諸如飛機蒙皮、火箭壁板、發動機葉片等薄壁工件而言，變形導致理論面和實際面產生較大偏差，此時如果還按照理論面進行後續加工，會過切或者欠切，所以需要按照實際面重新計算實際刀軌，再根據實際刀軌進行加工，重算刀軌時間長，期間工具機不能進行任何生產活動，嚴重影響工具機產能。

刀軌映射是基於工件實際形狀的幾何特點以理論刀軌為依據快速生成實際刀軌的方法。目前主要有刀軌投影、等弧長映射、等參數映射等刀軌映射方法，它們各有優缺點。刀軌投影方便高效，但是當工件實際面和理論面偏離較遠時無法保證投影后實際刀位點的位置精度，甚至工件理論面邊界處的理論刀位點無法投影到實際面上；等弧長映射的刀軌映射方法可以保證工件實際面和理論面偏離較遠時映射後實際刀位點位置足夠精確，但是映射算法複雜、效率低而且在工件發生塑性變形的局部區域內由於弧長已經改變，這個方法不適用；等參數映射的刀軌映射方法既可以保證映射後實際刀位點的位置精確性也適用於工件發生塑性變形的局部區域但是需要精確的邊界信息，而檢測實際面的過程中邊界信息很難精確獲得，所以等參數映射不適用於在整張實際面上使用。傳統的刀軌映射針對整個工件實際面只使用一種刀軌映射方法，而工件實際面和理論面往往誤差變形情況各異，傳統單一的刀軌映射方法無法保證效率和質量。

針對以上問題，本專利提出一種考慮誤差區域性分布的數控加工刀軌分區映射方法，該方法將多個傳統單一的刀軌映射方法有機結合起來，先根據工件實際面不同誤差類型的區域性分布特徵劃分區域，再根據劃分結果針對不同誤差類型的區域選擇不同的刀軌映射方法將理論刀軌映射到工件實際面上完成刀軌映射，充分利用了各種刀軌映射方法的優點，保證了刀軌映射的效率和質量。

技術實現要素：

本發明的目的是針對按工件實際面加工中現有的刀軌映射方法無法應對工件實際面和理論面誤差情況各異的問題，發明一種考慮誤差區域性分布的數控加工刀軌分區映射方法，它能根據工件實際面不同誤差類型的區域性分布特徵劃分區域，再根據劃分結果針對不同的區域選擇不同的刀軌映射方法從而同時保證刀軌映射效率和質量的方法。

本發明的技術方案是：

一種考慮誤差區域性分布的數控加工刀軌分區映射方法，其特徵在於首先根據工件理論面生成理論刀軌並從中提取理論刀位點，再將實際面與理論面對比得到實際面上不同誤差類型的區域性分布特徵，然後根據該區域性分布特徵對實際面進行區域劃分，得到對應於不同誤差類型的誤差區域，有均勻誤差區域：工件實際面區域內誤差在±δ範圍內，δ由工藝人員根據經驗確定；梯度誤差區域：工件實際面區域內誤差超過±δ範圍並朝該區域邊界不斷加速增大，在區域邊界處達到最大值，表現為實際面在這一邊界處的翹曲；以及局部誤差區域：工件實際面在某一區域內的誤差超過±δ範圍並向區域內部一點不斷減速增大，最終在區域內某處達到該區域的局部誤差最大值，表現為實際面上這一區域隆起形成凸包或塌陷形成凹坑。針對均勻誤差區域採用投影的方法、針對梯度誤差區域採用等弧長映射的方法、針對局部誤差區域採用等參數映射的方法，將工件理論面上的理論刀位點映射到工件實際面上從而實現理論刀軌到實際刀軌的轉換，完成刀軌映射。

所述的針對梯度誤差區域採用等弧長映射的方法，其特徵在於使用刀軌文件中兩個定位點j1和j2的連線l1構建等弧長映射的基準直線，再根據這條基準直線建立幾何關係求解實際刀位點。定位點j1和j2為工件設計加工時的兩個基準點，理論面和實際面的這兩個點是重合的，所以將l1作為等弧長映射的基準。等弧長映射的具體步驟為：

步驟一、連接兩個定位點j1和j2獲得空間的一條基準直線l1。

步驟二、設pt是一個理論刀位點，構建以直線l1為法矢並且過點pt的平面t1。

步驟三、將l1分別向理論面和實際面投影得兩條投影曲線d1和d2，曲線d1和d2分別交平面t1於ct和cr。

步驟四、測得ct和pt在理論面上連線的弧長為s1，在實際面上以cr為起點，在平面t1和實際面的交線上確定點pr使得cr到pr連線的弧長也等於s1。

步驟五、多次迭代上述過程直至梯度誤差區域內所有理論刀位點全部映射。

此外，當梯度誤差區域包絡局部誤差區域形成環形區域時，需要先對比理論面和實際面獲得梯度誤差和局部誤差邊界，然後根據局部誤差區域的位置情況對該梯度誤差區域進行再次分區並在不同子區域內使用各自的新基準進行等弧長映射，這些基準均由最初的定位點連線的基準平移獲得。局部誤差區域會影響等弧長映射的實施，所以需要根據局部誤差區域的位置將梯度誤差區域再次分區並且使用各自的基準以避免局部誤差區域帶來的影響。而均勻誤差區域卻不會影響等弧長映射的實施。

所述的針對局部誤差區域採用等參數映射的方法，其特徵在於在理論面st中找到對應於局部誤差區域的子曲面stom，求出理論刀位點在子曲面stom上的u向和v向參數，記為up和vp，同樣在實際面sr中找到對應於該局部誤差區域的子曲面srom，在srom上取u向和v向參數為up和vp的點即為實際刀位點pr，多次迭代上述過程直至局部誤差區域內所有理論刀位點全部映射。此外，當局部誤差區域包絡在均勻誤差區域中時，首先獲得局部誤差區域和均勻誤差區域的邊界，再分別在局部誤差區域內使用等參數映射，在均勻誤差區域內使用投影即可；當局部誤差區域包絡在梯度誤差區域內時，先獲得局部誤差區域和梯度誤差區域的邊界，然後在局部誤差區域中依然使用等參數映射，而此時梯度誤差區域內的等弧長映射需要適當平移基準線才能進行。

本發明的有益效果是：

1、本發明使用的刀軌映射方法和重新計算刀軌相比，速度大大提高，能高效地完成理論刀軌到實際刀軌的映射過程。

2、本發明使用的刀軌分區映射方法和傳統單一的刀軌映射方法相比，充分利用了各種刀軌映射方法的優點，避免了其缺點，能在應對工件實際面和理論面複雜變形情況時依然保證刀軌映射的效率和質量。

附圖說明

圖1為本發明的考慮誤差區域性分布的數控加工刀軌分區映射方法流程圖。

圖2為本發明所應用的示例工件誤差區域性分布結果示意圖，圖中sr是實際面，st是理論面。l和d是這個工件在兩個方向上的尺寸。在sr上n1代表第一個梯度誤差區域，j代表均勻誤差區域，n2代表第二個梯度誤差區域，m代表局部誤差區域。

圖3為示例工件的加工刀軌文件圖，圖中每一行goto後面都是一個刀位點，每一個刀位點由其在工件加工坐標系下x,y,z坐標值和刀軸矢量組成。

圖4為等弧長映射整體示意圖，其中sr是實際面，st是理論面，j1和j2是兩個定位點，pt是理論刀位點，pr是實際刀位點。連接j1和j2獲得空間中的一條基準直線l1，構建以l1為法矢並且過pt的平面t1，再將l1分別向理論面和實際面投影得兩條投影曲線d1和d2，曲線d1和d2分別交平面t1於ct和cr，測得ct和pt在理論面上連線的弧長為s1，在實際面上以cr為起點，在平面t1和實際面的交線上確定實際刀位點pr使得cr到pr連線的弧長也等於s1。

圖5為等弧長映射局部放大圖，其中j1和j2是兩個定位點，pt是理論刀位點，pr是實際刀位點。連接j1和j2獲得空間中的一條基準直線l1，構建以l1為法矢並且過pt的平面t1，再將l1分別向理論面和實際面投影得兩條投影曲線d1和d2，曲線d1和d2分別交平面t1於ct和cr，測得ct和pt在理論面上連線的弧長為s1，在實際面上以cr為起點，在平面t1和實際面的交線上確定實際刀位點pr使得cr到pr連線的弧長也等於s1。

圖6為等參數映射原理示意圖，圖中st是理論面，stom是理論面上對應於局部誤差區域的子面，sr是實際面，srom是實際面上對應於局部誤差區域的子面。u和v分別代表子曲面的兩個參數方向，pt是理論刀位點，up和vp是pt在stom上的曲面參數，在srom上找出u、v參數也等於up和vp的點即為實際刀位點pr。

圖7為梯度誤差區域包絡局部誤差區域時刀軌映射的示意圖，其中st是理論面，stom是st上對應於局部誤差區域的子面，u和v分別代表子面的兩個參數方向，m是局部誤差區域，n是梯度誤差區域，ptm是stom上的一個理論刀位點，ptn是梯度誤差區域內的一個理論刀位點，up和vp是ptm在stom上的曲面參數；sr是實際面，srom是sr上對應於局部誤差區域的子面，prm是局部誤差區域內的一個實際刀位點，prn是梯度誤差區域內的一個實際刀位點，up和vp也是prm在srom上的曲面參數。

圖8為梯度誤差區域包絡局部誤差區域時等弧長映射的示意圖，其中st是理論面，j1和j2是工件的兩個定位點，l1為j1和j2所連接的直線，n是梯度誤差區域，ptn是梯度誤差區域中的一個刀位點，m是局部誤差區域，b1為m和l1的最近切點，b2為m和l1的最遠切點，r1是l1上方的一個陰影部分區域，r2和r3是l1下方的兩塊陰影部分區域。lm1是將l1平移至剛好過b2的新基準直線。

圖9為均勻誤差區域包絡局部誤差區域時刀軌映射的示意圖，圖中st是理論面，sr是實際面，stom是理論面上對應於局部誤差區域的子面，srom是實際面上對應於局部誤差區域的子面。u和v分別代表子曲面的兩個參數方向，m代表局部誤差區域，ptm是stom內的一個理論刀位點，up和vp是ptm在stom上的曲面參數，prm是srom內的一個實際刀位點，它在srom上的曲面參數也是up和vp，prm由ptm等參數映射得到，j代表均勻誤差區域，ptj是理論面上均勻誤差區域內的一個理論刀位點，prj是實際面上均勻誤差區域的實際刀位點，它由ptj向實際面投影得到。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式及示例零件對本發明作進一步說明：

一種考慮誤差區域性分布的數控加工刀軌分區映射方法，如圖1所示，它包括以下步驟：

首先，根據工件理論面生成理論刀軌並從中提取理論刀位點，再將實際面與理論面對比得到實際面上不同誤差類型的區域性分布特徵，

其次，根據區域性分布特徵對實際面進行區域劃分，得到對應於不同誤差類型的誤差區域：

有均勻誤差區域：工件實際面區域內誤差在±δ範圍內，δ由工藝人員根據經驗確定；

梯度誤差區域：工件實際面區域內誤差超過±δ範圍並朝該區域邊界不斷加速增大，在區域邊界處達到最大值，表現為實際面在這一邊界處的翹曲；

局部誤差區域：工件實際面在某一區域內的誤差超過±δ範圍並向區域內部一點不斷減速增大，最終在區域內某處達到該區域的局部誤差最大值，表現為實際面上這一區域隆起形成凸包或塌陷形成凹坑；

最後，針對均勻誤差區域採用投影的方法、針對梯度誤差區域採用等弧長映射的方法、針對局部誤差區域採用等參數映射的方法，將工件理論面上的理論刀位點映射到工件實際面上從而實現理論刀軌到實際刀軌的轉換，完成刀軌映射。

其中：針對梯度誤差區域採用等弧長映射的方法時使用刀軌文件中兩個定位點j1和j2的連線l1構建等弧長映射的基準直線，再根據這條基準直線建立幾何關係求解實際刀位點。定位點j1和j2為工件設計加工時的兩個基準點，理論面和實際面的這兩個點是重合的，所以將l1作為等弧長映射的基準。等弧長映射的具體步驟為：

步驟一、連接兩個定位點j1和j2獲得空間的一條基準直線l1。

步驟二、設pt是一個理論刀位點，構建以直線l1為法矢並且過點pt的平面t1。

步驟三、將l1分別向理論面和實際面投影得兩條投影曲線d1和d2，曲線d1和d2分別交平面t1於ct和cr。

步驟四、測得ct和pt在理論面上連線的弧長為s1，在實際面上以cr為起點，在平面t1和實際面的交線上確定點pr使得cr到pr連線的弧長也等於s1。

步驟五、多次迭代上述過程直至梯度誤差區域內所有理論刀位點全部映射。

此外，當梯度誤差區域包絡局部誤差區域形成環形區域時，需要先對比理論面和實際面獲得梯度誤差和局部誤差邊界，然後根據局部誤差區域的位置情況對該梯度誤差區域進行再次分區並在不同子區域內使用各自的新基準進行等弧長映射，這些基準均由最初的定位點連線的基準平移獲得。局部誤差區域會影響等弧長映射的實施，所以需要根據局部誤差區域的位置將梯度誤差區域再次分區並且使用各自的基準以避免局部誤差區域帶來的影響。而均勻誤差區域卻不會影響等弧長映射的實施。

針對局部誤差區域採用等參數映射的方法時可在理論面st中找到對應於局部誤差區域的子曲面stom，求出理論刀位點在子曲面stom上的u向和v向參數，記為up和vp，同樣在實際面sr中找到對應於該局部誤差區域的子曲面srom，在srom上取u向和v向參數為up和vp的點即為實際刀位點pr，多次迭代上述過程直至局部誤差區域內所有理論刀位點全部映射。此外，當局部誤差區域包絡在均勻誤差區域中時，首先獲得局部誤差區域和均勻誤差區域的邊界，再分別在局部誤差區域內使用等參數映射，在均勻誤差區域內使用投影即可；當局部誤差區域包絡在梯度誤差區域內時，先獲得局部誤差區域和梯度誤差區域的邊界，然後在局部誤差區域中依然使用等參數映射，而此時梯度誤差區域內的等弧長映射需要適當平移基準線才能進行。

詳述如下：

如圖2所示，這是一張飛機蒙皮工件，其尺寸為4000mm×2000mm。工件實際外形和理論外形有明顯的偏差，上下邊緣發生了明顯的翹曲，現使用考慮誤差區域性分布的數控加工刀軌分區映射方法將理論面上的理論刀軌映射到工件實際面上生成實際刀軌。具體步驟如下：

步驟一、提取該蒙皮理論刀軌的所有理論刀位點。

獲得該蒙皮理論刀軌文件並打開該文件，如附圖3所示，含有goto的每一行均代表一個刀位點，後面的6個數值分別為一個刀位點在加工坐標系下的x,y,z坐標和刀軸矢量，提取該蒙皮工件所有的理論刀位點。經統計，該蒙皮工件一共有39720個刀位點，選取其中連續的12個理論刀位點顯示如下表：

步驟二、將該蒙皮工件理論面和實際面對比並根據誤差分布情況分區。

將理論面與實際面對比得到實際面上不同誤差類型的區域性分布特徵，然後根據該區域性分布特徵對實際面進行區域劃分，得到對應於不同誤差類型的誤差區域。如附圖2所示，該蒙皮工件的實際面一共劃分出4個誤差區域，分別為兩個梯度誤差區域，用n1和n2來表示；一個均勻誤差區域，用j來表示；一個局部誤差區域，用m來表示。

將39720個理論刀位點根據這個誤差類型分區結果分類，以區號來標識，這裡的區號有n1、n2、j和m分別代表四個區域。在上一步中展示的12個理論刀位點分類結果如下表：

從結果中可以發現，上一步展示的12個理論刀位點剛好處在第一個梯度誤差區域和均勻誤差區域的邊界處。

步驟三、對每個區域選擇各自的刀軌映射方法進行刀軌映射。

對標識為n1、n2的梯度誤差區域的理論刀位點採用等弧長映射的方法，對標識為j的均勻誤差區域的理論刀位點採用投影的方法，對標識為m的局部誤差區域的理論刀位點採用等參數映射的方法，將39720個理論刀位點映射到實際面上成為實際刀位點。

對n1區域內的每一個理論刀位點進行等弧長映射，如附圖4和附圖5所示：sr是實際面，st是理論面，j1和j2是兩個定位點，pt是理論刀位點。連接j1和j2獲得空間中的一條基準直線l1，構建以l1為法矢並且過pt的平面t1，再將l1分別向理論面和實際面投影得兩條投影曲線d1和d2，曲線d1和d2分別交平面t1於ct和cr，測得ct和pt在理論面上連線的弧長為s1，在實際面上以cr為起點，在平面t1和實際面的交線上確定實際刀位點pr使得cr到pr連線的弧長也等於s1。

由於n2區域包絡了局部誤差區域m，所以需要根據m所在位置情況對該梯度誤差區域進行再次分區並在不同子區域內使用各自的新基準進行等弧長映射。如附圖8所示：j1和j2是工件的兩個定位點，l1為j1和j2所連接的直線也是初始基準，n是梯度誤差區域，ptn是梯度誤差區域中的一個理論刀位點，m是局部誤差區域，b1為m和l1的最近切點，b2為m和l1的最遠切點，將l1平移至剛好過b2得到新的基準lm1，並用lm1將整個n2劃分為兩個區域，對應圖中的r2和r3，對於r2中的理論刀位點採用l1作為等弧長映射基準，對於r3中的理論刀位點採用lm1作為等弧長映射基準，以此完成整個n2區域的等弧長映射。

對j區域內的每一個理論刀位點向工件實際面投影，得到實際刀位點。

對m區域內的每一個理論刀位點進行等參數映射，如附圖6所示，圖中st是理論面，stom是理論面上對應於局部誤差區域的子面，sr是實際面，srom是實際面上對應於局部誤差區域的子面。u和v分別代表子曲面的兩個參數方向，pt是理論刀位點，獲得pt在stom上的曲面參數up和vp，在srom取u、v參數等於up和vp的點即為實際刀位點pr。

步驟一中展示的12個理論刀位點映射情況如下表：

生成實際刀軌文件完成刀軌映射，最終各個誤差區域的刀軌映射情況如下表：

本發明未涉及部分與現有技術相同採用現有技術加以實現。