專利名稱：適用于數(shù)控裝置的指令點整形壓縮插補方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種復雜型面的數(shù)控加工技術(shù)，具體的說是一種適用于數(shù)控裝置的指 令點整形壓縮插補方法。
背景技術(shù)：
復雜型面被廣泛的應(yīng)用于模具行腔、汽車覆蓋和航空部件的設(shè)計中，然而復雜型 面的高速、高精和高表面質(zhì)量加工卻一直是研究的難點。在數(shù)控加工中，為能夠銑削完整的 復雜型面和實時檢測碰撞，CAM(computeraided manufacture)系統(tǒng)通常用大量微小平面去 逼近CAD (computer aideddesign)系統(tǒng)設(shè)計生成的復雜型面，如圖1所示，并在特定的公 差范圍內(nèi)用一系列刀具路徑去覆蓋這些多面體，最終生成由大量指令點構(gòu)成的數(shù)控加工程 序。當數(shù)控裝置采用傳統(tǒng)的插補方法時，即在相鄰指令點構(gòu)成的直線段上進行插補， 勢必會引起加速度的頻繁跳轉(zhuǎn)、加工時間的延長。此外，現(xiàn)有插補方法都是在假定數(shù)控裝置 所獲得的指令點都恰好位于CAM系統(tǒng)所期望的刀具路徑曲線(以下簡稱期望曲線)上而進 行處理的。然而在實際應(yīng)用中，CAM系統(tǒng)為增大步距和避免出現(xiàn)連續(xù)的過切點或欠切點，通 常所生成的指令點并不都恰好位于其所期望的刀具路徑曲線上，而是位于期望曲線的內(nèi)外 公差帶范圍內(nèi)，如圖2所示。加之CAM系統(tǒng)在生成指令點的過程中還存在計算誤差和圓整 誤差，因而采用現(xiàn)有插補方法很難實現(xiàn)復雜型面的高速、高精的加工。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)無法滿足復雜型面高速、高精的加工需求，本發(fā)明要解決的技術(shù)問 題是提供一種加工效率高、加工精度高的適用于數(shù)控裝置的指令點整形壓縮插補方法。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是本發(fā)明一種適用于數(shù)控裝置的指令點整形壓縮插補方法包括以下步驟連續(xù)微小線段加工區(qū)域的識別根據(jù)讀入的數(shù)控加工程序判斷被加工曲面上任意 相鄰三個指令點間是否滿足連續(xù)加工條件；內(nèi)插點的推測當被加工曲面上任意相鄰三個指令點滿足連續(xù)加工條件時，通過 在每相鄰三個指令點的中間點，插入與中間點距離為數(shù)控裝置設(shè)定公差且與相鄰指令點間 線段相切的圓弧，其切點作為比指令點更接近期望曲線的內(nèi)插點；內(nèi)插點的修整對上述步驟中得到的內(nèi)插點進行修整，減少內(nèi)插點推測過程中的 計算誤差和圓整誤差，使加工路徑更加平滑；特征內(nèi)插點的選取通過判斷加工路徑各內(nèi)插點處的加工路徑彎曲方向，選取出 特征內(nèi)插點；樣條曲線的擬合對于上述特征內(nèi)插點，用一條具有二階導數(shù)連續(xù)的多項式樣條 曲線進行擬合，以生成平滑曲線；樣條曲線的插補對上述平滑曲線近似計算當前插補周期的插補點，并將該插補
4點的位置發(fā)送給數(shù)控裝置的伺服系統(tǒng)，驅(qū)動伺服電機運動。所述判斷被加工曲面上任意相鄰三個指令點間是否滿足連續(xù)加工條件法采用雙 弦高誤差方法，具體為計算被加工曲面上任意相鄰三個指令點間的距離；根據(jù)相鄰指令點間的圓弧段和距離計算雙弦高誤差；若計算出的雙弦高誤差都小于數(shù)控裝置所設(shè)置的最大弦高誤差，則三個指令點之 間滿足連續(xù)加工條件；若計算出的雙弦高誤差存在不小于數(shù)控裝置所設(shè)置的最大弦高誤差時，則三個指 令點之間不滿足連續(xù)加工條件。采用最小二乘法對內(nèi)插點進行修整，公式如下i Ofk= ^(Qfl(Uk)+ Qli(Uk)+ Qi2(Uk)) ^Ti'f'Z(9) O = ^(QXulc)+ Qll(Uk)+ Ql2M)其中Qi (u) = aiU^bi^+CiU+di (Ui 彡 u 彡 ui+4)(5)ai、bp Ci, Cli為對連續(xù)的內(nèi)插點Qp Qi+1、Qi+2、Qi+3和Qi+4采用最小二乘罰進行擬合 得到的曲線Qi (u)的系數(shù)向量，Ui和ui+4分別為內(nèi)插點Qi和Qi+4所對應(yīng)的參數(shù)值，Ok為內(nèi)插 點Ok修正后的值。特征內(nèi)插點的選取過程為標記起始內(nèi)插點O1為當前連續(xù)微小線段加工區(qū)域中的特征內(nèi)插點，并計算起始內(nèi) 插點O1和與之相鄰的內(nèi)插點O2處一階導矢量0'工與…2之間的叉積，得到向量V12 ；判斷當前要計算的內(nèi)插點的下標j與內(nèi)插點的數(shù)量η的大小，若j < n，計算內(nèi)插 點CV1與A處一階導矢量0' H與0'彳之間的叉積，得到向量Vj,；計算向量與ν」,.之間的夾角α」，若α」<90°，則j = j+1，轉(zhuǎn)至判斷當前 要計算的內(nèi)插點的下標j與內(nèi)插點的數(shù)量η的大小步驟；若α」彡90°，則標記內(nèi)插點Oj為特征內(nèi)插點，j = j+1，并以內(nèi)插點CV1作為新 的起始內(nèi)插點，轉(zhuǎn)入標記起始內(nèi)插點01為滿足連續(xù)加工條件的被加工曲面中的特征內(nèi)插 點步驟；若j = n，標記點Oj為特征內(nèi)插點，特征內(nèi)插點選取結(jié)束。在樣條曲線的擬合與樣條曲線的插補步驟之間還包括加工精度的控制步驟，過程 為輸入兩相鄰特征內(nèi)插點之間內(nèi)插點以及擬合而成的樣條曲線；計算兩相鄰特征內(nèi)插點之間的內(nèi)插點Om到對應(yīng)樣條曲線之間的距離L，當L不大 于數(shù)控系統(tǒng)所預設(shè)的最大輪廓偏差時，說明樣條曲線在內(nèi)插點Om處滿足加工精度要求；取與內(nèi)插點Om相鄰的下一個內(nèi)插點0m+1，判斷是否所有的內(nèi)插點都取完；如果都取完，則判斷所有內(nèi)插點0m+1是否都滿足加工精度要求；
如果不都滿足加工精度要求，則找出距離L中的最大值所對應(yīng)的內(nèi)插點0S，并將該 內(nèi)插點作為原來兩相鄰特征內(nèi)插點之間新的特征內(nèi)插點；用新的特征內(nèi)插點擬合出新的樣條曲線代替原有樣條曲線，接續(xù)輸入兩相鄰特征 內(nèi)插點之間內(nèi)插點以及擬合成而的樣條曲線步驟；如果內(nèi)插點沒有全部取完，則轉(zhuǎn)至計算兩相鄰特征內(nèi)插點之間的內(nèi)插AOm到對應(yīng) 樣條曲線之間的距離L步驟；當L大于數(shù)控系統(tǒng)所預設(shè)的最大輪廓偏差時，說明樣條曲線在內(nèi)插點Om處不滿足 加工精度要求，記錄當前內(nèi)插點序號及其到樣條曲線的距離，接續(xù)取與內(nèi)插點Om相鄰的下 一個內(nèi)插點0m+1步驟。本發(fā)明具有以下有益效果及優(yōu)點1.加工效率高。本發(fā)明方法插補點的計算是在平滑曲線上進行的，因而相鄰插補 點間的轉(zhuǎn)接速度被大幅度提高，從而大大縮短了加工所需的時間，最大限度的提高了加工 效率。2.加工精度高。本發(fā)明方法可通過推測比指令點更接近期望曲線的內(nèi)插點來減少 指令點與期望曲線間公差對加工精度的影響，并可通過修整內(nèi)插點來減少計算誤差和圓整 誤差對加工精度和加工表面光潔度的影響。3.表面加工質(zhì)量高。本發(fā)明方法可將連續(xù)微小線段加工區(qū)域中的指令點擬合成具 有C2連續(xù)性的平滑曲線，從而可消除相鄰線段間的折角，提高工件表面的加工質(zhì)量。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)中原始曲面與逼近曲面轉(zhuǎn)化示意圖
圖2為現(xiàn)有技術(shù)中期望曲線及內(nèi)外公差示意圖3為本發(fā)明方法的流程圖4為雙弦高誤差判斷示意圖5為內(nèi)插點推測示意圖6為內(nèi)插點交叉現(xiàn)象示意圖7為特征內(nèi)插點的選取示意圖8為特征內(nèi)插點的選取過程流程圖9為特征內(nèi)插點的擬合示意徑圖10為加工精度控制流程圖11為待加工曲面路徑圖12a采用傳統(tǒng)插補方法的加工速度圖12b采用平滑插補算法的加工速度圖12c采用本發(fā)明方法的加工速度圖13a為采用傳統(tǒng)插補方法與原始模型的對比圖13b為采用平滑插補算法與原始模型的對比圖13c為采用本發(fā)明方法與原始模型的對比圖14a為采用傳統(tǒng)插補方法的樣件加工表面效果圖
圖14b為采用平滑插補算法的樣件加工表面效果圖
圖14c為采用本發(fā)明方法的樣件加工表面效果圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明方法作進一步詳細說明。如圖3所示，本發(fā)明適用于數(shù)控裝置的指令點整形壓縮插補方法包括以下步驟連續(xù)微小線段加工區(qū)域的識別根據(jù)讀入的數(shù)控加工程序判斷被加工曲面上任意 相鄰三個指令點間是否滿足連續(xù)加工條件；內(nèi)插點的推測當被加工曲面上任意相鄰三個指令點滿足連續(xù)加工條件時，通過 在每相鄰三個指令點的中間點，插入與中間點距離為數(shù)控裝置設(shè)定公差且與相鄰指令點間 線段相切的圓弧，其切點作為比指令點更接近期望曲線的內(nèi)插點；內(nèi)插點的修整對上述步驟中得到的內(nèi)插點進行修整，減少內(nèi)插點推測過程中的 計算誤差和圓整誤差，使加工路徑更加平滑；特征內(nèi)插點的選取通過判斷加工路徑各內(nèi)插點處的加工路徑彎曲方向，選取特 征內(nèi)插點；樣條曲線的擬合對于上述η個特征內(nèi)插點，用一條n-1段具有二階導數(shù)連續(xù)的多 項式樣條曲線進行擬合，生成平滑曲線；樣條曲線的插補對上述平滑曲線近似計算當前插補周期的插補點，并將該插補 點的位置發(fā)送給數(shù)控裝置的伺服系統(tǒng)，驅(qū)動伺服電機運動。步驟一、加工路徑的解析具體過程如下對于給定的數(shù)控加工程序，通過雙弦高誤差方法來判斷任意相鄰三個指令點間是 否滿足連續(xù)加工的條件，從而將數(shù)控加工程序中的指令點劃分為非連續(xù)微小線段加工區(qū)域 和連續(xù)微小線段加工區(qū)域。如圖4所示，對于任意順序的三個指令點PifPi和Pi^Li,和 Lii+1分別為指令點Ph與Pi以及Pi與Pi+1之間的距離，δ i和δ 2分別為過指令點PH、Pi 和pi+1的圓弧段與線段PgPi和PiPw產(chǎn)生的雙弦高誤差，R為三指令點Ph、Pi和Pi+1所確 定圓半徑，灼為三指令點Pm、Pi和Pi+1所確定圓上兩指令點PM、Pi間劣弧所對應(yīng)圓心角 的一半，朽為三指令點Pm、Pi和Pi+1所確定圓上兩指令點Pi、Pi+1間劣弧所對應(yīng)圓心角的
一半，θ為向量ρ,Ji與戶,+1尸,之間的夾角。其值可通過如下公式進行計算 若計算出的雙弦高誤差δ工和δ 2都小于數(shù)控裝置所設(shè)置的最大弦高誤差δ。_， 則說明指令點PifPi 之間滿足連續(xù)加工的條件；若計算出的雙弦高誤差\與\中 有一個大于數(shù)控裝置所設(shè)置的最大弦高誤差δ。_，則說明指令點PifPi和Pi+1之間不滿足 連續(xù)加工的條件。從而可通過對每相鄰三個指令點進行判斷，來將數(shù)控加工程序中的指令點劃分為非連續(xù)微小線段加工區(qū)域和連續(xù)微小線段加工區(qū)域。步驟二、內(nèi)插點的推測具體過程如下對于任意一個連續(xù)微小線段加工區(qū)域，可在連續(xù)三個指令點構(gòu)成的中間點處，插 入距離中間點為數(shù)控系統(tǒng)設(shè)定公差且與相鄰指令點形成兩線段相切的圓弧來推測比指令 點更接近期望曲線的內(nèi)插點。如圖5所示，由指令點PifPi和Pi+1構(gòu)成的兩相鄰小線段PgPi 和PiPw，在其拐角處插入距離拐角指令點Pi為公差S tmax大小且與線段Pp1Pi和PiPw相切 于點Qi和Qi+1的圓弧后，根據(jù)幾何知識可得到如下等式
■ P
31 η C
R=
B
-COS^
P
CO S ^
"P
— cos C
2
δ
tmsK
(2) 其中L為切點與指令APi之間的距離，β為向量/^f與之間的夾角。在
數(shù)控系統(tǒng)設(shè)定公差一定的條件下，結(jié)合圖2和圖5可發(fā)現(xiàn)切點Qi和Qi+1比指令點Pi更加接 近期望曲線。因此，在數(shù)控系統(tǒng)設(shè)定公差后，可取切點Qi和Qi+1作為指令點Pi所對應(yīng)的內(nèi) 插點。此時，切點Qi和Qi+1處的坐標可寫為
Ql=-^-Pl-
T _ T
L,
V-I /
L
7-1 ζ
(3)
L,
π+1
L
+1
"+1 其中Lpli和Lii+1分別為線段Pp1Pi與PiPw的長度，而指令點Ph、Pi和Pi+1的坐 標可從數(shù)控加工程序中獲得。如圖6所示，為防止由于線段過短而造成相鄰指令點所對應(yīng) 的內(nèi)插點出現(xiàn)交叉的現(xiàn)象，切點與指令點Pi之間的距離L除受到系統(tǒng)所設(shè)定公差大小的約 束，還應(yīng)受到相鄰線段自身長度的約束即 L < min(
Li-U L
ii+\
2 ‘ 2
(4)此時，除連續(xù)微小線段加工區(qū)域中的第一個和最后一個指令點外，其余每個指令 點所對應(yīng)的內(nèi)插點都可通過上述方法進行計算，而第一個和最后一個指令點可取其自身作 為其所對應(yīng)的內(nèi)插點。步驟三、內(nèi)插點的修整具體過程如下上述內(nèi)插點是通過指令點和數(shù)控系統(tǒng)所設(shè)置的公差推測出來的，因而會存在個別 內(nèi)插點到期望曲線的距離比其它內(nèi)插點到期望曲線的距離大很多的情況，加之指令點自身 還帶有CAM(計算機輔助制造)系統(tǒng)的計算誤差和圓整誤差。因此，直接通過擬合上述內(nèi)插 點來生成平滑曲線加工路徑顯然是不理想的。為減少內(nèi)插點推測過程中的計算誤差和圓整 誤差，并使對內(nèi)插點擬合而成的曲線更加平滑，本實施例采用基于三次多項式的最小二乘 法對每連續(xù)五個內(nèi)插點進行修整。在對內(nèi)插點進行修整前，首先需要對每一個內(nèi)插點進行參數(shù)化，以確保每個內(nèi)插點都有與之對應(yīng)的參數(shù)值。為使每個內(nèi)插點所對應(yīng)的參數(shù)值能反映出內(nèi)插點構(gòu)成線段的折 拐情況，本發(fā)明方法采用向心參數(shù)化方法對內(nèi)插點進行參數(shù)化。在對每個內(nèi)插點進行參數(shù)化后，取u3，U2, u，1作為三次多項式空間的一組正交基 函數(shù)，此時任意連續(xù)五個內(nèi)插點Α、9 +1、9 +2、9 +3和Qi+4之間的擬合曲線Qi(U)可寫為Qi (u) = aiU^bi^+CiU+di (Ui 彡 u 彡 ui+4)(5)其中 、1^、(^、屯為擬合曲線仏(11)的系數(shù)向量(向量維數(shù)與運動軸數(shù)目相同)， Ui和ui+4分別內(nèi)插點Qi和Qi+4所對應(yīng)的參數(shù)值。此時，內(nèi)插點QiUiwH到Qi(U) 上具有參數(shù)值 W、ui+1、ui+2、ui+3、ui+4 的點 Qi (Ui)、Qi (ui+1)、Qi (ui+2)、Qi (ui+3)之間距離的平方 和Ji可寫為
'+4
^ = ZlQW-^I =J1X+J,+JIZ(6)
其中，
i+4
k 二i i+4
k=i i+4
(7)式中，Qix(Uk)、Qiy (Uk)、Qix (Uk)分別為 Qi(U)上具有參數(shù)值 Uk 的點 Qi (Uk)在 X，Y，Z 方向上的坐標值，Xk、Yk、Zk分別為內(nèi)插點Qk在X，Y，Z方向上的坐標值，Jix、Jiy、Jiz分別為內(nèi) 插點 Qi、Qi+1、Qi+2、Qi+3、Qi+4 至1J 曲線上具有參數(shù)值 W、ui+1、ui+2、ui+3、ui+4 的點 Qi (Ui)、Qi (ui+1)、 Qi(IV2)Ai(IV3)在X，Y，Z方向上的距離平方和。通過等式(6)和(7)可以發(fā)現(xiàn)，欲使Ji為 最小，就應(yīng)使Jix、Jiy與Jiz都為最小。為此，Jix、Jiy和Jiz的偏導數(shù)必須滿足如下條件
dJix _ dJ“
H0
Sbixdc,xdJ,ySJiydJ iydJiyd%Sbiydc,yddiydJlz_SJ1Z_dJlz
da. dh Sci dd.
=0
=0
(8) 將內(nèi)插點仏為+1為+2為+3和Qi+4的坐標值以及與上述坐標值對應(yīng)的參數(shù)值Ui、ui+1、 ui+2、ui+3和ui+4帶入等式⑶后，便可計算出曲線Qi(U)分別在X、Y和Z方向的系數(shù)向量. 在計算出Qi(U)的表達式后，其上具有參數(shù)值1^、1^+1、1^+2、1^3和1^4的點以及該點處的一、 二階導數(shù)可寫為
9

式中，Ok為內(nèi)插點Ok修正后的值。如果當前連續(xù)微小線段加工區(qū)域中有η個內(nèi)插 點，除前三個內(nèi)插點Qr Q2> Q3和最后三個內(nèi)插點qn_2、QlriQn修整后的新內(nèi)插點以及該點處 的一、二階導矢量需要單獨考慮，其余內(nèi)插點修整后的新內(nèi)插點以及該點處的一、二階導 矢量可取逼近該內(nèi)插點的五條曲線中的中間三條上具有該內(nèi)插點所對應(yīng)參數(shù)值的點以及 該點處一、二階導矢量的平均值。步驟四、特征內(nèi)插點的選取具體過程如下對于同一個連續(xù)微小線段加工區(qū)域，如果由多個內(nèi)插點所指定的加工路徑沿同一 個方向彎曲，只用這段加工路徑始末兩個內(nèi)插點的幾何信息擬合而成的期望曲線便可能滿 足加工精度的要求。因此，為達到壓縮內(nèi)插點數(shù)目和減少擬合次數(shù)的目的，可在對內(nèi)插點進 行擬合前，提前找出加工路徑彎曲方向改變處的內(nèi)插點，并定義這樣的內(nèi)插點為特征內(nèi)插
點ο如圖7、圖8所示，由η個修正后的內(nèi)插點值OpO2. . . ,On^1和On構(gòu)成的連續(xù)微小線 段加工區(qū)域，通過如下步驟找出加工路徑彎曲方向改變處的特征內(nèi)插點(1)標記起始內(nèi)插點O1為當前連續(xù)微小線段加工區(qū)域中的特征內(nèi)插點，并計算起 始內(nèi)插點O1和與之相鄰的內(nèi)插點O2處一階導矢量0'工與…2之間的叉積，得到向量V12 ；(2)判斷當前要計算的內(nèi)插點的下標j與內(nèi)插點的數(shù)量η的大小，若j < n，計算 內(nèi)插點CV1與Oj處一階導矢量0' H與0'彳之間的叉積，得到向量Vj,；(3)計算向量Vjf1與乃 之間的夾角α」，若CIj < 90°，則j = j+1，轉(zhuǎn)至步驟 (2)判斷當前要計算的內(nèi)插點的下標j與內(nèi)插點的數(shù)量η的大??；(4)若α」≥90°，則標記內(nèi)插點Oj為特征內(nèi)插點，j = j+1，并以內(nèi)插點CV1作為 新的起始內(nèi)插點，轉(zhuǎn)至步驟(1)標記起始內(nèi)插點O1為滿足連續(xù)加工條件的被加工曲面中的 特征內(nèi)插點；(5)若j = n，標記點Oj為特征內(nèi)插點，特征內(nèi)插點選取結(jié)束。步驟五、特征內(nèi)插點的擬合具體過程如下對于任意一個連續(xù)微小線段加工區(qū)域中的η個特征內(nèi)插點，可用一條N-I段具有 二階導數(shù)連續(xù)的五次多項式樣條曲線進行擬合，以達到生成平滑曲線目的。如圖9所示，對
于任意相鄰的兩個特征內(nèi)插點Oi與Op它們之間由內(nèi)插點0i+1.....Ojm所指定的折線加工
路徑和通過特征內(nèi)插點Oi與Oj幾何信息擬合而成的平滑曲線Ok(u)，其中平滑曲線Ok (u)的 表達式可寫為Ok(U) = Aku5+Bku4+Cku3+Dku2+Eku+Fk(u e [Ui, Uj]) (10)其中^乂義為乂和&為似！!)的系數(shù)向量(向量維數(shù)與運動軸數(shù)目相等)，Ui 和分別為特征內(nèi)插點Oi和所對應(yīng)的參數(shù)值。Ok(U)有6個系數(shù)向量，因此需要6個邊 界條件來確定這些系數(shù)向量。為確保Ok(U)通過特征內(nèi)插點Oi與Oj,且與相鄰曲線在特征內(nèi)插點處滿足C2連續(xù)性，可選用特征內(nèi)插點Oi與O1處的坐標值以及-階導矢量作為樣
條曲線Ok(U)的邊界條件，將這些邊界條件帶入Ok(U)的表達式，便可得到如下等式 量0' 數(shù)。
將特征內(nèi)插點Oi與Oj處的坐標值、對應(yīng)的參數(shù)值Ui與Uj以及計算出的一階導矢 和0' 及二階導矢量0" jno" 帶入式(11)，便可計算出樣條曲線Ok(U)的系
步驟六、插補點的計算具體過程如下
對于擬合而成的曲線0 (u)，采用二階Taylor展開式方法近似計算第i個插補周期 插補點所對應(yīng)的參數(shù)值Ui,此時Ui的計算公式可用下式表示
其中Iv1為第i-Ι個插補周期插補點所對應(yīng)的參數(shù)值，T為數(shù)控系統(tǒng)插補周期，V" 和Ag分別為第i-Ι個插補周期規(guī)劃好的加工速度和加速度，0' (I^1)和0" (IV1)分別 為O(U)在IV1處的一、二階導矢量，可通過其表達式計算出來。將規(guī)劃好的加工速度和加 速度帶入公式(12)，便可計算出當前插補周期插補點所對應(yīng)的參數(shù)值，將計算出的參數(shù)值 帶入期望曲線的表達式即可得到當前插補周期的插補點。為了提高加工精度，本發(fā)明方法在步驟5)和步驟6)之間設(shè)計了加工精度的控制 步驟，具體過程如下本方法通過實時計算內(nèi)插點到對應(yīng)曲線點(期望曲線上具有內(nèi)插點所對應(yīng)參數(shù) 值的點)間的距離來判斷擬合而成的樣條曲線在該內(nèi)插點處是否滿足加工精度的要求。對 于不滿足加工精度要求的內(nèi)插點處，通過增加新特征內(nèi)插點來調(diào)整樣條曲線在該內(nèi)插點 處的曲線段形狀，以使擬合而成的樣條曲線在所有內(nèi)插點處都滿足加工精度的要求。對于圖9所示的兩相鄰特征內(nèi)插點Oi與Oj，通過下面過程可控制擬合而成的樣條 曲線在內(nèi)插點處的加工精度，具體流程如圖10所示(1)計算特征內(nèi)插點Oi與Oj之間的內(nèi)插點Om(m從i+Ι開始)到對應(yīng)樣條曲線 Ok(Um)之間的距離L，其中…為內(nèi)插點Om所對應(yīng)的參數(shù)值。當L彡emax時(emax為系統(tǒng)所預 設(shè)的最大輪廓偏差)，轉(zhuǎn)至過程(2)；當L > efflax時，轉(zhuǎn)至過程(3)；(2)L彡emax說明樣條曲線Ok(U)在內(nèi)插點Om處滿足加工精度要求。判斷m與j的 大小，若111 < j，說明特征內(nèi)插點Oi與之間的內(nèi)插點沒有全部判斷完，將m加1重新轉(zhuǎn)至 過程⑴；若m = j，說明特征內(nèi)插點仏與A之間的內(nèi)插點全部判斷完畢，轉(zhuǎn)至過程⑷；(3)L>emax說明曲線段Ok(U)在內(nèi)插點Om處不滿足加工精度要求。記錄m值和距離L，并判斷m與j的大小。若m < j，說明特征內(nèi)插點Oi與之間的內(nèi)插點沒有全部判斷 完，將m加1重新轉(zhuǎn)至過程(1)；若m = j時，說明特征內(nèi)插點Oi與之間的內(nèi)插點全部判 斷完畢，轉(zhuǎn)至過程⑷；(4)判斷是否有m值記錄。若沒有m值記錄，說明曲線段Ok(U)在特征內(nèi)插點仏與 Oj之間所有內(nèi)插點處都滿足加工精度的要求，結(jié)束加工精度控制；若有m值記錄，說明曲線 段Ok(U)在特征內(nèi)插點Oi與之間內(nèi)插點處有不滿足加工精度的情況，找出L中最大值所 對應(yīng)的內(nèi)插點Os(與曲線段Ok(U)偏離最遠的內(nèi)插點)，并將該內(nèi)插點作為特征內(nèi)插點Oi與 Oj之間新的特征內(nèi)插點，轉(zhuǎn)至過程(5)；(5)用特征內(nèi)插點OjPOs以及Os和A擬合出新的樣條曲線CV1 (U)和0 代替 Ok(U)作為特征內(nèi)插點Oi與A之間新的曲線段，并按照上述過程重新進行加工精度控制，直 到特征內(nèi)插點Oi與之間的曲線段在所有內(nèi)插點處都滿足加工精度要求。本發(fā)明的執(zhí)行效果本發(fā)明方法的執(zhí)行機構(gòu)采用安川Mechatrolink-III總線及Σ _2伺服與電機，控 制機床為三軸數(shù)控銑床，裝置的主要參數(shù)如下CPU Pentium Μ_1· 6GHz 內(nèi)存 512M 硬盤 40G進給速度F = 3000m/min插補周期T = Ims最大加速度Amax = 500mm/s_2弦高誤差δ cmax = 0. Olmm公差Stmax = 0.01匪輪廓誤差emax = 0. 01讓為驗證本發(fā)明方法的有效性，分別采用傳統(tǒng)插補方法、平滑插補算法和本發(fā)明方 法對圖11所示的復雜型面進行了實際加工，加工路徑是由CAD/CAM軟件UG在內(nèi)外公差設(shè) 置為0. 03mm條件下生成的，如圖11所示，并分別從加工速度、加工精度和表面加工質(zhì)量上 進行了對比和分析。其中，圖12a、12b、12c所示為以上三種方法的加工速度對比圖，圖13a、 13b、13c所示為以上三種方法實際加工過程中產(chǎn)生的插補點與原始模型的對比圖；圖14a、 14b、14c所示為以上三種方法的樣件加工表面對比圖。從以上三圖中可以看到1.與傳統(tǒng)插補方法相比，本發(fā)明方法能夠大大減少復雜型面加工所需要的時間， 而采用本文算法與平滑插補算法所需的加工時間卻相差不大，如圖12a、12b，12c所示。這 主要是由于采用本發(fā)明方法和平滑插補算法時，插補點的計算是在平滑曲線上進行的，因 而相鄰插補點間的轉(zhuǎn)接速度被大幅度提高，從而大大縮短了加工所需的時間。2.與傳統(tǒng)插補方法和平滑插補算法相比，本發(fā)明方法不僅能夠大大減少過切點與 欠切點的數(shù)目，如圖13a、13b，13c所示，圖中顏色灰度較深的點為過切點，顏色灰度較淺的 點為欠切點，而且可以有效地消除相鄰線段間的折角，并且使的加工表面變得更加平滑，如 圖14a、14b，14c所示。這主要是因為本方法是通過擬合比指令點更靠近CAM所期望曲線的 內(nèi)插點而成生成的平滑曲線，從而減少了指令點與期望曲線間偏差對加工精度的影響，使 的工件表面加工精度有所提高。
1權(quán)利要求
一種適用于數(shù)控裝置的指令點整形壓縮插補方法，其特征在于包括以下步驟連續(xù)微小線段加工區(qū)域的識別根據(jù)讀入的數(shù)控加工程序判斷被加工曲面上任意相鄰三個指令點間是否滿足連續(xù)加工條件；內(nèi)插點的推測當被加工曲面上任意相鄰三個指令點滿足連續(xù)加工條件時，通過在每相鄰三個指令點的中間點，插入與中間點距離為數(shù)控裝置設(shè)定公差且與相鄰指令點間線段相切的圓弧，其切點作為比指令點更接近期望曲線的內(nèi)插點；內(nèi)插點的修整對上述步驟中得到的內(nèi)插點進行修整，減少內(nèi)插點推測過程中的計算誤差和圓整誤差，使加工路徑更加平滑；特征內(nèi)插點的選取通過判斷加工路徑各內(nèi)插點處的加工路徑彎曲方向，選取出特征內(nèi)插點；樣條曲線的擬合對于上述特征內(nèi)插點，用一條具有二階導數(shù)連續(xù)的多項式樣條曲線進行擬合，以生成平滑曲線；樣條曲線的插補對上述平滑曲線近似計算當前插補周期的插補點，并將該插補點的位置發(fā)送給數(shù)控裝置的伺服系統(tǒng)，驅(qū)動伺服電機運動。
2.按權(quán)利要求1所述的適用于數(shù)控裝置的指令點整形壓縮插補方法，其特征在于所 述判斷被加工曲面上任意相鄰三個指令點間是否滿足連續(xù)加工條件采用雙弦高誤差方法， 具體為計算被加工曲面上任意相鄰三個指令點間的距離；根據(jù)相鄰指令點間的圓弧段和距離計算雙弦高誤差；若計算出的雙弦高誤差都小于數(shù)控裝置所設(shè)置的最大弦高誤差，則三個指令點之間滿 足連續(xù)加工條件。
3.按權(quán)利要求2所述的適用于數(shù)控裝置的指令點整形壓縮插補方法，其特征在于若 計算出的雙弦高誤差存在不小于數(shù)控裝置所設(shè)置的最大弦高誤差時，則三個指令點之間不 滿足連續(xù)加工條件。
4.按權(quán)利要求1所述的適用于數(shù)控裝置的指令點整形壓縮插補方法，其特征在于采 用最小二乘法對內(nèi)插點進行修整，公式如下 其中 (5)Bi^bi,Ci,Cli為對連續(xù)的內(nèi)插點91乂+1乂+2為+3和知4進行擬合得到的曲線仏(11)的系 數(shù)向量，Ui和ui+4分別為內(nèi)插點Qi和Qi+4所對應(yīng)的參數(shù)值，Ok為內(nèi)插點Qk修正后的值。
5.按權(quán)利要求1所述的適用于數(shù)控裝置的指令點整形壓縮插補方法，其特征在于特 征內(nèi)插點的選取過程為標記起始內(nèi)插點O1為當前連續(xù)微小線段加工區(qū)域中的特征內(nèi)插點，并計算起始內(nèi)插點 O1和與之相鄰的內(nèi)插點O2處一階導矢量0'工與…2之間的叉積，得到向量V12 ；判斷當前要計算的內(nèi)插點的下標j與內(nèi)插點的數(shù)量η的大小，若j < n，計算內(nèi)插點Of1 與化處一階導矢量0' η與0'彳之間的叉積，得到向量Vj_lj;計算向量Vj-w-i與ν」,.之間的夾角α」，若α」< 90°，則j = j+1，轉(zhuǎn)至判斷當前要計 算的內(nèi)插點的下標j與內(nèi)插點的數(shù)量η的大小步驟。
6.按權(quán)利要求5所述的適用于數(shù)控裝置的指令點整形壓縮插補方法，其特征在于若 叫彡90°，則標記內(nèi)插點Oj為特征內(nèi)插點，j = j+Ι，并以內(nèi)插點CV1作為新的起始內(nèi)插 點，轉(zhuǎn)入標記起始內(nèi)插點O1為滿足連續(xù)加工條件的被加工曲面中的特征內(nèi)插點步驟。
7.按權(quán)利要求5所述的適用于數(shù)控裝置的指令點整形壓縮插補方法，其特征在于若j =n，標記點為特征內(nèi)插點，特征內(nèi)插點選取結(jié)束。
8.按權(quán)利要求1所述的適用于數(shù)控裝置的指令點整形壓縮插補方法，其特征在于在 樣條曲線的擬合與樣條曲線的插補步驟之間還包括加工精度的控制步驟，過程為輸入兩相鄰特征內(nèi)插點之間內(nèi)插點以及擬合而成的樣條曲線； 計算兩相鄰特征內(nèi)插點之間的內(nèi)插點Om到對應(yīng)樣條曲線之間的距離L，當L不大于數(shù) 控系統(tǒng)所預設(shè)的最大輪廓偏差時，說明樣條曲線在內(nèi)插點Om處滿足加工精度要求； 取與內(nèi)插點Om相鄰的下一個內(nèi)插點0m+1，判斷是否所有的內(nèi)插點都取完； 如果都取完，則判斷所有內(nèi)插點0m+1是否都滿足加工精度要求； 如果不都滿足加工精度要求，則找出距離L中的最大值所對應(yīng)的內(nèi)插點0S，并將該內(nèi)插 點作為原來兩相鄰特征內(nèi)插點之間新的特征內(nèi)插點；用新的特征內(nèi)插點擬合出新的樣條曲線代替原有樣條曲線，接續(xù)輸入兩相鄰特征內(nèi)插 點之間內(nèi)插點以及擬合成而的樣條曲線步驟。
9.按權(quán)利要求8所述的適用于數(shù)控裝置的指令點整形壓縮插補方法，其特征在于如 果內(nèi)插點沒有全部取完，則轉(zhuǎn)至計算兩相鄰特征內(nèi)插點之間的內(nèi)插點Om到對應(yīng)樣條曲線之 間的距離L步驟。
10.按權(quán)利要求8所述的適用于數(shù)控裝置的指令點整形壓縮插補方法，其特征在于 當L大于數(shù)控系統(tǒng)所預設(shè)的最大輪廓偏差時，說明樣條曲線在內(nèi)插點Om處不滿足加工精度要求，記錄當前內(nèi)插點序號及其到樣條曲線的距離，接續(xù)取與內(nèi)插點Om相鄰的下一個 內(nèi)插點0m+1步驟。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種適用于數(shù)控裝置的指令點整形壓縮插補方法，步驟包括當數(shù)控加工程序判斷被加工曲面上任意相鄰三個指令點間滿足連續(xù)加工條件時，在每相鄰三個指令點的中間點，插入與中間點距離為數(shù)控裝置設(shè)定公差且與相鄰指令點間線段相切的圓弧，其切點作為內(nèi)插點；修整內(nèi)插點，減少內(nèi)插點推測過程中的計算誤差和圓整誤差；通過判斷加工路徑各內(nèi)插點處的加工路徑彎曲方向，選取出特征內(nèi)插點；用具有二階導數(shù)連續(xù)的多項式樣條曲線進行擬合，生成平滑曲線；近似計算當前插補周期的插補點，并將該插補點的位置發(fā)送給數(shù)控裝置的伺服系統(tǒng)，驅(qū)動伺服電機運動。本發(fā)明方法最大限度的提高了加工效率，減少計算誤差和圓整誤差對加工精度和加工表面光潔度的影響。
文檔編號G05B19/4103GK101907876SQ20101018580
公開日2010年12月8日 申請日期2010年5月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月28日
發(fā)明者于東, 張曉輝, 洪海濤, 耿聰, 鄭飂默, 韓文業(yè) 申請人:沈陽高精數(shù)控技術(shù)有限公司;中國科學院沈陽計算技術(shù)研究所有限公司