專利名稱：一種基于測(cè)量數(shù)據(jù)的刀具軌跡直接生成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機(jī)械制造工程領(lǐng)域，特別涉及由測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)物反求的方法以及數(shù)控機(jī)床加工中刀具軌跡的優(yōu)化方法。
背景技術(shù)：
逆向工程是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜產(chǎn)品批量生產(chǎn)，快速吸收國外先進(jìn)技術(shù)并實(shí)現(xiàn)再創(chuàng)新、再設(shè)計(jì)的重要手段，隨著測(cè)量技術(shù)和制造技術(shù)尤其是以數(shù)控機(jī)床為代表技術(shù)的快速發(fā)展，測(cè)量與制造的精度與效率不斷提高，逆向工程與數(shù)控加工的集成成為復(fù)雜產(chǎn)品的快速制造最具潛力的方式。如何從逆向工程的原始測(cè)量數(shù)據(jù)得到數(shù)控加工中所必須的刀具軌跡成為有效實(shí)現(xiàn)這種集成的關(guān)鍵問題，傳統(tǒng)的處理方法是通過對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的預(yù)處理，如數(shù)據(jù)精簡、降噪以及分塊等，重構(gòu)出零件的CAD模型，然后依據(jù)CAD模型進(jìn)行加工軌跡規(guī)劃及后續(xù)加工。這種方法經(jīng)過近幾十年的發(fā)展已經(jīng)較為成熟，但是也存在著比較嚴(yán)重的問題根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)重構(gòu)零件的曲面模型是一個(gè)非常繁瑣且費(fèi)時(shí)的工作，具有很強(qiáng)的主觀性，不同的操作人員針對(duì)同樣的測(cè)量數(shù)據(jù)得到的結(jié)果差別可能很大，操作人員的主觀失誤可能導(dǎo)致使用精度較高的測(cè)量數(shù)據(jù)也不能得到滿意的結(jié)果，而對(duì)于精度較低的測(cè)量數(shù)據(jù)，即使專業(yè)的建模人員也難以得到理想的建模結(jié)果，這就導(dǎo)致了傳統(tǒng)的逆向工程難以推廣應(yīng)用以及更進(jìn)一步的發(fā)展。對(duì)于自動(dòng)化程度日益提高的制造領(lǐng)域來說，必須尋求一種有效的解決辦法來實(shí)現(xiàn)逆向工程與數(shù)控技術(shù)的無縫結(jié)合。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種基于測(cè)量數(shù)據(jù)的刀具軌跡直接生成方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題。針對(duì)散亂的測(cè)量數(shù)據(jù)，通過對(duì)點(diǎn)云的偏置，結(jié)合建立的參考曲面采用有向投影的方法直接生成數(shù)控加工的刀具軌跡，避免了傳統(tǒng)逆向工程中復(fù)雜的曲面建模過程，解決了逆向工程與數(shù)控加工集成中的關(guān)鍵問題，從而提高生產(chǎn)效率。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)一種基于測(cè)量數(shù)據(jù)的刀具軌跡直接生成方法，包括以下步驟步驟一，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)形成的點(diǎn)云中的每一點(diǎn)沿其法向量方向進(jìn)行偏置來實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云的整體偏置；步驟二，根據(jù)偏置后的點(diǎn)云的形狀及大小構(gòu)造參考曲面并在參考曲面上規(guī)劃刀具軌跡；步驟三，采用有向投影的方法將參考曲面上每條刀具軌跡上的采樣點(diǎn)投影到偏置的點(diǎn)云上,得到對(duì)應(yīng)的投影點(diǎn),這些點(diǎn)作為初始的刀位點(diǎn)；步驟四，將每一條刀具軌跡對(duì)應(yīng)的初始刀位點(diǎn)采用分段三次Bezier曲線進(jìn)行擬合；步驟五，對(duì)步驟四中的擬合曲線采用等弧長的方式重新采樣生成自適應(yīng)的采樣占.
步驟六，依據(jù)曲面的連續(xù)性，對(duì)步驟五中的每一個(gè)采樣點(diǎn)利用最小二乘法進(jìn)行修正，得到最終的刀位點(diǎn)。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，所述基于測(cè)量數(shù)據(jù)的刀具軌跡直接生成方法還包括以下步驟步驟七，將步驟六中得到的最終的刀位點(diǎn)信息輸入到CAM軟件中生成用于實(shí)際加工的數(shù)控程序。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，步驟一中，偏置的距離為球頭刀具的半徑值，通過構(gòu)造局部曲面來驗(yàn)證偏置點(diǎn)云中的自交點(diǎn)并進(jìn)行剔除，采用球形插值的方法來填補(bǔ)出現(xiàn)的點(diǎn)云漏洞。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，步驟二中，參考曲面為平面或圓柱面；采用垂直于參考平面或者參考曲面的回轉(zhuǎn)軸的等間距平面簇與參考面相交得到刀具軌跡，采用均勻分布的方式在刀具軌跡上布置采樣點(diǎn)。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，步驟二中，非封閉的點(diǎn)云曲面采用平面作為參考曲面， 封閉的點(diǎn)云曲面或者具有回轉(zhuǎn)特征的點(diǎn)云曲面采用回轉(zhuǎn)面作為參考曲面。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，步驟一中所述測(cè)量數(shù)據(jù)通過非接觸測(cè)量設(shè)備測(cè)量待加工件得到。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，所述非接觸測(cè)量設(shè)備為激光干涉儀。相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了由測(cè)量數(shù)據(jù)直接生成刀具軌跡的目標(biāo)，從而解決了逆向工程與數(shù)控技術(shù)集成中的關(guān)鍵問題。通過直接偏置點(diǎn)的方法實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云曲面的偏置從而避免了刀具半徑補(bǔ)償?shù)膯栴}；采用有向投影的方法，將簡單參考曲面上的規(guī)則刀具軌跡點(diǎn)投影到點(diǎn)云表示的曲面上得到刀位點(diǎn)信息，避免了復(fù)雜曲面重構(gòu)的繁瑣過程，不僅使算法的通用性得到提高，而且便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)；通過分段三次 Bezier曲線擬合以及等弧長分割的方法得到自適應(yīng)的刀具軌跡，從而保證了加工過程中的穩(wěn)定性；所采用的移動(dòng)最小二乘法擬合使得算法對(duì)于包含噪聲的數(shù)據(jù)也能取得較好的效果O


圖I是基于測(cè)量數(shù)據(jù)的自適應(yīng)刀具軌跡直接生成的流程圖；圖2為偏直點(diǎn)z 不意圖圖2a表不偏直點(diǎn)z 自交的判斷，其中左邊的圖表不發(fā)生自交的偏置，右邊的圖表示未發(fā)生自交的偏置；圖2b表示用球形插值來填補(bǔ)偏置后出現(xiàn)的漏洞；圖2c表示點(diǎn)云整體偏置的效果，其中內(nèi)部較大的點(diǎn)表示原始點(diǎn)云，外部較小的點(diǎn)表示偏置后的點(diǎn)云；圖3表示根據(jù)偏置后的點(diǎn)云形狀及大小構(gòu)造的參考曲面以及在參考曲面上規(guī)劃的刀具軌跡及布置的采樣點(diǎn)，其中內(nèi)部稠密點(diǎn)云表示偏置后的點(diǎn)云，外部的圓分別表示每一條刀具軌跡，圓上的點(diǎn)表示布置的采樣點(diǎn)；圖4a是有向投影示意圖，其中H為投影方向，X為初始投影點(diǎn)，X1, X2, Xi…表示迭代過程中的投影點(diǎn)；圖仙表示采用有向投影的方法將參考曲面上的刀具軌跡采樣點(diǎn)投影到偏置后的點(diǎn)云上生成初始的刀位點(diǎn)，其中密集點(diǎn)表示偏置后的點(diǎn)云，外部圓上的空心點(diǎn)表示參考曲面上的刀具軌跡采樣點(diǎn)，內(nèi)部較大的實(shí)心點(diǎn)表示投影得到的初始刀位點(diǎn)；圖5表示對(duì)其中一條刀具軌跡對(duì)應(yīng)的投影點(diǎn)采用分段三次Bezier曲線擬合的結(jié)果，其中小點(diǎn)表示投影點(diǎn)，較大點(diǎn)表示分段Bezier曲線的分段點(diǎn)，實(shí)線表示擬合曲線；圖6表示對(duì)擬合的Bezier曲線采用等弧長重新采樣得到的自適應(yīng)采樣點(diǎn)，其中實(shí)線表示擬合的曲線，實(shí)心點(diǎn)表示自適應(yīng)采樣點(diǎn)；圖7表示對(duì)上一步得到的刀位點(diǎn)依據(jù)曲面的連續(xù)性采用局部最小二乘法進(jìn)修正得到的更精確的刀位點(diǎn)，這些刀位點(diǎn)作為最終的刀位點(diǎn)信息用于數(shù)控成程序的編制。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的基于測(cè)量數(shù)據(jù)的數(shù)控加工刀具軌跡直接生成方法，其整個(gè)生成過程如圖 I所示，其具體包括以下步驟(I)采用直接偏置點(diǎn)的方法對(duì)點(diǎn)云曲面(即測(cè)量數(shù)據(jù)，該測(cè)量數(shù)據(jù)通過非接觸測(cè)量設(shè)備如激光干涉儀等測(cè)量待加工件得到)進(jìn)行偏置；圖2c顯示了點(diǎn)云偏置的結(jié)果，其中內(nèi)部較大的點(diǎn)表示原始點(diǎn)云，外部較小的點(diǎn)表示偏置后的點(diǎn)云。因?yàn)閿?shù)控編程時(shí)需要確定刀具加工時(shí)的刀位點(diǎn)信息，即刀具中心的運(yùn)動(dòng)軌跡；而刀具具有一定的體積，刀位點(diǎn)通常偏離待加工曲面一定的距離，本發(fā)明中偏置的距離為球頭刀具的半徑值。對(duì)點(diǎn)云曲面的偏置是通過直接對(duì)點(diǎn)云中的每一點(diǎn)沿其法向進(jìn)行偏置來得到的，對(duì)于偏置引起的自交或者漏洞現(xiàn)象進(jìn)行分別處理通過驗(yàn)證每一點(diǎn)到其對(duì)應(yīng)的偏置點(diǎn)的局部臨近曲面的距離來判斷并剔除發(fā)生自交的點(diǎn)，如圖2a所示，其中第一幅圖表示不發(fā)生自交的偏置，第二幅圖表示發(fā)生自交的偏置，圖中Ptl表示原始點(diǎn)，P表示偏置點(diǎn)， d表示偏置距離，ε表示設(shè)定的容差，當(dāng)原始點(diǎn)到其對(duì)應(yīng)的偏置點(diǎn)的局部臨近的最小距離s 小于d時(shí)表示發(fā)生自交；采用球形插值的方法對(duì)偏置引起的點(diǎn)云漏洞進(jìn)行修補(bǔ)，如圖2b所示，其中V/、''和V3'表示偏置后出現(xiàn)漏洞區(qū)域的鄰近點(diǎn)，V'表示通過球形插值得到的插值點(diǎn)，用來填補(bǔ)漏洞。通過點(diǎn)云曲面的偏置能夠直接得到刀位點(diǎn)的信息，而不需要進(jìn)行刀具半徑補(bǔ)償；(2)根據(jù)偏置后的點(diǎn)云的形狀及大小建立參考曲面并在參考曲面上規(guī)劃刀具軌跡；圖3顯示了依據(jù)偏置后的點(diǎn)云建立的圓柱面作為參考曲面以及在參考曲面上布置的網(wǎng)格狀刀具軌跡。一般來說，參考曲面的形狀為平面或者回轉(zhuǎn)面如圓柱面等，其中平面適用于非封閉的點(diǎn)云曲面，回轉(zhuǎn)面適用于封閉的點(diǎn)云曲面或者具有明顯回轉(zhuǎn)特征的點(diǎn)云曲面。對(duì)于實(shí)例中的點(diǎn)云曲面，需要建立圓柱面當(dāng)作參考曲面，具體的計(jì)算方法是，假設(shè)Pn = Ipi 11 = 1,2,. . . ,N}表示由N個(gè)離散的三維點(diǎn)Pi = (Xi7Yi7Zi)構(gòu)成的點(diǎn)云曲面,則圓柱面的構(gòu)造方式是首先計(jì)算能夠包圍點(diǎn)云的最小立方體，即找到點(diǎn)云沿X，Y，Z軸的最大及最小坐標(biāo)；Xmin = Iiiin(Xi) Ymin = min Cy1) Zmin = Hiin(Zi)；Xmax = max (Xi) Ymax = max (Yi) Zmax = max (Zi)；則以連接點(diǎn)(Xmin，Ymin, Zmin)和點(diǎn)(Xmax，Ymax, Zmax)的線段作為主對(duì)角線的立方體即為所求的最小立方體，建立參考圓柱面的方法就是計(jì)算上述立方體的最小外接圓柱面。 至于刀具軌跡的規(guī)劃，本發(fā)明中采用常用的等間距平面法，如圖3所示，即采用與圓柱面軸線垂直的平行平面簇與圓柱面相交得到刀具軌跡，然后在每一條刀具軌跡上均勻布置采樣
5
(3)采用有向投影的方法將參考曲面上的規(guī)則采樣點(diǎn)投影到點(diǎn)云表示的曲面上作為初始的刀位點(diǎn)；所采用的有向投影(其具體方法詳參Ying-Jie Zhang,A robust and efficient method for direct projection on point-sampled surfaces,2010, International Journal of Precision Engineering and Manufacturing)主要通過迭代的方法沿著投影方向不斷更新投影點(diǎn)的位置直至達(dá)到預(yù)設(shè)的精度。圖4a表示的是有向投影的迭代過程，其中X表示的是初始投影點(diǎn)，X1, X2, Xi…表示迭代點(diǎn)；圖4b表示投影結(jié)果，其中內(nèi)部的密集點(diǎn)表示偏置后的點(diǎn)云，外部圓上的空心點(diǎn)表示參考曲面上的刀具軌跡采樣點(diǎn)，內(nèi)部較大的實(shí)心點(diǎn)表示得到的投影點(diǎn)，也即初始的刀位點(diǎn)；(4)將每一條刀具軌跡對(duì)應(yīng)的初始刀位點(diǎn)采用分段三次Bezier曲線進(jìn)行擬合；如圖5所示是某一層刀具軌跡對(duì)應(yīng)的投影點(diǎn)的擬合結(jié)果，其中較小的點(diǎn)表示對(duì)應(yīng)的投影點(diǎn)，較大的點(diǎn)表示分段曲線的分段點(diǎn)，實(shí)線表示擬合的曲線；(5)對(duì)步驟4中的擬合曲線采用等弧長重新采樣得到自適應(yīng)的采樣點(diǎn)；實(shí)際加工中為了保持加工狀態(tài)的穩(wěn)定性，需要盡量保持恒定的材料去除率，也就是說刀具在切削時(shí)相鄰刀位點(diǎn)間的距離近似相等。由于采用的投影方法是將規(guī)則的采樣點(diǎn)投影到點(diǎn)云上，點(diǎn)云曲面的形狀變化使得投影點(diǎn)的分布存在一定的隨機(jī)性，本發(fā)明通過對(duì)擬合后的曲線進(jìn)行近似等弧長重新采樣來實(shí)現(xiàn)。如圖6所示，其中實(shí)線為擬合曲線，實(shí)心點(diǎn)表示等弧長采樣得到的自適應(yīng)采樣點(diǎn)；(6)對(duì)步驟5得到的采樣點(diǎn)采用基于局部鄰近的最小二乘正交投影提高精度，得到最終的刀位點(diǎn)。為了減小曲線擬合等帶來的誤差，考慮到曲面的連續(xù)性，利用點(diǎn)的局部鄰近點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行修正以提高精度。如圖7所示，其中實(shí)線表示擬合曲線，實(shí)心點(diǎn)表示上一步得到的采樣點(diǎn)，五角星表示修正后的最終的刀位點(diǎn)。
權(quán)利要求
1.一種基于測(cè)量數(shù)據(jù)的刀具軌跡直接生成方法，其特征在于，包括以下步驟步驟一，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)形成的點(diǎn)云中的每一點(diǎn)沿其法向量方向進(jìn)行偏置；步驟二，根據(jù)偏置后的點(diǎn)云的形狀及大小構(gòu)造參考曲面并在參考曲面上規(guī)劃刀具軌跡；步驟三，采用有向投影的方法將參考曲面上每條刀具軌跡上的采樣點(diǎn)投影到偏置的點(diǎn)云上,得到對(duì)應(yīng)的投影點(diǎn)作為初始的刀位點(diǎn)；步驟四，將每一條刀具軌跡對(duì)應(yīng)的初始刀位點(diǎn)采用分段三次Bezier曲線進(jìn)行擬合；步驟五，對(duì)步驟四中的擬合曲線采用等弧長的方式重新采樣生成自適應(yīng)的采樣點(diǎn)；步驟六，依據(jù)曲面的連續(xù)性，對(duì)步驟五中的每一個(gè)采樣點(diǎn)利用最小二乘法進(jìn)行修正，得到最終的刀位點(diǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于測(cè)量數(shù)據(jù)的刀具軌跡直接生成方法，其特征在于，所述基于測(cè)量數(shù)據(jù)的刀具軌跡直接生成方法還包括以下步驟步驟七，將步驟六中得到的最終的刀位點(diǎn)信息輸入到CAM軟件中生成用于實(shí)際加工的數(shù)控程序。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于測(cè)量數(shù)據(jù)的刀具軌跡直接生成方法，其特征在于，步驟一中，偏置的距離為球頭刀具的半徑值；通過構(gòu)造局部曲面來驗(yàn)證偏置點(diǎn)云中的自交點(diǎn)并進(jìn)行剔除，采用球形插值的方法來填補(bǔ)出現(xiàn)的點(diǎn)云漏洞。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于測(cè)量數(shù)據(jù)的刀具軌跡直接生成方法，其特征在于，步驟二中，參考曲面為平面或圓柱面；采用垂直于參考平面或者參考曲面的回轉(zhuǎn)軸的等間距平面簇與參考面相交得到刀具軌跡，采用均勻分布的方式在刀具軌跡上布置采樣點(diǎn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于測(cè)量數(shù)據(jù)的刀具軌跡直接生成方法，其特征在于，步驟二中，非封閉的點(diǎn)云曲面采用平面作為參考曲面，封閉的點(diǎn)云曲面或者具有回轉(zhuǎn)特征的點(diǎn)云曲面采用回轉(zhuǎn)面作為參考曲面。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于測(cè)量數(shù)據(jù)的刀具軌跡直接生成方法，其特征在于，步驟一中所述測(cè)量數(shù)據(jù)通過非接觸測(cè)量設(shè)備測(cè)量待加工件得到。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于測(cè)量數(shù)據(jù)的刀具軌跡直接生成方法，其特征在于，所述非接觸測(cè)量設(shè)備為激光干涉儀。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于測(cè)量數(shù)據(jù)的刀具軌跡直接生成方法，通過直接偏置點(diǎn)的方法實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云曲面的偏置；依據(jù)偏置后的點(diǎn)云形狀及大小建立參考曲面并在參考曲面上進(jìn)行刀具軌跡規(guī)劃；采用有向投影的方法將參考曲面上的刀具軌跡點(diǎn)投影到偏置的點(diǎn)云上得到初始的刀位點(diǎn)信息；然后用分段三次Bezier曲線擬合投影點(diǎn)并采用等弧長的方法對(duì)其進(jìn)行重新采樣來生成自適應(yīng)的刀具軌跡以提高加工精度；依據(jù)曲面的連續(xù)性特征，采用基于點(diǎn)的局部鄰近的正交投影對(duì)采樣點(diǎn)進(jìn)行修正以提高精度得到最終的刀位點(diǎn)信息。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了由測(cè)量數(shù)據(jù)直接生成數(shù)控加工的刀具軌跡，避免了繁瑣的曲面模型重構(gòu)過程，實(shí)現(xiàn)逆向工程與數(shù)控技術(shù)的有效集成，不僅提高了制造效率與精度，而且便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。
文檔編號(hào)G05B19/4097GK102608954SQ20121008235
公開日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2012年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月26日
發(fā)明者喻明讓, 張定, 張英杰, 陳富民, 高建民 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)