一种复杂曲面零件高效加工方法技术

本发明专利技术一种复杂曲面零件高效加工方法属于精密高效智能化数控加工技术领域，涉及一种用于提高复杂曲面零件加工效率的直线与样条曲线混合插补数控加工刀轨生成方法。该方法首先对刀位点序列在拐角较大位置处进行分割，并对刀位数据进行精炼；对各段精炼后刀位点序列拟合最小二乘样条曲线；最后，判断精炼前刀位点到拟合曲线的距离是否满足拟合精度条件，若满足，输出曲线插补加工刀轨，若不满足，增加控制点个数和曲线阶次，重新拟合，若仍不满足，输出直线插补加工刀轨，实现直线与曲线混合插补加工刀轨的生成。采用本方法生成的刀轨进行数控加工可以有效降低加工时间，提高复杂曲面零件加工效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于精密高效智能化数控加工
，特别涉及一种用于提高复杂曲面零件加工效率的直线与参数样条曲线混合插补加工刀轨生成方法。
技术介绍
复杂曲面零件，如等角螺旋天线、发动机涡轮叶片等，广泛应用于航空航天、能源动力、国防汽车等领域。随着这些领域中高端装备的发展，对复杂曲面零件的加工精度、加工质量和加工效率提出了更高要求。对于传统的直线、圆弧插补加工来说，需用直线或圆弧段逼近复杂曲面零件加工过程中理想的自由曲线刀轨，此时，因一阶不连续点的存在，会导致直线、圆弧插补加工中产生频繁的加减速运动，不利于加工质量和加工效率的提高。为克服传统直线、圆弧插补缺陷，近年来参数样条曲线直接插补技术得到了广泛研究。一些高档数控系统，如西门子、法兰克、科德数控等都提供了样条曲线插补功能，然而，鉴于现有的计算机辅助制造软件都仅提供直线或圆弧插补后处理器，导致参数样条曲线刀轨无法直接生成，曲线插补加工难以实现。因此，研究参数样条曲线刀轨生成方法，实现复杂曲面零件的几何模型到曲线插补加工数控代码的转换，对提高该类零件加工质量和加工效率具有重要意义。对现有相关技术总结发现，文献“NURBS Curve and Surface Fitting for Reverse Engineering”，Ma等，International Journal of Advanced Manufacturing Technology，1998，14:918-927，该文献给出一种非均匀有理B样条曲线、曲面拟合方法，可用于B样条曲线插补刀轨的生成，然而，该方法将所有数据点拟合成一条样条曲线，当刀位点数量较多时，易产生计算量大、局部大曲率部位拟合效果差等问题。文献“CNC Codes Conversion from Linear and Circular Paths to NURBS Curves”，Lin等，International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2008，39：760-773，该文献提出一种将直线和圆弧插补数控加工代码转换成非均匀有理B样条曲线插补加工刀轨的方法，然而，该方法需要基于现有的直线、圆弧插补加工代码而实现。
技术实现思路
本专利技术旨在克服现有技术缺陷，专利技术一种复杂曲面零件高效加工方法，该方法通过提取复杂曲面零件上的刀位点信息，在刀位点数据分割、精简的基础上，基于最小二乘法进行B样条曲线拟合，生成直线与曲线混合插补加工刀轨，实现曲线插补数控加工，以提高复杂曲面零件的加工效率。采用本方法生成的刀轨进行数控加工可以有效降低加工时间，提高加工效率。本专利技术的技术方案是一种复杂曲面零件高效加工方法，其特性在于，该方法对刀位点数据进行分割与精简的预处理，并在每段刀位点序列上拟合B样条曲线；最后，判断原始刀位点到拟合曲线的距离是否满足精度条件，若不满足，多次增加控制点个数或曲线阶次，重新进行曲线拟合，若仍不满足，输出直线插补加工刀轨，若满足，输出曲线插补加工刀轨；方法的具体步骤如下：第一步刀位点预处理为生成样条曲线插补数控加工刀轨，采用计算机辅助制造软件生成理想刀轨上的刀位点序列{Qri本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种复杂曲面零件高效加工方法，其特性在于，该方法对刀位点数据进行分割与精简的预处理，并在每段刀位点序列上拟合B样条曲线；判断原始刀位点到拟合曲线的距离是否满足精度条件，若不满足，多次增加控制点个数或曲线阶次，重新进行曲线拟合，若仍不满足，输出直线插补加工刀轨，若满足，输出曲线插补加工刀轨；方法的具体步骤如下：第一步刀位点预处理为生成样条曲线插补数控加工刀轨，采用计算机辅助制造软件生成理想刀轨上的刀位点序列{Qri}，i＝1,…,nq，nq为刀位点总数；对该刀位点序列进行预处理，以实现更佳的曲线拟合效果；为避免几何急变位置处曲线拟合效果差的问题，首先对刀位点数据进行分割，给定刀位点分段拐角条件θq，从i＝2到i＝nq‑1扫描刀位点序列{Qri}，计算向量Qri‑1Qri与向量QriQri+1之间夹角θ的值：θ=arccos((Qri-Qri-1)·(Qri+1-Qri)||Qri-Qri-1||·||Qri+1-Qri||)---(1)]]>判断该角度θ与θq的关系，若满足θ＞θq，则将该点作为刀位数据分割点，实现刀位点序列的分割；设分割后刀位点序列段数为nc，第i段序列中的刀位点数量为ki，则分割后的第i段刀位点序列可表示为{Qci,j}，i＝1,…,nc，j＝1,…,ki；在曲线拟合过程中，给定刀位点精简距离判定条件eq，从i＝1到i＝nc，j＝2到j＝ki‑1扫描第i段刀位点序列{Qci,j}，计算点Qci,j到其前后两点连线Qci,j‑1Qci,j+1的距离d:d=(Qci,j+1-Qci,j-1)×(Qci,j+1-Qci,j)×(Qci,j+1-Qci,j-1)||(Qci,j+1-Qci,j-1)×(Qci,j+1-Qci,j)×(Qci,j+1-Qci,j-1)||·(Qci,j+1-Qci,j)---(2)]]>判断该距离d与eq关系，若不满足d＞eq，则将Qci,j点剔除，重复上述过程，直到在所有保留的刀位点处都满足d＞eq，实现刀位点的精简，设精简后第i段刀位点序列中刀位点数量为ti，则第i段精简后刀位点序列可表示为{Qi,j}，i＝1,…,nc，j＝1,...,ti；第二步样条曲线拟合经过刀位点序列分割后，将每段精简后刀位点序列拟合成一条B样条曲线，给定曲线阶次初始值pmin和控制点个数初始值nmin，基于向心参数化方法求解每个刀位点对应的B样条曲线参数，对于第i段精简后刀位点序列{Qi,j}来说，每点对应的曲线参数计算为：u‾1=0,u‾ti=1u‾j=u‾j-1+||Qi,j-Qi,j-1||Σk=2ti||Qi,k-Qi,k-1||,j=2,...,ti-1---(3)]]>计算拟合B样条曲线的节点矢量；令当前拟合阶次p＝pmin，控制点个数n＝nmin，则节点矢量中节点的个数m为：m＝n+p+1   (4)节点矢量U则可表示为U＝{u1,…up+1,up+2,…,un,un+1,…,um}，其中u1,…up+1为0，un+1,…,um为1，其余各节点计算方法为：j=int(i·mn-p)up+i=(1-i·mn-p+j)·u‾j-1+(i·mn-p-j)·u‾j---(5)]]>式中，int(x)表示不大于x的最大整数；根据德布尔‑考克斯递推公式计算B样条基函数Ni,p(u)：Ni,p(u)=u-uiui+p-uiNi,p-1(u)+ui+p+1-uui+p+1-ui+1Ni+1,p-1(u)---(7)]]>式中，规定“0/0＝0”，且i＝1,2,…,n；基于最小二乘法，计算拟合B样条曲线的控制点坐标Pi，i＝1,2,…,n；在第i段精简后刀位点序列内，令拟合B样条曲线的首末控制点与首末刀位点相同，其余控制点利用最小二乘法计算获得，即：P1=Qi,1,Pn=Qi,tiP2...Pn-1=(NTN)-1R---(8)]]>其中，矩阵N和R分别计算为：R=N2,p(u‾2)r2+...+N2,p(u‾ti-1)rti-1...Nn-1,p(u‾2)r2+...+Nn-1,p(u‾ti-1)rti-1---(10)]]>式中，rj，j＝1,...,ti‑1的计算方法为：rj=Qi,j-N1,p(u‾j)Qi,1-Nn,p(u‾j)Qi,ti,j=1,...,ti-1---(11)]]>...

【技术特征摘要】
1.一种复杂曲面零件高效加工方法，其特性在于，该方法对刀位点数据进行分割与精简的预处理，并在每段刀位点序列上拟合B样条曲线；判断原始刀位点到拟合曲线的距离是否满足精度条件，若不满足，多次增加控制点个数或曲线阶次...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾振元，马建伟，宋得宁，高媛媛，王福吉，张鑫，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21