一种五轴刀具轨迹的B样条拟合方法技术

本发明专利技术属于数控加工相关技术领域，其公开了一种五轴刀具轨迹的B样条拟合方法，该方法包括以下步骤：S1，根据五轴离散刀具轨迹，建立五轴B样条刀具轨迹；S2，计算五轴B样条刀具轨迹的最大弦高差，并检测所述五轴B样条刀具轨迹的弦高差约束和光顺性，其中，所述五轴B样条刀具轨迹的光顺性包括刀位点B样条轨迹的光顺性、刀轴光顺性及等距精度；S3，根据得到的所述五轴B样条刀具轨迹的最大弦高差及刀位点B样条轨迹的光顺性检测结果，对所述五轴B样条刀具轨迹进行调整，以建立满足加工要求的五轴B样条刀具轨迹。本发明专利技术能全面高效地评估五轴B样条刀具轨迹的质量，且获得的刀具轨迹一定满足五轴数控机床高速高精的加工要求。

【技术实现步骤摘要】
一种五轴刀具轨迹的B样条拟合方法
本专利技术属于数控加工相关
，更具体地，涉及一种五轴刀具轨迹的B样条拟合方法。
技术介绍
五轴数控加工的刀具轨迹通常采用小线段表示，而小线段表示的刀具轨迹存在以下缺点：(1)数据存储及传输量较大；(2)G01刀具轨迹在连接处G1、G2不连续，加工过程中速度和加速度不平滑，从而降低零件加工精度和表面质量；(3)不满足高速高精的加工要求，实际加工中，通常会适用连续性更好的参数曲线，如B样条曲线，对小线段表示的刀具轨迹拟合。B样条刀具轨迹通常应该满足更多的约束，如弦高差约束、保型约束、G2连续及较少控制点等。为了保证最后获得的刀具轨迹一定满足加工要求，需要一套完整的质量评估方案来评估最后得到的五轴B样条刀具轨迹的质量，并判断B样条轨迹是否满足加工要求。B样条刀具轨迹的弦高差一般用Hausdorff距离计算得到，非专利文献《基于NURBS曲线拟合的刀具路径优化方法》、《数控加工中的连续多段直线轨迹B-Spline拟合》和《数控加工中连续微线段轨迹的B样条曲线拟合》均通过等分采样区间，并利用Hausdorff距离来计算三轴B样条刀具与离散刀位点的弦高差，但是该方法并没有考虑到刀轴矢量的弦高差，只适用于三轴B样条刀具轨迹的弦高差的计算，使用受限。相应地，本领域存在发展一种能够适用于五轴刀具轨迹拟合的五轴刀具轨迹的B样条拟合方法的技术需求。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种五轴刀具轨迹的B样条拟合方法，其基于现有数控加工中的刀具轨迹的拟合方法，研究及设计了一种适用于五轴数控加工的五轴刀具轨迹的B样条拟合方法。所述拟合方法能够高效全面地评估五轴B样条刀具轨迹的质量，检测出五轴B样条刀具轨迹不满足弦高差约束和刀位点样条光顺性的区间，并进行调整，从而严格保证五轴B样条刀具轨迹满足加工要求，进而使得数控加工产品具有更高的精度及更好的加工质量。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种五轴刀具轨迹的B样条拟合方法，该方法包括以下步骤：S1，在六维空间中，对五轴离散刀具轨迹的离散数据点进行拟合，以建立五轴B样条刀具轨迹；S2，计算五轴B样条刀具轨迹的最大弦高差，并检测所述五轴B样条刀具轨迹的光顺性，其中，所述五轴B样条刀具轨迹的光顺性包括刀位点B样条轨迹的光顺性、刀轴光顺性及等距精度；S3，根据得到的所述五轴B样条刀具轨迹的最大弦高差及刀位点B样条轨迹光顺性的检测结果，对所述五轴B样条刀具轨迹进行调整，以建立满足加工要求的五轴B样条刀具轨迹。进一步地，步骤S2包括以下子步骤：S21，计算五轴B样条刀具轨迹的最大弦高差，并判断所述最大弦高差是否满足加工要求，若不满足则由步骤S3进行调整；S22，评估刀位点B样条轨迹的光顺性及刀轴光顺性，并计算所述五轴B样条刀具轨迹的等距精度。进一步地，刀位点B样条轨迹光顺性的指标有两个：(1)采样点之间的夹角与对应刀位点夹角的比值；(2)刀位点样条弧长与其对应弦长的比值。进一步地，在每个节点区间内对刀位点B样条轨迹进行光顺性评估，从而判断B样条轨迹是否光顺，针对节点区间[ui，ui+1]来评估刀位点B样条轨迹光顺性包括以下步骤：首先，确定光顺阀值∈1和∈2；然后，计算节点参数ui和ui+1在刀位点样条c1(t)上的对应点c1(ui)和c1(ui+1)，进而计算由点c1(ui)和c1(ui+1)及其内部所有采样点组成折线段的相邻两点之间的夹角累积和α，并计算由N(ui)和N(ui+1)、以及其内部所有刀位点组成折线段的相邻两点之间的夹角累积和β，由此求出的值，其中，N(ui+1)是c1(ui)在其对应的刀位点折线段最短距离线段上的投影点，N(ui+1)是c1(ui+1)在其对应的刀位点折线段最短距离线段上的投影点；最后，计算c1(ui)和c1(ui+1)之间样条曲线的弧长S及投影点N(ui)和N(ui+1)之间所有折线段的弦长L，并求出弧长和弦长的比值若且则判定该节点区间内刀位点B样条曲线不光顺，需要进行调整，否则判定该节点区间内刀位点B样条轨迹满足光顺性要求。进一步地，评估刀轴光顺性时，依次计算相邻两刀位点间的刀轴变化率ΔTj和刀位点样条曲线上对应点的刀轴变化率若两者的比值则刀轴满足光顺性要求。进一步地，计算等距精度时，c1(x，y，z)表示刀位点样条曲线上的采样点，c2(x′，y′，z′)是刀轴点样条曲线上与c1(x，y，z)对应的采样点，其中λ表示刀位点样条曲线采样点和刀轴点样条曲线采样点之间的距离，单位为mm；其中等距精度η计算公式为η＝|λ-1|。进一步地，所述五轴B样条刀具轨迹的最大弦高差的计算包括以下步骤：S211，对所述五轴B样条刀具轨迹c(t)进行等参数采样，以得到M个采样点c(ti)，其中，ti为五轴B样条刀具轨迹的采样点参数；S212，计算所述采样点的最大弦高差及所述离散数据点的最大数据点误差，并将两者中的较大值作为所述五轴B样条刀具轨迹的最大弦高差。进一步地，步骤S211中，所述五轴B样条刀具轨迹c(t)上的每个节点区间都至少有一个采样点。进一步地，采样点的最大弦高差的计算包括以下步骤：首先，计算刀位点样条采样点c1(ti)到其候选区间内的刀位点折线段的最短距离ε，记ε为刀位点样条曲线的弦高差；接着，记录刀位点样条采样点c1(ti)在其刀位点折线段的候选区间的投影点最短距离线段索引Ai；然后，利用最短距离线段首尾刀轴矢量，并通过线性插值来计算出采样点c(ti)对应的目标刀轴矢量，继而计算出刀轴矢量的弦高差；最后，将得到的刀位点样条曲线的弦高差及刀轴矢量的弦高差转换成采样点最终的弦高差，同样的方法计算出所有采样点的弦高差，并选择所有采样点中弦高差的最大值作为采样点的最大弦高差；其中，c1(t)表示刀位点样条，c(t)表示五轴B样条刀具轨迹。进一步地，对所述五轴刀具轨迹B样条曲线的调整包括以下步骤：(1)将六维空间的离散数据点组成集在最大弦高差对应的最短距离线段索引处截断，以分成两个六维子集；(2)判断子集的数据点个数，若数据点个数为2，则利用一条三次Bezier曲线分别对相邻两刀位点和刀轴点进行插值，然后转到步骤(4)；若数据点个数不为2，则转到步骤(3)；(3)采用六维空间的ELSPIA算法和基于刀轴稳定性的参数弧长化算法对数据点进行拟合；(4)判断五轴B样条刀具轨迹是否满足弦高差约束和刀位点B样条轨迹光顺性的要求；若满足，则输出五轴B样条刀具轨迹；若不满足，则判断五轴B样条刀具轨迹对应的数据点个数是否为2，若为2，则放弃拟合；若不为2，则转至步骤(1)。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，本专利技术提供的五轴刀具轨迹的B样条拟合方法主要具有以下有益效果：1.通过计算五轴B样条刀具轨迹的最大弦高差，并检测所述五轴B样条刀具轨迹的光顺性，从而高效全面地评价五轴B样条刀具轨迹的质量，进而为五轴B样条刀具轨迹的质量检测提供了重要的理论依据。2.根据五轴B样条刀具轨迹的质量评估和检测结果，对所述五轴B样条刀具轨迹进行相应调整，以建立满足加工要求的五轴B样条刀具轨迹，确保了得到的五轴B样条刀具轨迹一定满足加工要求，从而提高了零件的加工质量和加工效率。3.分别计算五轴B样条刀具轨迹采样点本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种五轴刀具轨迹的B样条拟合方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：S1，在六维空间中，对五轴离散刀具轨迹的离散数据点进行拟合，以建立五轴B样条刀具轨迹；S2，计算五轴B样条刀具轨迹的最大弦高差，并检测所述五轴B样条刀具轨迹的光顺性，其中，所述五轴B样条刀具轨迹的光顺性包括刀位点B样条轨迹的光顺性、刀轴光顺性及等距精度；S3，根据得到的所述五轴B样条刀具轨迹的最大弦高差及刀位点B样条轨迹光顺性的检测结果，对所述五轴B样条刀具轨迹进行调整，以建立满足加工要求的五轴B样条刀具轨迹。

【技术特征摘要】
1.一种五轴刀具轨迹的B样条拟合方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：S1，在六维空间中，对五轴离散刀具轨迹的离散数据点进行拟合，以建立五轴B样条刀具轨迹；S2，计算五轴B样条刀具轨迹的最大弦高差，并检测所述五轴B样条刀具轨迹的光顺性，其中，所述五轴B样条刀具轨迹的光顺性包括刀位点B样条轨迹的光顺性、刀轴光顺性及等距精度；S3，根据得到的所述五轴B样条刀具轨迹的最大弦高差及刀位点B样条轨迹光顺性的检测结果，对所述五轴B样条刀具轨迹进行调整，以建立满足加工要求的五轴B样条刀具轨迹。2.如权利要求1所述的五轴刀具轨迹的B样条拟合方法，其特征在于：步骤S2包括以下子步骤：S21，计算五轴B样条刀具轨迹的最大弦高差，并判断所述最大弦高差是否满足加工要求，若不满足则由步骤S3进行调整；S22，评估刀位点B样条轨迹的光顺性及刀轴光顺性，并计算所述五轴B样条刀具轨迹的等距精度。3.如权利要求2所述的五轴刀具轨迹的B样条拟合方法，其特征在于：刀位点B样条轨迹光顺性的指标有两个：(1)采样点之间的夹角与对应刀位点夹角的比值；(2)刀位点样条弧长与其对应弦长的比值。4.如权利要求3所述的五轴刀具轨迹的B样条拟合方法，其特征在于：在每个节点区间内对刀位点B样条轨迹进行光顺性评估，从而判断B样条轨迹是否光顺，针对节点区间[ui，ui+1]来评估刀位点B样条轨迹光顺性包括以下步骤：首先，确定光顺阀值∈1和∈2；然后，计算节点参数ui和ui+1在刀位点样条c1(t)上的对应点c1(ui)和c1(ui+1)，进而计算由点c1(ui)和c1(ui+1)及其内部所有采样点组成折线段的相邻两点之间的夹角累积和α，并计算由N(ui)和N(ui+1)、以及其内部所有刀位点组成折线段的相邻两点之间的夹角累积和β，由此求出的值，其中，N(ui+1)是c1(ui)在其对应的刀位点折线段最短距离线段上的投影点，N(ui+1)是c1(ui+1)在其对应的刀位点折线段最短距离线段上的投影点；最后，计算c1(ui)和c1(ui+1)之间样条曲线的弧长S及投影点N(ui)和N(ui+1)之间所有折线段的弦长L，并求出弧长和弦长的比值若且则判定该节点区间内刀位点B样条曲线不光顺，需要进行调整，否则判定该节点区间内刀位点B样条轨迹满足光顺性要求。5.如权利要求2所述的五轴刀具轨迹的B样条拟合方法，其特征在于：评估刀轴光顺性时，依次计算相邻两刀位点间的刀轴变化率ΔTj和刀位点样条曲线上对应点的刀轴变化率若两者的比值则刀轴满足光顺性要求。6.如权利要求2所述的五轴刀具轨迹的B样条拟...

【专利技术属性】
技术研发人员：李振瀚，闵康，黄璐璐，何姗姗，陈吉红，
申请(专利权)人：华中科技大学，武汉华中数控股份有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北,42