一种五轴短直线段轨迹的局部拐角光顺方法技术

本发明专利技术涉及一种五轴短直线段轨迹的局部拐角光顺方法，属于数控系统插补器设计领域。首先生成一条针对刀尖的运动轨迹与一条针对刀轴上一点的运动轨迹，且刀轴上该点距离刀尖的长度保持不变；再根据对称样条的性质及最大误差限制，计算获得对称PH样条的控制多变形在拐角两端最末端的4个控制点；之后针对样条的重叠情况，调整相邻的控制点间的距离，同时调整控制点对相应拐角顶点的距离；调整后针对样条控制点实际的情况将刀尖与刀轴轨迹上相应的控制点按照相同比例进行调整；最后生成非对称PH光顺曲线，针对不相连的PH曲线，采用PH直线样条进行相连。本发明专利技术提高五轴短直线段轨迹的加工效率。

【技术实现步骤摘要】
一种五轴短直线段轨迹的局部拐角光顺方法
本专利技术属于数控系统插补器设计领域，涉及一种五轴数控机床刀具轨迹的拐角光顺方法，特别涉及一种基于非对称PH曲线的针对数控机床五轴短直线段轨迹的三阶连续局部拐角光顺方法。
技术介绍
文献1“J.Huang,X.Du,L.-M.Zhu,Real-timelocalsmoothingforfive-axislineartoolpathconsideringsmoothingerrorconstraints,InternationalJournalofMachineToolsandManufacture124(2018)67-79.”公开了一种基于B样条的五轴刀具轨迹拐角光顺方法。其采用三次B样条对五轴刀具轨迹在工件坐标系中进行光顺，并通过将相邻B样条曲线间的直线段也转化为B样条实现刀轴与刀尖的参数同步，实现了五轴刀具轨迹长直线段的高效加工。但针对短直线段时，由于光顺样条的对称性以及直线B样条的存在导致光顺的样条曲线曲率升高，降低了加工效率。文献2“Q.Hu,Y.Chen,X.Jin,J.Yang,Areal-timeC3continuoustoolpathsmoothingandinterpolationalgorithmforfive-axismachinetools,TransactionofASME-JournalofManufacturingScienceandEngineering142(2020)041002.”公开了一种基于PH曲线的三阶连续的五轴刀具轨迹拐角光顺方法。其通过PH曲线获得了样条弧长的解析解，实现了实时高效的插补计算。但同样由于在构建光顺样条的同时需要在样条中间预留一定长度的直线路径来满足参数同步的需要，导致其在针对短直线段加工时效率明显降低。以上文献的典型特点是：由于相邻光顺曲线间的直线样条的存在使其均无法通过光顺来实现五轴短直线段轨迹的高效率加工。
技术实现思路
要解决的技术问题为了提高五轴短直线段拐角光顺轨迹的加工效率，本专利技术针对短直线段轨迹提供了一种基于非对称PH曲线的三阶连续的实时拐角光顺方法。本方法通过PH曲线实现样条弧长插补的高效计算，同时非对称样条可以保证相邻样条根据短直线段的具体路径进行直接相连而不需要额外的直线部分进行参数同步。本方法首先生成一条针对刀尖的运动轨迹与一条针对刀轴上一点的运动轨迹，且刀轴上该点距离刀尖的长度保持不变；再根据对称样条的性质及最大误差限制，计算获得对称PH样条的控制多变形在拐角两端最末端的4个控制点；之后针对样条的重叠情况，调整相邻的控制点间的距离，同时调整控制点对相应拐角顶点的距离；调整后针对样条控制点实际的情况将刀尖与刀轴轨迹上相应的控制点按照相同比例进行调整；最后生成非对称PH光顺曲线，针对不相连的PH曲线，采用PH直线样条进行相连。本专利技术根据需要光顺的刀具路径的具体情况，通过用两段或三段相连的PH样条替换原始每段的直线路径，可以实现光顺曲线最大曲率的降低，从而提高五轴短直线段轨迹的加工效率。技术方案一种基于非对称PH曲线的五轴短直线段轨迹的三阶连续的局部拐角光顺方法，其特点是包括以下步骤：步骤1、根据需要加工的自由曲线轨迹获得在工件坐标系下需要光顺的刀尖与刀轴轨迹：Fi＝Pi+H×OiPi为线性刀尖轨迹拐角处的顶点，Oi为对应Pi的刀轴矢量，Fi为与Pi对应的刀轴轨迹上拐角处的顶点，H为Fi与Pi间的距离。步骤2、根据公差计算对称的光顺曲线分别在刀尖轨迹与刀轴轨迹第i个拐角处控制点到顶点允许的最大距离及相应末端两控制点间的距离：其中为刀尖轨迹光顺曲线控制点到顶点最大距离，为刀轴轨迹光顺曲线控制点到顶点最大距离，与分别为刀尖曲线与刀轴曲线在第i个拐角两端各自距拐角顶点最远的两个控制点之间的距离，与分别为刀尖轨迹与刀轴轨迹第i个拐角的角度，与分别为刀尖轨迹与刀轴轨迹的光顺公差，与为与角度和有关的系数。步骤3、调整曲线末端控制点间的长度，并按相同比例调整其与拐角顶点之间的长度：步骤4、按照控制点与拐角顶点之间的距离，分情况调整控制点与拐角顶点间的距离，同时按比例调整末端两控制点的距离。首先判断刀尖轨迹与刀轴轨迹在对应的直线段上的曲线是否重合，根据结果分为两种情况分别处理：情况一：刀尖与刀轴两条轨迹在相应的直线段上的曲线均出现重合,即：求解合适的比例使相邻样条缩减后可以在该直线路径上相连。按照求得的比例调整曲线的控制点与相应拐角顶点间的距离情况二：刀尖与刀轴两条轨迹在相应的直线段上的曲线均为重合或仅其中一对曲线出现重合现象,即：或将刀尖曲线与刀轴曲线的控制点与拐角顶点间的距离按相同比例对应调整。步骤5、调整不相连曲线间控制点的间距，保证其可以插入直线PH样条。首先判断其是否满足：且如果不满足，按下述比例缩减样条控制点与拐角顶点间的长度：步骤6、计算光顺的曲线样条上的所有控制点。对于光顺曲线上任意一段样条曲线，均可以采用以下形式获得样条曲线的控制点。针对刀尖曲线其样条控制点的表达形式为：刀轴曲线的样条控制点为：其中，与是已知单位向量，其可以通过下列关系式获得：针对刀尖曲线的与以及针对刀轴曲线的与均为未知向量，其具体的求解过程将在步骤7进行。步骤7、根据已知向量计算求解未知的向量与首先两相邻的线性轨迹处于同一平面内，因此针对每一条光顺曲线可以先将其转换到平面内，然后求解未知向量来简化求解过程。已知向量与未知向量可以用相同的参数进行表示：u0，v0，u4与v4可以通过求解下列方程组得到：再通过已知向量求解u3，v3，则u3与v3可以通过以下方程组求解得到：同样的刀轴曲线的未知向量与也可以以同样的方式用已知向量来进行表示。步骤8、根据Bernstein基函数公式可以根据控制点得到每条曲线上具体的点：步骤9、根据PH曲线的性质，可以具体得到曲线上任意位置的弧长解析式S(ξ)，实现高效的实时插补：步骤10、当任意一段直线路径上两相邻曲线无法直接相连时，在曲线中间插入直线PH样条，刀尖与刀轴曲线的直线样条的控制点具体公式分别为：其中，控制点D0,i＝B13,i-1,D13,i＝B0,i,E0,i＝Q13,i-1,E13,i＝Q0,i，未知的长度及可以通过以下计算得到：与分别为刀尖与刀轴直线样条的总长度。有益效果本专利技术提出的一种五轴短直线段轨迹的局部拐角光顺方法，该方法首先计算刀尖与刀轴轨迹控制点到顶点的最大距离；然后根据直线刀具路径的长度，保证原始直线路径可以采用两段直接相连的PH曲线或两本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种五轴短直线段轨迹的局部拐角光顺方法，其特征在于步骤如下：/n步骤1：根据需要加工的自由曲线轨迹获得在工件坐标系下需要光顺的刀尖与刀轴轨迹：/nF

【技术特征摘要】
1.一种五轴短直线段轨迹的局部拐角光顺方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：根据需要加工的自由曲线轨迹获得在工件坐标系下需要光顺的刀尖与刀轴轨迹：
Fi＝Pi+H×Oi
其中Pi为线性刀尖轨迹拐角处的顶点，Oi为对应Pi的刀轴矢量，Fi为与Pi对应的刀轴轨迹上拐角处的顶点，H为Fi与Pi间的距离；
步骤2：根据公差计算对称的光顺曲线分别在刀尖轨迹与刀轴轨迹第i个拐角处控制点到顶点允许的最大距离及相应末端两控制点间的距离：









其中为刀尖轨迹光顺曲线控制点到顶点最大距离，为刀轴轨迹光顺曲线控制点到顶点最大距离，与分别为刀尖曲线与刀轴曲线在第i个拐角两端各自距拐角顶点最远的两个控制点之间的距离，与分别为刀尖轨迹与刀轴轨迹第i个拐角的角度，与分别为刀尖轨迹与刀轴轨迹的光顺公差，与为与角度和有关的系数；
步骤3：调整曲线末端控制点间的长度，并按相同比例调整其与拐角顶点之间的长度：






步骤4：按照控制点与拐角顶点之间的距离，分情况调整控制点与拐角顶点间的距离，同时按比例调整末端两控制点的距离：
首先判断刀尖轨迹与刀轴轨迹在对应的直线段上的曲线是否重合，根据结果分为两种情况分别处理：
情况一：刀尖与刀轴两条轨迹在相应的直线段上的曲线均出现重合，即：



求解合适的比例使相邻样条缩减后可以在该直线路径上相连；



按照求得的比例调整曲线的控制点与相应拐角顶点间的距离






情况二：刀尖与刀轴两条轨迹在相应的直线段上的曲线均为重合或仅其中一对曲线出现重合现象，即：

或
将刀尖曲线与刀轴曲线的控制点与拐角顶点间的距离按相同比例对应调整






步骤5：调整不相连曲线间控制点的间距，保证其可...

【专利技术属性】
技术研发人员：万敏，秦学斌，张卫红，麻继昌，孟伟，杨昀，
申请(专利权)人：西北工业大学，陕西航空硬质合金工具有限责任公司，
类型：发明
国别省市：陕西;61