數(shù)控機(jī)床中處理微小路徑段的方法及設(shè)備的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于機(jī)床的數(shù)字控制領(lǐng)域，尤其涉及數(shù)控機(jī)床中處理微小路徑段的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]計(jì)算機(jī)數(shù)字控制(Computer Numerical Control, CNC)機(jī)床是一種由程序控制的自動(dòng)化機(jī)床，其可以簡(jiǎn)稱為數(shù)控機(jī)床。CNC控制器能夠處理具有控制編碼或其他符號(hào)指令規(guī)定的程序，控制機(jī)床執(zhí)行規(guī)定好了的動(dòng)作，通過刀具切削將毛坯料加工成半成品或成品零件。在數(shù)控機(jī)床中，刀具通常以折線軌跡逼近所要加工的曲線。CNC控制器根據(jù)輸入的零件程序的信息，將程序段所描述的曲線的起點(diǎn)、終點(diǎn)之間的空間進(jìn)行數(shù)據(jù)密化，從而形成要求的輪廓軌跡，這種“數(shù)據(jù)密化”機(jī)制就稱為“插補(bǔ)(interpolat1n)”。而零件程序通常是按EIA RS274/IS06938標(biāo)準(zhǔn)編寫的機(jī)器代碼，也可稱為“G代碼和M代碼”，其主要用來描述刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡。
[0003]圖1給出了傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的工作流程示意圖。如圖1所示，通常是由計(jì)算機(jī)輔助制造(Computer Aided Manufacturing, CAM)系統(tǒng)根據(jù)來自 CAD(Computer Aided Design,計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))的零件幾何設(shè)計(jì)生成機(jī)器命令文件。機(jī)器命令文件包括直線指令(GOl)或圓弧指令(G02，G03)。CNC控制器對(duì)該機(jī)器命令進(jìn)行插補(bǔ)，并對(duì)每一個(gè)軸的伺服控制器每x毫秒(X可以從10毫秒到0.1毫秒變化)產(chǎn)生位移命令來控制刀具的運(yùn)動(dòng)。此外，CNC控制器還可以操作進(jìn)給鎖定和從某個(gè)位置重新啟動(dòng)以及通過倍率改變速度。傳統(tǒng)的CNC控制器只提供直線和圓弧插補(bǔ)，對(duì)于非直線和非圓弧曲線的零件輪廓，例如任意曲線或復(fù)雜曲線，則采用直線和圓弧分段擬合的方法進(jìn)行插補(bǔ)。這種方法會(huì)產(chǎn)生很多微小的GOl直線段以及一些微小的G02/G03圓弧段(在本申請(qǐng)中統(tǒng)稱為微小路徑段)。這使得在處理任意曲線和復(fù)雜曲線時(shí)會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)量大、精度差、進(jìn)給速度不均、編程復(fù)雜等一系列問題，對(duì)零件的加工質(zhì)量和加工成本造成較大的影響。
[0004]為此，已有研究者提出了直接對(duì)復(fù)雜曲線的插補(bǔ)方法，以避免產(chǎn)生這些微小路徑段，其中最有效并被廣泛使用的是樣條插補(bǔ)方法。圖2給出了采用樣條插補(bǔ)的數(shù)控機(jī)床工作流程圖。如圖2所示，在CAD設(shè)計(jì)時(shí)采用樣條函數(shù)描述一些指定點(diǎn)連接成的光滑曲線。樣條函數(shù)實(shí)際上是滿足一定的連續(xù)條件的分段多項(xiàng)式。由CAM根據(jù)零件的CAD設(shè)計(jì)產(chǎn)生機(jī)器命令文件，需要通過特殊結(jié)構(gòu)給出樣條的定義，然后在CNC控制器中根據(jù)機(jī)器命令文件中的樣條定義再生成樣條函數(shù)，并對(duì)其進(jìn)行插補(bǔ)。但是這種方法要求在CAD、CAM、機(jī)器命令文件的標(biāo)準(zhǔn)以及CNC控制器中都要做出相應(yīng)的改變，因此這樣的CNC控制器并不能與不支持樣條計(jì)算的CAD/CAM系統(tǒng)兼容。而且目前的CNC控制器是以I毫秒的速度執(zhí)行插補(bǔ)數(shù)學(xué)計(jì)算的，當(dāng)CNC控制器以實(shí)時(shí)的方式來插補(bǔ)這些樣條時(shí)，這種采用復(fù)雜的數(shù)學(xué)多項(xiàng)式的方法相比傳統(tǒng)的直線和圓弧插補(bǔ)需要更多的計(jì)算和處理能力。
[0005]此外，對(duì)于所有的CNC操作者來說，作為經(jīng)典方式的操作，CNC控制器必須能夠進(jìn)給鎖定，(重新)循環(huán)啟動(dòng)，單程序段執(zhí)行，和通過倍率改變速度。但如果要對(duì)上述復(fù)雜曲線進(jìn)行這些操作，數(shù)控系統(tǒng)也需要額外的處理能力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]因此，本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種處理微小路徑段的CNC插補(bǔ)方法。
[0007]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0008]一方面，本發(fā)明提供了一種用于數(shù)控機(jī)床中處理微小路徑段的方法，包括:
[0009]步驟1，對(duì)于機(jī)器命令文件中連續(xù)的多個(gè)微小路徑段，選擇這些微小路徑端的起點(diǎn)位置與終點(diǎn)位置之間的若干個(gè)中間點(diǎn)；
[0010]步驟2，采用以距離為變量的三次多項(xiàng)式來描述相鄰兩個(gè)中間點(diǎn)之間的樣條曲線段；
[0011]步驟3，將機(jī)器命令文件中與所述多個(gè)微小路徑段對(duì)應(yīng)的程序段轉(zhuǎn)換成與所述樣條曲線段對(duì)應(yīng)的程序段，產(chǎn)生新的機(jī)器命令文件，并依據(jù)該新的機(jī)器命令文件來控制刀具的運(yùn)行。
[0012]上述方法中，所述步驟I中選擇中間點(diǎn)的步驟可包括:
[0013]對(duì)于機(jī)器命令文件中連續(xù)的多個(gè)微小路徑段對(duì)應(yīng)的曲線，從第一微小路徑段的起點(diǎn)開始，計(jì)算在每個(gè)微小路徑段的起點(diǎn)和終點(diǎn)處的彎曲的曲率，如果曲率符號(hào)發(fā)生改變，或相對(duì)于前一個(gè)點(diǎn)曲率變化很快，則選擇該點(diǎn)為一個(gè)中間點(diǎn)；其中，所選的中間點(diǎn)與上一個(gè)中間點(diǎn)之間的距離至少應(yīng)該大于設(shè)定的閾值，該閾值為期望的切割速度的平方除以該機(jī)床的最大加速度。
[0014]上述方法中，所述步驟I選擇中間點(diǎn)的步驟可以包括:
[0015]對(duì)于機(jī)器命令文件中連續(xù)的多個(gè)微小路徑段對(duì)應(yīng)的曲線，從第一微小路徑段的起點(diǎn)開始，計(jì)算在每個(gè)微小路徑段的起點(diǎn)和終點(diǎn)處的彎曲的曲率，如果曲率符號(hào)發(fā)生改變，或相對(duì)于前一個(gè)點(diǎn)曲率變化很快，則選擇該點(diǎn)為一個(gè)中間點(diǎn)；其中，所選的中間點(diǎn)與上一個(gè)中間點(diǎn)之間的距離不低于設(shè)定的閾值，該閾值為期望的切割速度除以每秒編譯的程序段數(shù)。
[0016]上述方法中，在所述步驟2中，對(duì)于在X-Y-Z空間中的任意兩個(gè)點(diǎn)Pl和P2，連接這兩個(gè)點(diǎn)Pl和P2的所述樣條曲線的輪廓可以下面的以距離為變量的三次多項(xiàng)式來描述:
[0017]Px (d) =Cx3.d3+CX2.d2+Cxl.d+CX0
[0018]Py (d) =CY3.d3+CY2.d2+CY1.d+CY0
[0019]Pz (d) =Cz3.d3+CZ2.d2+Czl.d+CZ0
[0020]其中，d變量表示沿著連接這兩個(gè)點(diǎn)的GOl直線的標(biāo)準(zhǔn)化的距離,O ^ d ^ I,在起點(diǎn)Pl時(shí)，d為O,到線的終點(diǎn)P2時(shí)，d達(dá)到I ;CX1、CY1、Czi (O彡i彡3)表示三次多項(xiàng)式的系數(shù)；其中，(I=Petll (t)/pg,pg為起點(diǎn)到終點(diǎn)的沿著連接這兩個(gè)點(diǎn)的GOl直線的距離,Petll⑴表示當(dāng)時(shí)間為t時(shí)，刀具的當(dāng)前位置與起點(diǎn)之間的、沿連接起點(diǎn)與終點(diǎn)的GOl直線的距離。
[0021]上述方法中，所述步驟2還可包括基于相鄰兩個(gè)中間點(diǎn)在X，Y，Z的方向上的位置以及速度矢量來確定描述連接這兩個(gè)中間點(diǎn)之間的樣條曲線的三次多項(xiàng)式的系數(shù)。
[0022]上述方法中，所述中間點(diǎn)的速度矢量的方向可以是在由該中間點(diǎn)與其相鄰的上下兩個(gè)點(diǎn)的兩條連線構(gòu)成的平面上確定的，該中間點(diǎn)的速度矢量的方向垂直于由該中間點(diǎn)與其相鄰兩個(gè)點(diǎn)的連線構(gòu)成的夾角的中間線。
[0023]上述方法中，所述起點(diǎn)和終點(diǎn)的速度矢量的方向可以是以其與相鄰的中間點(diǎn)的連線為基準(zhǔn)線，對(duì)與其相鄰的中間點(diǎn)的速度矢量方向作鏡像而得到的。
[0024]上述方法中，所述步驟2可包括:
[0025]21)基于相鄰兩個(gè)中間點(diǎn)在X，Y，Z的方向上的位置以及速度矢量來確定描述連接這兩個(gè)中間點(diǎn)之間的樣條曲線的三次多項(xiàng)式的系數(shù)；
[0026]22)對(duì)于相鄰中間點(diǎn)之間的其他點(diǎn)，判斷該點(diǎn)與連接這兩個(gè)中間點(diǎn)的樣條曲線上的相應(yīng)位置之間的距離是否大于期望的精度；如果小于，則繼續(xù)評(píng)估下一個(gè)點(diǎn)；如果大于，則選擇在這兩個(gè)中間點(diǎn)位置處的點(diǎn)作為一個(gè)中間點(diǎn)，并回到21)繼續(xù)執(zhí)行。
[0027]上述方法中，可以通過下面的方式來確定所述三次多項(xiàng)式的系數(shù):
[0028]對(duì)于X，Y，Z軸中的任一軸而言，該軸的位置P、速度V和加速度A可以表示為:
[0029]P (d) =C3.d3+C2.(^+C1.d+C0
[0030]V (d) =3.C3.d2+2.C2.d+C,
[0031]A (d) =6.C3.d+2.C2
[0032]其中，V(d)是對(duì)P(d)求導(dǎo)得到的，A(d)是對(duì)V(d)求導(dǎo)得到的；假設(shè)對(duì)于任意相鄰的兩個(gè)中間點(diǎn)，在該軸向上的位置為P1, P2和速度為V1, V2，則上述三次多項(xiàng)式的系數(shù)為:
[0033]C0=P1
[0034]C1=V1
[0035]C2=3p2 - - Sp