《圆锥曲线加工后置处理优化方法.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《圆锥曲线加工后置处理优化方法.pdf（11页珍藏版）》请在专利查询网上搜索。
1、(10)申请公布号 CN 102929211 A (43)申请公布日 2013.02.13 CN 102929211 A *CN102929211A* (21)申请号 201210479106.5 (22)申请日 2012.11.22 G05B 19/4097(2006.01) (71)申请人 南京航空航天大学 地址 210016 江苏省南京市白下区御道街 29 号 (72)发明人 李迎光 李海 王伟 刘旭 郝小忠 刘长青 汤立民 (74)专利代理机构 南京天华专利代理有限责任 公司 32218 代理人 瞿网兰 (54) 发明名称 圆锥曲线加工后置处理优化方法 (57) 摘要 本发明公开了一种。
2、圆锥曲线加工后置处理优 化方法。该方法首先依据数控加工刀位文件中的 刀轨点位信息判定点位属于曲线刀轨或者直线刀 轨。对属于直线刀轨的点位输出直线插补 NC 程 序。 对属于曲线刀轨的点位进行曲线拟合， 并通过 曲线的常规方程系数判定曲线类型。针对不同的 曲线类型， 建立标准参数分式方程， 通过变换得到 曲线的普通参数分式方程形式， 针对不同数控系 统获得所需参数分式方程的系数。最后通过拟合 误差输出适合的曲线插补NC程序段。 该方法能够 使得离散刀轨点位转化为插补方式相匹配的 NC 程序， 生成的程序满足误差要求， 对数控系统的插 补计算负担小， 面向圆锥曲线加工时精度、 效率也 更高。 (5。
3、1)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 7 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 7 页 附图 2 页 1/1 页 2 1. 一种圆锥曲线加工后置处理优化方法， 其特征在于它包括以下步骤 ： 步骤一、 在 CAM 软件的刀轨生成过程中， 依据刀轨所对应的驱动几何信息， 标识属于直 线刀轨或者曲线刀轨的刀轨语句段 ； 步骤二、 在后置处理中输入离散刀轨点位， 依据上述信息判定刀轨点位的归属， 对于属 于直线刀轨的离散刀轨点位直接输出直线插补的 NC 程序 ； 对属于曲线的离散刀轨点位进 行拟合， 得到圆锥曲线的常规方程，。
4、 并通过圆锥曲线系数判定不同的曲线类型 ； 步骤三、 建立圆锥曲线的标准参数分式方程， 将圆锥曲线常规方程通过坐标变换的方 法得到曲线的普通参数分式方程形式， 针对不同数控系统的要求得到 NC 程序中所需方程 系数 ； 步骤四、 将拟合的曲线和原来的点位进行比较， 算出拟合误差， 若拟合误差超出规定 值， 则拟合的曲线段结束， 输出对应的圆锥曲线插补 NC 程序， 然后重新输入离散刀轨点位 进行拟合。 2. 如权利要求 1 中所述的圆锥曲线加工后置处理优化方法， 其特征在于所述的圆锥曲 线方程的常规表达方式为 Ax2+Bxy+Cy2+Dx+Ey+1=0， x、 y 为参数， 系数 A、 B、 。
5、C、 D、 E 均为实数 且 A、 B、 C 均不为零。 3. 如权利要求 1 中所述的圆锥曲线加工后置处理优化方法， 其特征在于所述的坐标变 换方法针对不同的曲线类型的标准参数分式方程为 ： p 0,1， 椭圆曲线方程、 p 0,1， 双曲线方程、 或p 是实数， 抛物线方程， Xst， Yst是圆锥曲线坐标值， p 和 是圆锥曲线的参数， 然后通过坐标平移、 旋转、 缩放的变换计算方法得到曲线的普通参数分式方程形式， 如 下 t 0,n 获得数控系统所需的参数分式方程的系数， 即方程中的 a0、 a1、 a2、 b0、 b1、 b2、 e1、 e2、 n。 权 利 要 求 书 CN 102。
6、929211 A 2 1/7 页 3 圆锥曲线加工后置处理优化方法 技术领域 0001 本发明涉及一种加工后置处理方法， 尤其是一种圆锥曲线加工后置处理优化方 法， 具体的说， 是把数控加工刀位文件中的离散刀位依据驱动几何进行区分， 生成插补方式 相适应的 NC 程序， 对于驱动几何为圆锥曲线的离散刀轨直接输出准确表达圆锥曲线的 NC 程序。 背景技术 0002 在汽车与航空工业中， 由于飞机或汽车的力学性能或者外观设计要求， 在绝大多 数机械零件中经常遇到许多由圆锥曲线和圆锥曲面表示的外形。 而数控加工方法是目前实 现这些复杂曲线曲面加工的主要途径。 0003 但是在目前的数控加工应用中， 。
7、CAM 软件提供的是面向直线插补和圆弧插补的刀 轨生成方法， 无法精确表示圆锥曲线。通常主要以直线插补的方式来实现复杂圆锥曲线或 者曲面的加工， 加工程序中的刀位多， 程序存储量大， 数控系统计算量大， 严重影响了加工 的效率。 0004 查阅文献， 陈汉军的 任意平面曲线的圆弧逼近方法 中研究以圆弧逼近任意平面 曲线， 当用圆弧逼近椭圆时， 相较直线逼近方法精度得到提高， 但与直线插补一样， 在 NC 程 序生成阶段就对圆锥曲线的表示产生了误差。另一方面， 目前主流的数控系统均采用数据 采样插补方法， 可以实现椭圆等圆锥曲线插补 NC 程序的计算和加工。 发明内容 0005 本发明的目的是现。
8、有的圆锥曲线或圆锥面加工过程中存在的刀位多、 程序存储量 大， 数控系统计算量大， 误差难以消除， 严重影响加工效率的问题， 发明一种圆锥曲线加工 后置处理优化方法， 以便能够依据加工刀轨的驱动几何， 区分直线刀轨和曲线刀轨， 生成相 应的插补 NC 程序， 对于圆锥曲线的离散刀轨直接输出准确表达圆锥曲线的 NC 程序。 0006 本发明的技术方案是 ： 0007 一种圆锥曲线加工后置处理优化方法， 其特征是它包括以下步骤 ： 0008 步骤一、 在 CAM 软件的刀轨生成过程中， 依据刀轨所对应的驱动几何信息， 标识属 于直线刀轨或者曲线刀轨的刀轨语句段 ； 0009 步骤二、 在后置处理中。
9、输入离散刀轨点位， 依据上述信息判定刀轨点位的归属， 对 于属于直线刀轨的离散刀轨点位直接输出直线插补的 NC 程序 ； 对属于曲线的离散刀轨点 位进行拟合， 得到圆锥曲线的常规方程， 并通过圆锥曲线系数判定不同的曲线类型 ； 0010 步骤三、 建立圆锥曲线的标准参数分式方程， 将圆锥曲线常规方程通过坐标变换 的方法得到曲线的普通参数分式方程形式， 针对不同数控系统的要求得到 NC 程序所需方 程系数 ； 0011 步骤四、 将拟合的曲线和原来的点位进行比较， 算出拟合误差， 若拟合误差超出规 定值， 则拟合的曲线段结束， 输出对应的圆锥曲线插补 NC 程序， 然后重新输入离散刀轨点 说 明。
10、 书 CN 102929211 A 3 2/7 页 4 位进行拟合。 0012 所述的圆锥曲线方程的常规表达方式为 Ax2+Bxy+Cy2+Dx+Ey+1=0， x、 y 为参数， 系 数 A、 B、 C、 D、 E 均为实数且 A、 B、 C 均不为零。 0013 所述的坐标变换方法针对不同的曲线类型的标准参数分式方程为 ： 0014 p 0,1， 椭圆曲线方程、 0015 p 0,1， 双曲线方程、 0016 或p 是实数， 抛物线方程， 0017 Xst， Yst是圆锥曲线坐标值， p 和 是圆锥曲线的参数， 0018 然后通过坐标平移、 旋转、 缩放的变换计算方法得到曲线的普通参数分式。
11、方程形 式， 如下 0019 t 0,n 0020 获得数控系统所需的参数分式方程的系数， 即方程中的 a0、 a1、 a2、 b0、 b1、 b2、 e1、 e2、 n。 0021 本发明的有益效果是 ： 0022 本发明区分了直线刀轨和曲线刀轨的情况， 充分考虑了实际应用情况中直线刀轨 和曲线刀轨混合存在的情形。 0023 本发明能够将离散刀轨点位拟合成圆锥曲线插补 NC 程序， 数控程序量减少， 且拟 合结果满足误差的要求。 0024 本发明提出了针对不同曲线的标准参数分式方程， 使得所拟合的圆锥曲线能够应 用于不同的数控系统。 0025 本发明提供了一种刀轨文件与数控系统圆锥曲线插补 。
12、NC 程序之间转化的途径， 并使得加工误差控制在了数控系统插补阶段。经过优化生成的 NC 程序可被现有的数控系 统进行加工应用， 程序存储量少， 相比直线插补和圆弧插补所使用的后置处理方法， 面向圆 锥曲线加工时精度和效率更高。 附图说明 0026 图 1 为本发明的离散刀轨点位转换为圆锥曲线插补 NC 程序的方法流程。 0027 图 2 为本发明实施例零件的驱动几何和刀轨示意图。 0028 图 3 为本发明实施例零件在直线插补下生成的离散刀轨点位的示意。 说 明 书 CN 102929211 A 4 3/7 页 5 0029 图 4 为本发明实施例零件生成的直线插补 NC 程序点位和圆锥曲线。
13、插补 NC 程序轨 迹的示意图。 0030 图中编号说明 ： 1 零件、 2 刀轨、 3 作为驱动几何的曲线、 4 作为驱动几何的直线、 5 零件、 6 刀轨点位、 7 零件、 8 整体的圆锥曲线插补 NC 程序轨迹、 9 直线插补的 NC 程序点位 具体实施方式 0031 下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。 0032 一种圆锥曲线加工后置处理优化方法， 它包括以下步骤 （如图 1） ： 0033 步骤一、 在 CAM 软件的刀轨生成过程中， 依据刀轨所对应的驱动几何信息， 标识刀 轨语句段属于直线刀轨或者曲线刀轨。 0034 步骤二、 在后置处理中输入离散刀轨点位， 依据上述信息判。
14、定刀轨点位属于曲线 刀轨段或者直线刀轨段， 对于属于直线刀轨的离散刀轨点位直接输出直线插补的 NC 程序。 0035 步骤三、 针对属于曲线的刀轨点位 （需至少采用五个点位进行拟合） 通过代入圆锥 曲线方程的常规表达方程 Ax2+Bxy+Cy2+Dx+Ey+1=0 进行拟合， 式中 x、 y 为参数， 系数 A、 B、 C、 D、 E 均为实数且 A、 B、 C 均不为零， 得到圆锥曲线的常规表达方程， 并通过圆锥曲线系数判定 不同的曲线类型。 0036 所述的标准圆锥曲线类型包括 ： 0037 p 0,1（椭圆） 、p 0,1（双曲 线） 、或p 是实数 （抛物线） ， Xst， Yst是圆。
15、锥曲线上点的坐标值， p 和 是 圆锥曲线参数， 用于圆锥曲线的变换计算。 0038 步骤四、 针对不同的圆锥曲线类型建立对应的标准参数分式方程， 通过变换得到 拟合曲线的普通参数分式方程形式， 针对不同的数控系统要求获取所需分式方程系数。 0039 所述的圆锥曲线普通参数分式方程形式， 如下 0040 t 0,n 0041 圆锥曲线普通参数分式方程是由标准圆锥曲线通过坐标轴旋转、 平移、 缩放的变 换计算得到的， 然后获取数控系统所需的参数分式方程的系数， 即方程中的 a0、 a1、 a2、 b0、 b1、 b2、 e1、 e2、 n。 0042 步骤五、 将拟合的曲线和原来的点位进行比较，。
16、 算出拟合误差， 若拟合误差超出规 定值， 则拟合的曲线段结束， 可直接代入预先编制好的对应的标准曲线程序中产生相应的 NC 程序， 然后重新输入离散刀轨点位进行拟合， 即重复第三步到第五步， 直至整个曲线段均 有对应的 NC 程序输出为止。 0043 下面以图 1-4 为例进一步说明书如下 ： 说 明 书 CN 102929211 A 5 4/7 页 6 0044 附图 1 为离散刀轨点位转换为圆锥曲线插补 NC 程序的方法流程。以如图 2 所示 某零件的数控加工为例来阐明后置处理算法。该零件的结构中存在的外形曲面为椭圆柱 面。在原有的加工方法中零件粗加工和精加工都采用直线插补的 NC 程序。
17、进行数控加工过 程， 生成大量的离散点位， 如图 3 所示该零件外轮廓精加工的最后一圈刀轨的离散的点位。 0045 步骤一、 在刀轨文件中标识刀轨点位归属于直线刀轨或者曲线刀轨的信息。 在CAM 软件刀轨生成的过程中， 判定刀轨对应的加工驱动几何是直线或曲线， 如图 2 所示， 部分刀 轨对应的驱动几何是曲线， 部分刀轨对应的驱动几何是直线， 然后标识在所对应的刀轨中。 其标识方法是在相应离散刀轨点位之前做出标识， 刀位文件标识示例如下 ： 0046 刀轨文件 “XXX.Aptsource” 0047 DRIVENGEO ： CONICS/ 此行表明下面的若干刀轨点位为曲线段， 直到下一个 D。
18、RIVENGEO 标识的出现 0048 GOTO/229.23256,54.51529,90.00000,-1.000000,0.000000,0.000000 0049 GOTO/220.00462,57.80992,90.00000,-1.000000,0.000000,0.000000 0050 DRIVENGEO ： LINE/ 此行表明下面的若干刀轨点位为直线段， 直到下一个 DRIVENGEO 标识的出现 0051 GOTO/210.58023,60.49524,90.00000,-1.000000,0.000000,0.000000 0052 DRIVENGEO ： CONICS。
19、 0053 步骤二、 由于后置中输入的是离散刀轨点位， 算法步骤将通过对新输入点位的判 定， 不断生成所需的NC程序。 设当前输入的离散刀轨点位为Pi， 依据Pi处的信息判定其属 于曲线刀轨部分或者直线刀轨部分。 0054 步骤三， 若 Pi 属于直线刀轨部分， 且 Pi 之前的点位组成了曲线刀轨， 则先输出该 曲线插补 NC 程序， 然后输出 Pi 所对应的直线插补 NC 程序， 然后转步骤二。 0055 步骤四、 若 Pi 之前点位的曲线插补 NC 程序已输出， 则直接输出 Pi 所对应的直 线插补 NC 程序， 然后转步骤二。NC 程序中直线插补的程序示例如下 ： NC 程序 “XXX.。
20、mpf” 0056 N1330G01X210.58023Y60.49524Z90.00000A0.00000C0.0000 ； 0057 N1340X212.37454 ； 0058 步骤五、 若点位属于曲线刀轨的部分， 需继续输入点位 Pi， 直到待拟合的点位多于 5 个， 针对属于曲线段的离散刀轨点位进行拟合， 得到圆锥曲线的常规形式方程。 0059 圆锥曲线方程的常规表达方式为 Ax2+Bxy+Cy2+Dx+Ey+1=0， x、 y 为参数且 A、 B、 C、 D、 E 均为实数， 且 A、 B、 C 均不为零。此形式下包含了椭圆， 双曲线和抛物线三种形式。 0060 利用此方程对点位进。
21、行最小二乘拟合， 以得到方程中的各系数。即对应于求目标 函数 ： 0061 0062 的最小值来确定各系数， 其中 (xi,yi) 为第 i 个点的坐标值， m 为离散点的个数， 当 且仅当 m 大于等于系数的个数时， 即点位超过 5 个时， 才可确定圆锥曲线。再由函数极值原 理， 欲使 F 最小， 必有函数 F 对 A、 B、 C、 D、 E 的导数均为零， 即 ： 0063 说 明 书 CN 102929211 A 6 5/7 页 7 0064 由此可等到以下线性方程组 ： 0065 0066 进而应用求解线性方程组的算法 （如主高斯消去法） ， 就可以得到方程系数 A、 B、 C、 D、。
22、 E 的值。 0067 步骤六、 依据圆锥曲线系数来判定不同的曲线类型， 针对于圆锥曲线方程， 当 B2-4AC0 时， 所拟合曲线则为双曲线 ； B2-4AC=0 时， 所 拟合曲线则为抛物线。 0068 步骤七、 由于不同数控系统 NC 程序输入的要求， 需要对所得方程进行转变， 例如 SINUMERIK840D 数控系统， 其圆锥曲线插补 NC 程序的格式为 ： 0069 POLY POX=(Xe,a2)POY=(Ye,b2)PO=(Ee， e2)PL=n ； 0070 其中的 NC 程序参数对应如下的参数分式方程曲线 ： 0071 t 0,n 0072 其中 Xe， Ye为将要插补的曲。
23、线的终点， 即 t=n 时 x(t)， y(t) 的值。Ee为 t=n 时的 1+e1t+e2t2值， a2， b2， e2为 SINUMERIK840D 数控系统所接纳的曲线参数， t=0 时的 x(t)， y(t) 的值即 NC 程序上一行的终点坐标， 参数分式方程中其余参数在 SINUMERIK 840D 数控系统 对 NC 程序进行插补计算时可依据参数分式方程自动算出， 故该数控系统 NC 程序格式中未 出现其余参数。 0073 所以， 对不同的曲线类型建立各自的标准参数分式方程， 实现参数分式方程的获 得。 以椭圆为例， 设定如下方程， 由于其椭圆中心为坐标原点， 且长短轴与坐标轴共。
24、线， 称之 为标准参数分式方程， 参数分式方程可通过对标准参数分式方程进行变换计算方法得到。 0074 p 0,1 0075 而对于任意的椭圆曲线， 其椭圆的中心位置 (xc,yc)、 长轴 a 和短轴 b、 长轴的转角 分别为 ： 0076 说 明 书 CN 102929211 A 7 6/7 页 8 0077 0078 0079 0080 0081 任意的圆锥曲线可由标准圆锥曲线通过坐标旋转、 平移、 缩放等变换计算方法得 到的， 因此其参数分式方程可以表示为如下形式为 ： 0082 0083 展开得 0084 0085 代入标准参数分式方程， 得 0086 0087 其中 xc,yc,a。
25、,b, 均为已知， 因此可求得 0088 0089 其中 mx,nx,qx,my,ny,qy， 为多项式合并后得到的实数系数， 即得到圆锥曲线的参数 化的分式方程形式， 结合上述举例的 SINUMERIK840D 数控系统的 NC 程序要求， 可得到数控 系统所需曲线参数。 0090 对于双曲线类型， 设定其标准参数分式方程为 0091 p 0,1 0092 得到数控系统所需参数的方法与圆锥曲线一致。 0093 对于抛物线类型， 设定其标准参数分式方程为 说 明 书 CN 102929211 A 8 7/7 页 9 0094 或p 是实数 0095 得到数控系统所需参数的方法与圆锥曲线一致。 。
26、0096 步骤八、 对拟合曲线进行误差判定。 当拟合点位增多时， 拟合曲线与点位间的误差 可能增大， 这时需要以新的点位开始拟合曲线。误差判定采用离散刀轨点位到所拟合曲线 的最小距离表示。由于曲线可以用参数化方程表示， 0097 0098 曲线上某点到某离散刀位点 （xi,yi） 的距离为 0099 0100 然后通过对 L(p) 中的 p 微分， 计算导数为 0 时的 p 值， 然后代入 L(p) 的表达式获 得距离 L(p) 的极小值。 0101 若拟合的误差大于所设定的误差， 则输出最后生成的误差以内的拟合曲线相应的 圆锥曲线插补 NC 程序， 并返回步骤二。圆锥曲线插补 NC 程序段示。
27、例如下 ： NC 程序 “XXX. mpf” 0102 N10350POLY POX=(1075.58263,-1075.58263)POY=(0)PO=(2,1)PL=1; 0103 需要说明的是， 如果需要拟合的点位原本属于某圆锥曲线， 则根据最小二乘原理， 拟合的点位均在所拟合的曲线上， 其拟合结果即原来的圆锥曲线， 直到不是原来圆锥曲线 上的点的出现， 使得新的拟合结果偏离原曲线， 进而由于产生误差而舍弃新的拟合结果而 选择上一次的拟合结果， 结束本次拟合原曲线的过程， 并输出上一次的准确拟合结果。 0104 步骤九、 若拟合的误差小于所设定的误差， 则返回步骤二， 重新添加新的点位。。
28、若 新的点位属于直线刀轨， 转入步骤三， 判断是否已输出最后拟合的圆锥曲线 NC 程序， 并输 出直线插补 NC 程序 ； 若新的点位属于曲线刀轨， 则转入步骤四， 继续拟合曲线。由于图 4 中 零件所加工的曲线原设计为椭圆曲线， 故经过多次拟合和判定之后， 该曲线段所对应刀轨 为整体的圆锥曲线插补 NC 程序。 0105 需要说明的是， 对于得到标准参数分式方程的拟合曲线的加工， 相应的数控机床 中应有具备圆锥插补功能的数控系统， 同时拟合曲线的标准方程参数将依照数控系统的格 式要求输出 NC 程序， 如步骤七所举例的 SINUMERIK 840D 数控系统及其圆锥插补功能的 NC 程序格式。 0106 本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。 说 明 书 CN 102929211 A 9 1/2 页 10 图 1 说 明 书 附 图 CN 102929211 A 10 2/2 页 11 图 2 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 102929211 A 11 。