專利名稱：適用于五軸數(shù)控裝置的軌跡平滑處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種復(fù)雜曲面的五軸數(shù)控加工技術(shù)具體說是一種適用于五軸數(shù)控裝置的軌跡平滑處理方法，屬于數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
五軸數(shù)控加工技術(shù)以其對復(fù)雜曲面零件的加工能力而成為現(xiàn)代數(shù)控發(fā)展的主流趨勢。它對一個國家的航空、航天、軍事、科研、精密器械、高精醫(yī)療設(shè)備等關(guān)系國家命脈的行業(yè)上，有著舉足輕重的影響。在五軸數(shù)控加工中，由于加工工件復(fù)雜程度的不斷提高，數(shù)控裝置本身所具備的編程功能已無法簡單滿足加工的需要，現(xiàn)代數(shù)控裝置需要在CAD/CAM系統(tǒng)輔助下共同完成加工。CAD/CAM系統(tǒng)在生成編程指令點(diǎn)時(shí)，為了增大步距和避免連續(xù)的欠切點(diǎn)與過切點(diǎn)的出現(xiàn)，其生成的指令點(diǎn)通常會落在期望曲線的某個公差帶范圍內(nèi)(如圖3)。此時(shí)，如果依然按照傳統(tǒng)的插補(bǔ)方式對指令點(diǎn)進(jìn)行插補(bǔ)，就會導(dǎo)致插補(bǔ)后的曲線與期望曲線有較大的偏差，甚至超過公差帶范圍，無法滿足復(fù)雜曲面的高速高精度加工要求。因此就需要在一定條件下恢復(fù)曲線輪廓，對五軸數(shù)控裝置的指令點(diǎn)軌跡實(shí)施平滑處理。五軸數(shù)控裝置的軌跡平滑處理過程，涉及到直線軸和旋轉(zhuǎn)軸的平滑問題。但是在平滑處理過程中，可以將對直線軸的平滑處理與旋轉(zhuǎn)軸的平滑處理等同。因此，可以不區(qū)分直線軸和旋轉(zhuǎn)軸，它們之間的區(qū)別僅僅在于量綱的不同。而在實(shí)際處理過程中，可以采用兩種策略一是將直線軸與旋轉(zhuǎn)軸分別進(jìn)行平滑處理，最后合成對整體的平滑處理效果；而另一種則是不區(qū)分直線軸和旋轉(zhuǎn)軸的關(guān)系，將兩者完全等同，看作五維空間相互正交的關(guān)系，整體進(jìn)行平滑處理。前者雖然考慮到量綱的不同，但是忽略了直線軸與旋轉(zhuǎn)軸之間的相互影響，尤其在只有一個直線軸和一個旋轉(zhuǎn)軸變化時(shí)，無法進(jìn)行平滑處理，并且在插補(bǔ)過程中，參變量不容易實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一。相比之下，后者雖忽略量綱的影響，但從平滑處理的本質(zhì)上對整體平滑效果并無影響。本發(fā)明基于后者。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有五軸數(shù)控裝置傳統(tǒng)插補(bǔ)算法帶來的缺陷，提出一種適用于五軸數(shù)控裝置的軌跡平滑處理方法，以滿足五軸數(shù)控裝置的高速高精加工。本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是適用于五軸數(shù)控裝置的軌跡平滑處理方法，其特征在于，包括以下步驟步驟1 連續(xù)讀取一段數(shù)控指令點(diǎn)序列，識別出滿足平滑曲線插補(bǔ)條件的程序段；所述平滑曲線插補(bǔ)條件為程序段的長度介于最小程序段長度和最大程序段長度之間，程序段間夾角大于程序段間允許的最小夾角，弓高誤差不大于容差；所述程序段由相鄰的兩個指令點(diǎn)構(gòu)成；步驟2 對滿足平滑曲線插補(bǔ)條件的程序段，在相鄰指令點(diǎn)間估計(jì)出內(nèi)插點(diǎn)的位置作為第一次修正指令點(diǎn)；
步驟3 對第一次修正指令點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)化；步驟4 利用最小二乘法對參數(shù)化的第一次修正指令點(diǎn)的各個坐標(biāo)軸分量分別擬合成三次樣條曲線，求出擬合曲線，利用擬合曲線對第一次修正指令點(diǎn)進(jìn)行再修正，生成第二次修正指令點(diǎn)，求出該點(diǎn)處的一階導(dǎo)數(shù)矢量和二階導(dǎo)數(shù)矢量；步驟5 對相鄰的第二次修正指令點(diǎn)間的各坐標(biāo)分量分別構(gòu)造五次樣條曲線，連接成一條完整的平滑曲線，在平滑曲線上進(jìn)行曲線插補(bǔ)。所述識別出滿足平滑曲線插補(bǔ)條件的程序段的步驟為連續(xù)讀取一段數(shù)控指令點(diǎn)序列，判斷程序段的長度是否短于最小程序段長度，如果程序段的長度不短于最小程序段長度，就判斷程序段的長度是否長于最大線程序段長度，如果程序段的長度不長于最大線程序段長度，就判斷程序段間的夾角是否小于程序段間允許的最小夾角，如果程序段間的夾角不小于程序段間允許的最小夾角，就判斷程序段的弓高誤差是否大于容差，如果程序段的弓高誤差不大于容差，則該程序段滿足平滑曲線插補(bǔ)條件。如果程序段的長度短于最小程序段長度，則取該程序段的兩個指令點(diǎn)的中點(diǎn)作為新的指令點(diǎn)，并濾除該程序段的兩個指令點(diǎn)；如果程序段的長度長于最大程序段長度，或者程序段間夾角小于程序段間允許的最小夾角，或者程序段的弓高誤差大于容差，則該程序段不滿足平滑曲線插補(bǔ)條件。所述最小程序段長度，最大程序段長度，最小夾角和弓高誤差均為數(shù)控系統(tǒng)設(shè)定的閾值。所述步驟3采用向心參數(shù)化方法，即
權(quán)利要求
1.一種適用于五軸數(shù)控裝置的軌跡平滑處理方法，其特征在于，包括以下步驟步驟1 連續(xù)讀取一段數(shù)控指令點(diǎn)序列，識別出滿足平滑曲線插補(bǔ)條件的程序段；所述平滑曲線插補(bǔ)條件為程序段的長度介于最小程序段長度和最大程序段長度之間，程序段間夾角大于程序段間允許的最小夾角，弓高誤差不大于容差；所述程序段由相鄰的兩個指令點(diǎn)構(gòu)成；步驟2 對滿足平滑曲線插補(bǔ)條件的程序段，在相鄰指令點(diǎn)間估計(jì)出內(nèi)插點(diǎn)的位置作為第一次修正指令點(diǎn)；步驟3 對第一次修正指令點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)化；步驟4 利用最小二乘法對參數(shù)化的第一次修正指令點(diǎn)的各個坐標(biāo)軸分量分別擬合成三次樣條曲線，求出擬合曲線，利用擬合曲線對第一次修正指令點(diǎn)進(jìn)行再修正，生成第二次修正指令點(diǎn)，求出該點(diǎn)處的一階導(dǎo)數(shù)矢量和二階導(dǎo)數(shù)矢量；步驟5 對相鄰的第二次修正指令點(diǎn)間的各坐標(biāo)分量分別構(gòu)造五次樣條曲線，連接成一條完整的平滑曲線，在平滑曲線上進(jìn)行曲線插補(bǔ)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于五軸數(shù)控裝置的軌跡平滑處理方法，其特征在于，所述識別出滿足平滑曲線插補(bǔ)條件的程序段的步驟為連續(xù)讀取一段數(shù)控指令點(diǎn)序列，判斷程序段的長度是否短于最小程序段長度，如果程序段的長度不短于最小程序段長度，就判斷程序段的長度是否長于最大線程序段長度，如果程序段的長度不長于最大線程序段長度，就判斷程序段間的夾角是否小于程序段間允許的最小夾角，如果程序段間的夾角不小于程序段間允許的最小夾角，就判斷程序段的弓高誤差是否大于容差，如果程序段的弓高誤差不大于容差，則該程序段滿足平滑曲線插補(bǔ)條件。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的適用于五軸數(shù)控裝置的軌跡平滑處理方法，其特征在于，如果程序段的長度短于最小程序段長度，則取該程序段的兩個指令點(diǎn)的中點(diǎn)作為新的指令點(diǎn)，并濾除該程序段的兩個指令點(diǎn)；如果程序段的長度長于最大程序段長度，或者程序段間夾角小于程序段間允許的最小夾角，或者程序段的弓高誤差大于容差，則該程序段不滿足平滑曲線插補(bǔ)條件。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的適用于五軸數(shù)控裝置的軌跡平滑處理方法，其特征在于，所述最小程序段長度，最大程序段長度，最小夾角和弓高誤差均為數(shù)控系統(tǒng)設(shè)定的閾值。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于五軸數(shù)控裝置的軌跡平滑處理方法，其特征在于，所述步驟3采用向心參數(shù)化方法，即U0=OU1 =U1^+ IliJ12式中，i = 1，2，3…Π-1，為相鄰的兩個第一次修正指令點(diǎn)的長度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于五軸數(shù)控裝置的軌跡平滑處理方法，其特征在于，所述步驟4中，對第一次修正指令點(diǎn)序列Qtl，Q1, Gl2…仏…Qlri，利用最小二乘法對參數(shù)化的第一次修正指令點(diǎn)的各個坐標(biāo)軸分量分別擬合成三次樣條曲線，求出擬合曲線的步驟為對第一次修正指令點(diǎn)的五個坐標(biāo)軸分量分別擬合成三次樣條曲線；讀入連續(xù)的五個第一次修正指令點(diǎn)Qh，Qi-!, Qi, Qi+1，Qi+2，對應(yīng)的參變量為I^2，Iv1，Ui,IW iw五個坐標(biāo)軸分量所求解的目標(biāo)函數(shù)曲線分別為X (u)，Y (u)，Z (u)，A (u)，C (u)，構(gòu)造
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于五軸數(shù)控裝置的軌跡平滑處理方法，其特征在于，所述步驟4中利用擬合曲線對第一次修正指令點(diǎn)進(jìn)行再修正，生成第二次修正指令點(diǎn)的步驟為讀入連續(xù)的五個第一次修正指令點(diǎn)Qh，Qi-!, Qi, Qi+1，Qi+2 ；令中間三個第一次修正指令點(diǎn)(^1，Qi, Qi+1的各坐標(biāo)分量落在擬合曲線上，求出該擬合曲線對指令點(diǎn)G^1，Qi, Qi+1的修正值；對每五個連續(xù)的第一次修正指令點(diǎn)重復(fù)上述兩步，每個第一次修正指令點(diǎn)Qi, i = 3，4···η-4，有三個修正值；取所述三個修正值的平均值作為指令點(diǎn)A的第二次修正指令點(diǎn)0i。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的適用于五軸數(shù)控裝置的軌跡平滑處理方法，其特征在于，所述i = 2時(shí)，取指令點(diǎn)％作為第二個第一次修正指令點(diǎn)和第三個第一次修正指令點(diǎn)時(shí)，相應(yīng)的擬合曲線對指令點(diǎn)％的修正值Qk+1 (U2)、Qk(U2)的平均值作為第二次修正指令點(diǎn)A ；所述i = n-3，取指令點(diǎn)Qn_3作為第三個第一次修正指令點(diǎn)和第四個第一次修正指令點(diǎn)時(shí)，相應(yīng)的擬合曲線對指令點(diǎn)Qn_3的修正值A(chǔ)(IV3)、Qlri(IV3)的平均值作為第二次修正指令點(diǎn)0n-3 ；所述i = 1時(shí)，取指令點(diǎn)兌作為第二個第一次修正指令點(diǎn)時(shí)，相應(yīng)的擬合曲線對指令點(diǎn)A的修正值G!k+1 (U1)作為第二次修正指令點(diǎn)O1 ；所述i = n-2，取指令點(diǎn)Qn_2作為第四個第一次修正指令點(diǎn)時(shí)，相應(yīng)的擬合曲線對指令點(diǎn)Qn_2的修正值Qlri (un_2)作為第二次修正指令點(diǎn)0n_2 ；所述i = 0時(shí)，直接取第一次修正指令點(diǎn)％作為第二次修正指令點(diǎn)Otl ；所述i = n-1時(shí)，直接取第一次修正指令點(diǎn)Qlri作為第二次修正指令點(diǎn)0n_lt)
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于五軸數(shù)控裝置的軌跡平滑處理方法，其特征在于，所述步驟5中在平滑曲線上進(jìn)行曲線插補(bǔ)的具體方法為，對該平滑曲線采用二階泰勒展開式計(jì)算第i個插補(bǔ)周期插補(bǔ)點(diǎn)的參數(shù)值。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種復(fù)雜曲面的五軸數(shù)控加工技術(shù)，具體說是一種適用于五軸數(shù)控裝置的軌跡平滑處理方法，屬于數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明包括，步驟1連續(xù)讀取一段數(shù)控指令點(diǎn)序列，識別出滿足平滑曲線插補(bǔ)條件的程序段；步驟2在相鄰指令點(diǎn)間估計(jì)出內(nèi)插點(diǎn)的位置作為第一次修正指令點(diǎn)；步驟3對第一次修正指令點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)化；步驟4生成第二次修正指令點(diǎn)，求出該點(diǎn)處的一階導(dǎo)數(shù)矢量和二階導(dǎo)數(shù)矢量；步驟5對相鄰的第二次修正指令點(diǎn)件的各坐標(biāo)分量分別構(gòu)造五次樣條曲線，連接成一條完整的平滑曲線，在平滑曲線上進(jìn)行曲線插補(bǔ)。本發(fā)明提高五軸數(shù)控裝置的加工效率和加工精度，消除了因折線軌跡而產(chǎn)生的拐角現(xiàn)象。
文檔編號G05B19/4097GK102393678SQ20111024684
公開日2012年3月28日 申請日期2011年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月25日
發(fā)明者于東, 張富彥, 張曉輝, 耿聰, 趙世強(qiáng), 鄭飂默 申請人:沈陽高精數(shù)控技術(shù)有限公司