面向三角网格曲面的双向插值数控代码生成方法及其应用

技术领域

本发明涉及机械加工技术领域，尤其涉及面向三角网格曲面的双向插值数 控代码生成方法及其应用。

背景技术

目前，曲面的三角网格模型表达已非常普遍，并被广泛应用于快速成型制 造中。其中，CL路径法是目前常用的三角网格模型刀具轨迹生成方法之一。该 方法适用于数控机床中的球头刀具的加工，其主要操作是通过构造加工曲面的 等距偏置面，再用截平面求取偏置面的刀位点，并插值生成刀位轨迹，用于数 控机床的数控加工。

但当前的CL路径法仅对截取的刀位点沿截平面平行方向进行样条曲线的拟 合插值，使生成的刀位轨迹加工的曲面工件可沿截平面平行方向光滑连续，但 当前的CL路径法的刀位点都是直接取在偏置三角网格模型的边上，存在着逼近 误差，并且在垂直于截平面方向上刀位轨迹并无任何处理，即CL路径法缺少沿 垂直于截平面方向的光滑处理，因此在该方向上刀位轨迹为折线连接形式，经 生成的刀位轨迹加工得到的曲面工件表面会有尖边，导致数控机床的加工精度 低、加工效率低和加工质量问题等不足。

发明内容

本发明的目的在于提出使加工的曲面工件表面光滑连续的面向三角网格曲 面的双向插值数控代码生成方法。

本发明的另一个目的在于提出一种双向插值法加工曲面工件的数控机床。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

面向三角网格曲面的双向插值数控代码生成方法，用于数控机床，包括如 下加工步骤：

(1)于数控系统中构建三角网格曲面的等距偏置面；

(2)截平面求取交点并沿截平面方向上样条曲线插值；

(3)垂直面求取交点并沿垂直面方向上样条曲线插值；

(4)生成并输出所述球头刀具的加工曲面工件的刀位轨迹；

(5)将工件放入加工台，通过夹具定位固定；

(6)由刀库出刀对刀，定位加工起点位置；

(7)所述球头刀具依步骤(4)获得的刀位轨迹，于加工台上进行三角网格 曲面工件的加工，获得成品。

进一步说明，所述截平面求取交点是以一系列截平面与所述等距偏置面相 交，求取平面与面片棱边的交点。

进一步说明，所述垂直面求取交点是以一系列垂直于截平面的垂直面对所 述截平面平行方向插值得到的样条曲线进行二次截面求取交点。

进一步说明，所述生成的刀位轨迹通过NC代码输出，控制所述球头刀具对 所述三角网格曲面工件的加工。

一种双向插值法加工曲面工件的数控机床，包括加工台、球头刀具和数控 系统，所述数控系统设置有控制所述球头刀具刀位轨迹的双向插值法子系统， 所述球头刀具由所述数控系统控制其对三角网格曲面工件加工；

所述双向插值法子系统是通过CL路径法构建三角网格曲面的等距偏置面、 截平面以及垂直于截平面的垂直面，并对截平面和垂直面截取的交点分别进行 沿截平面平行方向和截平面垂直方向的样条曲线插值形成拟合曲线，生成刀位 轨迹。

进一步说明，所述双向插值法子系统操作步骤如下：

(1)偏置三角网格模型：构建加工曲面的等距偏置面，刀位点位于所述等 距偏置面上；

(2)截平面求取交点：以一系列截平面与所述等距偏置面相交，求取平面 与面片棱边的交点；

(3)截平面方向上样条曲线插值：对步骤(2)中求取的交点，沿截平面平 行方向进行二维的样条曲线插值，获得沿截平面方向的拟合曲线；

(4)二次截面求取交点：以一系列垂直于截平面的垂直面对所述截平面平 行方向插值得到的样条曲线进行二次截面求取交点；

(5)垂直面方向上样条曲线插值：对二次截面求取的交点，沿截平面垂直 方向进行样条曲线插值，生成拟合曲线，即新的刀位轨迹；

(6)刀位路径输出：所述生成的刀位轨迹通过NC代码输出，用于所述数控 机床对曲面工件的加工。

进一步说明，所述等距偏置面的偏置距离为所述球头刀具的半径。

进一步说明，所述垂直面通过牛顿逼近法或二分法对截平面方向上的样条 曲线的截取交点进行坐标求解。

本发明的有益效果：通过所述双向插值法子系统生成的刀位轨迹对所述曲 面工件的加工能够避免出现沿垂直于截平面方向的光滑问题，使所述曲面工件 表面光滑连续，所述数控机床可有效完成所述球头刀具的加工操作，加工方便、 操作简单，提高了曲面工件的加工质量和加工精度。

附图说明

图1是本发明一个实施例的一种双向插值法加工曲面工件的数控机床的系 统框架图；

图2是本发明一个实施例的CL路径法的操作流程图；

图3是本发明一个实施例的双向插值法子系统的操作流程图；

图4是本发明一个实施例的操作说明的示意图

其中，垂直面B，沿截平面方向的拟合曲线b_u，沿截平面垂直方向的拟合 曲线t_v。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

面向三角网格曲面的双向插值数控代码生成方法，用于数控机床，包括如 下加工步骤：

(1)于数控系统中构建三角网格曲面的等距偏置面；

(2)截平面求取交点并沿截平面方向上样条曲线插值；

(3)垂直面求取交点并沿垂直面方向上样条曲线插值；

(4)生成并输出所述球头刀具的加工曲面工件的刀位轨迹；

(5)将工件放入加工台，通过夹具定位固定；

(6)由刀库出刀对刀，定位加工起点位置；

(7)所述球头刀具依步骤(4)获得的刀位轨迹，于加工台上进行三角网格 曲面工件的加工，获得成品。

将双向插值法运用于数控机床中，使所述曲面工件表面光滑连续，使所述 数控机床有效控制所述球头刀具对所述曲面工件的加工，通过所述双向插值法 生成的刀位轨迹对所述曲面工件的加工能够避免出现沿垂直于截平面方向的光 滑问题，使所述曲面工件的加工更加简便，操作简单，适应性强，并且提高了 对曲面工件的加工效率和加工精度。

进一步说明，所述截平面求取交点是以一系列截平面与所述等距偏置面相 交，求取平面与面片棱边的交点。

利用一系列截平面与所述等距偏置面相交来求取平面与面片棱边的交点， 有效准确，提高求取所述球头刀具的所述刀位轨迹的精度。

进一步说明，所述垂直面求取交点是以一系列垂直于截平面的垂直面对所 述截平面平行方向插值得到的样条曲线进行二次截面求取交点。

通过一系列垂直于截平面的垂直面对所述截平面平行方向插值得到的样条 曲线，进行二次截面求取交点，准确高效，在最终生成有效的刀位轨迹，可有 效避免出现沿垂直于截平面方向的光滑问题，提高所述球头刀具的加工质量和 加工精度。

进一步说明，所述生成的刀位轨迹通过NC代码输出，控制所述球头刀具对 所述三角网格曲面工件的加工。

将所生成的刀位轨迹通过NC代码输出，从而有效控制所述球头刀具对所述 曲面工件的加工，提高了所述数控机床的加工质量和智能化，操作简便，降低 加工难度。

一种双向插值法加工曲面工件的数控机床，如图1所示，包括加工台、球 头刀具和数控系统，其特征在于：所述数控系统设置有控制所述球头刀具刀位 轨迹的双向插值法子系统，所述球头刀具由所述数控系统控制其对三角网格曲 面工件的加工；

所述双向插值法子系统是通过CL路径法构建三角网格曲面的等距偏置面、 截平面以及垂直于截平面的垂直面，并对截平面和垂直面截取的交点分别进行 沿截平面平行方向和截平面垂直方向的样条曲线插值形成拟合曲线，生成刀位 轨迹。

CL路径法是目前常用的三角网格模型刀具轨迹生成方法之一，而现有的 CL路径加工方法，仅对截取的刀位点沿截平面的平行方向进行样条曲线的拟合 插值，因而存在着沿垂直于截平面方向的光滑问题。本发明将所述数控系统设 置所述双向插值法子系统来控制对所述球头刀具对曲面工件的加工，所述双向 插值法子系统是在通过CL路径法构建三角网格曲面的等距偏置面，通过截平面 求取偏置面的交点，并沿截平面平行方向进行二维的样条曲线插值，再使用一 系列垂直于截平面的垂直面对截平面平行方向插值得到的样条曲线进行二次截 面求取交点，并对二次截取的交点进行样条曲线插值，最终生成有效的刀位轨 迹。因此通过所述双向插值法子系统生成的刀位轨迹对所述曲面工件的加工能 够避免出现沿垂直于截平面方向的光滑问题，使所述曲面工件表面光滑连续， 所述数控机床可有效完成所述球头刀具的加工操作，提高了曲面工件的加工质 量和加工精度。需要说明，所述子系统可以为软件或固件，其中软件设有函数 或子程序。

进一步说明，如图3所示，所述双向插值法子系统操作步骤如下：

(1)偏置三角网格模型：构建加工曲面的等距偏置面，刀位点位于所述等 距偏置面上；

(2)截平面求取交点：以一系列截平面与所述等距偏置面相交，求取平面 与面片棱边的交点；

(3)截平面方向上样条曲线插值：对步骤(2)中求取的交点，沿截平面平 行方向进行二维的样条曲线插值，获得沿截平面方向的拟合曲线b_u；

(4)二次截面求取交点：以一系列垂直于截平面的垂直面对所述截平面平 行方向插值得到的样条曲线进行二次截面求取交点；

(5)垂直面方向上样条曲线插值：对二次截面求取的交点，沿截平面垂直 方向进行样条曲线插值，生成拟合曲线t_v，即新的刀位轨迹；

(6)刀位路径输出：所述生成的刀位轨迹通过NC代码输出，用于所述数控 机床对曲面工件的加工。

如图2所示，目前现有的CL路径法主要是通过构建三角网格曲面的等距偏 置面，再用截平面求取偏置面的刀位点，主要操作步骤包括：偏置三角网格模 型，截平面求取交点，样条曲线插值，刀位路径生成输出；因此只对刀位点沿 平行于截平面方向对刀位点进行样条曲线插值，生成的刀位路径加工的工件只 是沿该方向光滑连续，并且而在垂直于截平面方向上的刀位轨迹并无任何处理。

如图3所示，所述双向插值法子系统在原有方法的基础上，增加了沿垂直 于截平面方向的光滑处理，即使用一些列垂直于截平面的垂直面对截平面平行 方向插值得到的样条曲线进行二次截面求取交点，并对二次截取的交点进行样 条曲线插值，有效避免了沿垂直于截平面方向的光滑问题，提高了所述球头刀 具对所述曲面工件的加工质量，如图4所示。

进一步说明，所述等距偏置面的偏置距离为所述球头刀具的半径。

所述CL路径法适用于所述球头刀具的刀位路径的生成，通过构建三角网格 曲面的等距偏置面，所求取的刀位点位于所述等距偏置面上，则需要刀位点和 加工曲面的距离与所述球头刀具半径相等才能保证所述球头刀具对曲面工件的 加工，因此所述偏置距离为所述球头刀具半径。

进一步说明，所述垂直面通过牛顿逼近法或二分法对截平面方向上的样条 曲线的截取交点进行坐标求解。

所述牛顿逼近法可快速逼近所求根，而所述二分法也可快速查找到所求解， 两者广泛运用于计算机中，因此采用牛顿逼近法或二分法对截平面方向上的样 条曲线的截取交点进行坐标求解，提高了求取截取交点的效率，即提高了获得 所述刀位点的效率，准确而快速。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本 发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的 解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具 体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。