CN114117686A - 五轴加工中基于奇异区域规避实现刀轴矢量整体优化处理的方法、装置、处理器及存储介质 - Google Patents

五轴加工中基于奇异区域规避实现刀轴矢量整体优化处理的方法、装置、处理器及存储介质 Download PDF

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CN114117686A CN202111482315.0A CN202111482315A CN114117686A CN 114117686 A CN114117686 A CN 114117686A CN 202111482315 A CN202111482315 A CN 202111482315A CN 114117686 A CN114117686 A CN 114117686A
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cutter
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高华
郑之开
牟凤林
步飞军
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Nanjing Kaitong Automation Technology Co ltd
Shanghai Weihong Intelligent Technology Co ltd
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Nanjing Kaitong Automation Technology Co ltd
Shanghai Weihong Intelligent Technology Co ltd
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Abstract

本发明涉及一种五轴加工中基于奇异区域规避实现刀轴矢量整体优化处理的方法，包括以下步骤：建立单位球，将所有的刀轴矢量置于单位球上；定义奇异锥和锥度圆；对每个奇异锥内的刀轴矢量
Figure DDA0003395300310000011
过刀轴矢量的终点Pak作垂直于
Figure DDA0003395300310000012
的垂面；计算沿顺时针方向调整的角度θmk和沿逆时针方向调整的角度θnk；分别过所有刀轴矢量的终点Pn作垂直于
Figure DDA0003395300310000013
的垂面，与
Figure DDA0003395300310000014
相交于Rn点；将
Figure DDA0003395300310000015
沿顺时针方向或逆时针方向旋转调整；延长
Figure DDA0003395300310000016
旋转后的向量，得到处理后的刀轴矢量
Figure DDA0003395300310000017
采用了本发明的五轴加工中基于奇异区域规避实现刀轴矢量整体优化处理的方法、装置、处理器及其计算机可读存储介质，避免了只针对奇异锥内刀轴矢量处理时，奇异锥内与奇异锥外刀轴矢量的连续性光滑性遭到削减。

Description

五轴加工中基于奇异区域规避实现刀轴矢量整体优化处理的 方法、装置、处理器及存储介质
技术领域
本发明涉及数控加工领域，尤其涉及五轴联动加工领域，具体是指一种五轴加工中基于奇异区域规避实现刀轴矢量整体优化处理的方法、装置、处理器及其计算机可读存储介质。
背景技术
当前我国正处于制造业升级的关键阶段，随着5G、军工、航空航天等产业的快速发展，五轴加工的应用越来越广泛，其效果要求也越来越高。而奇异问题正是影响五轴加工效果的关键问题之一。
目前针对五轴加工奇异区域刀轴矢量的处理，其方法大都仅限于对奇异区域内的刀轴矢量进行优化，而对奇异区域外的刀轴矢量不做任何改变。此类方法虽然解决了刀轴矢量通过奇异区域的问题，但是由于没有对整条刀轨上的刀轴矢量做统一处理，导致牺牲了原刀轴矢量的一致性，进而影响到最终的加工效果。
发明内容
本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种满足一致性好、柔和性好、适用范围较为广泛的五轴加工中基于奇异区域规避实现刀轴矢量整体优化处理的方法、装置、处理器及其计算机可读存储介质。
为了实现上述目的，本发明的五轴加工中基于奇异区域规避实现刀轴矢量整体优化处理的方法、装置、处理器及其计算机可读存储介质如下：
该五轴加工中基于奇异区域规避实现刀轴矢量整体优化处理的方法，其主要特点是，所述的方法包括以下步骤：
(1)建立单位球，将所有的刀轴矢量置于单位球上；
(2)定义奇异锥和锥度圆，检查是否每个刀轴矢量是否都在奇异锥外，如果是，则直接结束；否则，继续步骤(3)；
(3)定义除
Figure BDA0003395300290000011
和
Figure BDA0003395300290000012
外其余的刀轴矢量为
Figure BDA0003395300290000013
在奇异锥内的刀轴矢量为
Figure BDA0003395300290000014
其中n≥1，k≥1；
(4)对每个奇异锥内的刀轴矢量
Figure BDA0003395300290000021
过刀轴矢量的终点Pak作垂直于
Figure BDA0003395300290000022
的垂面，与
Figure BDA0003395300290000023
相交于Qn点，与锥度圆相交于M、N两点；
(5)计算
Figure BDA0003395300290000024
相对于
Figure BDA0003395300290000025
沿顺时针方向调整的角度θmk，计算
Figure BDA0003395300290000026
相对于
Figure BDA0003395300290000027
沿逆时针方向调整的角度θnk；
(6)分别过所有刀轴矢量的终点Pn作垂直于
Figure BDA0003395300290000028
的垂面，与
Figure BDA0003395300290000029
相交于Rn点；
(7)根据调整角度进行判断，将
Figure BDA00033953002900000210
绕
Figure BDA00033953002900000211
沿顺时针方向或逆时针方向旋转调整；
(8)延长
Figure BDA00033953002900000212
旋转后的向量，交单位球面于P′n，得到处理后的刀轴矢量
Figure BDA00033953002900000213
较佳地，所述的步骤(7)具体为：
判断所有顺时针调整角度θmk中的最大值(θm)max是否小于所有逆时针调整角度θnk中的最大值(θn)max，如果是，则将
Figure BDA00033953002900000214
绕
Figure BDA00033953002900000215
沿顺时针方向旋转(θm)max；否则，将
Figure BDA00033953002900000216
绕
Figure BDA00033953002900000217
沿逆时针方向旋转(θn)max。
较佳地，所述的步骤(1)的刀轴矢量中的起始刀轴矢量为
Figure BDA00033953002900000218
终止刀轴矢量为
Figure BDA00033953002900000219
所述的起始刀轴矢量的终点S和终止刀轴矢量的终点E均在单位球的球面上。
较佳地，所述的步骤(2)具体包括以下步骤：
(2.1)定义极轴
Figure BDA00033953002900000220
定义与极轴
Figure BDA00033953002900000221
的夹角小于预设角度α的锥型区域为奇异锥，所述的奇异锥在单位球面上的边界圆为锥度圆；
(2.2)检查是否每个刀轴矢量是否都在奇异锥外，如果是，则直接结束；否则，继续步骤(3)。
该用于实现五轴加工中基于奇异区域规避的刀轴矢量整体优化处理的装置，其主要特点是，所述的装置包括：
处理器，被配置成执行计算机可执行指令；
存储器，存储一个或多个计算机可执行指令，所述的计算机可执行指令被所述的处理器执行时，实现上述的五轴加工中基于奇异区域规避实现刀轴矢量整体优化处理的方法的各个步骤。
该用于实现五轴加工中基于奇异区域规避的刀轴矢量整体优化的处理器，其主要特点是，所述的处理器被配置成执行计算机可执行指令，所述的计算机可执行指令被所述的处理器执行时，实现上述的五轴加工中基于奇异区域规避实现刀轴矢量整体优化处理的方法的各个步骤。
该计算机可读存储介质，其主要特点是，其上存储有计算机程序，所述的计算机程序可被处理器执行以实现上述的五轴加工中基于奇异区域规避实现刀轴矢量整体优化处理的方法的各个步骤。
采用了本发明的五轴加工中基于奇异区域规避实现刀轴矢量整体优化处理的方法、装置、处理器及其计算机可读存储介质，不同于传统的只针对奇异锥内的刀轴矢量进行处理，而是针对整条刀轨上的刀轴矢量进行处理。该方法避免了只针对奇异锥内刀轴矢量处理时，奇异锥内与奇异锥外刀轴矢量的连续性光滑性遭到削减。使得处理后的刀轴矢量更能保持原有刀轴矢量的相对变化特征，旋转轴的运动变化更加柔和。
附图说明
图1为本发明的五轴加工中基于奇异区域规避实现刀轴矢量整体优化处理的方法的位球、极轴、锥度圆、初始刀轴矢量、中间刀轴矢量、终止刀轴矢量的示意图。
图2为本发明的过R作垂直于
Figure BDA0003395300290000031
的垂面，交
Figure BDA0003395300290000032
为Q点且交锥度圆为M、N两点的示意图。
图3为本发明的将中间刀轴矢量由在锥度圆内的
Figure BDA0003395300290000033
最终调整为锥度圆边上的
Figure BDA0003395300290000034
的示意图。
图4为本发明的五轴加工中基于奇异区域规避实现刀轴矢量整体优化处理的方法的刀轨对应的刀轴矢量以及奇异锥示意图。
图5为本发明的五轴加工中基于奇异区域规避实现刀轴矢量整体优化处理的方法的处理后的刀轴矢量示意图。
图6为本发明的五轴加工中基于奇异区域规避实现刀轴矢量整体优化处理的方法的调整前后的刀轴矢量的C轴角度变化示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。
本发明的该五轴加工中基于奇异区域规避实现刀轴矢量整体优化处理的方法，其中包括以下步骤：
(1)建立单位球，将所有的刀轴矢量置于单位球上；
(2)定义奇异锥和锥度圆，检查是否每个刀轴矢量是否都在奇异锥外，如果是，则直接结束；否则，继续步骤(3)；
(3)定义除
Figure BDA0003395300290000035
和
Figure BDA0003395300290000036
外其余的刀轴矢量为
Figure BDA0003395300290000037
在奇异锥内的刀轴矢量为
Figure BDA0003395300290000038
其中n≥1，k≥1；
(4)对每个奇异锥内的刀轴矢量
Figure BDA0003395300290000039
过刀轴矢量的终点Pak作垂直于
Figure BDA00033953002900000310
的垂面，与
Figure BDA00033953002900000311
相交于Qn点，与锥度圆相交于M、N两点；
(5)计算
Figure BDA0003395300290000041
相对于
Figure BDA0003395300290000042
沿顺时针方向调整的角度θmk，计算
Figure BDA0003395300290000043
相对于
Figure BDA0003395300290000044
沿逆时针方向调整的角度θnk；
(6)分别过所有刀轴矢量的终点Pn作垂直于
Figure BDA0003395300290000045
的垂面，与
Figure BDA0003395300290000046
相交于Rn点；
(7)根据调整角度进行判断，将
Figure BDA0003395300290000047
绕
Figure BDA0003395300290000048
沿顺时针方向或逆时针方向旋转调整；
(8)延长
Figure BDA0003395300290000049
旋转后的向量，交单位球面于P′n，得到处理后的刀轴矢量
Figure BDA00033953002900000410
作为本发明的优选实施方式，所述的步骤(7)具体为：
判断所有顺时针调整角度θmk中的最大值(θm)max是否小于所有逆时针调整角度θnk中的最大值(θn)max，如果是，则将
Figure BDA00033953002900000411
绕
Figure BDA00033953002900000412
沿顺时针方向旋转(θm)max；否则，将
Figure BDA00033953002900000413
绕
Figure BDA00033953002900000414
沿逆时针方向旋转(θn)max。
作为本发明的优选实施方式，所述的步骤(1)的刀轴矢量中的起始刀轴矢量为
Figure BDA00033953002900000415
终止刀轴矢量为
Figure BDA00033953002900000416
所述的起始刀轴矢量的终点S和终止刀轴矢量的终点E均在单位球的球面上。
作为本发明的优选实施方式，所述的步骤(2)具体包括以下步骤：
(2.1)定义极轴
Figure BDA00033953002900000417
定义与极轴
Figure BDA00033953002900000418
的夹角小于预设角度α的锥型区域为奇异锥，所述的奇异锥在单位球面上的边界圆为锥度圆；
(2.2)检查是否每个刀轴矢量是否都在奇异锥外，如果是，则直接结束；否则，继续步骤(3)。
本发明的该用于实现五轴加工中基于奇异区域规避的刀轴矢量整体优化处理的装置，其中，所述的装置包括：
处理器，被配置成执行计算机可执行指令；
存储器，存储一个或多个计算机可执行指令，所述的计算机可执行指令被所述的处理器执行时，实现上述的五轴加工中基于奇异区域规避实现刀轴矢量整体优化处理的方法的各个步骤。
本发明的该用于实现五轴加工中基于奇异区域规避的刀轴矢量整体优化的处理器，其中，所述的处理器被配置成执行计算机可执行指令，所述的计算机可执行指令被所述的处理器执行时，实现上述的五轴加工中基于奇异区域规避实现刀轴矢量整体优化处理的方法的各个步骤。
本发明的该计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述的计算机程序可被处理器执行以实现上述的五轴加工中基于奇异区域规避实现刀轴矢量整体优化处理的方法的各个步骤。
本发明公开了一种五轴加工中规避奇异区域的刀轴矢量整体优化方法，对整条刀轨上的刀轴矢量进行了统一处理，使得加工过程中刀轴矢量在保持原有一致性的基础上始终位于奇异区域外，从而最终的加工效果得到有效保证。
本发明的五轴加工中基于奇异区域规避实现刀轴矢量整体优化处理的方法，其中，包括以下步骤：
1、建立单位球，球心为O，将所有的刀轴矢量置于该单位球上；其中起始刀轴矢量为
Figure BDA0003395300290000051
终止刀轴矢量为
Figure BDA0003395300290000052
S和E在单位球的球面上；
2、定义极轴
Figure BDA0003395300290000053
并设角度α，定义与
Figure BDA0003395300290000054
夹角小于α的锥型区域为奇异区域(奇异锥)，该奇异锥在单位球面上的边界圆称为锥度圆；
3、检查每个刀轴矢量是否都在奇异锥外。若是，则直接结束；否则转下一步骤；
4、设除去起止刀轴矢量
Figure BDA0003395300290000055
和
Figure BDA0003395300290000056
之外的所有刀轴矢量顺次为
Figure BDA0003395300290000057
在奇异锥内的所有刀轴矢量顺次为
Figure BDA0003395300290000058
5、对于刀轴矢量
Figure BDA0003395300290000059
过Pa1作垂直于
Figure BDA00033953002900000510
的垂面，交
Figure BDA00033953002900000511
为Q1点，交锥度圆为M、N两点；
6、将
Figure BDA00033953002900000512
视作参考方向，令
Figure BDA00033953002900000513
顺时针方向的为
Figure BDA00033953002900000514
逆时针方向的为
Figure BDA00033953002900000515
计算∠Pa1Q1M和∠Pa1Q1N的角度分别为θm与θn；
7、对刀轴矢量
Figure BDA00033953002900000516
也作上述步骤5与步骤6中的处理，计算出所有对应的角度值θm1、θm2…θmk以及θn1、θn2…θnk，并令(θm)max＝MAX(θm1，θm2…θmk)，(θn)max＝MAX(θn1，θn2…θnk)；
8、对于所有的刀轴矢量，分别过P1、P2…Pn作垂直于
Figure BDA00033953002900000517
的垂面，并交
Figure BDA00033953002900000518
为R1、R2…Rn点。
9、如果(θm)max<(θn)max，将
Figure BDA00033953002900000519
绕
Figure BDA00033953002900000520
顺时针旋转(θm)max；否则将
Figure BDA00033953002900000521
绕
Figure BDA00033953002900000522
逆时针旋转(θn)max；
10、将由
Figure BDA00033953002900000523
旋转后得到的向量进行延长，交单位球面于P1 ′、P2 ′…Pn ′。
11、
Figure BDA00033953002900000524
即为处理后得到的刀轴矢量。
本发明的具体实施方式中，给定一双摆头结构的五轴机床，其中主旋转轴C轴方向为[0,0,1]，辅旋转轴A轴方向为[1,0,0]，C＝0度、A＝0度时的刀轴矢量为[0,0,1]。此时极轴方向为[0,0,1]。设定与极轴小于5度以内的锥形区域为奇异锥。
给定一条穿过奇异锥的刀轨。该刀轨对应的刀轴矢量以及奇异锥如下图4中所示。
该刀轨共有144个点位，也就是总共有144个刀轴矢量。找出来其中在奇异锥内的刀轴矢量为序号50到序号60的共11个刀轴矢量。根据上述技术解决方案中的步骤5和6，计算得到各个刀轴矢量对应的θm、θn。具体如表1所示。
表1
Figure BDA0003395300290000061
由上表可知，(θm)max＝7.546331472°，(θn)max＝8.228448231°，(θm)max<(θn)max。
将原始的刀轴矢量作对应的顺时针方向的调整得到处理后的刀轴矢量，处理结果如图5中所示。可以看出，处理后的刀轴矢量恰好不经过奇异锥。
如图6所示，对比处理前与处理后刀轴矢量对应的C轴角度变化，可知处理后刀轴矢量对应的C轴角度变化明显比处理前的更加均匀与柔和。
本实施例的具体实现方案可以参见上述实施例中的相关说明，此处不再赘述。
可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行装置执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，相应的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
采用了本发明的五轴加工中基于奇异区域规避实现刀轴矢量整体优化处理的方法、装置、处理器及其计算机可读存储介质，不同于传统的只针对奇异锥内的刀轴矢量进行处理，而是针对整条刀轨上的刀轴矢量进行处理。该方法避免了只针对奇异锥内刀轴矢量处理时，奇异锥内与奇异锥外刀轴矢量的连续性光滑性遭到削减。使得处理后的刀轴矢量更能保持原有刀轴矢量的相对变化特征，旋转轴的运动变化更加柔和。
在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (7)

1.一种五轴加工中基于奇异区域规避实现刀轴矢量整体优化处理的方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：
(1)建立单位球，将所有的刀轴矢量置于单位球上；
(2)定义奇异锥和锥度圆，检查是否每个刀轴矢量是否都在奇异锥外，如果是，则直接结束；否则，继续步骤(3)；
(3)定义除
Figure FDA0003395300280000011
和
Figure FDA0003395300280000012
外其余的刀轴矢量为
Figure FDA0003395300280000013
在奇异锥内的刀轴矢量为
Figure FDA0003395300280000014
其中n≥1，k≥1；
(4)对每个奇异锥内的刀轴矢量
Figure FDA0003395300280000015
过刀轴矢量的终点Pak作垂直于
Figure FDA0003395300280000016
的垂面，与
Figure FDA0003395300280000017
相交于Qn点，与锥度圆相交于M、N两点；
(5)计算
Figure FDA0003395300280000018
相对于
Figure FDA0003395300280000019
沿顺时针方向调整的角度θmk，计算
Figure FDA00033953002800000110
相对于
Figure FDA00033953002800000111
沿逆时针方向调整的角度θnk；
(6)分别过所有刀轴矢量的终点Pn作垂直于
Figure FDA00033953002800000112
的垂面，与
Figure FDA00033953002800000113
相交于Rn点；
(7)根据调整角度进行判断，将
Figure FDA00033953002800000114
绕
Figure FDA00033953002800000115
沿顺时针方向或逆时针方向旋转调整；
(8)延长
Figure FDA00033953002800000116
旋转后的向量，交单位球面于P′n，得到处理后的刀轴矢量
Figure FDA00033953002800000117
2.根据权利要求1所述的五轴加工中基于奇异区域规避实现刀轴矢量整体优化处理的方法，其特征在于，所述的步骤(7)具体为：
判断所有顺时针调整角度θmk中的最大值(θm)max是否小于所有逆时针调整角度θnk中的最大值(θn)max，如果是，则将
Figure FDA00033953002800000118
绕
Figure FDA00033953002800000119
沿顺时针方向旋转(θm)max；否则，将
Figure FDA00033953002800000120
绕
Figure FDA00033953002800000121
沿逆时针方向旋转(θn)max。
3.根据权利要求1所述的五轴加工中基于奇异区域规避实现刀轴矢量整体优化处理的方法，其特征在于，所述的步骤(1)的刀轴矢量中的起始刀轴矢量为
Figure FDA00033953002800000122
终止刀轴矢量为
Figure FDA00033953002800000123
所述的起始刀轴矢量的终点S和终止刀轴矢量的终点E均在单位球的球面上。
4.根据权利要求1所述的五轴加工中基于奇异区域规避实现刀轴矢量整体优化处理的方法，其特征在于，所述的步骤(2)具体包括以下步骤：
(2.1)定义极轴
Figure FDA00033953002800000124
定义与极轴
Figure FDA00033953002800000125
的夹角小于预设角度α的锥型区域为奇异锥，所述的奇异锥在单位球面上的边界圆为锥度圆；
(2.2)检查是否每个刀轴矢量是否都在奇异锥外，如果是，则直接结束；否则，继续步骤(3)。
5.一种用于实现五轴加工中基于奇异区域规避的刀轴矢量整体优化处理的装置，其特征在于，所述的装置包括：
处理器，被配置成执行计算机可执行指令；
存储器，存储一个或多个计算机可执行指令，所述的计算机可执行指令被所述的处理器执行时，实现权利要求1至4中任一项所述的五轴加工中基于奇异区域规避实现刀轴矢量整体优化处理的方法的各个步骤。
6.一种用于实现五轴加工中基于奇异区域规避的刀轴矢量整体优化的处理器，其特征在于，所述的处理器被配置成执行计算机可执行指令，所述的计算机可执行指令被所述的处理器执行时，实现权利要求1至4中任一项所述的五轴加工中基于奇异区域规避实现刀轴矢量整体优化处理的方法的各个步骤。
7.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有计算机程序，所述的计算机程序可被处理器执行以实现权利要求1至4中任一项所述的五轴加工中基于奇异区域规避实现刀轴矢量整体优化处理的方法的各个步骤。
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