DE102022101000A1

DE102022101000A1 - Verfahren zum Erzeugen einer CAM-orientierten Zeit-Spline-Kurve und -Oberfläche

Info

Publication number: DE102022101000A1
Application number: DE102022101000.7A
Authority: DE
Inventors: Liyong Shen; Chunming Yuan; Xiaoshan Gao; Qin Wu; Shitao He
Original assignee: University of Chinese Academy of Sciences; Academy of Mathematics and Systems Science of CAS
Current assignee: University of Chinese Academy of Sciences; Academy of Mathematics and Systems Science of CAS
Priority date: 2021-12-10
Filing date: 2022-01-17
Publication date: 2023-06-15
Anticipated expiration: 2042-01-18
Also published as: DE102022101000B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum Erzeugen einer CAM-orientierten Zeit-Spline-Kurve und -Oberfläche. Die Ausgestaltung umfasst: Schritt S1: Voreinstellen eines Resthöhenfehlers E, Bestimmen einer ersten Anzahl von Werkzeugwegen auf der anfänglichen Oberfläche S(u,v) basierend auf der Beschränkung des Resthöhenfehlers E und Umwandeln jedes der ersten Anzahl von Werkzeugwegen in eine Zeit-Spline-Kurve, um die erste Anzahl von Zeit-Spline-Kurven zu erhalten; Schritt S2: Diskretisieren der ersten Anzahl von Zeit-Spline-Kurven in eine Punktspalte gemäß einem voreingestellten Zeitschritt und Durchführen einer Oberflächenrekonstruktion für die Punktspalte, um eine Oberfläche mit Zeit und Resthöhenfehler als Parameter zu erhalten; und Schritt S3: Erzeugen eines Werkzeugweges für die Oberfläche mit Zeit und Resthöhenfehler als Parameter gemäß der Resthöhenbeschränkung Emder Bearbeitungsanforderungen und Verwenden einer Zeit-Spline-Kurve, die die Resthöhenbeschränkung Emund die dynamische Leistungsbeschränkung der Werkzeugmaschine erfüllt, als Werkzeugweg. Die technische Lösung der Erfindung kann eine Zeit-Spline-Oberfläche erzeugen, die nicht nur die Bearbeitungseffizienz und Bearbeitungsgenauigkeit erfüllen, sondern auch den Echtzeit-Bearbeitungsanforderungen gerecht werden kann.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Anmeldung betrifft das technische Gebiet der CNC-Werkzeugmaschinen, insbesondere ein Verfahren zum Erzeugen einer CAM-orientierten Zeit-Spline-Kurve und -Oberfläche.
STAND DER TECHNIK
Wenn CNC-Werkzeugmaschinen komplexe gekrümmte Oberflächen bearbeiten, diskretisieren sie im Allgemeinen komplexe gekrümmte Oberflächen in eine große Anzahl kontinuierlicher Polyliniensegmente oder glatter Kurven und geben Polyliniensegmente oder Kurven als Werkzeugbearbeitungsweg zur Bearbeitung in ein CNC-System ein. Obwohl ein derartiges Verarbeitungsverfahren kontinuierlicher Polyliniensegmente einfach zu berechnen ist und eine Echtzeitverarbeitung realisieren kann, ist die Menge der eingegebenen Daten groß und dabei ist häufiges Starten bzw. Stoppen zu erwarten, wenn die Bearbeitung an einer Ecke erfolgt, und die Verarbeitungseffizienz ist relativ gering. Eine andere Methode ist die Hochgeschwindigkeits- und Hochgenauigkeitsbearbeitung, bei der im Allgemeinen ein Werkzeugweg einer Spline-Kurve für die Bearbeitung verwendet wird. Obwohl die Spline-Kurve die Vorteile einer geringen Datenmenge und einer glatten Bearbeitungstrajektorie im Vergleich zu diskreten Polyliniensegmenten und gleichzeitig höhere Bearbeitungseffizienz, da kein häufiges Starten und Stoppen erforderlich ist, aufweist, ist jedoch sowohl bei der Polyliniensegmentbearbeitung als auch bei der Spline-Kurvenbearbeitung eine Geschwindigkeitsplanung während der CNC-Bearbeitung erforderlich, so dass die Bearbeitungstrajektorie nicht nur die Bearbeitungsfehleranforderungen, sondern auch die dynamischen Leistungsbeschränkungen der Werkzeugmaschine erfüllt. Die bestehenden Spline-Interpolationsalgorithmen erfordern zwei Prozesse, nämlich Geschwindigkeitsplanung und Interpolationsberechnung, im numerischen Steuerungssystem, und es ist schwierig, die Echtzeitanforderungen zu erfüllen.
Daher ist es notwendig, ein Verfahren zum Erzeugen einer Zeit-Spline-Oberfläche, die nicht nur die Bearbeitungseffizienz und Bearbeitungsgenauigkeit erfüllen, sondern auch den Echtzeit-Bearbeitungsanforderungen gerecht werden kann, bereitzustellen.
Offenbarung der Erfindung
Dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Beschreibung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verfahren zum Erzeugen einer CAM-orientierten Zeit-Spline-Kurve und -Oberfläche und eine zugehörige Vorrichtung bereitzustellen, um ein Verfahren zum Erzeugen einer Zeit-Spline-Oberfläche, die nicht nur die Bearbeitungseffizienz und Bearbeitungsgenauigkeit erfüllen, sondern auch den Echtzeit-Bearbeitungsanforderungen gerecht werden kann, zu schaffen.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Beschreibung wird die Aufgabe gelöst durch Folgendes:

Das Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung stellt ein Verfahren zum Erzeugen einer CAM-orientierten Zeit-Spline-Kurve und -Oberfläche bereit, das Folgendes umfasst:
- Schritt S1: Voreinstellen eines Resthöhenfehlers E, Bestimmen einer ersten Anzahl von Werkzeugwegen auf der anfänglichen Oberfläche S (u, v) basierend auf der Beschränkung des Resthöhenfehlers E und Umwandeln jedes der ersten Anzahl von Werkzeugwegen in eine Zeit-Spline-Kurve, um die erste Anzahl von Zeit-Spline-Kurven zu erhalten;
- Schritt S2: Diskretisieren der ersten Anzahl von Zeit-Spline-Kurven in eine Punktspalte gemäß einem voreingestellten Zeitschritt und Durchführen einer Oberflächenrekonstruktion für die Punktspalte, um eine Oberfläche mit Zeit und Resthöhenfehler als Parameter zu erhalten;
- Schritt S3: Erzeugen eines Werkzeugweges für die Oberfläche mit Zeit und Resthöhenfehler als Parameter gemäß der Resthöhenbeschränkung E_m der Bearbeitungsanforderungen und Verwenden einer Zeit-Spline-Kurve, die die Resthöhenbeschränkung E_m und die dynamische Leistungsbeschränkung der Werkzeugmaschine erfüllt, als Werkzeugweg.

Vorzugsweise umfasst der Schritt S1 konkret Folgendes:

Schritt S11: Umwandeln einer anfänglichen Parameterkurve S(u,v) gemäß der dynamischen Leistung der Werkzeugmaschine und der Bearbeitungsfehlerbeschränkung in eine zeitbasierte Kurve r₀(t) basierend auf der anfänglichen Oberfläche r₀ (u) |_v=0;
Schritt S12: Berechnen einer Bandbreite d_t,j(t,E) (wobei j = 1, 2,..., n), die die Restfehlerbeschränkung E erfüllt, in der Parameterrichtung v unter Verwendung der Kurve r₀(u) | _v=0 als Anfangskurve;
Schritt S13: Berechnen eines Werkzeugweges r_j, der die Kurve r₀(u) | _v=0 als anfängliche Werkzeugtrajektorie verwendet und die Resthöhenfehlerbeschränkung E erfüllt, gemäß der Bandbreite d_t,j(t, E) ,

Umwandeln des Werkzeugweges r_jgemäß der dynamischen Leistung der Werkzeugmaschine und der Bearbeitungsfehlerbeschränkung in eine zeitbasierte Kurve r(t)_j;

Schritt S14: Wiederholen des Schritts S13, bis die gesamte Oberfläche der anfänglichen Oberfläche S(u,v) abgedeckt ist.

Vorzugsweise umfasst der Schritt S11 konkret Folgendes:

S111: Umwandeln der Datenpunkte in einem Werkstückkoordinatensystem gemäß den Strukturparametern der Werkzeugmaschine in ein Werkzeugmaschinenkoordinatensystem und Durchführen einer Kurvenanpassung der Datenpunkte in dem Werkzeugmaschinenkoordinatensystem, um eine angepasste Kurve zu erhalten;
S 112: Diskretisieren der angepassten Kurve in Schritt S 111, Erhalten eines diskreten Punkts, Umwandeln des diskreten Punkts in das Werkstückkoordinatensystem und Berechnen des Hausdorff -Abstands zwischen der Kurve in dem Werkstückkoordinatensystem und dem diskreten Punkt;
S113: Einstellen der angepassten Kurve in Schritt S111, so dass der Hausdorff - Abstand die Fehlerbeschränkung erfüllt;
S114: Umwandeln der angepassten Kurve in Schritt S113 in eine Zeit-basierten Kurve;
S 115: Feststellen, ob die Zeit-Spline-Kurve in Schritt S114 die dynamische Leistungsbeschränkung jeder Antriebswelle der Werkzeugmaschine erfüllt, wobei die dynamische Leistungsbeschränkung eine Geschwindigkeitsbeschränkung, eine Beschleunigungsbeschränkung und eine Ruckbeschränkung umfasst;
S116: Verwenden eines Verfahrens zum Erhöhen der Anzahl an Knoten oder zum Reduzieren des Zeitparameterbereichs, um eine praktikable Lösung zu erhalten, wenn die dynamische Leistungsbeschränkung in Schritt S115 nicht erfüllt ist;
S117: Iterative Optimierung der praktikablen Lösung, die durch Schritt S 116 erhalten wird, um eine zeitoptimale Zeit-Spline-Kurve zu erhalten, die die dynamische Leistung und den Bearbeitungsfehler erfüllt.

Vorzugsweise umfasst der Schritt S2 konkret Folgendes:

Schritt S21: Erhalten einer diskreten Punktspalte P{p_i,j,i = 1, ..., m; j = 1,..., n} auf der gesamten diskreten Oberfläche gemäß einem voreingestellten Zeitschritt δt;
Schritt S22: Durchführen einer Oberflächenrekonstruktion gemäß der diskreten Punktspalte P{p_i,j,i = 1, ..., m; j = 1,..., n} , um eine rekonstruierte Oberfläche S(t,d_t,j(t,E)) zu erhalten, so dass sich alle diskreten Punktspalten P {p_i,j, i = 1, ..., m; j = 1,..., n} auf der rekonstruierten Oberfläche S (t,d_t,j(t, E)) befinden und die Fehlerbeschränkung des Hausdorff -Abstands im diskreten Sinne mit der anfänglichen Oberfläche S(u,v) erfüllt.

Vorzugsweise umfasst der Schritt S3 konkret Folgendes:

Schritt S31: Aufzeichnen der einzelnen Zeit-Spline-Kurven r(t)_j, die den diskreten Punktspalten in Schritt S2 entsprechen;
Schritt S32: Zuordnen der Parameter der Zeit-basierten Spline-Kurve r(t)_j zu denen der rekonstruierten Oberfläche S(t,d_t,j(t,E));
Schritt S33: Bestimmen des Intervalls der neuen Zeit-Spline-Kurve basierend auf der Größenbeziehung zwischen der Resthöhenbeschränkung E_m , die für die tatsächliche Verarbeitung erforderlich ist, und dem voreingestellten Resthöhenfehler E;
Schritt S34: Bestimmen der Zeit-Spline-Kurve, die in Schritt S1 benachbart zu der neuen Zeit-Spline-Kurve erhalten wird, basierend auf der Intervallgröße der neuen Zeit-Spline-Kurve und Durchführen einer linearen Interpolation gemäß der benachbarten Zeit-Spline-Kurve, die in dem Schritt S1 erhalten wird, um eine neue Zeit-Spline-Kurve zu bestimmen;
Schritt S35: Optimieren der neuen Zeit-Spline-Kurve, die durch Schritt S34 erhalten wird, so dass der optimierte Werkzeugweg die dynamische Leistung und die Fehlerbeschränkung der Werkzeugmaschine erfüllt.

Gleichzeitig stellt die vorliegende Erfindung ferner eine Vorrichtung zum Erzeugen einer CAM-orientierten Zeit-Spline-Kurve und -Oberfläche bereit, die Folgendes umfasst:

ein Zeit-Spline-Kurvenerzeugungsmodul zum Voreinstellen eines Resthöhenfehlers E, zum Bestimmen einer ersten Anzahl von Werkzeugwegen auf einer anfänglichen Oberfläche S(u,v) basierend auf der Beschränkung des Resthöhenfehlers E und zum Umwandeln jedes der ersten Anzahl von Werkzeugwegen in eine Zeit-Spline-Kurve, um die erste Anzahl von Zeit-Spline-Kurven zu erhalten;
ein Oberflächenrekonstruktionsmodul zum Diskretisieren der ersten Anzahl von Zeit-Spline-Kurven in eine Punktspalte gemäß einem voreingestellten Zeitschritt und zum Durchführen einer Oberflächenrekonstruktion an der Punktspalte, um eine Oberfläche mit Zeit- und Resthöhenfehlern als Parameter zu erhalten;
ein Werkzeugentfernungserzeugungsmodul zum Erzeugen eines Werkzeugweges für die Oberfläche mit Zeit- und Resthöhenfehlern als Parameter gemäß der Resthöhenbeschränkung E_m der Bearbeitungsanforderungen, wobei eine Zeit-Spline-Kurve, die die Resthöhenbeschränkung E_m und die dynamische Leistungsbeschränkung der Werkzeugmaschine erfüllt, als Werkzeugweg verwendet wird.

Mit mindestens einem der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Beschreibung können die folgenden vorteilhaften Auswirkungen erreicht werden:

Wenn mit der technischen Lösung der Erfindung komplexe gekrümmte Oberflächen bearbeitet werden, kann eine Zeit-Spline-Kurve automatisch als Werkzeugweg auf der zu bearbeitenden komplexen gekrümmten Oberfläche gemäß dem Resthöhenfehler erzeugt werden. Daher kann die gekrümmte Oberfläche, die nach der Rekonstruktion der erzeugten Zeit-Spline-Oberfläche erhalten wird, als eine Zeit-Spline-Oberfläche betrachtet werden. Die Zeit-Spline-Oberfläche kann automatisch einen Werkzeugweg gemäß dem Resthöhenfehler erzeugen und kann beim Erzeugen des Werkzeugweges nicht nur die Anforderungen des Resthöhenfehlers erfüllen, sondern auch eine einfache und schnelle Berechnung durchführen. Zusätzlich hat der erzeugte Werkzeugweg die Vorteile der Spline-Kurvenbearbeitung, nämlich hinsichtlich der Datenmenge, des glatten Weges und der hohen Verarbeitungseffizienz. Gleichzeitig erfüllt die Zeit-Spline-Kurve die Anforderungen der dynamischen Leistung und des Bearbeitungsfehlers der Werkzeugmaschine. Die Zeit wird als Parameter herangezogen und es nicht notwendig, eine Geschwindigkeitsplanung der Spline-Kurve durchzuführen. Vielmehr wird direkt eine Interpolationsberechnung gemäß den Zeitparametern durchgeführt. Somit werden die Vorteile einer einfachen und bequemen Berechnung erreicht. Die Echtzeit-Bearbeitungsanforderungen der Werkzeugmaschine können erfüllt werden und die Eigenschaften von hoher Geschwindigkeit und hoher Präzision werden erreicht. Die Zeit-Spline-Oberfläche, die durch die vorliegende Erfindung erzeugt wird, integriert die Arbeit der Geschwindigkeitsplanung im CNC-System. Basierend auf der Oberfläche können die Werkzeugwegerzeugung und die Geschwindigkeitsplanung miteinander kombiniert werden, was nicht nur die Rechenkomplexität der Werkzeugwegerzeugung reduziert, sondern auch die Berechnungseffizienz des Geschwindigkeitsplanungsalgorithmus effektiv verbessert, womit die endgültige Hochgeschwindigkeits- und Hochbearbeitungsanforderung erfüllt und schließlich die Bearbeitung komplexer gekrümmter Oberflächen erreicht wird.

Figurenliste
Zur besseren Erläuterung der technischen Lösung bei den Ausführungsbeispielen nach der vorliegenden Beschreibung oder im Stand der Technik werden nachfolgend bei der Erläuterung der Ausführungsbeispiele oder des Stands der Technik verwendete beiliegende Zeichnungen kurz beschrieben, wobei es sich versteht, dass die nachstehenden Zeichnungen lediglich einige Ausführungsbeispiele der Anmeldung darstellen und es für Durchschnittsfachleute auf diesem Gebiet möglich ist, ohne erfinderische Tätigkeiten anhand solcher Zeichnungen weitere Zeichnungen zu erhalten. Darin zeigen

1 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Erzeugen einer CAM-orientierten Zeit-Spline-Kurve und -Oberfläche gemäß der technischen Lösung des Ausführungsbeispiels der vorliegenden Beschreibung,
2 eine schematische Darstellung der mehreren Werkzeugwege, die keine Zeitparameter enthalten und gemäß einem voreingestellten Resthöhenfehler E auf der anfänglichen Oberfläche bestimmt werden, in der technischen Lösung des Ausführungsbeispiels der vorliegenden Beschreibung
3 eine schematische Darstellung des Umwandlungseffekts des Umwandelns eines Werkzeugweges, der keinen Zeitparameter enthält, in eine Zeit-Spline-Kurve, die eine Restfehlerbeschränkung und einen Zeitparameter enthält, in der technischen Lösung des Ausführungsbeispiels der vorliegenden Beschreibung,
4 eine schematische Darstellung des Rekonstruktionseffekts der Rekonstruktion mehrerer Zeit-Spline-Kurven in eine Oberfläche in der technischen Lösung des Ausführungsbeispiels der vorliegenden Beschreibung,
5 eine schematische Darstellung des Vergleichs der anfänglichen Oberfläche mit der rekonstruierten Oberfläche in der technischen Lösung des Ausführungsbeispiels der vorliegenden Beschreibung,
6 eine schematische strukturelle Darstellung einer Vorrichtung zum Erzeugen einer CAM-orientierten Zeit-Spline-Kurve und -Oberfläche gemäß der technischen Lösung des Ausführungsbeispiels der vorliegenden Beschreibung.

KONKRETE AUSFÜHRUNGSFORMEN
Zum besseren Verständnis der Aufgabe, der Ausgestaltung und der Vorteile eines oder mehrerer Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend die Ausgestaltungen eines oder mehrerer Ausführungsbeispiele nach der vorliegenden Beschreibung anhand beiliegender Zeichnungen und konkreter Ausführungsbeispiele der Beschreibung vollständig und klar erläutert. Es versteht sich, dass die beschriebenen Ausführungsbeispiele lediglich einen Teil der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Beschreibung anstatt sämtlicher Ausführungsbeispiele darstellen. Alle anderen Ausführungsbeispiele, die von Durchschnittsfachleuten auf diesem Gebiet anhand der Ausführungsbeispiele der Beschreibung ohne erfinderische Tätigkeiten erhalten werden, gehören ebenfalls zu dem Schutzumfang eines oder mehrerer Ausführungsbeispiele der Beschreibung.
Wie oben aufgeführt, werden beim Bearbeiten komplexer gekrümmter Oberflächen mit CNC-Werkzeugmaschinen im Allgemeinen komplexe gekrümmte Oberflächen in eine große Anzahl kontinuierlicher Polyliniensegmente oder glatter Kurven diskretisiert, die als Werkzeugbearbeitungsweg zur Bearbeitung in ein CNC-System eingegeben werden. Dabei ist die Menge der Bearbeitungsdaten kontinuierlicher Polyliniensegmente groß und häufiges Starten bzw. Stoppen ist an Ecken zu erwarten, was zu einer geringen Bearbeitungseffizienz führt. Daher ist es notwendig, ein Verfahren zum Erzeugen einer-Spline-Oberfläche, die nicht nur die Bearbeitungseffizienz erfüllen, sondern auch den Bearbeitungsgenauigkeitsanforderungen gerecht werden kann, bereitzustellen.
Die Ausgestaltungen der einzelnen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Beschreibung werden nachfolgend im Detail anhand der Zeichnungen beschrieben.
1 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Erzeugen einer CAM-orientierten Zeit-Spline-Kurve und -Oberfläche gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Beschreibung. Aus Programmsicht kann der Ablauf durch ein Programm ausgeführt sein, das auf einem Anwendungsserver oder einem Anwendungsendgerät installiert ist.
Wie in 1 gezeigt, kann der Ablauf die folgenden Schritte umfassen:

Schritt S1: Voreinstellen eines Resthöhenfehlers E, Bestimmen einer ersten Anzahl von Werkzeugwegen auf der anfänglichen Oberfläche S (u, v) basierend auf der Beschränkung des Resthöhenfehlers E und Umwandeln jedes der ersten Anzahl von Werkzeugwegen in eine Zeit-Spline-Kurve, um die erste Anzahl von Zeit-Spline-Kurven zu erhalten.

Wie in 2 gezeigt, steht S(u,v) für die anfängliche Oberfläche, auf der mehrere Werkzeugwege bestimmt werden. Der Werkzeugweg ist mit S_i gekennzeichnet. Wie in 3 gezeigt, wird am Beispiel eines der Werkzeugwege dieser Werkzeugweg der Werkzeugweg S_i der keine Zeitparameter enthält, in eine Zeit-Spline-Kurve D(t,E_i) umgewandelt, die eine Beschränkung des Restfehlers E und einen Zeitparameter enthält, und schließlich werden, wie in der linken Hälfte von 4 gezeigt, Zeit-Spline-Kurven erhalten, die Beschränkungen des Restfehlers E und Zeitparameter enthalten und deren Anzahl der Anzahl der Werkzeugwege in 2 entspricht.
Schritt S2: Diskretisieren der ersten Anzahl von Zeit-Spline-Kurven in eine Punktspalte gemäß einem voreingestellten Zeitschritt und Durchführen einer Oberflächenrekonstruktion für die Punktspalte, um eine Oberfläche mit Zeit und Resthöhenfehler als Parameter zu erhalten.
Wie in 4 gezeigt, wird eine Interpolationszeit in diesem Schritt eingestellt und alle Zeit-Spline-Kurven, die in Schritt S1 erhalten werden, werden in Punktspalten diskretisiert, basierend auf denen eine Oberflächenrekonstruktion durchgeführt wird, womit die in der rechten Hälfte von 4 gezeigte Oberfläche erhalten wird, die die Zeit und den Resthöhenfehler als Parameter verwendet.
Schritt S3: Erzeugen eines Werkzeugweges für die Oberfläche mit Zeit und Resthöhenfehler als Parameter gemäß der Resthöhenbeschränkung E_m der Bearbeitungsanforderungen und Verwenden einer Zeit-Spline-Kurve, die die Resthöhenbeschränkung E_m und die dynamische Leistungsbeschränkung der Werkzeugmaschine erfüllt, als Werkzeugweg.
Die Oberflächenrekonstruktion wurde in Schritt S2 durchgeführt. Somit wird eine Oberfläche mit Zeit und Resthöhenfehler als Parametern erhalten. Nachdem für die rekonstruierte Oberfläche gemäß der Resthöhenbeschränkung E_m der Bearbeitungsanforderungen ein Werkzeugweg erzeugt wurde, wird die erhaltene Zeit-Spline-Kurve, die die Resthöhenbeschränkung E_m und die dynamische Leistungsbeschränkung der Werkzeugmaschine erfüllen kann, als der Werkzeugweg verwendet, womit die Bearbeitungsanforderungen der CNC-Werkzeugmaschine für die komplexe Oberfläche erfüllt werden können. Wie in 5 gezeigt, zeigt die linke Hälfte von 5 schematisch die anfängliche Oberfläche in 2 (um diese anfängliche Oberfläche klar mit der rekonstruierten Oberfläche zu vergleichen, ist in 5 kein Bezugszeichen dargestellt), und die rechte Hälfte schematisch die rekonstruierte Oberfläche. Es ist ersichtlich, dass es nur einen kleinen Unterschied in der Form der beiden Oberflächen gibt, der innerhalb des Fehlerbereichs der Bearbeitung komplexer Oberflächen liegt.
Wenn mit der technischen Lösung der Erfindung komplexe gekrümmte Oberflächen bearbeitet werden, kann somit eine Zeit-Spline-Kurve automatisch als Werkzeugweg auf der zu bearbeitenden komplexen gekrümmten Oberfläche gemäß dem Resthöhenfehler erzeugt werden. Daher kann die gekrümmte Oberfläche, die nach der Rekonstruktion der erzeugten Zeit-Spline-Oberfläche erhalten wird, als eine Zeit-Spline-Oberfläche betrachtet werden. Die Zeit-Spline-Oberfläche kann automatisch einen Werkzeugweg gemäß dem Resthöhenfehler erzeugen und kann beim Erzeugen des Werkzeugweges nicht nur die Anforderungen des Resthöhenfehlers erfüllen, sondern auch eine einfache und schnelle Berechnung durchführen. Zusätzlich hat der erzeugte Werkzeugweg die Vorteile der Spline-Kurvenbearbeitung, nämlich hinsichtlich der Datenmenge, des glatten Weges und der hohen Verarbeitungseffizienz. Gleichzeitig erfüllt die Zeit-Spline-Kurve die Anforderungen der dynamischen Leistung und des Bearbeitungsfehlers der Werkzeugmaschine. Die Zeit wird als Parameter herangezogen und es nicht notwendig, eine Geschwindigkeitsplanung der Spline-Kurve durchzuführen. Vielmehr wird direkt eine Interpolationsberechnung gemäß den Zeitparametern durchgeführt. Somit werden die Vorteile einer einfachen und bequemen Berechnung erreicht. Die Echtzeit-Bearbeitungsanforderungen der Werkzeugmaschine können erfüllt werden und die Eigenschaften von hoher Geschwindigkeit und hoher Präzision werden erreicht. Die Zeit-Spline-Oberfläche, die durch die vorliegende Erfindung erzeugt wird, integriert die Arbeit der Geschwindigkeitsplanung im CNC-System. Basierend auf der Oberfläche können die Werkzeugwegerzeugung und die Geschwindigkeitsplanung miteinander kombiniert werden, was nicht nur die Rechenkomplexität der Werkzeugwegerzeugung reduziert, sondern auch die Berechnungseffizienz des Geschwindigkeitsplanungsalgorithmus effektiv verbessert, womit die endgültige Hochgeschwindigkeits- und Hochbearbeitungsanforderung erfüllt und schließlich die Bearbeitung komplexer gekrümmter Oberflächen erreicht wird.
In einer Weiterbildung umfasst der Schritt S1 konkret Folgendes:

Schritt S11: Umwandeln einer anfänglichen Parameterkurve S(u,v) gemäß der dynamischen Leistung der Werkzeugmaschine und der Bearbeitungsfehlerbeschränkung in eine zeitbasierte Kurve r₀(t) basierend auf der anfänglichen Oberfläche r₀(u) |_v=0;
Schritt S12: Berechnen einer Bandbreite d_t,j(t,E^ (wobei j = 1, 2,..., n), die die Restfehlerbeschränkung E erfüllt, in der Parameterrichtung v unter Verwendung der Kurve r₀(u) |_v=0 als Anfangskurve;
Schritt S13: Berechnen eines Werkzeugweges r_j, der die Kurve r₀(u) |_v=0 als anfängliche Werkzeugtrajektorie verwendet und die Resthöhenfehlerbeschränkung E erfüllt, gemäß der Bandbreite d_t,j(t,E) ,
Umwandeln des Werkzeugweges r_jgemäß der dynamischen Leistung der Werkzeugmaschine und der Bearbeitungsfehlerbeschränkung in eine zeitbasierte Kurve r(t)_j;
Schritt S14: Wiederholen des Schritts S13, bis die gesamte Oberfläche der anfänglichen Oberfläche S(u,v) abgedeckt ist.

In einer Weiterbildung umfasst der Schritt S11 konkret Folgendes:

S111: Umwandeln der Datenpunkte in einem Werkstückkoordinatensystem gemäß den Strukturparametern der Werkzeugmaschine in ein Werkzeugmaschinenkoordinatensystem und Durchführen einer Kurvenanpassung der Datenpunkte in dem Werkzeugmaschinenkoordinatensystem, um eine angepasste Kurve zu erhalten;
S112: Diskretisieren der angepassten Kurve in Schritt S111, Erhalten eines diskreten Punkts, Umwandeln des diskreten Punkts in das Werkstückkoordinatensystem und Berechnen des Hausdorff -Abstands zwischen der Kurve in dem Werkstückkoordinatensystem und dem diskreten Punkt;
S113: Einstellen der angepassten Kurve in Schritt S111, so dass der Hausdorff - Abstand die Fehlerbeschränkung erfüllt;
S114: Umwandeln der angepassten Kurve in Schritt S113 in eine Zeit-basierten Kurve;
S115: Feststellen, ob die Zeit-Spline-Kurve in Schritt S114 die dynamische Leistungsbeschränkung jeder Antriebswelle der Werkzeugmaschine erfüllt, wobei die dynamische Leistungsbeschränkung eine Geschwindigkeitsbeschränkung, eine Beschleunigungsbeschränkung und eine Ruckbeschränkung umfasst;

Konkret wird in diesem Schritt angenommen, dass das Symbol ƒ(t) für eine Kurve mit der Zeit als Parameter steht und die dynamischen Leistungsbeschränkungen Geschwindigkeitsbeschränkungen, Beschleunigungsbeschränkungen und Ruckbeschränkungen umfassen, was wie folgt ausgedrückt werden kann: ${\begin{matrix} | ƒ_{Ω}^{'} (t) | \leq V_{Ω max}, \\ | ƒ_{Ω}^{"} (t) | \leq V_{Ω max}, \\ | ƒ_{Ω}^{"'} (t) | \leq V_{Ω max} \end{matrix}$
Dabei stehen Ω für die X-, Y-, Z-, A- und C-Achsen, V_Ωmax für die Geschwindigkeitsgrenze, A_Ωmax für die Beschleunigungsgrenze, J_Ωmax für die Ruckgrenze, X, Y, Z für die drei Translationsachsen im Werkzeugmaschinenkoordinatensystem und A, C für zwei Rotationsachsen. Die A-Achse kann um die X-Achse gedreht werden und die C-Achse kann um die Z-Achse gedreht werden.
S116: Verwenden eines Verfahrens zum Erhöhen der Anzahl an Knoten oder zum Reduzieren des Zeitparameterbereichs, um eine praktikable Lösung zu erhalten, wenn die dynamische Leistungsbeschränkung in Schritt S115 nicht erfüllt ist;
S117: Iterative Optimierung der praktikablen Lösung, die durch Schritt S 116 erhalten wird, um eine zeitoptimale Zeit-Spline-Kurve zu erhalten, die die dynamische Leistung und den Bearbeitungsfehler erfüllt.
In einer Weiterbildung umfasst der Schritt S2 konkret Folgendes:

Schritt S21: Erhalten einer diskreten Punktspalte P{p_i,j, i,= 1, ..., m; j = 1,..., n} auf der gesamten diskreten Oberfläche gemäß einem voreingestellten Zeitschritt δt;
Schritt S22: Durchführen einer Oberflächenrekonstruktion gemäß der diskreten Punktspalte P{p_i,j,i = 1, ..., m; j = 1,..., n} , um eine rekonstruierte Oberfläche S(t,d_t,j(t,E)) zu erhalten, so dass sich alle diskreten Punktspalten P {p_i,j, i = 1, ..., m; j = 1,..., n} auf der rekonstruierten Oberfläche S (t, d_t,j(t, E)) befinden und die Fehlerbeschränkung des Hausdorff -Abstands im diskreten Sinne mit der anfänglichen Oberfläche S(u,v) erfüllt.

In einer Weiterbildung umfasst der Schritt S3 konkret Folgendes:

Schritt S31: Aufzeichnen der einzelnen Zeit-Spline-Kurven r(t)_j, die den diskreten Punktspalten in Schritt S2 entsprechen;
Schritt S32: Zuordnen der Parameter der Zeit-basierten Spline-Kurve r(t)_j zu denen der rekonstruierten Oberfläche S(t,d_t,j(t,E));
Schritt S33: Bestimmen des Intervalls der neuen Zeit-Spline-Kurve, nämlich der neuen Bandbreite, basierend auf der Größenbeziehung zwischen der Resthöhenbeschränkung E_m, die für die tatsächliche Verarbeitung erforderlich ist, und dem voreingestellten Resthöhenfehler E;
Schritt S34: Bestimmen der Zeit-Spline-Kurve, die in Schritt S1 benachbart zu der neuen Zeit-Spline-Kurve erhalten wird, basierend auf der Intervallgröße der neuen Zeit-Spline-Kurve und Durchführen einer linearen Interpolation gemäß der benachbarten Zeit-Spline-Kurve, die in dem Schritt S1 erhalten wird, um eine neue Zeit-Spline-Kurve zu bestimmen;
Schritt S35: Optimieren der neuen Zeit-Spline-Kurve, die durch Schritt S34 erhalten wird, so dass der optimierte Werkzeugweg die dynamische Leistung und die Fehlerbeschränkung der Werkzeugmaschine erfüllt.

In der technischen Lösung der Erfindung kann mittels des Spline-Kurvenwerkzeugweges mit Zeit als Parameter die Interpolationsberechnung direkt gemäß dem Zeitparameter auf der Grundlage der Erfüllung des Bearbeitungsfehlers und der dynamischen Leistungsbeschränkung der Werkzeugmaschine durchgeführt, die Berechnungsgeschwindigkeit der Kurveninterpolation verbessert und die Echtzeitanforderung der Kurveninterpolation des CNC-Systems realisiert werden und die Eigenschaften einer hohen Präzision und hohen Geschwindigkeit werden erreicht. Darüber hinaus kann beim Erzeugen des Werkzeugweges die entsprechende Bandbreite unter verschiedenen Restfehlerbeschränkungen gemäß den geometrischen Parametern der anderen Richtung der Oberfläche adaptiv erzeugt werden, wodurch die Berechnungsgeschwindigkeit der Werkzeugwegerzeugung verbessert wird. In Bezug auf die Werkzeugwegerzeugung bei der vorliegenden Erfindung wird die Arbeit der Geschwindigkeitsplanung im CNC-System kombiniert. Somit können die Werkzeugwegerzeugung und die Geschwindigkeitsplanung miteinander kombiniert werden, was nicht nur die Rechenkomplexität der Werkzeugwegerzeugung reduziert, sondern auch die Berechnungseffizienz des Geschwindigkeitsplanungsalgorithmus effektiv verbessert, womit die endgültige Hochgeschwindigkeits- und Hochbearbeitungsanforderung erfüllt wird.
Basierend auf der gleichen Idee stellt ein Ausführungsbeispiel der Beschreibung ferner eine Vorrichtung bereit, die dem obigen Verfahren entspricht. 6 zeigt eine schematische strukturelle Darstellung einer der 1 entsprechenden Vorrichtung zum Erzeugen einer CAM-orientierten Zeit-Spline-Kurve und -Oberfläche gemäß der technischen Lösung des Ausführungsbeispiels der vorliegenden Beschreibung. Wie in 6 gezeigt, kann die Vorrichtung Folgendes umfassen:

ein Zeit-Spline-Kurvenerzeugungsmodul 602 zum Voreinstellen eines Resthöhenfehlers E, zum Bestimmen einer ersten Anzahl von Werkzeugwegen auf einer anfänglichen Oberfläche S(u,v) basierend auf der Beschränkung des Resthöhenfehlers E und zum Umwandeln jedes der ersten Anzahl von Werkzeugwegen in eine Zeit-Spline-Kurve, um die erste Anzahl von Zeit-Spline-Kurven zu erhalten;
ein Oberflächenrekonstruktionsmodul 604 zum Diskretisieren der ersten Anzahl von Zeit-Spline-Kurven in eine Punktspalte gemäß einem voreingestellten Zeitschritt und zum Durchführen einer Oberflächenrekonstruktion an der Punktspalte, um eine Oberfläche mit Zeit- und Resthöhenfehlern als Parameter zu erhalten;
ein Werkzeugentfernungserzeugungsmodul 606 zum Erzeugen eines Werkzeugweges für die Oberfläche mit Zeit- und Resthöhenfehlern als Parameter gemäß der Resthöhenbeschränkung E_m der Bearbeitungsanforderungen, wobei eine Zeit-Spline-Kurve, die die Resthöhenbeschränkung E_m und die dynamische Leistungsbeschränkung der Werkzeugmaschine erfüllt, als Werkzeugweg verwendet wird.

Es sollte verstanden werden, dass, obwohl die Begriffe „erste“, „zweite“, „dritte“ usw. in der vorliegenden Anmeldung verwendet werden können, um verschiedene Informationen zu beschreiben, diese Informationen nicht auf diese Begriffe beschränkt sein sollten. Diese Begriffe werden nur verwendet, um die gleiche Art von Informationen voneinander zu unterscheiden.
Die vorstehenden Ausführungsbeispiele dienen lediglich zur Erklärung des Prinzips und der Auswirkung der vorliegenden Erfindung, ohne die Erfindung einzuschränken. Diejenigen, die mit dieser Technik vertraut sind, können ohne Verlassen der Grundidee und des Umfangs der Erfindung Modifikation oder Abänderung an dem vorstehenden Ausführungsbeispiel vornehmen. Daher sollen jegliche gleichwertige Modifikationen oder Abänderungen, die von denjenigen mit Allgemeinkenntnissen auf diesem Gebiet ohne Verlassen der offenbarten Grundideen und der technischen Konzepte der Erfindung vorgenommen werden, von den Ansprüchen der Erfindung umfasst sein.

Claims

Verfahren zum Erzeugen einer CAM-orientierten Zeit-Spline-Kurve und - Oberfläche, dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Schritte umfasst: Schritt S1: Voreinstellen eines Resthöhenfehlers E, Bestimmen einer ersten Anzahl von Werkzeugwegen auf der anfänglichen Oberfläche S(u,v) basierend auf der Beschränkung des Resthöhenfehlers E und Umwandeln jedes der ersten Anzahl von Werkzeugwegen in eine Zeit-Spline-Kurve, um die erste Anzahl von Zeit-Spline-Kurven zu erhalten; Schritt S2: Diskretisieren der ersten Anzahl von Zeit-Spline-Kurven in eine Punktspalte gemäß einem voreingestellten Zeitschritt und Durchführen einer Oberflächenrekonstruktion für die Punktspalte, um eine Oberfläche mit Zeit und Resthöhenfehler als Parameter zu erhalten; Schritt S3: Erzeugen eines Werkzeugweges für die Oberfläche mit Zeit und Resthöhenfehler als Parameter gemäß der Resthöhenbeschränkung E_m der Bearbeitungsanforderungen und Verwenden einer Zeit-Spline-Kurve, die die Resthöhenbeschränkung E_m und die dynamische Leistungsbeschränkung der Werkzeugmaschine erfüllt, als Werkzeugweg.
Verfahren zum Erzeugen einer CAM-orientierten Zeit-Spline-Kurve und - Oberfläche gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt S1 konkret Folgendes umfasst: Schritt S11: Umwandeln einer anfänglichen Parameterkurve S(u,v) gemäß der dynamischen Leistung der Werkzeugmaschine und der Bearbeitungsfehlerbeschränkung in eine zeitbasierte Kurve r₀(t) basierend auf der anfänglichen Oberfläche r₀(u) |_v=0; Schritt S12: Berechnen einer Bandbreite d_t,j(t,E) (wobei j = 1, 2,..., n), die die Restfehlerbeschränkung E erfüllt, in der Parameterrichtung v unter Verwendung der Kurve r₀(u) |_v=0 als Anfangskurve; Schritt S13: Berechnen eines Werkzeugweges r_j, der die Kurve r₀(u) |_v=0 als anfängliche Werkzeugtrajektorie verwendet und die Resthöhenfehlerbeschränkung E erfüllt, gemäß der Bandbreite d_t,j(t,E); Umwandeln des Werkzeugweges r_jgemäß der dynamischen Leistung der Werkzeugmaschine und der Bearbeitungsfehlerbeschränkung in eine zeitbasierte Kurve r(t)_j; Schritt S14: Wiederholen des Schritts S13, bis die gesamte Oberfläche der anfänglichen Oberfläche S(u,v) abgedeckt ist.
Verfahren zum Erzeugen einer CAM-orientierten Zeit-Spline-Kurve und - Oberfläche gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt S11 konkret Folgendes umfasst: S111: Umwandeln der Datenpunkte in einem Werkstückkoordinatensystem gemäß den Strukturparametern der Werkzeugmaschine in ein Werkzeugmaschinenkoordinatensystem und Durchführen einer Kurvenanpassung der Datenpunkte in dem Werkzeugmaschinenkoordinatensystem, um eine angepasste Kurve zu erhalten; S112: Diskretisieren der angepassten Kurve in Schritt S111, Erhalten eines diskreten Punkts, Umwandeln des diskreten Punkts in das Werkstückkoordinatensystem und Berechnen des Hausdorff -Abstands zwischen der Kurve in dem Werkstückkoordinatensystem und dem diskreten Punkt; S113: Einstellen der angepassten Kurve in Schritt S111, so dass der Hausdorff - Abstand die Fehlerbeschränkung erfüllt; S114: Umwandeln der angepassten Kurve in Schritt S113 in eine Zeit-basierten Kurve; S115: Feststellen, ob die Zeit-Spline-Kurve in Schritt S114 die dynamische Leistungsbeschränkung jeder Antriebswelle der Werkzeugmaschine erfüllt, wobei die dynamische Leistungsbeschränkung eine Geschwindigkeitsbeschränkung, eine Beschleunigungsbeschränkung und eine Ruckbeschränkung umfasst; S116: Verwenden eines Verfahrens zum Erhöhen der Anzahl an Knoten oder zum Reduzieren des Zeitparameterbereichs, um eine praktikable Lösung zu erhalten, wenn die dynamische Leistungsbeschränkung in Schritt S115 nicht erfüllt ist; S117: Iterative Optimierung der praktikablen Lösung, die durch Schritt S 116 erhalten wird, um eine zeitoptimale Zeit-Spline-Kurve zu erhalten, die die dynamische Leistung und den Bearbeitungsfehler erfüllt.
Verfahren zum Erzeugen einer CAM-orientierten Zeit-Spline-Kurve und - Oberfläche gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt S2 konkret Folgendes umfasst: Schritt S21: Erhalten einer diskreten Punktspalte P{p_i,j,i = 1, ..., m; j = 1,..., n} auf der gesamten diskreten Oberfläche gemäß einem voreingestellten Zeitschritt δt; Schritt S22: Durchführen einer Oberflächenrekonstruktion gemäß der diskreten Punktspalte P{p_i,j,i = 1, ..., m; j = 1,..., n} , um eine rekonstruierte Oberfläche S(t,d_t,j(t,E)) zu erhalten, so dass sich alle diskreten Punktspalten P {p_i,j, i = 1, ..., m; j = 1,..., n} auf der rekonstruierten Oberfläche S (t, d_t,j(t, E)) befinden und die Fehlerbeschränkung des Hausdorff -Abstands im diskreten Sinne mit der anfänglichen Oberfläche S(u,v) erfüllt.
Verfahren zum Erzeugen einer CAM-orientierten Zeit-Spline-Kurve und - Oberfläche gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt S3 konkret Folgendes umfasst: Schritt S31: Aufzeichnen der einzelnen Zeit-Spline-Kurven r(t)_j, die den diskreten Punktspalten in Schritt S2 entsprechen; Schritt S32: Zuordnen der Parameter der Zeit-basierten Spline-Kurve r(t)_j zu denen der rekonstruierten Oberfläche S(t,d_t,j(t,E)); Schritt S33: Bestimmen des Intervalls der neuen Zeit-Spline-Kurve basierend auf der Größenbeziehung zwischen der Resthöhenbeschränkung E_m , die für die tatsächliche Verarbeitung erforderlich ist, und dem voreingestellten Resthöhenfehler E; Schritt S34: Bestimmen der Zeit-Spline-Kurve, die in Schritt S1 benachbart zu der neuen Zeit-Spline-Kurve erhalten wird, basierend auf der Intervallgröße der neuen Zeit-Spline-Kurve und Durchführen einer linearen Interpolation gemäß der benachbarten Zeit-Spline-Kurve, die in dem Schritt S1 erhalten wird, um eine neue Zeit-Spline-Kurve zu bestimmen; Schritt S35: Optimieren der neuen Zeit-Spline-Kurve, die durch Schritt S34 erhalten wird, so dass der optimierte Werkzeugweg die dynamische Leistung und die Fehlerbeschränkung der Werkzeugmaschine erfüllt.
Vorrichtung zum Erzeugen einer CAM-orientierten Zeit-Spline-Kurve und - Oberfläche, dadurch gekennzeichnet, dass sie Folgendes umfasst: ein Zeit-Spline-Kurvenerzeugungsmodul zum Voreinstellen eines Resthöhenfehlers E, zum Bestimmen einer ersten Anzahl von Werkzeugwegen auf einer anfänglichen Oberfläche S(u,v) basierend auf der Beschränkung des Resthöhenfehlers E und zum Umwandeln jedes der ersten Anzahl von Werkzeugwegen in eine Zeit-Spline-Kurve, um die erste Anzahl von Zeit-Spline-Kurven zu erhalten; ein Oberflächenrekonstruktionsmodul zum Diskretisieren der ersten Anzahl von Zeit-Spline-Kurven in eine Punktspalte gemäß einem voreingestellten Zeitschritt und zum Durchführen einer Oberflächenrekonstruktion an der Punktspalte, um eine Oberfläche mit Zeit- und Resthöhenfehlern als Parameter zu erhalten; ein Werkzeugentfernungserzeugungsmodul zum Erzeugen eines Werkzeugweges für die Oberfläche mit Zeit- und Resthöhenfehlern als Parameter gemäß der Resthöhenbeschränkung E_m der Bearbeitungsanforderungen, wobei eine Zeit-Spline-Kurve, die die Resthöhenbeschränkung E_m und die dynamische Leistungsbeschränkung der Werkzeugmaschine erfüllt, als Werkzeugweg verwendet wird.