[发明专利]基于曲面重构的三轴数控机床刀具的半径补偿方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于曲面重构的三轴数控机床刀具的半径补偿方法，属于数控加工机床中的数字控制系统的技术领域。

背景技术

目前，三轴数控机床已经在许多机械制造领域获得了广泛应用。但是，由于这类机床的数控系统还不能够对刀具在加工过程中产生的刀具半径磨损自动进行实时补偿，因此，编程员在使用G01指令或代码编制数控加工程序时，必须首先确定加工使用的刀具类型与参数，即每个数控加工程序只能对应一种参数的刀具。并且，即使对于同一个加工对象，当刀具因磨损或其它原因改变其半径尺寸时，还必须根据当前刀具的半径尺寸重新编制加工程序，这样就限制了程序的重复使用，既延长了生产周期，又降低了生产效率。如果考虑更换新刀具进行加工，则又存在增加备用刀具成本的缺点。所谓G01代码是直线插补指令，该指令中的X、Y、Z是坐标轴的地址码，其后的数据表示刀具在该坐标轴方向移动的目标坐标值，即刀具要沿直线移动到该指令所给出的目标位置。

对机械加工中产生磨损的刀具半径尺寸进行实时补偿的难点是：补偿时，先要获知被加工曲面在每个切触点处的几何信息，例如切触点坐标及单位法向量等。其中切触点是在切削过程中刀具与工件曲面的接触点(参见图1中的C点)。然而，传统的三轴数控机床的加工程序中存储的是已经考虑了刀具半径的刀位点数据，所谓刀位点是在切削加工过程中，准确确定刀具的每个位置所对应的坐标值。通常是指刀具中心点或刀尖点，本发明中的刀位点是指刀具中心点(参见图1中的O点)。因为加工过程中，被加工曲面的切触点的原始几何信息已经丢失，因此在刀具半径因磨损或更换发生变化时，无法实现刀具半径的自动补偿功能。

因此，如何对三轴数控机床在加工过程中刀具产生的半径磨损实现实时的补偿，就成为业内科技人员关注的焦点。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于曲面重构的三轴数控机床刀具的半径补偿方法，该方法是分析数控程序中的G01代码而提取刀位点，实现刀位点所在加工曲面的快速重构，并计算各个刀位点的单位法矢量信息。再将每个刀位点的单位法矢量作为刀具半径补偿矢量保存在相应刀位点的G01代码中，组成扩展的G01代码。当刀具半径发生改变时，可根据扩展的G01代码中的刀位点与半径补偿矢量计算切触点坐标，并根据变化的刀具半径生成新的刀位点，从而实现三轴数控加工中的刀具半径实时补偿功能，解决了因加工曲面几何信息丢失、不能在线进行刀具补偿的难题。

为了达到上述目的，本发明提供了一种数控系统基于曲面重构的三轴数控机床的刀具半径补偿方法，其特征在于：所述方法是基于截平面法生成刀具路径，即把刀位轨迹规划在一组相互平行的平面上，再经后置处理生成有补偿参数的数控加工程序；具体方法是：先分析数控加工程序中的G01代码，提取所有刀位点，实现刀位点所在加工曲面的快速重构后，分别计算刀位点所在曲面上的每个刀位点的单位法矢量，再将每个刀位点的单位法矢量作为刀具半径补偿矢量保存在相应刀位点的G01代码中，构成扩展的G01代码；当刀具半径改变时，就能通过扩展的G01代码中的刀位点与半径补偿矢量计算切触点坐标，并根据变化的刀具半径生成新的刀位点，实现三轴数控加工过程中不同刀具的半径实时自动补偿功能；所述方法包括下列操作步骤：

(1)计算刀位点的三角形邻域网格，重建刀位点的拓扑关系：分析数控加工程序中的G01代码，提取所有刀位点，并确定每个刀位点所在的各个截平面，再用直线段顺序连接每个截平面上的相邻刀位点，形成空间折线，即截面线；然后，依据预设精度将其中的长截面线分割成多条子截面线，再基于相邻法和左、右拆分法创建子截面线的邻域关系后，提取相邻的子截面线，构建每个刀位点的三角网格邻域，从而把刀位点集合剖分成三角形网格邻域；

(2)计算加工曲面上每个切触点的刀具半径补偿矢量，生成扩展的G01代码：根据每个刀位点的三角网格邻域和机床加工精度或系统设置的加工误差，采用移动最小二乘平面拟合方法，计算各刀位点的单位法矢量，并将其作为对应切触点的刀具半径补偿矢量，保存到相应的G01代码中，将传统格式的G01代码：G01 X_Y_Z_，转换为扩展的G01代码：G01 X_Y_Z_I_J_K_；式中，X、Y、Z是各坐标轴地址码，其后面数据是刀具在各坐标轴方向移动的目标坐标值，即刀位点坐标，I、J、K的后面数据分别是在X、Y、Z轴上的相应切触点的刀具半径补偿矢量；