專利名稱：將導(dǎo)引工具運動的方法作為切削加工材料塊過程的一部分的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總得來說涉及一種在將一塊材料加工成規(guī)定形狀的工件的過程中控制工具運動的方法，在該方法中工具的工作部的作用就是從塊材料的表面去掉一些材料而將它形成一定的形狀，工作部沿著一個導(dǎo)引路徑移動，所述的導(dǎo)引路徑在一個大體上為平面的導(dǎo)引表面延伸，從而與導(dǎo)引路徑交叉的工具軸線相對于導(dǎo)引平面保持一個給定的方向。
背景技術(shù)：
具體地講，現(xiàn)有技術(shù)中有多種方法用在工具和模具的制造上，這些方法用于制造復(fù)雜形狀的工件。要被形成規(guī)定形狀的工件材料塊由一個三到五軸線銑床的銑頭加工。這種工作過程的優(yōu)化大大地促進(jìn)了采用這種方法制造的具有較佳成本效果的金屬片材和塑料部件的應(yīng)用，例如，在汽車工業(yè)和飛機(jī)制造業(yè)中，以及消費品工業(yè)中。
然而，現(xiàn)有技術(shù)的缺點在于工具和模具制造者需要制造的工件具有日益彎曲和復(fù)雜的形狀，這些形狀用現(xiàn)有的銑技術(shù)很難實現(xiàn)。具體地講，在銑孔穴時，即在工件上深凹的、挖空的空間需要3+2軸線銑過程，在這種過程中現(xiàn)有的實踐是至少沿著導(dǎo)引路徑的部分將銑頭與實際銑削工具的回轉(zhuǎn)軸線成一個銳角。但是這會造成這樣的困難，即銑頭可能與處于加工過程中的工件的輪廓發(fā)生碰撞，這種危險對于現(xiàn)有技術(shù)中的這些方法來講是一個很大的缺點，對于這種危險這些現(xiàn)有技術(shù)方法也沒有提供足夠的保護(hù)。
另外，現(xiàn)有技術(shù)中另外一個缺點是其僅僅可以形成非常有限的深度的孔穴。
本發(fā)明的簡要描述本發(fā)明的一個特征和優(yōu)點就是提供一種在將一材料塊加工成規(guī)定形狀的工件過程中控制工具的運動的方法，這種方法能夠以高度可靠的加工過程將高度復(fù)雜形狀的工件加工出來。
根據(jù)本發(fā)明的第一實施例，公開了一種方法，該方法包括將位于工具軸線上距離第一導(dǎo)引路徑一段距離處的點沿著一個規(guī)定的第二導(dǎo)引路徑導(dǎo)引。本發(fā)明特別適合于生成用于五軸線銑床的程序。然而，本發(fā)明的方法并不局限于這種具體的應(yīng)用，而是也適用于控制其他切削工具如激光工具的運動。
在本發(fā)明的第一實施例中，第一導(dǎo)引路徑被如此選擇，使得工具的切削工作部(即銑刀的切削端部)沿著相應(yīng)于所需工件形狀的輪廓曲線在導(dǎo)引平面內(nèi)移動，同時，第二導(dǎo)引路徑被適當(dāng)?shù)剡x擇，使得工具(即銑刀)的回轉(zhuǎn)軸線的方向在加工過程的任何時候都最佳地適應(yīng)于要被加工成型的工件的表面壁，和/或工具以及其工具座被保持在距離工件表面一個預(yù)定距離的位置上。
當(dāng)工件的形狀在計算機(jī)輔助設(shè)計系統(tǒng)(CAD)中按照通常方式模擬時，CAD數(shù)據(jù)可以通過整體的或者標(biāo)準(zhǔn)的界面提供作為導(dǎo)引路徑計算的基礎(chǔ)。從所述CAD數(shù)據(jù)計算出來的導(dǎo)引路徑以與計算機(jī)數(shù)字控制(CNC’s)相兼容的數(shù)據(jù)格式傳遞。所述的CNC’s會接著導(dǎo)引數(shù)字控制的機(jī)器工具使得位于工具軸線上的兩個預(yù)定點相應(yīng)地遵循著第一和第二導(dǎo)引路徑。
因此，加工工具可以是一個五軸線銑床，該銑床能允許銑削工具沿著三個相互正交的平移軸線作平移運動，以及圍繞兩個相互正交的回轉(zhuǎn)軸線作旋轉(zhuǎn)運動。
計算出的導(dǎo)引路徑不一定完全是兩維曲線(即，包含導(dǎo)引路徑的導(dǎo)引表面不一定完全是兩維的)。另外，可以看出在加工材料塊的過程中，工具沿著位于導(dǎo)引表面中延伸的多個導(dǎo)引路徑移動，所述的導(dǎo)引表面相互平行，彼此間隔一個垂直的距離。對于每個在給定導(dǎo)引平面中延伸的第一導(dǎo)引路徑，通過CAD系統(tǒng)確定相關(guān)連的第二導(dǎo)引路徑。第一導(dǎo)引路徑實際上類似于表示工件形狀的外形圖的輪廓線。
應(yīng)當(dāng)指出，根據(jù)公知的計算方法，工件和導(dǎo)引路徑的形狀僅僅需要按照給定的公差盡可能精確地模擬，從而通過修整的表面、立體幾何形狀或者近似曲線而對工件表面和輪廓曲線進(jìn)行逼近的公知技術(shù)可以被采用。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，第二導(dǎo)引路徑距離包含第一導(dǎo)引路徑的導(dǎo)引表面的正交距離保持恒定。例如，包含第一導(dǎo)引路徑的導(dǎo)引表面可以平行于一個空間固定坐標(biāo)系的xy平面，也就是說，僅僅x和y沿著第一導(dǎo)引路徑可以變化，而第一導(dǎo)引路徑的z坐標(biāo)保持一個恒定值。包含第二導(dǎo)引路徑的表面以另外一個固定的z坐標(biāo)值平行延伸。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，第二導(dǎo)引路徑被定義為通過將第一導(dǎo)引路徑的每個點在垂直于第一導(dǎo)引路徑的方向上平移到下述點處而獲得的所有點的線而獲得的軌跡，所述的點位于平行于導(dǎo)引平面一個給定距離，以及垂直于導(dǎo)引平面另外一個給定距離處。因此，如果第二導(dǎo)引路徑在第一導(dǎo)引路徑的導(dǎo)引平面上垂直地延伸，那么第一導(dǎo)引路徑和第二導(dǎo)引路徑的延伸會彼此相距一個恒定距離在大體為二維的導(dǎo)引表面中延伸。在第一導(dǎo)引路徑形成一個封閉環(huán)的情形中，如果工件的相應(yīng)的表面部分為凹形，那么第二導(dǎo)引路徑將會在第一導(dǎo)引路徑內(nèi)部延伸。如果工件的相應(yīng)表面部分為凸形，那么第二導(dǎo)引路徑將會在第一導(dǎo)引路徑外部延伸。
在本發(fā)明的另外一個特征中，對于工具的軸線與第一導(dǎo)引路徑相交叉的每一個點，工具軸線在第二導(dǎo)引路徑上被導(dǎo)引的相關(guān)連的點被確定為距離第一導(dǎo)引路徑上所述點距離最小的點。這確保了沿著第二導(dǎo)引路徑移動與工具上的沿著第一導(dǎo)引路徑以一個給定速度導(dǎo)引的點的前進(jìn)同步進(jìn)行。第一導(dǎo)引路徑的作為時間的函數(shù)的參數(shù)表示法，提供了一種簡單的方法來計算第二導(dǎo)引路徑的同步參數(shù)表示法，所述的第一通道作為時間的函數(shù)的參數(shù)表示法確定了位于工具軸線上的點的運動速度。由此，位于工具軸線上的兩個點以及因此工具軸線的方向可以清楚地確定下來。
在本文中，作為另外一個優(yōu)點，軸線與第一導(dǎo)引路徑的交叉點沿著第一導(dǎo)引路徑以一個相同的速度移動，第二導(dǎo)引路徑是近似曲線的一個適當(dāng)?shù)慕M合，使得沿著第二導(dǎo)引路徑移動的軸線上的點光滑地前進(jìn)(即，相對來講沒有震動——這種震動由加速度的第一次求導(dǎo)(移動路徑相對于時間的第三次求導(dǎo))來定義)。盡管所述的給定的速度確保沿著第一導(dǎo)引路徑?jīng)]有震動地移動，但是所獲得的第二導(dǎo)引路徑可能會有不能對時間求導(dǎo)的點；當(dāng)工具軸線在第二移動路徑上通過相應(yīng)位置時，不能對時間求導(dǎo)是會引起不良震動的條件。通過對近似曲線段(即三次仿樣函數(shù))的適當(dāng)選擇，通過確保對時間的第三次求導(dǎo)的連續(xù)性可以將震動最小化。
本發(fā)明的另外一個重要特征是對于工具在第一導(dǎo)引路徑上的每個工具位置和工具軸線的相關(guān)方向，工具的幾何包跡線和工件表面外形之間的位置關(guān)系可預(yù)先計算出來。當(dāng)在除了工具的工作部位置之外發(fā)現(xiàn)空間干涉的情形中，本發(fā)明的方法包括預(yù)測在兩個空間包跡線之間發(fā)生碰撞的步驟。在工具(即由銑刀和工具座構(gòu)成的銑頭)和處于進(jìn)程中的工件之間的碰撞可以通過對第二導(dǎo)引路徑謹(jǐn)慎的選擇而避免。
本發(fā)明的另外一個特征是自動地預(yù)測和避免碰撞。這不僅僅考慮到工具本身的幾何形狀如細(xì)長的圓柱銑刀，而且還考慮到工具座的形狀，工具座在加工深孔的情形中不得不進(jìn)入到工件的周邊空間內(nèi)部深的位置以至于可能與所述孔的壁發(fā)生碰撞。
由于這種預(yù)測即將發(fā)生碰撞的能力，本發(fā)明的優(yōu)選實施例提供了一種通過計算最大角度(恰小于碰撞發(fā)生時的角度)以及根據(jù)計算出來的最大角度來確定所述軸線的方向來自動避免碰撞的能力，在所述的最大角度時，工具的軸線可以相對于第一導(dǎo)引路徑的導(dǎo)引表面的垂直方向傾斜。通過這種軸線的重新定向，工具可以移動而沒有工作過程中的任何中斷。
由于軸線的重新定向能引起工具的工作部的位置相對于被加工的材料塊的變化，本發(fā)明的第二實施例在考慮到工具的工作部的幾何形狀下能對第一導(dǎo)引路徑重新計算。
在這種計算中，將工具的幾何形狀由徑向包圍著工具的近似表面替代很重要。近似表面可以通過下述方式形成(即在CAD系統(tǒng)中按通常的方法將表面線段連接起來)，可以通過立體幾何形狀的合成或者通過網(wǎng)格單元結(jié)構(gòu)，這將大大地簡化和縮短了空間妨礙的計算，因為避免碰撞的計算可以在一個相對較大的公差水平下進(jìn)行。假如所述工具通常為相對于其軸線呈旋轉(zhuǎn)對稱，且工具座在大多數(shù)情形中比實際工具本身的直徑大，那么圓錐形近似表面將是一個較好的選擇(即，從工具的工作部向著具有一個變寬的錐度的工具座延伸將工具座包圍起來的表面)。
這里已經(jīng)相當(dāng)寬地描繪出本發(fā)明的重要特征，以便使緊接著的詳細(xì)描述能夠被更好地理解，以及本發(fā)明對現(xiàn)有技術(shù)的貢獻(xiàn)可以被更好的理解。當(dāng)然，本發(fā)明也存在著其它特征，這將會在下文中進(jìn)行詳細(xì)描述，其將構(gòu)成所附權(quán)利要求書的主題。
就此而言，在詳細(xì)說明本發(fā)明的至少一個實施例之前，應(yīng)當(dāng)明白，本發(fā)明在應(yīng)用中并不局限于下文或者附圖中將要描述和說明的具體結(jié)構(gòu)和零件的安排。本發(fā)明能夠用于其他實施例中和能夠以各種方式實施。另外，應(yīng)當(dāng)理解這里采用的措辭和術(shù)語以及隨后的摘要僅僅是用于說明的目的，而不應(yīng)當(dāng)被理解為是起限定作用。
由此，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明公開內(nèi)容所基于的概念可以很容易地被用作其它結(jié)構(gòu)、方法和系統(tǒng)的設(shè)計基礎(chǔ)而實現(xiàn)本發(fā)明的幾個目的。因此，在不脫離本發(fā)明精髓和范圍的情況下，權(quán)利要求書應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為包含了這些等同的結(jié)構(gòu)，這一點是很重要的。


本發(fā)明其它的特征、細(xì)節(jié)和優(yōu)點將通過下面的說明書和附圖變的明了，其中圖1(a)、(b)和(c)示出帶有不同形狀的工作部的銑削工具的示意圖；圖2為一個示意圖，示出在加工一個孔洞過程中的銑削工具；圖3為一個平面圖的一部分，示出的是具有銑削工具的第一導(dǎo)引路徑的一個導(dǎo)引平面；
圖4為一個示意圖，示出的是如何確定第二導(dǎo)引路徑；圖5為一個示意圖，示出的是銑削工具相對于兩個導(dǎo)引路徑的位置；圖6為一個示意圖，示出的是沿著第一和第二導(dǎo)引路徑工具同步前進(jìn)的原理；圖7為一個示意圖，示出的是第二導(dǎo)引路徑的減少震動的近似法；圖8為一個示意圖，示出的是為了避免碰撞，工具軸線的重新取向；圖9為一個示意圖，示出的是在軸線重新取向之后如何重新計算第一導(dǎo)引路徑；圖10(a)、(b)和(c)為幾個示意圖，示出的是為了所述工具的幾何包跡的不同近似表面。
優(yōu)選實施例的詳細(xì)描述如圖1(a)、1(b)和1(c)所示，本發(fā)明公開了一種工具2，該工具相對于一個軸線具有回轉(zhuǎn)對稱性。該工具2包括一個大體錐形的工具座3，在工具座3中夾持著圓柱形銑刀的圓柱形工具柄4，該柄4的長度比其寬度明顯的長。軸線1代表著錐形工具座3以及圓柱形工具柄4的回轉(zhuǎn)對稱軸線。在附圖1(a)、1(b)和1(c)中的三種工具2的唯一區(qū)別在于其位于工具2的自由端(即，在工具柄上與形成工具座3相對的一端)的相應(yīng)的工作部5、5’、5”的形狀。工作部5、5’、5”的目的就是與材料塊6機(jī)械地相互作用并從其上去除材料，從而形成工件，圖2中示意地示出。
例如，圖1(b)中的工具2為一種帶柄的銑刀，具有一個長的圓柱形工具柄4，其工作部5’形成在位于自由端的一個徑向?qū)б瞬勘砻?。另一方面，圖1(a)示出一個導(dǎo)圓的銑刀，其中工作部5在位于柄4的端部表面和外圓周表面之間的過渡位置具有一個給定半徑的倒角。最后，圖1(c)示出一種球形銑刀，其中工作部5”在其工具柄4的自由端具有一個半球形狀的倒角。
工具2為一個五軸線銑床的一部分，該五軸線銑床的工具2在三維笛卡兒坐標(biāo)系x、y、z作平移運動和相對于兩個相互正交的回轉(zhuǎn)軸線作旋轉(zhuǎn)運動。工具2的瞬間旋轉(zhuǎn)方向由一個單位向量(即一個向量，其分量為u、v、w，滿足條件u2+v2+w2＝1)來描述，該單位向量平行于軸線1的方向。
所述銑床裝備有計算機(jī)數(shù)字控制(CNC)系統(tǒng)，能夠執(zhí)行數(shù)字控制(NC)程序，該程序在一個計算機(jī)輔助制造(CAM)系統(tǒng)上準(zhǔn)備，即在一種能夠控制銑削工具2的進(jìn)行所需運動的系統(tǒng)上準(zhǔn)備。
為了將一個材料塊6加工成規(guī)定形狀的工件，將工件的形狀在CAD系統(tǒng)中模擬，并通過代表著通常的CAD格式的數(shù)據(jù)組描述出來，這些數(shù)據(jù)組給出要在加工過程中制造出來的工件(即材料塊6)表面的足夠的定義。在這個數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，第一導(dǎo)引路徑7在平面導(dǎo)引表面8上得以計算出來。
作為一個實例，現(xiàn)有的CAD格式類型，被稱為NURBS(Non-UniformRational B-Splines)、B-仿形功能、Bezier曲線以及專有的固體模擬格式如B-Rep和Mockups，這些都可以被采用。從CAD數(shù)據(jù)計算出來的導(dǎo)引路徑以與現(xiàn)有的CNC’s兼容的數(shù)據(jù)格式傳遞。
圖3示出第一導(dǎo)引路徑7的一段從垂直于平面導(dǎo)引表面8的方向看的情形，第一導(dǎo)引路徑7包含在平面導(dǎo)引表面8中。圖3也示出了工具柄4的剖面，以及已經(jīng)在加工過程加工了的材料塊6的表面部分9、9’。實際上，圖3僅僅示出第一導(dǎo)引路徑7的平滑軌跡。更詳細(xì)地，工具柄4的相應(yīng)工作部5、5’、5”沒有示出，而再現(xiàn)第一導(dǎo)引路徑7的曲線小段10。
圖4示出從垂直于導(dǎo)引平面8的方向看時第一導(dǎo)引路徑7的一段。在第一導(dǎo)引路徑7上的每個點11，確定一個距離向量12，該距離向量在點11處垂直于第一導(dǎo)引路徑7的切線并為一個規(guī)定的固定長度d。在與距離向量12的點11相反一端的點13限定出所有點的軌跡14，這些所有的點位于距離第一導(dǎo)引路徑7的規(guī)定距離d處。在第一導(dǎo)引路徑7的狹窄彎折區(qū)域，距離向量12的點對點計算過程可形成如圖4中虛線所示的段15。然而，段15由于并不能滿足相對于所有的導(dǎo)引路徑7有一個規(guī)定的距離d，因此，從交點16開始被刪除，從而真正的軌跡14為圖4中實線所示的剩余連續(xù)曲線。
根據(jù)圖5中所示，在第一導(dǎo)引路徑7的平面導(dǎo)引表面8上延伸的軌跡曲線14上的每一點被平行于導(dǎo)引表面8平移一個規(guī)定的垂直距離dz，以及另外一個垂直于導(dǎo)引表面8的規(guī)定距離，平移后的曲線被用作工具2的軸線1上點的第二導(dǎo)引路徑17。因此，第二導(dǎo)引路徑17距離包含第一通道7的導(dǎo)引表面8的垂直距離保持恒定。作為一個例子，包含第一導(dǎo)引路徑7的導(dǎo)引表面8可以平行于一個空間固定坐標(biāo)系的xy平面，即，沿著第一導(dǎo)引路徑7僅僅x和y可變，而第一導(dǎo)引路徑7的z坐標(biāo)保持恒定值。包含第二導(dǎo)引路徑17的表面以另外一個固定z坐標(biāo)值平行延伸。
換句話說，如果第二導(dǎo)引路徑17在第一導(dǎo)引路徑7的導(dǎo)引表面8上垂直地伸展，第一導(dǎo)引路徑7和第二導(dǎo)引路徑17的伸展部分將彼此以恒定距離基本在平面導(dǎo)引表面8內(nèi)移動。在第一導(dǎo)引路徑7形成一個封閉環(huán)的情況下，如果工件相應(yīng)的表面部分是凹入形狀，第二導(dǎo)引路徑17的伸展部分將在第一導(dǎo)引路徑7的內(nèi)側(cè)移動。當(dāng)相應(yīng)的工件表面部分是凸出形狀時，第二導(dǎo)引路徑17的伸展部分將在第一導(dǎo)引路徑7的外側(cè)移動。
如圖5所示，軸1與第一導(dǎo)引路徑7相交于工具柄4的球形切割端的工件部5″的中心。因而，與第一和第二導(dǎo)引路徑7和17分別相交的兩點限定軸1相對于平面導(dǎo)引表面8的法向矢量19以銳角W定位，矢量20表示導(dǎo)引表面自身。因而，單位矢量(u、v、w)描述的軸1的空間定位完全得以限定。
換句話說，當(dāng)?shù)谝粚?dǎo)引路徑7經(jīng)選定使得工具2的去除材料的工作部5(即銑刀的切削端部)在導(dǎo)引表面8中對應(yīng)于所需工件形狀的輪廓曲線沿著第一導(dǎo)引路徑7移動，第二導(dǎo)引路徑17經(jīng)適當(dāng)?shù)剡x擇使得工具2(即銑刀)的回轉(zhuǎn)軸線1的方向在整個過程的任何時間都最佳地適應(yīng)于加工時材料塊6的表面壁9，和/或工具2以及其工具座3被固定在距離材料塊6的表面一個預(yù)定距離處。
由于工件的形狀用CAD系統(tǒng)模擬，導(dǎo)引路徑以與傳統(tǒng)CNC’s相兼容的數(shù)據(jù)格式輸送的CAD數(shù)據(jù)中計算出來，所以CNC’s將會導(dǎo)引數(shù)字控制的機(jī)器工具2使得前述的位于工具軸線上的兩點相應(yīng)地跟隨第一和第二導(dǎo)引路徑7、17運動。
根據(jù)公知的算法，材料塊6的形狀和導(dǎo)引路徑7、17需要在給定公差要求下盡可能精確地模擬，使得人們可以給出通過修整的表面、立體的幾何圖形或者近似曲線而進(jìn)行工件表面和輪廓曲線的逼近的公知技術(shù)。
工具2的表面成形工作部5、5’、5”沿著第一導(dǎo)引路徑7的前進(jìn)是以一個規(guī)定的恒定速度進(jìn)行，從而軸線1與第一導(dǎo)引路徑7的交叉點21(參見圖6)將會沿著第一導(dǎo)引路徑7以相同的速率移動。沿著第一導(dǎo)引路徑7的移動是通過將第一導(dǎo)引路徑7的(x、y、z)坐標(biāo)以參數(shù)的形式定義為時間t的函數(shù)并確定時間導(dǎo)數(shù)而獲得。對于軸線1與第一導(dǎo)引路徑7相交的每個點21，為了確定工具2的軸線1的方向矢量(u、v、w)，位于第二導(dǎo)引路徑17上的相關(guān)的點22被這樣確定，使得位于點21和22之間的距離最小化。這確保了點22沿著第二導(dǎo)引路徑17的移動與沿著第一導(dǎo)引路徑7以給定速度導(dǎo)引的工具2上的點的前進(jìn)同步。這個規(guī)則對于每個參數(shù)值t不僅限定了沿著第一導(dǎo)引路徑7移動的交叉點21的三個坐標(biāo)x(t)、y(t)、z(t)，而且也限定了沿著第二導(dǎo)引路徑17移動的交叉點22的坐標(biāo)a(t)、b(t)、c(t)。代表著工具2的軸線1空間方向的單位矢量u(t)、v(t)、w(t)由前述的六個坐標(biāo)值限定，從而用于導(dǎo)引工具2的五個機(jī)器坐標(biāo)函數(shù)被完全確定。因而，第一導(dǎo)引路徑7作為時間函數(shù)的參數(shù)表示法提供了一種簡單的方法來計算第二導(dǎo)引路徑17的同步參數(shù)表示法，所述第一導(dǎo)引路徑作為時間函數(shù)的參數(shù)表示法確定了位于工具軸線1上的點的運動速度。由此，位于工具2的軸線1上的兩點以及工具軸線1的方向被清楚地確定下來。
在圖4的上下文中已經(jīng)進(jìn)行過描述，在第一導(dǎo)引路徑7通過小曲率轉(zhuǎn)彎的地方，第二導(dǎo)引路徑17所基于的軌跡14可以具有時間導(dǎo)數(shù)不能確定的尖角26(即奇異性)。從第二導(dǎo)引路徑17作為時間函數(shù)的參數(shù)表示法開始，第一次求導(dǎo)獲得沿著第二導(dǎo)引路徑17的前進(jìn)速率，第二次求導(dǎo)獲得加速度，第三次求導(dǎo)表示加速度的變化。為了避免由于加速度突然變化(第三次對時間求導(dǎo)的峰值)而引起的不良震動，軸線1與第一導(dǎo)引路徑7的交點21沿著第一導(dǎo)引路徑7以相同的速度移動，第二導(dǎo)引路徑17至少在奇異點16處附近被一近似曲線23替代(圖7)，該近似曲線具有連續(xù)的導(dǎo)數(shù)，使得沿著第二導(dǎo)引路徑17移動的軸線1的點22光滑地前進(jìn)，從而減小了震動影響。震動被定義為加速度的第一次求導(dǎo)(即移動路徑的第三次求導(dǎo))。三次仿樣函數(shù)特別適合于近似曲線23。
盡管給定的速度確保了沒有震動地沿著第一導(dǎo)引路徑7的移動，但是獲得的第二導(dǎo)引路徑17可以有一些時間導(dǎo)數(shù)不能求出的點，不能求出導(dǎo)數(shù)是軸線1在第二導(dǎo)引路徑17上通過相應(yīng)位置時引起不良震動的條件。通過近似曲線段10(即三次仿樣函數(shù))的適當(dāng)選擇，通過確保第三次導(dǎo)數(shù)(對時間)的連續(xù)性，所述的震動可以被最小化。
如圖5中所示，導(dǎo)引表面8的法向矢量19在附圖的平面內(nèi)延伸。參照圖5和8以及圖4，首先觀察第一導(dǎo)引路徑7的小曲率部分，在該部分中，工具2與材料塊6的表面部分碰撞的可能升高。通過對第二導(dǎo)引路徑17的適當(dāng)?shù)倪x擇，或者更具體地說，是對圖5中的距離矢量12的適當(dāng)選擇，工具2的軸線1的斜角被如此的控制從而將上述碰撞的可能最小化。另外，工具2沿著兩個導(dǎo)引路徑7、17的移動非常協(xié)調(diào)地展現(xiàn)給機(jī)器的操作者，因此具有安全性和可預(yù)測性的優(yōu)點。
然而，在復(fù)雜形狀的工件中，特別是具有深孔的情形，采用預(yù)先確定的固定距離的矢量12不能徹底地防止發(fā)生碰撞。由于這個原因，本發(fā)明提供了可預(yù)示即將發(fā)生碰撞的能力，這是通過分析工具2的相應(yīng)幾何包跡線和進(jìn)程中的工件之間的空間關(guān)系，并進(jìn)行預(yù)先計算確定是否它們會彼此影響，如圖8中所示的例子中在工具包跡線2’和材料塊6的工件包跡線之間出現(xiàn)了干涉部分24。通過這種計算過程，如果工具2沿著預(yù)先計算出來的導(dǎo)引路徑7、17移動，就可以對碰撞作出預(yù)言。
因此，對于在第一導(dǎo)引路徑7中工具1的每個位置和工具軸線1的相關(guān)方向，工具1的幾何包跡線和工件表面的外形之間的位置關(guān)系可預(yù)先計算出來。當(dāng)發(fā)現(xiàn)在一個不是工具2的工作部的位置處會有空間位置相互妨礙的情形中，本方法可以包括預(yù)測兩個空間包跡線之間的碰撞的步驟。
在工具2(即由銑刀和工具座3構(gòu)成的銑頭)和處于進(jìn)程中的工件表面之間的碰撞可以通過細(xì)心地選擇第二導(dǎo)引路徑17而得以避免。因此，本發(fā)明的方法不僅僅考慮到工具2本身的幾何形狀，如細(xì)長的圓柱形銑刀，而且還考慮到了工具座3的形狀，該工具座3在加工深孔的情形中不得不進(jìn)入到工件的周邊內(nèi)部空間很深以致于可能會與孔壁發(fā)生碰撞。
對這種碰撞預(yù)測的利用，本發(fā)明的方法需要自動避免碰撞程序，對工具2的軸線1可以相對于第一導(dǎo)引路徑7的導(dǎo)引表面8的法向矢量19的最大傾斜角度(恰小于碰撞發(fā)生的角度)進(jìn)行計算，并根據(jù)計算出來的最大角度設(shè)定軸線1的方向。在找到了前述定義的最大角度之后，預(yù)先計算出來的位置(x、y、z、u、v、w)用新的、不會碰撞的位置替代，該新位置由坐標(biāo)值x、y、z、u’、v’、w’表示。這意味著軸線1向著所述法向矢量19旋轉(zhuǎn)角度θ，從而工具2的干涉部分24從工件的包跡線移出，工具2可以進(jìn)行移動而不會中斷工作過程。
然而，在軸線1不發(fā)生碰撞的方向找不到的情形時(由于第二導(dǎo)引路徑17的不利的形狀引起的)，產(chǎn)生控制程序的過程被中斷。在中斷該程序之前，可以嘗試計算是否在預(yù)測位置的碰撞能夠通過將由軸線1和法向矢量19限定的平面橫向偏移而得以避免。
如果軸線1的方向被改變以便避免碰撞，由于圖1(c)的銑刀的球形形狀，所以在位于表面成形工作部5”和材料塊6之間的接觸區(qū)域不需要進(jìn)行變化。相反，采用如圖1(a)所示的導(dǎo)圓的銑刀以及圖1(b)柄型銑刀，需要對接觸區(qū)域進(jìn)行重新計算，因為切削材料的工作部5、5’不是球形對稱形狀。圖9有助于示出這種情形。作為重新計算的結(jié)果，具有軸線1的工具2在法向矢量19的方向上向著相應(yīng)由2’和1’標(biāo)示的位置移動。從而接觸區(qū)域得到調(diào)整而不會產(chǎn)生新的碰撞危險；只要被生產(chǎn)的工件的形狀不包含任何凹入切割。如果由于工件的形狀需要復(fù)雜的凹入切割而存在新的碰撞危險，在圖8的上下文中討論過的碰撞分析可以再一次進(jìn)行，接下來接觸區(qū)域的調(diào)整已經(jīng)以圖9為基礎(chǔ)描述過了。調(diào)整和碰撞分析過程可以作為一個循環(huán)而重復(fù)進(jìn)行，直到完全確保不存在碰撞危險為止。
由于軸線1的重新取向可以引起工具2的工作部5的位置相對于被加工的材料塊6的位置發(fā)生改變，所以本發(fā)明的第二實施例考慮到工具2的工作部5的幾何形狀，能夠?qū)Φ谝粚?dǎo)引路徑7進(jìn)行重新計算。
具體地講，為了簡化和提高先前段落中討論的碰撞分析速度，實踐中通過采用簡化的近似表面25代替工具2的可能比較復(fù)雜的空間包跡線并降低相關(guān)計算的復(fù)雜性，所述的近似表面25以下述方式徑向地包圍著工具2，即，在近似表面25和工件之間確實不會碰撞，而使實際的工具2和進(jìn)程中的工件之間不會發(fā)生碰撞性。
所述的近似表面可以被如此限定(即在CAD系統(tǒng)中向通常一樣將各段接起來)，通過立體幾何形狀的合成或者通過網(wǎng)格單元結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，這大大地簡化和縮短了空間干涉的計算，這是因為防止碰撞的計算可以在一個相對較大的公差級別進(jìn)行。
更加具體地說，如果工件的形狀在碰撞分析中被表示為一個鄰接的平面網(wǎng)格的組合，這種組合對于實現(xiàn)這種目的是一個足夠好的逼近方法，每個近似表面25、25’、25”的妨礙計算都導(dǎo)致圓錐分段(conesections)。假如工具2通常為相對于其軸線1對稱地旋轉(zhuǎn)，且工具座3在大多數(shù)情況中比實際工具2本身的直徑大，那么圓錐形近似表面將是一個較好的選擇(即，從工具2的工作部5向著工具座3延伸的表面，其具有一個變寬的錐度將工具座3包圍起來)。
在附圖10(a)、(b)和(c)中示出近似表面的例子。圖10(a)中近似表面25是工具2的一個相對粗糙的替代品，其是一個圓錐形，圓錐的頂點與工具柄4的工作部5”重合，并從該點處分叉到達(dá)工具座3的最大半徑26。
圖10(b)的近似表面25’表示的工具2很大程度上更接近于一個截頭圓錐形狀，該截頭圓錐形狀與工具座3的最小半徑16’和最大半徑26”相一致，而工具柄4在碰撞分析中表示為其實際的形狀。
圖10(c)中的近似表面25”給出工具2的另外一種更接近實際形狀的表示圖形，因為該圖形以一個較小的徑向距離包住了工具座3與其實際形狀完全一致。
因此，僅僅涉及到兩次方程式，這種方程式可以用代數(shù)方法解出。作為平面網(wǎng)格的替代方式，可以采用點陣，這種點陣可以非常迅速地用公知的方法分析。作為另外一種方案，工具2的幾何模型可以被描述為平面或者立體模型，提供簡單的方式進(jìn)行計算。
本發(fā)明的很多特征和優(yōu)點通過詳細(xì)的說明而得以明了，因此通過所附的權(quán)利要求書意圖覆蓋所有落入到本發(fā)明精髓和范圍之內(nèi)的所有特征和優(yōu)點。另外，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來講可以容易地進(jìn)行多種改變和變形，因此，并不想將本發(fā)明限定到與前文示出和描述的結(jié)構(gòu)和控制完全相同的情形，而是所有適當(dāng)?shù)母淖兒妥冃尉梢赃M(jìn)行，這些都落在了本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種導(dǎo)引具有一個工作部的工具來將材料塊加工成規(guī)定形狀的工件的方法，包含下述步驟將所述工具的工作部沿著一個第一導(dǎo)引路徑移動，所述的第一導(dǎo)引路徑在所述材料塊的一個大體為兩維的導(dǎo)引表面上延伸；在所述的移動步驟中，將所述第一導(dǎo)引路徑交叉在位于所述工具軸線上的一個第一點處，使得所述的交叉相對于所述的導(dǎo)引表面保持在一個給定方向；將位于所述工具的所述軸線上的一個第二點沿著一個規(guī)定的第二導(dǎo)引路徑移動，所述的第二點位于距離所述第一導(dǎo)引路徑一個預(yù)定距離的地方。
2.如權(quán)利要求1的方法，其中所述的第二導(dǎo)引路徑距離所述兩維導(dǎo)引表面處于一個恒定的正交距離dz。
3.如權(quán)利要求1的方法，其中所述的第一導(dǎo)引路徑包括多個點，所述的第二導(dǎo)引路徑包括所有下述點組成的軌跡，即將所述第一導(dǎo)引路徑的每個點平移到一個位置處，該位置包括一個與所述第一導(dǎo)引路徑正交的平移矢量，所述的平移矢量具有一個平行于所述導(dǎo)引表面的第一分量d和一個垂直于所述導(dǎo)引表面的第二分量dx。
4.如權(quán)利要求1的方法，其中，在每個第一點處，相應(yīng)的第二點是這樣確定的，使所述第一點和所述第二點之間在一個預(yù)定的時間點處的距離最小化，在所述的第一點處所述工具的所述軸線與所述第一導(dǎo)引路徑在一個預(yù)定時間點相交，而在所述的第二點處所述工具軸線與所述第二導(dǎo)引路徑同時相交。
5.如權(quán)利要求1的方法，其中所述第一點沿著所述第一導(dǎo)引路徑以一個相同的速度移動，所述的第二導(dǎo)引路徑是一條近似曲線，使得所述第二點沿著所述第二導(dǎo)引路徑以最小的震動量移動。
6.一種導(dǎo)引具有一個工作部的工具來將材料塊加工成規(guī)定形狀的工件的方法，包含下述步驟將所述工具的工作部沿著一個第一導(dǎo)引路徑移動，所述的第一導(dǎo)引路徑在所述材料塊的一個大體為兩維的導(dǎo)引表面上延伸；在所述的移動步驟中，將所述的第一導(dǎo)引路徑交叉在位于所述工具軸線上的一個第一點處，使得所述交叉相對于所述的導(dǎo)引表面保持在一個給定方向上；針對位于所述第一導(dǎo)引路徑上的每個位置和所述工具的所述軸線的所述的有關(guān)方向進(jìn)行一個預(yù)先的計算，來確定是否所述工具的幾何包跡線會妨礙所述工件的表面外形，并且在除所述工具的工作部之外的地方發(fā)現(xiàn)妨礙時，預(yù)測所述工具和所述工件之間會發(fā)生碰撞。
7.如權(quán)利要求6的方法，其中如果已經(jīng)預(yù)測到會發(fā)生碰撞，那么所述的碰撞通過下述方式避免計算一個最大角度，在所述的最大角度時，工具的軸線可以相對于導(dǎo)引表面的法向矢量傾斜，該最大角度為一個恰小于碰撞發(fā)生時的臨界角度，根據(jù)所計算出來的最大角度來重新確定所述軸線的方向。
8.如權(quán)利要求7的方法，進(jìn)一步包括隨后重新計算所述第一導(dǎo)引路徑的步驟，該重新計算考慮到工具的工作部的幾何特性。
9.如權(quán)利要求6的方法，其中所述的預(yù)先計算采用一個徑向地包圍所述工具的近似表面作為所述工具的實際幾何包跡線的替代品而進(jìn)行。
10.如權(quán)利要求1的方法，其中所述的導(dǎo)引路徑采用CAD系統(tǒng)計算出來。
11.如權(quán)利要求1的方法，其中所述的第一點和所述的第二點將所述軸線的所述給定方向相對于所述兩維導(dǎo)引表面的法向矢量而以一個銳角W進(jìn)行限定。
12.如權(quán)利要求5的方法，其中所述的近似曲線為三次仿樣函數(shù)。
13.如權(quán)利要求6的方法，進(jìn)一步包括下述步驟即采用CAD系統(tǒng)控制所述工具的所述軸線的斜角來將碰撞最小化。
14.如權(quán)利要求6的方法，其中如果所述軸線的不發(fā)生碰撞的方向沒能找到，并且在一個預(yù)測位置的碰撞不能通過由所述軸線和法向矢量限定的平面的橫向偏移而得以避免的話，那么用于加工工件的控制程序結(jié)束。
15.如權(quán)利要求9的方法，其中所述的近似表面包括一個圓錐形和截頭圓錐形的工具。
全文摘要
一種導(dǎo)引工具的方法，用于加工材料塊工件，工具的切削工作部由沿著一個第一導(dǎo)引路徑移動導(dǎo)引，同時在工具的軸線上的距離工作部一定距離的位置處的另外一點沿著一個規(guī)定的第二導(dǎo)引路徑導(dǎo)引，從而工具的五個運動坐標(biāo)被完全確定。
文檔編號B23C1/00GK1430741SQ01800901
公開日2003年7月16日 申請日期2001年4月11日 優(yōu)先權(quán)日1998年10月8日
發(fā)明者約瑟夫·科赫 申請人:開明軟件技術(shù)有限公司