本發(fā)明涉及模具加工數(shù)控編程技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于三維圖形設(shè)計平臺的智能化線切割編程方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

為適應(yīng)市場需求以及工業(yè)4.0以及中國制造2025的智能化制造發(fā)展需要，許多制造企業(yè)引進了大量新型多軸線切割加工機床用于加工生產(chǎn)。然而限于編程人員經(jīng)驗與能力，許多復(fù)雜的幾何加工模型線割編程效率較低，導(dǎo)致高性能線割設(shè)備利用率不足。主要存在以下問題：

(1)目前市面銷售與應(yīng)用的線切割編程軟件應(yīng)用環(huán)境為2D而目前3D設(shè)計軟件已成為制造企業(yè)的主流選擇；

(2)3D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至2D時通常會產(chǎn)生大量樣條曲線，這類曲線無法被現(xiàn)有的編程軟件識別，需要大量手動修補工作，會影響編程的精度和效率；

(3)2D環(huán)境下由于缺少加工零件的細節(jié)特征，在應(yīng)用線切割編程軟件時需要額外指定一些參數(shù)，導(dǎo)致效率降。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，有必要提供一種能夠解決3D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至2D時通常會產(chǎn)生大量樣條曲線，從而影響編程的精度和效率，且需要額外指定工藝參數(shù)的問題的基于三維圖形設(shè)計平臺的智能化線切割編程方法及系統(tǒng)。

一種基于三維圖形設(shè)計平臺的智能化線切割編程方法，所述基于三維圖形設(shè)計平臺的智能化線切割編程方法包括如下步驟：

S1、對待切割曲面進行相鄰性分組，判斷待分析待切割曲面的可見性和可加工性，并通過可見性與可加工性求解相鄰曲面邊界；

S2、判斷待切割曲面是否為規(guī)則曲面，根據(jù)曲面特性計算曲面加工軌跡；

S3、設(shè)定工藝參數(shù)，并結(jié)合曲面加工軌跡由線割刀路生成器生成指定工藝類型的通用的線割刀路軌跡編碼。

一種基于三維圖形設(shè)計平臺的智能化線切割編程系統(tǒng)，所述基于三維圖形設(shè)計平臺的智能化線切割編程系統(tǒng)包括如下功能模塊：

邊界求解模塊、用于對待切割曲面進行相鄰性分組，判斷待分析待切割曲面的可見性和可加工性，并通過可見性與可加工性求解相鄰曲面邊界；

軌跡分析模塊、用于判斷待切割曲面是否為規(guī)則曲面，根據(jù)曲面特性計算曲面加工軌跡；

編碼生成模塊、用于設(shè)定工藝參數(shù)，并結(jié)合曲面加工軌跡由線割刀路生成器生成指定工藝類型的通用的線割刀路軌跡編碼。

本發(fā)明所述基于三維圖形設(shè)計平臺的智能化線切割編程方法及系統(tǒng)，其通過對待切割曲面進行相鄰性分組，判斷待分析待切割曲面的可見性和可加工性，并通過可見性與可加工性求解相鄰曲面邊界；再判斷待切割曲面是否為規(guī)則曲面，根據(jù)曲面特性計算曲面加工軌跡；最后設(shè)定工藝參數(shù)，并結(jié)合曲面加工軌跡由線割刀路生成器生成指定工藝類型的通用的線割刀路軌跡編碼。本發(fā)明基于當(dāng)前主流的3D設(shè)計軟件NX三維圖形設(shè)計平臺實現(xiàn)線切割自動化編程系統(tǒng)，采用全3D線割編程，數(shù)據(jù)無縫傳輸，中間無人為周轉(zhuǎn)；且通過集成線割工藝，進行智能化運算，減少人為操作強度和提高數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性；可自動分成多段的無線頭線割工藝，反割工藝、主副程式、無屑線割工藝，解決了現(xiàn)有技術(shù)中3D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至2D時通常會產(chǎn)生大量樣條曲線，從而影響編程的精度和效率，且需要額外指定工藝參數(shù)的問題。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述基于三維圖形設(shè)計平臺的智能化線切割編程方法的流程框圖；

圖2為圖1中步驟S1的流程框圖；

圖3為圖1中步驟S2的流程框圖；

圖4為圖3中步驟S2a的流程框圖；

圖5為圖3中步驟S2b的流程框圖；

圖6為圖5中步驟S2b1的流程框圖；

圖7為本發(fā)明所述基于三維圖形設(shè)計平臺的智能化線切割編程方法的步驟流程圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明，應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

如圖1所示，本發(fā)明實施例提供一種基于三維圖形設(shè)計平臺的智能化線切割編程方法，所述基于三維圖形設(shè)計平臺的智能化線切割編程方法包括如下步驟：

S1、對待切割曲面進行相鄰性分組，判斷待分析待切割曲面的可見性和可加工性，并通過可見性與可加工性求解相鄰曲面邊界；

S2、判斷待切割曲面是否為規(guī)則曲面，根據(jù)曲面特性計算曲面加工軌跡；

S3、設(shè)定工藝參數(shù)，并結(jié)合曲面加工軌跡由線割刀路生成器生成指定工藝類型的通用的線割刀路軌跡編碼。

其中，如圖2所示，所述步驟S1、對待切割曲面進行相鄰性分組，判斷待分析待切割曲面的可見性和可加工性，并通過可見性與可加工性求解相鄰曲面邊界。其包括以下分步驟:

S11、判斷用戶指定曲面集合中的各個待切割曲面是否具有公共邊，將具有公共邊的待切割曲面歸類為一組，并迭代查找與該組相鄰的待切割曲面，直至所有待切割曲面都已歸組；

S12、調(diào)取NX三維圖形設(shè)計平臺的射線判斷接口，判斷待分析曲面附近是否可以被射線穿透，能夠被射線穿透的面則認為具有可見性；

S13、當(dāng)相鄰曲面的共邊與加工坐標(biāo)系Z軸角度大于設(shè)定值，則認為其中一個與其它待切割曲面不相鄰的面為不可加工面；

S14、通過可見性與可加工性過濾大部分非線割曲面，并求解相鄰曲面邊界。

具體的，由于線切割加工主要加工對象為孔與外形，因此加工對象面在幾何屬性上具備相鄰的特征。因此，通過用戶指定曲面集合中的各個待切割曲面是否具有公共邊，將具有公共邊的待切割曲面歸類為一組，并迭代查找與該組相鄰的待切割曲面，直至所有待切割曲面都已歸組。

由于線切割的加工方式是通過金屬絲放電腐蝕的方式進行加工，金屬線一定會穿過工件，故待加工的面上的各點一定是能夠放置一根直線不被遮擋的，故而本發(fā)明通過調(diào)取NX平臺的射線判斷接口，判斷待分析面附近是否可以被射線穿透，能被射線穿透的面則認為具有可見性。同時，由于當(dāng)前主流線切割加工機臺的最大加工角度小于45°，且實際加工過程中該角度會設(shè)定的更小，一般為15°。因此當(dāng)相鄰面的共邊與加工坐標(biāo)系Z軸角度大于設(shè)定值，則認為其中一個與其它加工面不相鄰的面為不可加工面；繼而通過可見性與可加工性過濾大部分非線割曲面，求解相鄰曲面邊界。

不過對于相鄰曲面邊界中部分存在的二義性曲面邊界，可以通過邊界寬度、邊界法向、加工量三種方法的基礎(chǔ)經(jīng)驗公式計算出最優(yōu)解并將其他不同結(jié)果作為備選方案，當(dāng)用戶在處理二義性的曲面邊界時，系統(tǒng)自動提示用戶可以切換為備選方法進行加工，將最終加工方式記錄至數(shù)據(jù)庫中。具體方法如下：

設(shè)邊界寬度為X，邊界法向與加工坐標(biāo)系Z軸夾角為Y，邊界端點UV參數(shù)與曲面UV參數(shù)上下限差值的絕對值為Z，定義經(jīng)驗公式F(X,Y,Z)為X,Y,Z的三次多項式，

F(X,Y,Z)＝0.01X³+0.2X²+X+0.005Y³+0.012Y²+5Y+0.1Z²+Z

其中，上述經(jīng)驗公式的最初系數(shù)通過企業(yè)經(jīng)驗數(shù)據(jù)設(shè)定。

定期提取加工參數(shù)并通過遺傳算法求解多項式系數(shù)的最優(yōu)值，并更新經(jīng)驗公式系數(shù)的配置文件。

當(dāng)求解相鄰曲面邊界之后，進入步驟S2。

步驟S2、判斷待切割曲面是否為規(guī)則曲面，根據(jù)曲面特性計算曲面加工軌跡。通過對曲面進行分類分析，從而快速獲取平面、圓柱面、圓錐面等規(guī)則曲面的幾何信息。

如圖3所示，所述步驟S2包括以下分步驟:

S2a、如果待切割曲面是規(guī)則曲面，則繼續(xù)判斷所述規(guī)則曲面是平面還是圓柱面；

具體的，規(guī)則曲面上的運動軌跡可以直接通過曲面類型得到。即當(dāng)所有點的法矢都相同時，判斷其為平面，則其加工軌跡為該平面與加工坐標(biāo)系X-Y平面的相交直線；以曲面上Z軸高度相同的任意三點構(gòu)成兩條直線段，直線段的中垂線交點到當(dāng)前曲面Z軸高度相同的任意點距離都相同時，判斷其為圓柱面，則其加工軌跡為以圓柱中軸線與X-Y平面相交點為圓心，圓柱面半徑為半徑的圓弧。

S2b、如果待切割曲面不是規(guī)則曲面，則求取得到所有關(guān)鍵切割點，根據(jù)關(guān)鍵切割點擬合出曲面加工軌跡。即通過曲面展開算法求解非標(biāo)準(zhǔn)曲面關(guān)鍵切割點的軌跡。

如圖4和圖5所示，通過NX三維圖形設(shè)計平臺提供的二次開發(fā)接口函數(shù)得到曲面沿XY方向變化率，根據(jù)曲面沿XY方向變化率對上述得到的曲面進行UV向展開求出UV向的一階導(dǎo)數(shù)、二階導(dǎo)數(shù)，并通過牛頓迭代法求解出延展方向一致性的矢量。

具體的，取當(dāng)前關(guān)鍵切割點的多個矢量方向作為起始方向，分別進行迭代計算得到滿足公差的矢量，當(dāng)前關(guān)鍵切割點沿矢量方向平移閾值距離后與該曲面距離得到誤差值；對比多個矢量的誤差值，取誤差值最小的矢量作為延展方向一致性矢量。該方法避免陷入局部最優(yōu)解的情況，同時充分考慮到工程應(yīng)用場景，將最常見情況納入至算法中，提高發(fā)明的執(zhí)行效率。

取相鄰曲面邊界上的任意一點作為當(dāng)前關(guān)鍵切割點，將當(dāng)前關(guān)鍵切割點以延展方向一致性的矢量與法向矢量叉乘后的矢量進行偏移一微調(diào)閾值距離求得下一個關(guān)鍵切割點，依次循環(huán)，直至求到的關(guān)鍵切割點與曲面邊界的距離小于微調(diào)閾值距離，即得到該曲面所有關(guān)鍵切割點；通過直線段連接關(guān)鍵切割點擬合出曲面加工軌跡。所述微調(diào)閾值距離為最小加工直線段長度，優(yōu)選0.01mm。

所述步驟S3、設(shè)定工藝參數(shù)，并結(jié)合曲面加工軌跡由線割刀路生成器生成指定工藝類型的通用的線割刀路軌跡編碼。

本發(fā)明提供加工工藝模板數(shù)據(jù)庫支持，通過不同類型的加工方式，如：內(nèi)孔，開放式，無屑加工會對應(yīng)不同的加工速度，退刀距離等，同時用戶隨時定制加工工藝參數(shù)模板，如：絲徑，精修次數(shù)，加工方向等，從而快速設(shè)定加工工藝參數(shù)。

根據(jù)加工工藝參數(shù)生成通用代碼的過程是將運動軌跡以標(biāo)準(zhǔn)NC代碼格式的圓弧與直線運動描述出來，用加工坐標(biāo)XY標(biāo)示圓弧的起始端，IJ標(biāo)示終止端，R標(biāo)示半徑；直線用XY標(biāo)示起始端,IJ表示終止段。對于不同設(shè)備代碼會不一樣，但整體格式一致，本發(fā)明通過替換字段的形式實現(xiàn)指定機型的規(guī)則轉(zhuǎn)換。

若線割絲以直線直接切入線割輪廓，當(dāng)線割第一段輪廓也為直線時，通常此情況此兩條直線有夾角，直線與直線間有個拐點，由于線割線經(jīng)過此拐點時，不能保證均勻放電，會在此拐點除給零件留下被重復(fù)放電的絲痕，特別當(dāng)此怪角為尖角的時候尤為嚴(yán)重。使用相切的圓弧路徑進刀可以明顯改善這一點。在實際線割路徑中，因為直接進刀會導(dǎo)致進刀口處過量放電，因此我們會在圓弧進刀軌跡前加一段L型的線割絲調(diào)整角度的過渡路徑，防止發(fā)生過切現(xiàn)象。

圖6為本發(fā)明所述基于三維圖形設(shè)計平臺的智能化線切割編程方法的步驟流程圖，如圖6所示，所述基于三維圖形設(shè)計平臺的智能化線切割編程方法具有以下步驟：

步驟1：對待切割曲面進行相鄰性分組，指定待分析曲面，進入步驟2；

步驟2：調(diào)取NX三維圖形設(shè)計平臺的射線判斷接口，判斷待分析曲面的可見性，進入步驟3；

步驟3：根據(jù)相鄰曲面的共邊與加工坐標(biāo)系Z軸角度判斷待分析曲面的可加工性，進入步驟4；

步驟4：根據(jù)可見性與可加工性求解相鄰曲面邊界，進入步驟5；

步驟5：判斷待分析曲面是否為規(guī)則曲面，如果是規(guī)則曲面，則進入步驟6；如果不是規(guī)則曲面，則進入步驟7；

步驟6：直接通過曲面類型規(guī)則得到曲面上的運動軌跡，進入步驟5；

步驟7：根據(jù)曲面沿XY方向變化率求解出延展方向一致性的矢量，進入步驟8；

步驟8：通過直線段連接關(guān)鍵切割點擬合出曲面加工軌跡，進入步驟9；

步驟9：根據(jù)加工工藝模板數(shù)據(jù)庫以及用戶輸入提取加工工藝參數(shù)，進入步驟10；

步驟11：根據(jù)加工工藝參數(shù)生成線切割軌跡代碼，進入步驟12；

步驟12：根據(jù)特定機床的指令將線割刀路軌跡代碼轉(zhuǎn)換為該類型機床可識別的數(shù)控指令，進入步驟13；

步驟13：輸出數(shù)控指令。

基于三維圖形設(shè)計平臺的智能化線切割編程方法，本發(fā)明還提供一種基于三維圖形設(shè)計平臺的智能化線切割編程系統(tǒng)，所述基于三維圖形設(shè)計平臺的智能化線切割編程系統(tǒng)包括如下功能模塊：

邊界求解模塊、用于對待切割曲面進行相鄰性分組，判斷待分析待切割曲面的可見性和可加工性，并通過可見性與可加工性求解相鄰曲面邊界；

軌跡分析模塊、用于判斷待切割曲面是否為規(guī)則曲面，根據(jù)曲面特性計算曲面加工軌跡；

編碼生成模塊、用于設(shè)定工藝參數(shù)，并結(jié)合曲面加工軌跡由線割刀路生成器生成指定工藝類型的通用的線割刀路軌跡編碼。

其中，所述邊界求解模塊包括以下功能子模塊：

所述曲面分組子模塊、用于判斷用戶指定曲面集合中的各個待切割曲面是否具有公共邊，將具有公共邊的待切割曲面歸類為一組，并迭代查找與該組相鄰的待切割曲面，直至所有待切割曲面都已歸組；

可見性判斷子模塊、用于調(diào)取NX三維圖形設(shè)計平臺的射線判斷接口，判斷待分析曲面附近是否可以被射線穿透，能夠被射線穿透的面則認為具有可見性；

可加工性判斷子模塊、用于當(dāng)相鄰曲面的共邊與加工坐標(biāo)系Z軸角度大于設(shè)定值，則認為其中一個與其它待切割曲面不相鄰的面為不可加工面；

過濾刪選子模塊、用于通過可見性與可加工性過濾大部分非線割曲面，并求解相鄰曲面邊界。

其中，所述軌跡分析模塊包括二次判斷子模塊：

二次判斷子模塊、用于當(dāng)待切割曲面是規(guī)則曲面時，則繼續(xù)判斷所述規(guī)則曲面是平面還是圓柱面；

具體的，所述二次判斷子模塊包括以下功能單元：

平面加工軌跡獲取單元、用于當(dāng)所有關(guān)鍵切割點的法矢都相同時，判斷其為平面，則其加工軌跡為該平面與加工坐標(biāo)系X-Y平面的相交直線；

圓柱面加工軌跡獲取單元、用于以曲面上Z軸高度相同的任意三點構(gòu)成兩條直線段，直線段的中垂線交點到當(dāng)前曲面Z軸高度相同的任意點距離都相同時，判斷其為圓柱面，則其加工軌跡為以圓柱中軸線與X-Y平面相交點為圓心，圓柱面半徑為半徑的圓弧。

其中，所述軌跡分析模塊還包括加工軌跡求取子模塊：

加工軌跡求取子模塊、用于當(dāng)待切割曲面不是規(guī)則曲面時，則求取得到所有關(guān)鍵切割點，根據(jù)關(guān)鍵切割點擬合出曲面加工軌跡；

具體的，所述加工軌跡求取子模塊包括以下功能單元：

延展方向矢量求解單元、用于根據(jù)曲面沿XY方向變化率對待切割曲面進行UV向展開求出UV向的一階導(dǎo)數(shù)、二階導(dǎo)數(shù)，并通過牛頓迭代法求解出延展方向一致性的矢量；

關(guān)鍵點求解單元、用于取相鄰曲面邊界上的任意一點作為當(dāng)前關(guān)鍵切割點，將當(dāng)前關(guān)鍵切割點以延展方向一致性的矢量與法向矢量叉乘后的矢量進行偏移一微調(diào)閾值距離求得下一個關(guān)鍵切割點，依次循環(huán)，直至求到的關(guān)鍵切割點與曲面邊界的距離小于微調(diào)閾值距離，即得到該曲面所有關(guān)鍵切割點；

加工軌跡生成單元、用于通過直線段連接關(guān)鍵切割點擬合出曲面加工軌跡。

進一步的，所述延展方向矢量求解單元還包括以下功能子單元：

公差矢量迭代子單元、用于取當(dāng)前關(guān)鍵切割點的多個矢量方向作為起始方向，分別進行迭代計算得到滿足公差的矢量；

誤差求解子單元、用于在當(dāng)前關(guān)鍵切割點沿矢量方向平移閾值距離后與該曲面距離得到誤差值；

誤差對比子單元、用于對比多個矢量的誤差值，取誤差值最小的矢量作為延展方向一致性矢量。

本發(fā)明所述基于三維圖形設(shè)計平臺的智能化線切割編程方法及系統(tǒng)，其通過對待切割曲面進行相鄰性分組，判斷待分析待切割曲面的可見性和可加工性，并通過可見性與可加工性求解相鄰曲面邊界；再判斷待切割曲面是否為規(guī)則曲面，根據(jù)曲面特性計算曲面加工軌跡；最后設(shè)定工藝參數(shù)，并結(jié)合曲面加工軌跡由線割刀路生成器生成指定工藝類型的通用的線割刀路軌跡編碼。本發(fā)明基于當(dāng)前主流的3D設(shè)計軟件NX三維圖形設(shè)計平臺實現(xiàn)線切割自動化編程系統(tǒng)，采用全3D線割編程，數(shù)據(jù)無縫傳輸，中間無人為周轉(zhuǎn)；且通過集成線割工藝，進行智能化運算，減少人為操作強度和提高數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性；可自動分成多段的無線頭線割工藝，反割工藝、主副程式、無屑線割工藝，解決了現(xiàn)有技術(shù)中3D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至2D時通常會產(chǎn)生大量樣條曲線，從而影響編程的精度和效率，且需要額外指定工藝參數(shù)的問題。

以上裝置實施例與方法實施例是一一對應(yīng)的，裝置實施例簡略之處，參見方法實施例即可。

本說明書中各個實施例采用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似部分互相參見即可。

專業(yè)人員還可以進一步意識到，結(jié)合本文中所公開的實施例描述的各示例的單元及算法步驟，能夠以電子硬件、計算機軟件或者二者的結(jié)合來實現(xiàn)，為了清楚地說明硬件和軟件的可互換性，在上述說明中已經(jīng)按照功能性一般性地描述了各示例的組成及步驟。這些功能究竟以硬件還是軟件方式來執(zhí)行，取決于技術(shù)方案的特定應(yīng)用和設(shè)計約束條件。專業(yè)技術(shù)人員可以對每個特定的應(yīng)用來使用不同方法來實現(xiàn)所描述的功能，但是這種實現(xiàn)不應(yīng)超過本發(fā)明的范圍。

結(jié)合本文中所公開的實施例描述的方法或算法的步驟可以直接用硬件、處理器執(zhí)行的軟件模塊，或者二者的結(jié)合來實施。軟件模塊可以置于隨機儲存器、內(nèi)存、只讀存儲器、電可編程ROM、電可檫除可編程ROM、寄存器、硬盤、可移動磁盤、CD-ROM、或技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)所公知的任意其他形式的存儲介質(zhì)中。

上面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例進行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實施方式，上述的具體實施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護的范圍情況下，還可做出很多形式，這些均屬于本發(fā)明的保護之內(nèi)。