專利名稱：使用規(guī)則面的運(yùn)動(dòng)學(xué)近似算法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于借助材料磨蝕工具在工件上產(chǎn)生至少一個(gè)面的方法以及一種相應(yīng)的材料磨蝕設(shè)備。
背景技術(shù)：
工件例如可以是技術(shù)機(jī)器的組成部分，尤其是諸如推進(jìn)器、離心壓縮機(jī)的渦輪、泵的轉(zhuǎn)子、燃?xì)廨啓C(jī)或渦輪增壓機(jī)的流體機(jī)器。工件可以一般化為待處理的部件。按照常規(guī)的方式，幾何形狀設(shè)計(jì)部件與制造部件是分離的。在設(shè)計(jì)階段期間，工程師建造出規(guī)則面(Regelflkhe)并且提供用于制造的表面。規(guī)則面可以近似于自由形態(tài)表面或者可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求來優(yōu)化。在制造階段中應(yīng)用特定的方法來制造該規(guī)則面。例如， 五軸-側(cè)面-銑削具有以下步驟首先根據(jù)輸入表面數(shù)據(jù)產(chǎn)生銑刀接觸路徑。然后從銑刀接觸數(shù)據(jù)中獲得銑刀定位數(shù)據(jù)?；谠撱姷抖ㄎ粩?shù)據(jù)來規(guī)劃材料磨蝕工具的運(yùn)動(dòng)過程。最后應(yīng)用特定的后處理來獲得數(shù)值控制代碼。不利地，該現(xiàn)有技術(shù)具有以下缺點(diǎn)，即不存在全局的連續(xù)性保證，需要多個(gè)優(yōu)化循環(huán)，循環(huán)計(jì)算是費(fèi)事的，時(shí)間花費(fèi)比較高，工具定位數(shù)據(jù)可能具有局部錯(cuò)誤并且需要足夠的工具定位數(shù)據(jù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的任務(wù)是提供一種用于在工件上產(chǎn)生任意面的方法，使得快速和成本低廉地產(chǎn)生該面。任意的待產(chǎn)生的面與所產(chǎn)生的規(guī)則面之間的誤差應(yīng)當(dāng)小。該任務(wù)通過根據(jù)主權(quán)利要求的方法和根據(jù)副權(quán)利要求的材料磨蝕設(shè)備來解決。規(guī)則面或所謂的“ruled surface”是一種可以通過在三維歐幾里德空間中移動(dòng)直線來產(chǎn)生的面。通過這種方式可以簡(jiǎn)單地通過沿著移動(dòng)的直線進(jìn)行材料磨蝕來產(chǎn)生規(guī)則面。規(guī)則面的直線可以稱為劃線直線、劃線或“ruling”。材料磨蝕例如可以借助使用CNC (計(jì)算機(jī)數(shù)值控制)機(jī)器、放電切線處理或激光切割進(jìn)行的側(cè)面銑削來執(zhí)行。根據(jù)本發(fā)明的第一方面，借助材料磨蝕工具在工件上產(chǎn)生面，其中基于任意的待產(chǎn)生的面來控制該材料磨蝕工具的移動(dòng)路徑以產(chǎn)生與該任意面近似的規(guī)則面，其中所述移動(dòng)路徑以雙單位球上的曲線的形式提供，其中在該曲線上的點(diǎn)與所述材料磨蝕工具的位置和取向相應(yīng)?？梢葬槍?duì)所述工具的移動(dòng)提供平滑的單個(gè)參數(shù)路徑圖。這是材料磨蝕設(shè)備系統(tǒng)的運(yùn)行的精確顯示?？梢蕴峁┧霾牧夏ノg工具的移動(dòng)路徑的解析圖，從而使得可以針對(duì)制造進(jìn)行全局的誤差控制。規(guī)則面的理論與螺旋理論和雙數(shù)代數(shù)組合。在使用該算法的情況下可以通過規(guī)則面近似每個(gè)給定的表面或離散的直線序列，即所謂的銑刀定位數(shù)據(jù)。 任意的待產(chǎn)生的面可以作為自由形態(tài)表面或者作為離散的材料磨蝕工具定位數(shù)據(jù)來提供。 該任意的待產(chǎn)生的面例如可以在空氣動(dòng)力方面得到優(yōu)化。本發(fā)明方法的優(yōu)點(diǎn)是，通過雙單位球上的曲線、尤其是雙球樣條曲線給出的平滑的單個(gè)參數(shù)路徑圖；在位置和取向方面針對(duì)5軸銑削的緊湊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；對(duì)所述工具是否位于工作空間內(nèi)的簡(jiǎn)單的判斷；實(shí)時(shí)；全局誤差檢查和小的運(yùn)動(dòng)學(xué)誤差；很少的切割位置數(shù)據(jù)(CL ；Cutterlocation Daten，刀具位置數(shù)據(jù))；適用于不同的制造方法。根據(jù)第二方面，材料磨蝕設(shè)備為了執(zhí)行本發(fā)明的方法而具有計(jì)算裝置、控制裝置和材料磨蝕工具。該材料磨蝕工具通過控制裝置來控制，而且基于通過所述計(jì)算裝置計(jì)算的移動(dòng)路徑。其它有利構(gòu)成將結(jié)合從屬權(quán)利要求提出。根據(jù)一種有利構(gòu)成，所述在雙單元球上的曲線可以被定義為連續(xù)和平滑的樣條曲線。該樣條曲線可以稱為雙球樣條曲線。所述在雙單元球上的曲線可以被定義為雙球樣條。 樣條的連續(xù)性特征避免了在常規(guī)移動(dòng)路徑顯示中的連接計(jì)算。樣條的計(jì)算算法對(duì)實(shí)時(shí)應(yīng)用來說是足夠快的。定義一種新型的樣條并且成為“雙球樣條”。規(guī)則面被顯示為雙單位球上的雙球樣條。該樣條在連續(xù)性和凸起性方面具有有利的特征。對(duì)應(yīng)于直線在歐幾里德空間中的位置和取向。對(duì)該樣條的計(jì)算是非常快速的，從而滿足實(shí)時(shí)要求。與諸如張量乘積B 樣條表面的常規(guī)的用于規(guī)則面的參數(shù)化方法相比，該樣條將參數(shù)數(shù)量減少到三分之一。根據(jù)另一有利構(gòu)成，可以進(jìn)行以下用于提供所述曲線的步驟
-提供與任意的待產(chǎn)生的面近似的離散劃線直線序列；
-借助Klein映射算法以及隨后的學(xué)習(xí)映射算法將在三維歐幾里德空間中的離散劃線直線的坐標(biāo)分別轉(zhuǎn)換為雙單位球上的離散點(diǎn)的坐標(biāo)；
-借助雙球樣條插值算法的應(yīng)用通過產(chǎn)生具有離散點(diǎn)的樣條曲線來插值出離散點(diǎn)?；谠撔滦偷臉訔l，開發(fā)了一系列算法來用于插值和計(jì)算雙單位球上的雙球樣條。因此開發(fā)了運(yùn)動(dòng)學(xué)的規(guī)則面近似算法。根據(jù)另一有利構(gòu)成， -劃線直線對(duì)應(yīng)于等式
-雙球樣條插值算法具有以下等式
作為樣條曲線的等式，其中fi可以是基礎(chǔ)函數(shù)，化可以是在！^中雙單位球上的控制點(diǎn)，其中
c34)丨，/ o，w ,其中
I^l
雙單位球上的加權(quán)平均值可以對(duì)應(yīng)于以下等式 U.乃，其中 Σ ■+=L蜱其中
為了產(chǎn)生樣條曲線可以根據(jù)以下公式執(zhí)行最小化 根據(jù)另一有利構(gòu)成，借助對(duì)與任意面之間的距離進(jìn)行數(shù)學(xué)上的最小平方最小化，
根據(jù)另一有利構(gòu)成，在使用所要求的移動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征以及使用機(jī)器人分析的情況下，檢查所述移動(dòng)路徑是否在所述材料磨蝕工具的工作空間內(nèi)。根據(jù)另一有利的構(gòu)成，所述方法可以用于形狀設(shè)計(jì)和形狀優(yōu)化?；谂c現(xiàn)有技術(shù)相比參數(shù)數(shù)量的減少，所述算法優(yōu)選適用于這種用途。根據(jù)另一有利的構(gòu)成，所述材料磨蝕工具可以是CNC (計(jì)算機(jī)數(shù)值控制)銑削機(jī)器、 放電切線處理機(jī)或者激光切割機(jī)的部件。根據(jù)另一有利的構(gòu)成，所述工件可以是諸如推進(jìn)器或轉(zhuǎn)子的流體機(jī)器的部件。


借助實(shí)施例結(jié)合附圖詳細(xì)描述本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種用于借助材料磨蝕工具在工件上產(chǎn)生面的方法，其中基于任意的待產(chǎn)生的面來控制該材料磨蝕工具的移動(dòng)路徑以產(chǎn)生與該任意面近似的規(guī)則面，其中所述移動(dòng)路徑以雙單位球上的曲線的形式提供，其中在該曲線上的點(diǎn)與所述材料磨蝕工具的位置和取向相應(yīng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法， 其特征在于，所述在雙單元球上的曲線被定義為連續(xù)和平滑的雙樣條曲線。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法， 其特征在于，-提供與任意的待產(chǎn)生的面近似的離散劃線直線序列；-借助Klein映射算法以及隨后的學(xué)習(xí)映射算法將在三維歐幾里德空間中的離散劃線直線的坐標(biāo)分別轉(zhuǎn)換為雙單位球上的離散點(diǎn)的坐標(biāo)；-借助雙球樣條插值算法的應(yīng)用通過產(chǎn)生具有離散點(diǎn)的雙樣條曲線來對(duì)離散點(diǎn)差值。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法， 其特征在于，-劃線直線對(duì)應(yīng)于等式
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的方法， 其特征在于，借助對(duì)與任意面之間的距離進(jìn)行數(shù)學(xué)上的最小平方最小化，計(jì)算與該任意面近似的離散劃線直線序列。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的方法， 其特征在于，借助反學(xué)習(xí)映射算法以及此后借助反Klein映射算法將所述曲線轉(zhuǎn)換為三維歐幾里德空間中的規(guī)則面。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法， 其特征在于，所述控制點(diǎn)作為參數(shù)用于將規(guī)則面與任意的待產(chǎn)生的面近似。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法， 其特征在于，單個(gè)參數(shù)u是涉及材料磨蝕工具的移動(dòng)的進(jìn)動(dòng)速率或時(shí)間。
9.根據(jù)上述權(quán)利要求3至8之一所述的方法， 其特征在于，-基于任意的待產(chǎn)生的面以及離散的劃線直線，除了每個(gè)離散的劃線直線之外還確定第一和第二離散參考直線，其中第一離散參考直線穿過離散的劃線直線與第一待確定的準(zhǔn)曲線的交點(diǎn)地分布，并且第二參考直線穿過該劃線直線與第二待確定的準(zhǔn)曲線的交點(diǎn)地分布，并且這些參考直線的取向分別與待產(chǎn)生的面在這些交點(diǎn)處的表面法線相應(yīng)，其中每個(gè)離散的劃線直線的這兩個(gè)交點(diǎn)之間的距離與所述材料磨蝕工具的長(zhǎng)度相應(yīng)；-借助Klein映射算法以及隨后借助學(xué)習(xí)映射算法將在三維歐幾里德空間中的離散參考直線的坐標(biāo)分別轉(zhuǎn)換為雙單位球上的離散點(diǎn)的坐標(biāo)，其中對(duì)應(yīng)于第一參考直線序列產(chǎn)生第一離散點(diǎn)序列，并且對(duì)應(yīng)于第二參考直線序列產(chǎn)生第二離散點(diǎn)序列；-借助雙球樣條插值算法的應(yīng)用通過產(chǎn)生兩個(gè)另外的具有各自離散點(diǎn)序列的雙球樣條曲線來對(duì)兩個(gè)離散的點(diǎn)序列插值；-借助反學(xué)習(xí)映射算法以及隨后借助反Klein映射算法將所有三個(gè)樣條曲線轉(zhuǎn)換為三維歐幾里德空間中的三個(gè)規(guī)則面，其中第一和第二參考直線的兩個(gè)規(guī)則面分別與劃線直線的規(guī)則面的兩條相交線確定了劃線直線的規(guī)則面的第一和第二平滑和連續(xù)的準(zhǔn)曲線，并且其中通過以下等式中的P(U)和q(u)從數(shù)學(xué)上描述這兩條準(zhǔn)曲線
10.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的方法， 其特征在于，在使用所要求的移動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征以及使用機(jī)器人分析的情況下，檢查所述移動(dòng)路徑是否在所述材料磨蝕工具的工作空間內(nèi)。
11.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的方法， 其特征在于，所述方法用于工件的形狀設(shè)計(jì)和/或形狀優(yōu)化。
12.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，材料磨蝕工具是CNC (計(jì)算機(jī)數(shù)值控制)銑削機(jī)器、放電切線處理機(jī)器或激光切割機(jī)器的組成部分。
13.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的方法， 其特征在于，所述工具是流體機(jī)器的組成部分，例如是推進(jìn)器或轉(zhuǎn)子。
14.一種用于執(zhí)行根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述方法的設(shè)備，其特征在于，控制裝置根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述方法控制材料磨蝕工具，其中計(jì)算裝置計(jì)算該材料磨蝕工具的移動(dòng)路徑。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于借助材料磨蝕工具在工件上產(chǎn)生至少一個(gè)面的方法以及相應(yīng)的材料磨蝕設(shè)備。本發(fā)明的任務(wù)是提供一種用于在工件上產(chǎn)生任意面的方法，使得該面快速和廉價(jià)地產(chǎn)生。任意的待產(chǎn)生的面與所產(chǎn)生的規(guī)則面之間的誤差應(yīng)當(dāng)小。本發(fā)明的特征在于，基于任意的待產(chǎn)生的面來控制該材料磨蝕工具的移動(dòng)路徑以產(chǎn)生與該任意面近似的規(guī)則面，其中所述移動(dòng)路徑以雙單位球上的曲線的形式提供，其中在該曲線上的點(diǎn)與所述材料磨蝕工具的位置和取向相應(yīng)。該曲線可以基于劃線直線產(chǎn)生，該劃線直線借助數(shù)學(xué)變換被轉(zhuǎn)換為雙單位球上的點(diǎn)。借助用于產(chǎn)生曲線的雙球樣條插值算法進(jìn)行對(duì)這些點(diǎn)的插值。該曲線現(xiàn)在可以被反變換為待制造的規(guī)則面或者可以直接用于控制材料磨蝕工具的移動(dòng)路徑。同樣可以借助雙球樣條插值算法確定規(guī)則面的準(zhǔn)曲線。該方法尤其適用于制造流體機(jī)器的組成部分的面，該流體機(jī)器例如是渦輪?？梢栽谌我獾牟牧仙现圃烊我獾拿?。
文檔編號(hào)G05B19/4093GK102422232SQ201080018913
公開日2012年4月18日 申請(qǐng)日期2010年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月29日
發(fā)明者舒爾策 J., 周雅赟 申請(qǐng)人:西門子公司