专利名称：使用规则面的运动学近似算法的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于借助材料磨蚀工具在工件上产生至少一个面的方法以及一种相应的材料磨蚀设备。
背景技术：
工件例如可以是技术机器的组成部分，尤其是诸如推进器、离心压缩机的涡轮、泵的转子、燃气轮机或涡轮增压机的流体机器。工件可以一般化为待处理的部件。按照常规的方式，几何形状设计部件与制造部件是分离的。在设计阶段期间，工程师建造出规则面(Regelflkhe)并且提供用于制造的表面。规则面可以近似于自由形态表面或者可以根据设计要求来优化。在制造阶段中应用特定的方法来制造该规则面。例如， 五轴-侧面-铣削具有以下步骤首先根据输入表面数据产生铣刀接触路径。然后从铣刀接触数据中获得铣刀定位数据。基于该铣刀定位数据来规划材料磨蚀工具的运动过程。最后应用特定的后处理来获得数值控制代码。不利地，该现有技术具有以下缺点，即不存在全局的连续性保证，需要多个优化循环，循环计算是费事的，时间花费比较高，工具定位数据可能具有局部错误并且需要足够的工具定位数据。
发明内容
本发明的任务是提供一种用于在工件上产生任意面的方法，使得快速和成本低廉地产生该面。任意的待产生的面与所产生的规则面之间的误差应当小。该任务通过根据主权利要求的方法和根据副权利要求的材料磨蚀设备来解决。规则面或所谓的“ruled surface”是一种可以通过在三维欧几里德空间中移动直线来产生的面。通过这种方式可以简单地通过沿着移动的直线进行材料磨蚀来产生规则面。规则面的直线可以称为划线直线、划线或“ruling”。材料磨蚀例如可以借助使用CNC (计算机数值控制)机器、放电切线处理或激光切割进行的侧面铣削来执行。根据本发明的第一方面，借助材料磨蚀工具在工件上产生面，其中基于任意的待产生的面来控制该材料磨蚀工具的移动路径以产生与该任意面近似的规则面，其中所述移动路径以双单位球上的曲线的形式提供，其中在该曲线上的点与所述材料磨蚀工具的位置和取向相应。可以针对所述工具的移动提供平滑的单个参数路径图。这是材料磨蚀设备系统的运行的精确显示。可以提供所述材料磨蚀工具的移动路径的解析图，从而使得可以针对制造进行全局的误差控制。规则面的理论与螺旋理论和双数代数组合。在使用该算法的情况下可以通过规则面近似每个给定的表面或离散的直线序列，即所谓的铣刀定位数据。 任意的待产生的面可以作为自由形态表面或者作为离散的材料磨蚀工具定位数据来提供。 该任意的待产生的面例如可以在空气动力方面得到优化。本发明方法的优点是，通过双单位球上的曲线、尤其是双球样条曲线给出的平滑的单个参数路径图；在位置和取向方面针对5轴铣削的紧凑的数据结构；对所述工具是否位于工作空间内的简单的判断；实时；全局误差检查和小的运动学误差；很少的切割位置数据(CL ；Cutterlocation Daten，刀具位置数据)；适用于不同的制造方法。根据第二方面，材料磨蚀设备为了执行本发明的方法而具有计算装置、控制装置和材料磨蚀工具。该材料磨蚀工具通过控制装置来控制，而且基于通过所述计算装置计算的移动路径。其它有利构成将结合从属权利要求提出。根据一种有利构成，所述在双单元球上的曲线可以被定义为连续和平滑的样条曲线。该样条曲线可以称为双球样条曲线。所述在双单元球上的曲线可以被定义为双球样条。 样条的连续性特征避免了在常规移动路径显示中的连接计算。样条的计算算法对实时应用来说是足够快的。定义一种新型的样条并且成为“双球样条”。规则面被显示为双单位球上的双球样条。该样条在连续性和凸起性方面具有有利的特征。对应于直线在欧几里德空间中的位置和取向。对该样条的计算是非常快速的，从而满足实时要求。与诸如张量乘积B 样条表面的常规的用于规则面的参数化方法相比，该样条将参数数量减少到三分之一。根据另一有利构成，可以进行以下用于提供所述曲线的步骤
-提供与任意的待产生的面近似的离散划线直线序列；
-借助Klein映射算法以及随后的学习映射算法将在三维欧几里德空间中的离散划线直线的坐标分别转换为双单位球上的离散点的坐标；
-借助双球样条插值算法的应用通过产生具有离散点的样条曲线来插值出离散点。基于该新型的样条，开发了一系列算法来用于插值和计算双单位球上的双球样条。因此开发了运动学的规则面近似算法。根据另一有利构成， -划线直线对应于等式
-双球样条插值算法具有以下等式
作为样条曲线的等式，其中fi可以是基础函数，化可以是在！^中双单位球上的控制点，其中
c34)丨，/ o，w ,其中
I^l
双单位球上的加权平均值可以对应于以下等式 U.乃，其中 Σ ■+=L蜱其中
为了产生样条曲线可以根据以下公式执行最小化 根据另一有利构成，借助对与任意面之间的距离进行数学上的最小平方最小化，
根据另一有利构成，在使用所要求的移动的运动学特征以及使用机器人分析的情况下，检查所述移动路径是否在所述材料磨蚀工具的工作空间内。根据另一有利的构成，所述方法可以用于形状设计和形状优化。基于与现有技术相比参数数量的减少，所述算法优选适用于这种用途。根据另一有利的构成，所述材料磨蚀工具可以是CNC (计算机数值控制)铣削机器、 放电切线处理机或者激光切割机的部件。根据另一有利的构成，所述工件可以是诸如推进器或转子的流体机器的部件。
借助实施例结合附图详细描述本发明。
权利要求
1.一种用于借助材料磨蚀工具在工件上产生面的方法，其中基于任意的待产生的面来控制该材料磨蚀工具的移动路径以产生与该任意面近似的规则面，其中所述移动路径以双单位球上的曲线的形式提供，其中在该曲线上的点与所述材料磨蚀工具的位置和取向相应。
2.根据权利要求1所述的方法， 其特征在于，所述在双单元球上的曲线被定义为连续和平滑的双样条曲线。
3.根据权利要求2所述的方法， 其特征在于，-提供与任意的待产生的面近似的离散划线直线序列；-借助Klein映射算法以及随后的学习映射算法将在三维欧几里德空间中的离散划线直线的坐标分别转换为双单位球上的离散点的坐标；-借助双球样条插值算法的应用通过产生具有离散点的双样条曲线来对离散点差值。
4.根据权利要求3所述的方法， 其特征在于，-划线直线对应于等式
5.根据权利要求3或4所述的方法， 其特征在于，借助对与任意面之间的距离进行数学上的最小平方最小化，计算与该任意面近似的离散划线直线序列。
6.根据上述权利要求之一所述的方法， 其特征在于，借助反学习映射算法以及此后借助反Klein映射算法将所述曲线转换为三维欧几里德空间中的规则面。
7.根据权利要求4所述的方法， 其特征在于，所述控制点作为参数用于将规则面与任意的待产生的面近似。
8.根据权利要求4所述的方法， 其特征在于，单个参数u是涉及材料磨蚀工具的移动的进动速率或时间。
9.根据上述权利要求3至8之一所述的方法， 其特征在于，-基于任意的待产生的面以及离散的划线直线，除了每个离散的划线直线之外还确定第一和第二离散参考直线，其中第一离散参考直线穿过离散的划线直线与第一待确定的准曲线的交点地分布，并且第二参考直线穿过该划线直线与第二待确定的准曲线的交点地分布，并且这些参考直线的取向分别与待产生的面在这些交点处的表面法线相应，其中每个离散的划线直线的这两个交点之间的距离与所述材料磨蚀工具的长度相应；-借助Klein映射算法以及随后借助学习映射算法将在三维欧几里德空间中的离散参考直线的坐标分别转换为双单位球上的离散点的坐标，其中对应于第一参考直线序列产生第一离散点序列，并且对应于第二参考直线序列产生第二离散点序列；-借助双球样条插值算法的应用通过产生两个另外的具有各自离散点序列的双球样条曲线来对两个离散的点序列插值；-借助反学习映射算法以及随后借助反Klein映射算法将所有三个样条曲线转换为三维欧几里德空间中的三个规则面，其中第一和第二参考直线的两个规则面分别与划线直线的规则面的两条相交线确定了划线直线的规则面的第一和第二平滑和连续的准曲线，并且其中通过以下等式中的P(U)和q(u)从数学上描述这两条准曲线
10.根据上述权利要求之一所述的方法， 其特征在于，在使用所要求的移动的运动学特征以及使用机器人分析的情况下，检查所述移动路径是否在所述材料磨蚀工具的工作空间内。
11.根据上述权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状设计和/或形状优化。
12.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，材料磨蚀工具是CNC (计算机数值控制)铣削机器、放电切线处理机器或激光切割机器的组成部分。
13.根据上述权利要求之一所述的方法， 其特征在于，所述工具是流体机器的组成部分，例如是推进器或转子。
14.一种用于执行根据上述权利要求之一所述方法的设备，其特征在于，控制装置根据上述权利要求之一所述方法控制材料磨蚀工具，其中计算装置计算该材料磨蚀工具的移动路径。
全文摘要
本发明涉及一种用于借助材料磨蚀工具在工件上产生至少一个面的方法以及相应的材料磨蚀设备。本发明的任务是提供一种用于在工件上产生任意面的方法，使得该面快速和廉价地产生。任意的待产生的面与所产生的规则面之间的误差应当小。本发明的特征在于，基于任意的待产生的面来控制该材料磨蚀工具的移动路径以产生与该任意面近似的规则面，其中所述移动路径以双单位球上的曲线的形式提供，其中在该曲线上的点与所述材料磨蚀工具的位置和取向相应。该曲线可以基于划线直线产生，该划线直线借助数学变换被转换为双单位球上的点。借助用于产生曲线的双球样条插值算法进行对这些点的插值。该曲线现在可以被反变换为待制造的规则面或者可以直接用于控制材料磨蚀工具的移动路径。同样可以借助双球样条插值算法确定规则面的准曲线。该方法尤其适用于制造流体机器的组成部分的面，该流体机器例如是涡轮。可以在任意的材料上制造任意的面。
文档编号G05B19/4093GK102422232SQ201080018913
公开日2012年4月18日 申请日期2010年4月19日 优先权日2009年4月29日
发明者舒尔策 J., 周雅赟 申请人:西门子公司