一种冰刀轮廓测量与切削优化方法和冰刀切削装置

技术领域

本发明属于数控系统加工领域，更具体地，涉及一种冰刀轮廓测量与 切削优化方法和冰刀切削装置。

背景技术

从滑冰运动的发展历程来看，冰刀是冰上运动的基础，无论是速 度滑冰、花样滑冰、冰上舞蹈、冰上溜石还是冰球，离开冰刀是无法 进行的。随着我国冰刀事业发展需求，迫切需要研制一种能高精度、 多样化加工、修复冰刀的装置，研制这种装置最关键的技术是冰刀轮 廓曲线的测量与优化出合理的加工轨迹。

现有技术中也有很多关于冰刀轮廓测量与切削优化方法研究。例如在 非专利文献《冰刀弧的测量与数据处理研究》中基于接触式测量的理论， 利用最小二乘法对冰刀弧的测量数据进行处理，求出了冰刀的弧度和顶弧 位置等参数，从而得出冰刀切削的重要参数依据，该方法存在如下问题： 问题一、接触式测头测量效率低和测量精度差无法达到目前工艺需求，现 在的冰刀普遍存在十几段二十几段弧甚至存在非圆轮廓，接触式测头难以实现高精度高密集点测量，而且接触式测头易磨损造成设备误差；问题二、 如冰刀磨损较大采用二次逼近法无法准确求出顶弧位置。问题三、两段弧 之间连接处未经有效的平滑处理，生成的加工轨迹会造成冰刀表面光滑度 差。非专利文献《冰刀弧研磨系统的测量与加工技术研究》、《便携式数控 冰刀研磨机的研制》、《速滑冰刀测量技术的研究》等文献中主要研究了冰 刀测量拟合方法，对冰刀轮廓切削优化方法研究较少，现实中由于设计的 切削轨迹与冰刀之间没有紧密贴合使得冰刀测量与冰刀磨削脱离，形成了 只能测不能磨的现状。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种冰刀轮廓测量与 切削优化方法和冰刀切削装置，其目的在于实现测量磨削一体化设计并对 冰刀加工轨迹进行优化使得切削路径更贴合冰刀表面。

为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种冰刀轮廓测量 与切削优化方法，该方法包括：

准备阶段：对测量得到的样板冰刀轮廓曲线进行拟合，保存样板冰刀 拟合曲线；

切削优化阶段：对测量得到的修磨冰刀轮廓曲线进行拟合，所述拟合 方式与样板冰刀一致；将样板冰刀拟合曲线和修磨冰刀拟合曲线投影到同 一个坐标系下；平移旋转样板冰刀拟合曲线，使两条拟合曲线之间面积最 小，此时的样板冰刀在该坐标系下的轮廓轨迹即为修磨冰刀的最佳切削路 径。

优选地，冰刀轮廓曲线的测量方式为：

待冰刀水平放置后，在冰刃一侧上方投下线光源，所述线光源由一排 若干个等距的光点组成；

通过投射到冰刀上的连续光点数以及光点的间距，计算出冰刀边沿位 置；等间距连续测量多个点得出冰刀的轮廓曲线。

有益效果：本发明提出一种新的冰刀轮廓曲线测量方法，采用“连续有 效光源法”采集冰刀的轮廓数据，由于投射到冰刀上的光点可返回有效数据， 投射到悬空区域反射的光点不在有效测量范围内无法返回有效数据，本发 明采用连续有效光源法对投射到冰刀的光点必须满足是连续(中间存在有 效返回光点与无效光点交替出现，则认为此段返回光点无效，排除悬浮物 干扰)，因此，相较于现有的测高度方法，具有抗干扰性强的优点。

优选地，等间距连续测量多个点得出冰刀的轮廓曲线计算公式如下：

D

其中，(x

有益效果：线激光测头测量数据经过上面的计算公式可得冰刀冰刃轮 廓在机床坐标系下的轨迹。

优选地，所述拟合采用改进的三阶B样条拟合，包括：

将冰刀轮廓曲线头部去掉n个点，尾部去掉m个点，得到i-m-n个测 量点数；

对掐头去尾后的冰刀轮廓曲线进行三阶B样条拟合曲线。

有益效果：本发明采用改进的三阶B样条拟合轮廓曲线，由于冰刀轮 廓头尾位置为非磨削区域且图形不规则容易影响整体轮廓拟合精度，采用 “掐头去尾”三阶B样条拟合，确保切削轨迹平滑的基础上使得拟合曲线更 接近实际测量曲线，减少拟合误差。

优选地，所述平移旋转样板冰刀拟合曲线，使之与修磨冰刀拟合曲线 之间面积最小，此时的样板冰刀在该坐标系下的轨迹即为修磨冰刀的最佳 切削路径，包括：

在修磨冰刀拟合曲线中逐一取点，作为样板冰刀拟合曲线旋转重心；

平移旋转样板冰刀拟合曲线，计算出每个旋转重心对应两条曲线间面 积最小值；

采用二次极小值方法求出所有旋转重心对应曲线间面积最小值；

由最小值推导出样板冰刀拟合曲线的最佳平移位置和旋转角度。

有益效果：本发明采用二次极小值方法平移旋转样板冰刀曲线使之与 修磨冰刀曲线之间面积最小，此时的样板冰刀在该坐标系下的轨迹就是修 磨冰刀的最佳切削路径，由于修磨冰刀的最佳切削路径与修磨冰刀拟合曲 线之间面积最小，在修磨冰刀上切削出样板冰刀的轮廓时可确保切削量最 小。

优选地，所述所有旋转重心对应最小曲线间面积的最小值D

D

其中，D

有益效果：通过计算出D

优选地，冰刀切削优化轨迹函数为：

其中，

有益效果：通过上述函数直接生成加工G代码(机床运动控制指令)。

优选地，根据样板冰刀拟合曲线线性关系补齐头尾，得到完整的冰刀 切削路径。

为实现上述目的，按照本发明的第二方面，提供了一种冰刀切削装置， 该装置包括：计算机可读存储介质、处理器、测量组件和切削组件；

所述测量组件，用于测量冰刀的轮廓曲线，发送给处理器；

所述计算机可读存储介质，用于存储可执行指令；

所述处理器，用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令， 执行第一方面所述的冰刀轮廓测量与切削优化方法，得到修磨冰刀的最佳 切削路径；

所述切削组件，用于按照修磨冰刀的最佳切削路径切削冰刀。

有益效果：冰刀切削装置把测头控制模块，数据拟合、优化运算模块， 加工轨迹自动转化加工G代码功能(机床运动控制指令)，图形仿真模块 集成于一台三轴数控系统中，实现一键测量、一键优化、一键磨削，简化 了操作过程。

优选地，所述测量组件为安装在磨床的主轴一侧的线激光测头。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效 果：

本发明提出一种冰刀轮廓切削优化方法，让两把冰刀拟合曲线投影到 同一个坐标系下，平移旋转样板冰刀拟合曲线使之与修磨冰刀拟合曲线之 间面积最小，此时样板冰刀在该坐标系下的轮廓轨迹就是修磨冰刀的最佳 切削路径。其中，采用冰刀切削轨迹跟随修磨冰刀装夹位置移动而平移， 紧密贴合修磨冰刀冰刃轮廓，解决了冰刀装夹不一致冰刀磨削轨迹偏离问 题；其次由于修磨冰刀的最佳切削路径与修磨冰刀拟合曲线之间面积最小， 在修磨冰刀上切削出样板冰刀的轮廓时可确保切削量最小。

附图说明

图1为本发明提供的一种冰刀轮廓测量与切削优化方法流程图。

图2为本发明提供的有效光源测量原理图。

图3为本发明提供的两条拟合曲线投影在同一坐标下的示意图。

图4为本发明提供的第一个重心最小夹角面积示意图。

图5为本发明提供的最佳切削曲线示意图。

图6为本发明提供的切削优化结果报告。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图 及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体 实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的 本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可 以相互组合。

如图1所示，本发明提供了一种冰刀轮廓测量与切削优化方法，该方 法包括：

第一阶段：样板冰刀轮廓曲线测量、拟合、存档。

步骤1：基于机床坐标建立冰刀测量坐标系，设定线激光中心点为测量 基准点。

步骤2：基于机床坐标建立冰刀磨削坐标系，计算出冰刀测量与冰刀磨 削在机床坐标系的关系。由此关系转化测量优化的轨迹为机床磨削加工轨 迹。

步骤3：测量样板冰刀的轮廓曲线。

步骤4：对样板冰刀的轮廓曲线进行“掐头去尾”三阶B样条拟合。

步骤5：样板冰刀拟合曲线存档。

第二阶段：测量磨削冰刀轮廓，优化修磨轨迹。

步骤1：测量修磨冰刀的轮廓曲线，并进行同条件B样条拟合。

步骤2：在步骤1中建立的坐标系下投影样板冰刀与修磨冰刀轮廓曲线。

步骤3：在修磨冰刀拟合曲线中逐一取点，作为样板冰刀拟合曲线旋转 重心；平移旋转样板冰刀，计算出每个旋转重心两条曲线对应曲线间面积 最小。

步骤4：采用二次极小值方法，求出所有旋转重心对应最小曲线间面积 的最小值，由此最小值推导出样板冰刀拟合曲线的最佳平移位置和旋转角 度。

步骤5：由步骤9中求出的最佳平移位置和旋转角度得到冰刀的最优切 削路径。

第三阶段：由冰刀磨削轨迹生成加工G代码。

步骤1：根据步骤8中的样板冰刀拟合曲线线性关系补齐头尾，得到完 整的冰刀切削路径。

步骤2：根据冰刀测量与冰刀磨削在机床坐标系的位置关系以及优化后 的冰刀磨削轨迹函数生成加工G代码。

冰刀轮廓测量

本发明提出一种新的冰刀轮廓曲线测量方式，命名为“连续有效光源 法”。采用“连续有效光源法”采集冰刀的轮廓。如图2所示，冰刀水平 放置，测头在冰刃一侧上方投下线光源(线光源由一排若干个等距的光点 组成)。投射到冰刀上的光点可返回有效数据，投射到悬空区域的光点无法 返回有效数据。据此，可通过投射到冰刀上的连续光点数以及光点的间距， 计算出冰刀边沿位置；再通过等间距连续测量便可得出冰刀的轮廓曲线。 本发明采用连续有效光源法对投射到冰刀的光点必须满足是连续(中间存 在有效返回光点与无效光点交替出现，则认为此段返回光点无效，排除悬 浮物干扰)，因此，相较于现有的测高度方法，具有抗干扰性强的优点。

已知线激光投射光点数为N个，测量宽度为M(mm)，每个光点之间的 间距为M/N；投射到冰刀上的连续光点数为S，则冰刀边沿相对位置D

D

设定线激光中心点为测量基准(X

冰刀切削轨迹优化

冰刀切削轨迹的优化，需要在修磨的冰刀冰刃上切削出平滑的样板冰 刀轮廓曲线且切削量最小。因此，本发明首先采用“掐头去尾”三阶B样 条拟合来实现切削轨迹的平滑，“掐头去尾”是由于冰刀轮廓头尾位置为 非磨削区域且图形不规则容易影响拟合精度；其次，如图3所示，把样板 冰刀与修磨冰刀拟合曲线投影到同一个坐标系下，采用二次极小值方法平 移旋转样板冰刀曲线使之与修磨冰刀曲线间面积最小，此时的样板冰刀在 该坐标系下的轨迹就是修磨冰刀的最佳切削路径。

假设头部去掉n个点尾部去掉m个点(根据冰刀特性，头部去掉5mm， 尾部去掉6mm，为非磨削区域图形不规则影响拟合精度)，测量点数i，则 样板冰刀与修磨冰刀三阶B样条拟合曲线如下：

在修磨冰刀拟合曲线

(1)曲线平移，让重心平移到坐标原点(0,0)位置：

(2)曲线

(3)计算曲线

(4)计算第k个重心对应的最小夹角面积D

D

(5)在i-m-n个重心点对应最小夹角面积D

D

如图5所示，由D

其中，

黑龙冰刀制造有限公司提出的轮廓精度小于0.3mm(民用)，国家体育 总局提出的轮廓精度小于0.01mm(运动员专用)，拿一把黑龙冰刀制造有 限公司提供的冰刀采用本发明的方法进行磨削，磨削后的修磨冰刀经过雷 尼绍三坐标测量圆度(轮廓度)仅为0.0066mm，如图6所示。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已， 并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等 同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。