具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例：如图1所示，本发明一种萨克斯哨片加工用三轴联动数控控制系统，包括加工机床1，所述加工机床1上设有自动推料送料机构2、夹持加工运动机构3、加工机构4和有序收料机构5，所述加工机床上设有对自动推料送料机构2、夹持加工运动机构3、加工机构4和有序收料机构5进行控制的工程电脑6，其中工程电脑6内安装有数控控制系统；

如图4所示，所述工程电脑6根据数控控制系统控制自动推料送料机构2将萨克斯哨片毛坯送入到夹持加工运动机构3内进行定位，然后后控制加工机构4对夹持加工运动机构3上的将萨克斯哨片进行加工，加工完成后夹持加工运动机构3的将萨克斯哨片送入到有序收料机构5内进行有序收料；完成对萨克斯哨片的自动送料、加工以及收料，有效提高了萨克斯哨片的生产效率。

其中自动推料送料机构中的气缸1把哨片毛坯从储料弹夹中推出，等待气缸2把毛坯送到自动化加工平台上，送入到夹持加工运动机构3内，然后夹持加工运动机构3中的气缸3夹紧哨片毛坯防止加工过程中的晃动，加载软件中预配置模型参数，开启自化流程。其中，任何一个环节出错，都要保证加工主轴不能开启刀轴，尤其是气缸2送料到加工平台上，若气缸2没有缩回，很可能造成刀轴的碰撞，损坏硬件甚至危及安全，所以各个气缸的到位与回位检测十分重要，一旦异常，必须要停机排除异常后，再恢复机床加工。

所述数控控制系统包括监控模块，监控模块分别对自动推料送料机构的送料状态、夹持加工运动机构的夹持状态经监控，当自动推料送料机构的送料状态、夹持加工运动机构的夹持状态都处于正常时，则进行加工工作，否则停机维修，具有较高的生产安全性。

如图2所示，所述数控控制系统包括中心应用模块，所述中心应用模块包括初始化模块、检测模块、人机界面模块、运动控制模块、参数设置模块和数据生成模块；

所述的初始化模块用于对变量初始化和位置参数初始化；用于确保各电机轴在开机后进入正确的加工准备状态和位置；

所述的检测模块包括设置对各个机构中的电机轴进行检测的传感器；

所述的人机界面模块包括操作面板模块、状态信息栏模块和菜单工具栏模块；所述状态信息栏模块用于对系统的状态动态显示；所述的系统的状态动态包括各电机轴的伺服状态、各电机轴的运动状态、系统中传感器的状态和各电机轴的报警状态；

各电机轴的伺服状态:各轴电机是否正确的使能决定了电机能否启动，也就是启动电机的第一步必须保证使能状态的正常，软件中如若任何一个轴发生使能异常，都不能开启加工，需要停止机器后排除异常才能保证各轴的配合联动。

各轴的运动状态：各轴如果处于运动态下，那么相应的指示灯会变绿，这里可以观测是否出现某个轴配合出现错误的问题进行定位分析；系统中传感器的状态：主要包括各个轴对应的正负限位开关(接近传感器)和原点开关，在进行哨片的自动化加工时必须对各轴加上位置限制，防止软件运行异常造成硬件的损坏，维护成本增加，通过传感器界面化的显示，一旦系统出错，可以立马定位到哪个轴触发了限位，再进行进一步软硬件问题的排查，而且各轴在开机或者异常后进行系统初始化必须要原点开关的配合，借助传感器进行各个轴零点位置的定位。

各轴电机的报警状态：用于监测电机是否发生过载或者编码器通讯问题等未知错误而报警，通过报警提示控件操作人员可惜清晰观察到异常的发生，这种情况一般可以通过驱动器自带的报警错误提示来排查，清除错误后可以重新启动机器，让其正常运行。

所述的运动控制模块包括自动加工模块、启停控制模块以及对各电机轴进行回零的自动回零模块；

所述的参数设置模块包括加工刀具参数设置模块、对夹持加工运动机构进行设置的原点参数设置模块、运动参数设置模块；

加工刀具参数设置模块，应对加工参数的修改保存和读入。在左侧参数组中，主要设置刀具和平台上木块的位置。其中主要是应对刀轴的更换或者垫板的损坏情况，根据更换木块和刀具的尺寸来确定加工相对位置，依次保证哨片的表面尺寸不会偏差过大，因此此部分参数要求测量精确。中间组是各轴的加工原点信息参数，主要用来确定各个轴的加工准备状态位置和各轴原点之间的相对距离，其相对位置用脉冲量来表示，其中加工后退参数是为了修正硬件安装的误差，在第一步加工前确保从哨片的尾部最薄端开始加工。最后一部分竹片参数组，是对哨片型号的确保，本系统针对多种型号的哨片曲面加工，需要先配置此处的参数设置好不同型号哨片的基本尺寸。

所述的数据生成模块包括数据输入和保存模块，数据算法拟合模块和数据修改与展示模块；所述数据输入和保存模块用于对萨克斯哨片曲面的原始数据进行输入和保存，所述数据算法拟合模块用于对萨克斯哨片曲面的原始数据进行拟合形成加工数据，所述数据修改与展示模块用于对加工数据进行修改和展示。

所述中心应用模块包括运动展示模块，所述运动展示模块用于对各电机轴的运动参数进行展示。

如图3所示，所述自动回零模块对各电机轴进行回零方法是，首先进行初始化确保各电机轴在开机后进入正确的加工准备状态和位置，然后对运动参数进行设置，所述运动参数包括搜索距离、速度和平滑时间；然后各电机轴进行运动，进而带动平台运动，直至触发设置在各个机构中的原点开关，则停止运动，则各电机轴完成回零工作。

本发明在多次实验调试中，发现回零运动有时会有脉冲的误差，特别是在Z方向上，由于加工哨片本身最薄端只有0.2毫米，因此少量的脉冲偏差可能导致加工尺寸的很大偏离。甚至直接触发Z方向的限位开关，因此，本文采取了增大脉冲当量比的方法，脉冲量与毫米的换算比例为2000:1，以此来保证少量的脉冲量丢失不会造成很大的尺寸偏差。

其中判断各轴是否正确回到零点，通过传感器硬件报警的提示。在几个轴上都装有丝杠和滑轨，把轴的旋转运动转换成滑轨平台的平移运动，状态显示界面可监测每个平台的运行状态，主要是实现对各滑轨平台两端的限位开关进行信号变化监测。在机床运动发生异常，进行系统复位时，检测各个轴有没有正确回到原点开关位置。机床操作人员通过界面监视模块的观察，可实时做出判断，系统的运行是否正常。

本发明可设置准备木块的高度，以及左右摆动的角度，通过气缸控制按钮对木块进行夹紧和放松，R轴中线校正按钮开启自动切削木块进行校正。本文采取的校正中线的方法是，左右摆动切削法，先将哨片毛坯夹紧，主轴电机开启后对加工平台上放的垫块加工，左右各摆动一个固定一样的角度，再切出一条直线，最后垫块上会形成一条直线，即是旋转轴的中心。

首先，按照相应的拟合插值算法进行数据拟合，根据拟合后数据算出每两个点之间切换需要的转角和高度变化值，在确保每个微段上各个轴的变化量合理后，点击保存为PT数据按钮，可以将不同加工模式的PT数据保存本地工程目录，供模型加载调用。

所述中心应用模块还包括辅助功能模块，辅助功能模块用于对平台运动进行调试以及对自动推料送料机构2和有序收料机构5中的送料弹夹和收料弹夹进行调试。

所述数据算法拟合模块的算法拟合方法是，包括以下几个步骤，

步骤1，首先通过原始模型得到萨克斯哨片曲面的原始数据，进而得到萨克斯哨片曲面的曲线；

步骤2，通过萨克斯哨片曲面的网格划分获得的点云来恢复得到原始曲线曲面模型，并利用插值逼近方法拟合得到原始曲线曲面模型的插值曲线，进而得到原始曲线曲面模型的插值曲面；

步骤3，利用线性回归模型多项式基对进行插值曲线进行曲线拟合分析，得到拟合曲线，进而得到初步曲面；

步骤4，通过基于奇异值分解方法对初步曲面进行曲面拟合，得到最终的拟合曲面。

在实际工程中，我们获取的数据点时常不能保证精确，如果直接用这些取得的数据点直接构造曲面和曲线会偏差很大，得到的曲线曲面也没有意义。数据点的逼近就是为了解决这一类问题，想办法构造出相应的曲线或者曲面，并且保证在一定约束条件下，与测得数据点的误差最小，就可以得到逼近曲线或者曲面。

所述步骤2中利用插值逼近方法拟合得到原始曲线曲面模型的插值曲线的方法是，

把萨克斯哨片曲面的原始数据进行编号，设为X_i,i＝1,2,3,…,n，并且数据按序排列，最终会得到曲线f(x)，这些点均出现在曲线上，把f(x)称为插值曲线；而把通过X_ij,i＝1,2,3,…,n,j＝1,2,3,…,n的曲面叫做插值曲面f(u,v)，参数u 和v为曲面参数坐标。

本发明采用统计分析中常用的线性回归模型多项式基进行曲线拟合分析，因为相比于其他模型来说，线性模型需要的测量数据点不多，容易获取统计特性，而且与非线性模型对比，对其进行分析解出参数变量得到线性方程更加简单。

所述步骤3中利用线性回归模型多项式基对进行插值曲线进行曲线拟合分析的方法是，

建立线性回归模型y＝w'x+e，其中e为误差，w是待计算的参数系数，代表模型中存在的多个因子的联系，若存在多个自变量，其表达式为

f(x)＝w^Tx+b＝w₁x₁+w₂x₂+...+w_nx_n+b ,

其中，x可取参数如(x1,x2,x3,…,xi,…,xn),i取不同值代表不同的参数值，其中w＝(w1,w2,w3,…,wn)，在推算出w和b之后，各参数之间的联系用线性模型即可表示出来；

利用最小二乘法对线性模型进行求解，对w和b模型参数进行优化，

其表达式为，

式中w和b分别表示为w*和b*，b*是一个标量，代表优化误差值，则有，

令上式为零，来进行最优求解w和b，计算得:

进行矩阵计算，X表示我们已有的数据集，每一行代表一个样例，大小为 n*(m+1)，用J表示(w,b)，那么

Y＝(y₁，y₂，...，y_n)^T

则有J^*＝argmin(Y-XJ)^T(Y-XJ)，

对J求偏导，并使偏导数为零即可求出J的最优解，

J^*＝(X^TX)^-1X^TY，进而得到最优线性回归模型。利用线性模型进行萨克斯哨片曲面上曲线的拟合分析，首先沿着哨片宽度方向Y方向，一共等距取10条截交线，每条截交线上等距取9个测量点，按照上一章节哨片建模截取的数据值进行拟合，分别尝试二次以及三次曲线的拟合。考虑到仅仅进行宽度方向的数据拟合，可能会改变长度方向测量数据的效果，导致不符合整体曲线的特征，因此需要再次进行长度方向的数据点拟合，长度方向截取9条曲线，每条曲线上取10个数据点，依然进行拟合尝试。最后经过多次的拟合效果观测，发现最后一次拟合方向沿着宽度方向时，组成的整个拟合曲面效果最佳，宽度以及长度方向拟合数据点都比较符合真实模型。拟合后的效果展示如图5所示。

本发明采用一种基于奇异值分解技术的方法进行曲面拟合尝试。其中，奇异值分解法可进行矩阵中重要信息的挖掘，因而得到局部和整体之间的关系模式，并且可以对矩阵进行降低维度分析，是一种比较可靠的正交矩阵分解法。

所述步骤4中的通过基于奇异值分解方法对初步曲面进行曲面拟合的方法是，设有一个矩阵M，为m*n并且秩为R的实数矩阵，那么存在m阶正交矩阵U，n阶正交矩阵I，满足

M＝UDI^T，

其中D为m*n阶矩阵，

其中σ_i，i＝1,2,…,R，是矩阵M的奇异值，

假设给定测量数据点Pi(xi，yi，zi)，(i＝1,2,3,…m,j＝1,2,3,…n)，则 M＝a_ij＝z_ij,m维向量u_k，对于数据点(x_i，(u_k)_i),i＝1,2,…,m，利用曲线拟合可以得到曲线函数u_k(x),k＝1,2,…,R。同理，对于n维向量I_k,数据点(y_i，(I_k)_j)，j＝1,2,…,n，也可以得到曲线拟合函数I_k(y), k＝1,2,…,R。

其中，公式(5-23)可改写为

由上式可推导出

其中i＝1,2,…,m，j＝1,2,…,n。则二元曲面函数可表示为

在不知道曲线的原图情况下，使用这种奇异值分解的方法进行曲面拟合，能得到相对较理想的效果，拟合效果如下图6所示.

本发明所研究的哨片不规则曲面的自动化加工系统中，也需要进行构造贝塞尔曲线进行插值分析做实验验证，

所述步骤4中对最终得到的拟合曲面进行验证分析，且验证分析的方法是构造贝塞尔曲线，贝塞尔曲线基于Bernstein多项式来构造，其中n次Bernstein 多项式表示如下：

其中，t∈[0，1]，,i＝1,2,3,…,n。构造的n次参数曲线段表示为

式中,u∈[0,1], p_i是用来控制特征多边形的顶点，可称为n次贝塞尔曲线,贝塞尔多边形就是用直线把p_i依次连接组成的折线n变形，也叫做控制多边形。

如图7，只变动控制顶点p₁，即可获得不同的贝塞尔曲线，并且其一定通过第一个和最后一个控制点和首尾两条线段相切。

得知贝塞尔曲线具有形状简单，容易预测等优点，但它同样存在两面性，此方法生成的曲线难以对其局部形状特征进行调整，对一些二次曲线只能近似模拟不能精确表达。在控制顶点不变的前提下，有理Bézier曲线可以精确表示圆锥曲线又可以整体范围地修改曲线形状，因此有理贝塞尔曲线的研究也不可或缺。

其中有理Bézier曲线的性质。凸包性：控制顶点组成的凸包内一定包含了构造出的有理Bézier曲线。变差缩减性：控制多边形和某一直线相交的点数一定不少于贝塞尔曲线和同一直线相交点的数目。几何不变性：除了控制顶点外没有因素可以干扰曲线的变化。

给定n+1个控制顶点p_i(i＝0,1,2,…,n)，权因子w_i(i＝0,1,2,…,n),n次的有理贝塞尔曲线表达式如下

其中，是n次的伯恩斯坦基函数，通常为了与非有理贝塞尔曲线定义一致，表达式记为

给定平面上一组控制点p_i(i＝0,1,2,3,…)，三次的T-Bézier曲线表达式如下

其中，

b₀(t)＝(1-γsint)(1-sint)²，

b₁(t)＝sint(1-sint)(2+γ-γsint),

b₂(t)＝cost(1-cost)(2+γ-γcost)，

b₃(t)＝(1-γcost)(1-cost)²；其中γ∈[0，1]。令γ＝1，P₀P₁、P₁P₂、P₂P₃长度分别为l₀、l₁、l₂，单位向量表示为T₀、T₁、T₂，满足以下公式

P_i+1-P_i-T_il_i，

其中。i取值为0，1，2。设T₀与T₁转角为θ₁，T₁与T₂转角为θ₂，可以推导出P(t)曲线在端点处的斜率

如图8所示，为三次T-Bézier曲线图，图中P₀、P₁、P₃和P₄是多边形控制支配点，图中唯一一条曲线就是拟合出来的三次T-Bézier曲线。由图示的4个支配点获得了更加贴近控制多边形的曲线，因此在哨片曲面自动化加工系统中，也可以尝试采用这种三次T-Bézier曲线进行拟合，有利于得到更加贴近真实曲面特征的曲线，方便进行自动化加工。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。