專利名稱：一種用于數(shù)控機床的三坐標圓弧插補方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及數(shù)控機床的三坐標圓弧曲線插補方法，屬控制技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
數(shù)控機床是先進的自動化機械加工設(shè)備，在機械工業(yè)中有著廣泛和重要的應(yīng)用。與普通機床相比，數(shù)控機床具備插補功能，能夠控制機床工作臺或者刀具按照數(shù)控加工程序編制的軌跡運動，實現(xiàn)對各種零件的自動加工。插補方法直接影響數(shù)控機床的工作性能、加工精度、效率和零件的加工質(zhì)量?，F(xiàn)有的機床數(shù)控系統(tǒng)具有直線和圓弧插補功能，通過直線或圓弧插補的組合，實現(xiàn)對復雜零件表面輪廓或曲線的加工。但是，現(xiàn)有圓弧插補方法只能進行二維或者說兩坐標平面圓弧插補，不具備三坐標空間圓弧插補功能，原因是三坐標圓弧插補復雜，目前的數(shù)控系統(tǒng)不能實現(xiàn)。如著名的德國SIEMENS A2100系統(tǒng)、日本FANUC 18i、21i系統(tǒng)、德國HeidenhainTNC 410M、426M系統(tǒng)及其他機床數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品，具有兩坐標、三坐標直線插補和兩坐標平面圓弧插補，但是不具備三坐標空間圓弧插補的功能，影響了數(shù)控機床功能和效率的充分發(fā)揮，主要表現(xiàn)為在加工復雜零件的三維空間曲線或曲面時，數(shù)控機床只能用直線插補或者平面圓弧插補逼近，從而造成數(shù)控加工程序的極大增加，大量的程序段的多次調(diào)用、傳輸和加載，使數(shù)控加工過程的可靠性降低。在進行五坐標聯(lián)動數(shù)控加工時，由于數(shù)控系統(tǒng)只具備直線和平面圓弧插補功能，增加了計算刀具空間姿態(tài)與加工軌跡的復雜性，影響零件的加工精度和效率。
對此，有人提出了一種多軸數(shù)控系統(tǒng)及聯(lián)動控制方法，該方法提出將待加工曲面分解成小段曲面、每一小段曲面再分解為各運動軸的單元位移段、計算各運動軸在每一位移段相對于一個虛擬基準軸的位移量進行線性插補運算，由計算機根據(jù)運算結(jié)果對運動軸進行操作控制。該方法解決了單片機控制單元的多軸聯(lián)動控制難題，但此法數(shù)控插補程序較為復雜，在實際應(yīng)用中制約了數(shù)控機床加工速度的提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的問題是克服現(xiàn)有機床數(shù)控系統(tǒng)插補方法的不足，提供一種可直接進行曲面加工的數(shù)控機床三坐標圓弧插補方法。
本發(fā)明所要解決的另一問題是提供采用這一方法的裝置。
本發(fā)明的問題是以下述技術(shù)方案實現(xiàn)的一種用于數(shù)控機床的三坐標圓弧插補方法，其步驟如下a.將待加工空間曲線分解成小段圓??；b.將空間圓弧曲線看成球面和過球面圓心平面π交線的一部分；在平面π上建立新坐標系O-uvw，新坐標系的原點與原坐標系O-xyz的原點重合，新坐標系的Ou、Ov坐標軸在平面π上，Ow坐標軸取平面π的法線方向；c.將在原坐標系O-xyz的空間圓弧曲線轉(zhuǎn)換成新坐標系O-uvw的平面圓弧曲線；d.利用一個相交多邊形逼近圓弧，采用周期插補遞推計算方式，對該平面圓弧曲線進行圓弧插補；e.將計算得到的插補坐標值再變換到原空間坐標系，求得三坐標空間圓弧周期遞推插補的插補點坐標值；f.用本次插補點坐標值分別減去上次插補點的坐標值，求得本次圓弧插補的各坐標增量，所述坐標增量即為三坐標空間圓弧曲線的周期粗插補計算控制數(shù)據(jù)。
上述用于數(shù)控機床的三坐標圓弧插補方法，在所述周期粗插補計算步驟之后增設(shè)精插補控制步驟，將三坐標周期粗插補計算控制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)控機床伺服系統(tǒng)精插補信號，控制數(shù)控機床x、y、z坐標移動。
上述用于數(shù)控機床的三坐標圓弧插補方法，所述控制信號為電平控制信號或脈沖控制信號。
上述用于數(shù)控機床的三坐標圓弧插補方法，所述多邊形逼近圓弧可以是相交多邊形，也可以是內(nèi)接多邊形。
本發(fā)明另一需要解決的問題是由以下技術(shù)方案實現(xiàn)的一種用于數(shù)控機床的三坐標圓弧插補裝置，其構(gòu)成為，它由單片機1、數(shù)據(jù)存儲器4、程序存儲器2、可編程并行接口電路3、D/A轉(zhuǎn)換器6組成，所述數(shù)據(jù)存儲器、程序存儲器與單片機的相應(yīng)端口相接，插補計算程序和精插補輸出控制程序存儲在程序存儲器中，單片機的數(shù)據(jù)輸出端與可編程并行接口電路相接，后者的三個并行接口分別經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器接至數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)。
上述用于數(shù)控機床的三坐標圓弧插補裝置，在D/A轉(zhuǎn)換器和數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)之間增設(shè)信號放大器K。
上述用于數(shù)控機床的三坐標圓弧插補裝置，所述可編程并行接口電路、D/A轉(zhuǎn)換器可采用可編程定時器代替，所述單片機的數(shù)據(jù)輸出端與定時器的相應(yīng)接口相接，后者的三個脈沖輸出接口分別接至數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有的優(yōu)點為，1.采用二維平面的插補計算方法實現(xiàn)了三維插補；2.采用相交多邊形圓弧插補逼近法，使加工速度得以提高；3.不用層層切面進行圓弧插補，可直接圓弧加工，軟件計算一段，硬件加工一段，周期插補，時間分割，數(shù)控程序簡化，加工精度高；4.可根據(jù)需要輸出電平或脈沖兩種信號，二維、三維插補均可。本發(fā)明可用于現(xiàn)有機床數(shù)控系統(tǒng)或者配置相應(yīng)外圍設(shè)備構(gòu)成機床數(shù)控系統(tǒng)使用。


圖1是三坐標空間圓弧曲線坐標變換示意圖；圖2是相交多邊形圓弧插補示意圖；圖3是內(nèi)接多邊形示意圖(圖中e為多邊形對圓弧的允許逼近誤差)；圖4是本發(fā)明裝置的電原理圖；圖5是本發(fā)明裝置的插補程序框圖。
具體實施例方式
本發(fā)明中的圓弧插補具體計算方法為，設(shè)經(jīng)過某段曲線球面的圓心在坐標原點O，圓弧曲線可以看成球面和過球面圓心平面π的交線的一部分。在坐標系O-xyz中，空間圓弧曲線的起點為p0(x0，y0，z0)，終點為pn(xn，yn，zn)。為了實現(xiàn)坐標變換，在平面π上建立新坐標系O-uvw，新坐標系的原點與原坐標系O-xyz的原點重合，新坐標系的Ou、Ov坐標軸在平面π上，Ow坐標軸取平面π的法線方向。這樣，在坐標系O-xyz中的空間圓弧曲線在新坐標系O-uvw中變換成為平面π上的一條平面圓弧曲線，其起點和終點的坐標分別為p0(u0，v0)和pn(un，vn)。根據(jù)空間直角坐標變換原理，具有相同原點的兩坐標系之間的位置關(guān)系完全由他們的坐標軸之間的夾角，也就是坐標向量之間的夾角來決定。設(shè)Ox軸與Ou、Ov、Ow軸的夾角分別為α1、α2和α3，Oy、Oz軸與Ou、Ov、Ow軸的夾角分別為β1、β2、β3和γ1、γ2、γ3，則能得到如下坐標變換公式 在新坐標系O-uvw中，圓弧曲線的w坐標恒等于零，即在坐標系O-xyz中表示的空間圓弧曲線在坐標系O-uvw中轉(zhuǎn)換成為了一平面圓弧曲線。確定Ou、Ov坐標軸，利用上式及方向余弦之間的關(guān)系，可以計算出圓弧曲線在坐標系O-uvw中的起點坐標p0(u0，v0)和終點坐標pn(un，vn)。以p0(u0，v0)和pn(un，vn)為圓弧起點和終點作平面圓弧插補。
插補計算時，采用相交多邊形(或內(nèi)接多邊形，但不如前者效果好)逼近圓弧，其中相交多邊形的每一個線段的兩個端點在圓弧的外面。設(shè)圓弧曲線的半徑為R，多邊形對圓弧的允許逼近誤差為e，當線段的端點和中點對圓弧的逼近誤差相等時，線段對圓弧逼近達到了最大長度，從而取得最佳的逼近效果。經(jīng)推導整理后，得到圓弧周期插補遞推運算公式為(2)
ui+1＝Rcos(βi+α)＝aui-bvi，vi+1＝Rsin(βi+α)＝aui+bvi(i＝0，1，2，……n-2). (2)公式中常數(shù)a=R2-6Re+e2(R+e)2,]]>b=4(R-e)Re(R+e)2.]]>根據(jù)直角坐標變換原理，利用下式，可以將公式(2)計算出來的平面圓弧插補點坐標(ui+1，vi+1)變換到原坐標系O-xyz中，得到公式(3) 公式(3)給出的就是三坐標空間圓弧周期遞推插補的插補點坐標值，用本次插補點坐標值分別減去上次插補點的坐標值，就得到了本次圓弧插補的各坐標增量。上述方法實現(xiàn)了三坐標聯(lián)動空間圓弧的數(shù)控粗插補計算。
空間圓弧插補的各坐標增量計算出來以后，通過硬件插補裝置，將各坐標增量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電平控制信號或者脈沖控制信號，完成圓弧插補的精插補輸出，插補裝置的輸出信號經(jīng)過機床伺服系統(tǒng)拖動數(shù)控機床完成加工進給運動。
本發(fā)明的裝置中，CPU采用80C196KC，插補計算程序和精插補輸出控制程序存儲在可擦除的只讀存儲器EPROM27256中，圓弧曲線起點和終點等數(shù)據(jù)通過單片機的串行接口輸入讀寫存儲器RAM6264中，插補程序通過插補計算算出x、y、z坐標軸的周期插補增量，精插補控制程序?qū)、y、z坐標插補增量分別送入可編程并行接口8255A的A口、B口和C口，8255A的A口、B口和C口的坐標插補增量通過3個ADC0832芯片進行D/A轉(zhuǎn)換，并經(jīng)三個信號放大器Kx、Ky、Kz放大后輸出控制數(shù)控機床坐標移動的電平信號；或者根據(jù)要求，精插補控制程序?qū)⒆鴺瞬逖a增量分別送入可編程定時器8253，由定時器T1、定時器T2和定時器T3輸出對應(yīng)坐標增量的插補脈沖，利用脈沖信號控制數(shù)控機床坐標的移動。輸出電平控制信號或者脈沖控制信號，可以根據(jù)數(shù)控機床伺服系統(tǒng)對控制信號的要求而定。通過數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)，拖動機床工作臺或刀具，完成加工運動，最終實現(xiàn)三坐標空間圓弧插補和直線插補。
本發(fā)明的方法可用于現(xiàn)有機床數(shù)控系統(tǒng)或者配置相應(yīng)外圍設(shè)備構(gòu)成機床數(shù)控系統(tǒng)使用。使用本發(fā)明對多條空間圓弧曲線進行了插補處理，結(jié)果表明，插補過程與結(jié)果正確可靠。以下給出幾個具體插補實例例1設(shè)空間圓弧中心在坐標系原點O，圓弧允許逼近誤差為e＝0.001(單位為mm，下同)，圓弧半徑R＝58mm，圓弧起點坐標x0＝48.084，y0＝22.662，，z0＝23.202；圓弧終點坐標xn＝22.662，yn＝32.433，，z0＝42.409；圓弧插補計算次數(shù)為n＝36次，最大插補誤差0.0013mm。
例2設(shè)空間圓弧中心在坐標系原點o，圓弧允許逼近誤差為e＝0.001mm，圓弧半徑R＝200mm，圓弧起點坐標x0＝117.557，y0＝100，，z0＝127.202；圓弧終點坐標xn＝165.808，yn＝78.146，，z0＝80.006；圓弧周期插補次數(shù)為n＝41次，最大插補誤差0.0011mm。
權(quán)利要求
1.一種用于數(shù)控機床的三坐標圓弧插補方法，其特征在于，它采用如下步驟進行a.將待加工空間曲線分解成小段圓弧；b.將空間圓弧曲線看成球面和過球面圓心平面π交線的一部分，在平面π上建立新坐標系O-uvw，新坐標系的原點與原坐標系O-xyz的原點重合，新坐標系的Ou、Ov坐標軸在平面π上，Ow坐標軸取平面π的法線方向；c.將原坐標系O-xyz的空間圓弧曲線轉(zhuǎn)換成新坐標系O-uvw的平面圓弧曲線；d.利用一個相交多邊形逼近圓弧，采用周期插補遞推計算方式，對該平面圓弧曲線進行圓弧插補；e.將計算得到的插補坐標值再變換到原空間坐標系，求得三坐標空間圓弧周期遞推插補的插補點坐標值；f.用本次插補點坐標值分別減去上次插補點的坐標值，求得本次圓弧插補的各坐標增量，所述坐標增量即為三坐標空間圓弧曲線的周期粗插補計算控制數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于數(shù)控機床的三坐標圓弧插補方法，其特征在于，在所述周期粗插補計算步驟之后增設(shè)精插補控制步驟，將三坐標周期粗插補計算控制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)控機床伺服系統(tǒng)精插補信號，控制數(shù)控機床x、y、z坐標移動。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于數(shù)控機床的三坐標圓弧插補方法，其特征在于，所述控制信號為電平控制信號或脈沖控制信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于數(shù)控機床的三坐標圓弧插補方法，其特征在于，所述多邊形逼近圓弧可以是相交多邊形、或內(nèi)接多邊形。
5.一種用于數(shù)控機床的三坐標圓弧插補裝置，其特征在于，它由單片機[1]、數(shù)據(jù)存儲器[4]、程序存儲器[2]、可編程并行接口電路[3]、D/A轉(zhuǎn)換器[6]組成，所述數(shù)據(jù)存儲器、程序存儲器與單片機的相應(yīng)端口相接，插補計算程序和精插補輸出控制程序存儲在程序存儲器中，單片機的數(shù)據(jù)輸出端與可編程并行接口電路相接，后者的三個并行接口分別經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器接至數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于數(shù)控機床的三坐標圓弧插補裝置，其特征在于，在D/A轉(zhuǎn)換器和數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)之間增設(shè)信號放大器K。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的用于數(shù)控機床的三坐標圓弧插補裝置，其特征在于，所述可編程并行接口電路、D/A轉(zhuǎn)換器采用可編程定時器代替，所述單片機的數(shù)據(jù)輸出端與定時器電路的相應(yīng)接口相接，后者的三個脈沖輸出接口分別接至數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)。
全文摘要
一種用于數(shù)控機床的三坐標圓弧插補方法及裝置，屬于控制技術(shù)領(lǐng)域，用于解決三坐標空間圓弧插補問題。其技術(shù)方案是，將空間圓弧曲線看成球面和過球面圓心平面π交線的一部分；在該平面π中建立新坐標系O－uvw；利用一個相交多邊形逼近圓弧，采用周期插補遞推計算方式，對該圓弧曲線進行插補計算；將計算結(jié)果變換到原坐標系，并最終求得數(shù)控加工的控制數(shù)據(jù)。本發(fā)明的優(yōu)點是1.實現(xiàn)了三維空間圓弧插補；2.以相交多邊形實現(xiàn)圓弧插補逼近，使加工精度和速度得以提高。可直接空間圓弧加工，周期插補、時間分割，數(shù)控程序簡化，加工精度高。本發(fā)明可用于現(xiàn)有機床數(shù)控系統(tǒng)或配置相應(yīng)外圍設(shè)備構(gòu)成機床數(shù)控系統(tǒng)使用。
文檔編號G05B19/41GK1540469SQ20031010962
公開日2004年10月27日 申請日期2003年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月28日
發(fā)明者韓慶瑤 申請人:華北電力大學