專(zhuān)利名稱(chēng)：五軸數(shù)控系統(tǒng)刀心點(diǎn)插補(bǔ)路徑插值方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域中的五軸加工技術(shù)，具體的說(shuō)是一種五軸數(shù)控系統(tǒng)刀心點(diǎn)插補(bǔ)路徑插值方法。
背景技術(shù)：
作為加工金屬模具等的自由曲面的五軸數(shù)控機(jī)床，使用在線性移動(dòng)軸基礎(chǔ)上以外具有旋轉(zhuǎn)軸的部件。已知具有X、Y、Z的線性移動(dòng)軸和兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的五軸機(jī)床，在進(jìn)行多軸加工時(shí)，因?yàn)樾D(zhuǎn)軸的出現(xiàn)，使刀具能夠以不同的角度對(duì)工件進(jìn)行加工。旋轉(zhuǎn)軸的出現(xiàn)在使加工靈活性大大增強(qiáng)的同時(shí)，也使五軸加工程序的編制變得繁瑣，抽象，難以理解。一般來(lái)說(shuō)，五軸數(shù)控加工程序難以用人工手寫(xiě)的方式完成，而只能通過(guò)后置處理將CAD/CAM生成的刀位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為具體機(jī)床的NC程序。一旦機(jī)床結(jié)構(gòu)或者所用刀具發(fā)生改變，原始的程序便不能使用。這種“一把鑰匙開(kāi)一次鎖”的加工模式，效率低可操作性和通用性差。在越來(lái)越復(fù)雜和精度要求越來(lái)越高的大批量生產(chǎn)加工中，這種加工模式已經(jīng)嚴(yán)重的限制了五軸機(jī)床加工能力和效率的發(fā)揮，成為五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工應(yīng)用推廣和發(fā)展的一個(gè)瓶頸，這種處理模式存在以下弊端1.必須使用昂貴的CAM軟件和特定的后置處理軟件；2.針對(duì)簡(jiǎn)單路徑加工產(chǎn)生大量的微小程序加工指令，需要系統(tǒng)有大容量的存儲(chǔ)設(shè)備來(lái)儲(chǔ)存冗長(zhǎng)的加工程序；3.大量的微小程序段會(huì)加重編程系統(tǒng)與CNC系統(tǒng)之間的通訊負(fù)荷，降低整個(gè)系統(tǒng)的可靠性；4.數(shù)控裝置需要大量時(shí)間和處理能力來(lái)分析冗長(zhǎng)程序，很難保證高精高速下的平滑加工；5.針對(duì)不同運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的機(jī)床需要生成不同的加工程序；6.無(wú)法對(duì)加工進(jìn)給速度進(jìn)行控制。為了數(shù)控系統(tǒng)可以基于CAD/CAM系統(tǒng)或者仿形數(shù)據(jù)直接進(jìn)行多軸加工，需要從指令點(diǎn)直接進(jìn)行插補(bǔ)。此時(shí)，需要五軸數(shù)控綜合考慮機(jī)床動(dòng)力學(xué)約束和加工路徑約束，通過(guò)在實(shí)時(shí)插補(bǔ)中完成工件坐標(biāo)系下編程指令到機(jī)床控制點(diǎn)的轉(zhuǎn)換。另外，從工件坐標(biāo)系下的指令直接驅(qū)動(dòng)五軸機(jī)床進(jìn)行加工的方法已經(jīng)成為公知技術(shù)，對(duì)編程路徑進(jìn)行按編程速度F進(jìn)行每個(gè)插補(bǔ)周期t的路徑插值，然后進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)轉(zhuǎn)換， 驅(qū)動(dòng)機(jī)床各軸進(jìn)行加工。但是，此時(shí)根據(jù)編程速度F和插補(bǔ)周期t進(jìn)行路徑插值求出的每個(gè)軸插補(bǔ)點(diǎn)，不能保證相鄰的插補(bǔ)點(diǎn)間距離滿(mǎn)足機(jī)床的動(dòng)力學(xué)約束，可能會(huì)導(dǎo)致各軸在插補(bǔ)過(guò)程中出現(xiàn)超差情況。同時(shí)旋轉(zhuǎn)軸以角度單位出現(xiàn)，并未對(duì)矢量單位形式的刀具軸方向插補(bǔ)方法進(jìn)行處理。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的基于指令的實(shí)時(shí)插補(bǔ)可能導(dǎo)致的軸運(yùn)動(dòng)超差或者不連續(xù)的問(wèn)題，本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種結(jié)合數(shù)控系統(tǒng)所控制的機(jī)床動(dòng)力學(xué)約束和加工路徑約束的五軸數(shù)控系統(tǒng)刀心點(diǎn)插補(bǔ)路徑插值方法，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的連續(xù)的五軸加工刀心點(diǎn)插補(bǔ)。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是本發(fā)明五軸數(shù)控系統(tǒng)刀心點(diǎn)插補(bǔ)路徑插值方法，用于通過(guò)控制具有三個(gè)線性軸和兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的五軸機(jī)床用的數(shù)控系統(tǒng)，包括以下步驟指令解析確定路徑起始點(diǎn)和終點(diǎn)的刀心點(diǎn)位置信息和刀具方向信息，刀心點(diǎn)進(jìn)給速度、插補(bǔ)周期；同時(shí)通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)五軸機(jī)床結(jié)構(gòu)參數(shù)，確定工件坐標(biāo)系內(nèi)編程指令信息到機(jī)床坐標(biāo)系下軸位置信息的轉(zhuǎn)換關(guān)系；路徑插值預(yù)處理確定刀心點(diǎn)插補(bǔ)步長(zhǎng)和段長(zhǎng)，以及按照編程指令所需的刀心點(diǎn)插補(bǔ)周期數(shù)；最短軸插補(bǔ)時(shí)間計(jì)算確定完成整個(gè)刀心點(diǎn)插補(bǔ)路徑所需要的各軸運(yùn)動(dòng)行程，結(jié)合各軸的最大限制速度，計(jì)算出完成刀心點(diǎn)插補(bǔ)路徑所需的最短軸插補(bǔ)時(shí)間和軸插補(bǔ)周期數(shù)；速度約束最短插補(bǔ)周期數(shù)根據(jù)刀心點(diǎn)插補(bǔ)周期數(shù)和軸插補(bǔ)周期數(shù)，確定速度約束條件下的最短插補(bǔ)周期數(shù)；各軸插補(bǔ)位置計(jì)算根據(jù)最短插補(bǔ)周期數(shù)對(duì)刀心點(diǎn)軌跡進(jìn)行處理，確定各軸每個(gè)插補(bǔ)周期的運(yùn)動(dòng)位置，然后通過(guò)逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算完成各軸的運(yùn)動(dòng)信息計(jì)算；加速度約束判斷對(duì)各軸進(jìn)行加速度約束判斷，當(dāng)各軸運(yùn)動(dòng)符合加速度約束要求時(shí)，則將各軸運(yùn)動(dòng)信息經(jīng)過(guò)三次樣條平滑處理后發(fā)給伺服，結(jié)束本次操作。如果各軸運(yùn)動(dòng)不符合加速度約束要求時(shí)，返回最短軸插補(bǔ)時(shí)間計(jì)算步驟。刀心點(diǎn)插補(bǔ)時(shí)間為
權(quán)利要求
1.一種五軸數(shù)控系統(tǒng)刀心點(diǎn)插補(bǔ)路徑插值方法，用于通過(guò)控制具有三個(gè)線性軸和兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的五軸機(jī)床用的數(shù)控系統(tǒng)，其特征在于包括以下步驟指令解析確定路徑起始點(diǎn)和終點(diǎn)的刀心點(diǎn)位置信息和刀具方向信息，刀心點(diǎn)進(jìn)給速度、插補(bǔ)周期；同時(shí)通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)五軸機(jī)床結(jié)構(gòu)參數(shù)，確定工件坐標(biāo)系內(nèi)編程指令信息到機(jī)床坐標(biāo)系下軸位置信息的轉(zhuǎn)換關(guān)系；路徑插值預(yù)處理確定刀心點(diǎn)插補(bǔ)步長(zhǎng)和段長(zhǎng)，以及按照編程指令所需的刀心點(diǎn)插補(bǔ)周期數(shù)；最短軸插補(bǔ)時(shí)間計(jì)算確定完成整個(gè)刀心點(diǎn)插補(bǔ)路徑所需要的各軸運(yùn)動(dòng)行程，結(jié)合各軸的最大限制速度，計(jì)算出完成刀心點(diǎn)插補(bǔ)路徑所需的最短軸插補(bǔ)時(shí)間和軸插補(bǔ)周期數(shù)；速度約束最短插補(bǔ)周期數(shù)根據(jù)刀心點(diǎn)插補(bǔ)周期數(shù)和軸插補(bǔ)周期數(shù)，確定速度約束條件下的最短插補(bǔ)周期數(shù)；各軸插補(bǔ)位置計(jì)算根據(jù)最短插補(bǔ)周期數(shù)對(duì)刀心點(diǎn)軌跡進(jìn)行處理，確定各軸每個(gè)插補(bǔ)周期的運(yùn)動(dòng)位置，然后通過(guò)逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算完成各軸的運(yùn)動(dòng)信息計(jì)算；加速度約束判斷對(duì)各軸進(jìn)行加速度約束判斷，當(dāng)各軸運(yùn)動(dòng)符合加速度約束要求時(shí)，則將各軸運(yùn)動(dòng)信息經(jīng)過(guò)三次樣條平滑處理后發(fā)給伺服，結(jié)束本次操作。
2.按權(quán)利要求1所述的五軸數(shù)控系統(tǒng)刀心點(diǎn)插補(bǔ)路徑插值方法，其特征在于如果各軸運(yùn)動(dòng)不符合加速度約束要求時(shí)，返回最短軸插補(bǔ)時(shí)間計(jì)算步驟。
3.按權(quán)利要求1所述的五軸數(shù)控系統(tǒng)刀心點(diǎn)插補(bǔ)路徑插值方法，其特征在于 刀心點(diǎn)插補(bǔ)時(shí)間為
4.按權(quán)利要求3所述的五軸數(shù)控系統(tǒng)刀心點(diǎn)插補(bǔ)路徑插值方法，其特征在于 指令速度F下的每個(gè)插補(bǔ)周期的刀具中心點(diǎn)的移動(dòng)距離L為
5.按權(quán)利要求3所述的五軸數(shù)控系統(tǒng)刀心點(diǎn)插補(bǔ)路徑插值方法，其特征在于 起始點(diǎn)到終點(diǎn)的刀具中心點(diǎn)距離段長(zhǎng)度D為
6.按權(quán)利要求1所述的五軸數(shù)控系統(tǒng)刀心點(diǎn)插補(bǔ)路徑插值方法，其特征在于 速度約束最短插補(bǔ)周期數(shù)為
全文摘要
本發(fā)明涉及一種五軸數(shù)控系統(tǒng)刀心點(diǎn)插補(bǔ)路徑插值方法，步驟為確定刀心點(diǎn)位置信息和刀具方向信息，刀心點(diǎn)進(jìn)給速度、插補(bǔ)周期；確定工件坐標(biāo)系內(nèi)編程指令信息到機(jī)床坐標(biāo)系下軸位置信息的轉(zhuǎn)換關(guān)系；確定刀心點(diǎn)插補(bǔ)步長(zhǎng)和段長(zhǎng)以及各軸運(yùn)動(dòng)行程，結(jié)合各軸的最大限制速度，計(jì)算出完成刀心點(diǎn)插補(bǔ)路徑所需的最短軸插補(bǔ)時(shí)間和軸插補(bǔ)周期數(shù)；確定速度約束條件下的最短插補(bǔ)周期數(shù)；確定各軸每個(gè)插補(bǔ)周期的運(yùn)動(dòng)位置，完成各軸的運(yùn)動(dòng)信息計(jì)算；當(dāng)各軸運(yùn)動(dòng)符合加速度約束要求時(shí)，則將各軸運(yùn)動(dòng)信息經(jīng)過(guò)三次樣條平滑處理后發(fā)給伺服，結(jié)束本次操作。本發(fā)明方法對(duì)編程路徑進(jìn)行插值處理，從而能夠通過(guò)具有2個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的五軸機(jī)床，進(jìn)行平穩(wěn)的五軸加工刀心點(diǎn)插補(bǔ)。
文檔編號(hào)G05B19/41GK102566511SQ20101058131
公開(kāi)日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2010年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月9日
發(fā)明者劉峰, 孫維堂, 林滸, 王峰, 蓋榮麗, 鄭飂默 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)計(jì)算技術(shù)研究所有限公司, 沈陽(yáng)高精數(shù)控技術(shù)有限公司