加工進(jìn)給速度優(yōu)化的刀軌曲線輪廓誤差補(bǔ)償方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于復(fù)雜曲面零件高質(zhì)高效數(shù)控加工領(lǐng)域，特別涉及一種基于加工進(jìn)給速 度優(yōu)化和刀位點(diǎn)修改的曲面加工刀軌輪廓誤差補(bǔ)償方法。 技術(shù)背景
[0002] 高性能復(fù)雜曲面零件在航空航天、能源動力等領(lǐng)域中有著廣泛應(yīng)用，其數(shù)控加工 技術(shù)一直是工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)。為保證復(fù)雜曲面零件性能，復(fù)雜曲面輪廓精 度要求極高，導(dǎo)致高性能復(fù)雜曲面零件加工效率低。隨著我國航空航天、能源動力等領(lǐng)域的 快速發(fā)展，對高性能復(fù)雜曲面零件的需求量不斷增加，高性能復(fù)雜曲面零件需求量增加與 加工效率不高的矛盾日益突出。
[0003] 采用高進(jìn)給速度進(jìn)行加工是提高高性能復(fù)雜曲面零件加工效率的重要手段之一。 然而，由于數(shù)控機(jī)床各進(jìn)給軸伺服控制系統(tǒng)隨動誤差的存在以及進(jìn)給軸在"連續(xù)路徑"運(yùn)行 模式下的運(yùn)行特點(diǎn)，進(jìn)給速度較高時，數(shù)控機(jī)床刀具加工軌跡曲線的輪廓誤差明顯增加；若 數(shù)控指令進(jìn)給速度過高，由于數(shù)控機(jī)床進(jìn)給軸的加速度和加加速度的限制，當(dāng)?shù)毒呒庸ぼ?跡曲線曲率較大時，實(shí)際加工進(jìn)給速度無法達(dá)到理想的數(shù)控指令進(jìn)給速度值，從而產(chǎn)生更 大的輪廓誤差。針對高性能復(fù)雜曲面零件，其刀具加工軌跡往往為曲率變化較大的曲線，導(dǎo) 致產(chǎn)生的輪廓誤差更加明顯，刀具加工軌跡曲線大的線輪廓誤差將直接導(dǎo)致高性能復(fù)雜曲 面零件加工表面的面輪廓精度降低，無法滿足高性能復(fù)雜曲面零件加工質(zhì)量要求。因此，基 于機(jī)床動態(tài)特性對加工進(jìn)給速度進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而對刀具加工軌跡曲線輪廓誤差進(jìn)行補(bǔ)償， 對提高高性能復(fù)雜曲面零件加工精度，進(jìn)而保證復(fù)雜曲面零件性能具有重要意義。
[0004] 文獻(xiàn)"Smoothfeedrateplanningforcontinuousshortlinetoolpathwith contourerrorconstraint，'，JingchuanDong等，InternationalJournalofMachine ToolsandManufacture, 2014,76:1-12,在文獻(xiàn)中建立了加工進(jìn)給速度、刀具加工軌跡曲 率半徑以及輪廓誤差三者之間的關(guān)系，提出了以輪廓誤差為約束的加工進(jìn)給速度規(guī)劃方 法，提高了輪廓精度。然而，該方法單純通過降低加工進(jìn)給速度提高輪廓精度，若加工進(jìn)給 速度降低程度不大，輪廓精度的提高效果不明顯；若加工進(jìn)給速度降低程度較大，雖然可提 高輪廓精度，但會嚴(yán)重影響加工效率。
[0005]在文獻(xiàn)"Contourerrorreductionforfree-formcontourfollowing tasksofbiaxialmotioncontrolsystems"，Ming-YangCheng等，Roboticsand Computer-IntegratedManufacturing, 2009, 25 (2) :323_333,該文獻(xiàn)通過在伺服控制系統(tǒng) 中增加前饋控制器、反饋控制器和交叉耦合控制器以及調(diào)整進(jìn)給速度的方法有效降低了輪 廓誤差。然而，該方法須改進(jìn)數(shù)控機(jī)床各進(jìn)給軸伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對高度集成化數(shù)控機(jī)床 適用性降低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明要解決的技術(shù)難題是針對現(xiàn)有的技術(shù)缺陷，高性能復(fù)雜曲面零件高進(jìn)給速 度加工中進(jìn)給軸"連續(xù)路徑"運(yùn)行模式下的運(yùn)行特點(diǎn)、導(dǎo)致刀具加工軌跡曲線大的線輪廓誤 差、進(jìn)而導(dǎo)致高性能復(fù)雜曲面零件加工表面的面輪廓精度降低的問題，發(fā)明了加工進(jìn)給速 度優(yōu)化的刀軌曲線通用輪廓誤差補(bǔ)償方法，以數(shù)控機(jī)床動態(tài)特性為約束，在最大限度發(fā)揮 機(jī)床性能的前提下優(yōu)化加工進(jìn)給速度，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行刀具加工軌跡曲線輪廓誤差補(bǔ)償， 有效提高高性能復(fù)雜曲面零件輪廓加工精度，對高性能復(fù)雜曲面零件的高質(zhì)高效加工具有 重大意義。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)方案是一種加工進(jìn)給速度優(yōu)化的刀軌曲線輪廓誤差補(bǔ)償方法，首 先，在高性能復(fù)雜曲面零件高進(jìn)給速度加工中進(jìn)給軸"連續(xù)路徑"運(yùn)行模式下，根據(jù)直線插 補(bǔ)加工代碼中的刀位點(diǎn)和加工進(jìn)給速度信息，以數(shù)控機(jī)床進(jìn)給軸加加速度極限為約束，對 加工進(jìn)給速度進(jìn)行一次優(yōu)化；其次，以數(shù)控機(jī)床進(jìn)給軸加速度極限為約束，對加工進(jìn)給速度 進(jìn)行二次優(yōu)化，保證實(shí)際加工進(jìn)給速度能夠達(dá)到優(yōu)化后的指令加工進(jìn)給速度值；然后，利用 三次B樣條建模方法，對加工進(jìn)給速度進(jìn)行平滑，獲得優(yōu)化后的加工進(jìn)給速度曲線；最后， 利用刀位點(diǎn)和優(yōu)化后的加工進(jìn)給速度，計(jì)算數(shù)控機(jī)床各進(jìn)給軸輪廓誤差補(bǔ)償量，實(shí)現(xiàn)刀具 加工軌跡曲線輪廓誤差補(bǔ)償，最終提高高性能復(fù)雜曲面零件輪廓精度。方法的具體步驟如 下：
[0008] 1)以數(shù)控機(jī)床進(jìn)給軸加加速度極限為約束對加工進(jìn)給速度進(jìn)行一次優(yōu)化
[0009] 首先，計(jì)算高性能復(fù)雜曲面零件加工各數(shù)控程序段內(nèi)加工進(jìn)給軸的理想加工進(jìn)給 速度。設(shè)第i個直線插補(bǔ)程序段的運(yùn)行終點(diǎn)，即第i個理想刀位點(diǎn)為Ri(RXi，Ryi)，該程序段 內(nèi)的編程進(jìn)給速度為Vi，則各進(jìn)給軸在該程序段內(nèi)的理想進(jìn)給速度為：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種加工進(jìn)給速度優(yōu)化的刀軌曲線輪廓誤差補(bǔ)償方法，其特性是，在高進(jìn)給速度數(shù) 控加工中進(jìn)給軸"連續(xù)路徑"運(yùn)行模式下，根據(jù)直線插補(bǔ)數(shù)控加工代碼中的刀位點(diǎn)和加工進(jìn) 給速度信息，以數(shù)控機(jī)床進(jìn)給軸加加速度極限為約束，對進(jìn)給速度進(jìn)行一次優(yōu)化；再以機(jī)床 進(jìn)給軸加速度極限為約束，對加工進(jìn)給速度進(jìn)行二次優(yōu)化；利用三次B樣條擬合方法，對加 工進(jìn)給速度進(jìn)行平滑，得到最終優(yōu)化后加工進(jìn)給速度曲線；利用刀位點(diǎn)和優(yōu)化后加工進(jìn)給 速度，計(jì)算各軸輪廓誤差補(bǔ)償量，實(shí)現(xiàn)刀軌輪廓誤差的離線補(bǔ)償，從而提高輪廓精度；方法 具體步驟如下： 1)以數(shù)控機(jī)床進(jìn)給軸加加速度極限為約束對加工進(jìn)給速度進(jìn)行一次優(yōu)化 首先，計(jì)算高性能復(fù)雜曲面零件加工各數(shù)控程序段內(nèi)加工進(jìn)給軸的理想加工進(jìn)給速 度；設(shè)第i個直線插補(bǔ)程序段的運(yùn)行終點(diǎn)，即第i個理想刀位點(diǎn)為氏(RXi，RyJ，該程序段內(nèi) 的編程進(jìn)給速度為Vi，則各進(jìn)給軸在該程序段內(nèi)的理想進(jìn)給速度為：
式中，vxi、vyi分別為第i個程序段加工時間內(nèi)X軸和Y軸的理想進(jìn)給速度，0i為向 量孕八與X軸正向夾角，則:
其次，計(jì)算進(jìn)給軸在S形加減速模式下各程序段運(yùn)行時間內(nèi)達(dá)到理想進(jìn)給速度所需要 的最小加加速度；為此，在第i個程序段內(nèi)，以起始點(diǎn)Rh的加工時間為原點(diǎn)建立笛卡爾坐 標(biāo)系，橫軸為加工時間，縱軸為進(jìn)給速度，并對理想進(jìn)給速度進(jìn)行兩段二次Hermite插值， 進(jìn)而將得到的插值曲線方程對時間求二階導(dǎo)數(shù)，即得到從第i_l個達(dá)到第i個理想進(jìn)給速 度所需要的最小加加速度值； 令K =x，y表示進(jìn)給軸X、Y，At,表示第i個加工程序段的理論加工時間，且
;針對兩段二次Hermite插值，由于是S形加減速，故第一段插值曲 線VK_i(t)，
的邊界條件為：起點(diǎn)速度值VK」(0) =vKH，起點(diǎn)斜率，即起點(diǎn) 加速度P= (3終點(diǎn)速度值
；