一種基于曲線光滑變形的數(shù)控加工進給率規(guī)劃方法
【技術(shù)領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于曲線光滑變形的數(shù)控加工進給率規(guī)劃方法，屬于數(shù)控加工技 術(shù)領域。
【背景技術(shù)】
[0002] 數(shù)控機床已廣泛應用于復雜曲面零件的數(shù)控加工，進給率規(guī)劃作為數(shù)控加工的 關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對高質(zhì)量、高效率和低成本完成復雜工件的數(shù)控加工起著重要作用。由于笛卡爾 空間和節(jié)點空間存在非線性關(guān)系，目前適用于五軸數(shù)控加工的進給率規(guī)劃方法十分有限。 現(xiàn)有文獻對進給率曲線的光順性關(guān)注不夠，進給率過度波動問題沒有得到有效的控制。因 此，在實現(xiàn)進給率自適應定制的同時保證進給率曲線的光順性仍是有待解決的問題，并具 有重要的意義。
[0003] 經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，有關(guān)五軸數(shù)控加工進給率規(guī)劃方法的研究有 Wei Fan 等的 "Time-optimal interpolation for five-axis CNC machining along parametric tool path based on linear programming' International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2013, 69 (5-8): 1373-1388.論文以獲得最短加工 時間為目標函數(shù)，以弦高差、機床最大速度、機床各軸最大加速度和躍度作為約束條件，構(gòu) 建線性約束優(yōu)化模型用于進給率規(guī)劃。Sencer B等在其論文"Feed optimization for five-axis CNC machine tools with drive constraints'，?International Journal of Machine Tools&Manufacture, 2008, 48:733 - 745.中以獲得最短加工時間為目標函數(shù)，以 機床各軸最大速度、加速度和躍度為約束條件，構(gòu)建非線性約束優(yōu)化模型用于進給率規(guī)劃。 上述進給率規(guī)劃方法均采用約束優(yōu)化模型，本發(fā)明著重考慮進給率曲線的形態(tài)和光順性， 在常規(guī)誤差控制的曲線變形基礎上，形成了基于曲線光滑變形的數(shù)控加工進給率規(guī)劃方 法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于曲線光滑變形的數(shù)控加工進給率規(guī)劃 方法。該方法首先將進給率約束條件分為兩類，即：1.鄰域無關(guān)（Neighbor-independent， NI)約束，此類約束只與進給率本身有關(guān)，與進給率曲線的微分性質(zhì)無關(guān)，如弦高差約束和 分軸速度約束等。對于此類約束，只需針對初始進給率曲線，計算出約束超差點的進給率更 新值，通過一次曲線光滑變形，便可得到鄰域無關(guān)（NI)約束下的進給率曲線。2.鄰域相關(guān) (Neighbor-dependent, ND)約束，此類約束的進給率滿足條件計算，不僅涉及到進給率本 身，而且涉及到其微分性質(zhì)。鄰域相關(guān)（ND)約束包括分軸加速度和分軸躍度約束等。對于 此類約束，需結(jié)合比例調(diào)節(jié)算法計算約束超差區(qū)域的進給率更新值，并通過對目標進給率 曲線的多次光滑變形，得到鄰域相關(guān)（ND)約束下的最終進給率曲線。
[0005] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種基于曲線光滑變形的數(shù)控加工進給率規(guī)劃方法將 進給率約束分為鄰域無關(guān)約束（NI約束）和鄰域相關(guān)約束（ND約束），首先，將工藝要求的 最大進給率設定為初始進給率直線后，通過一次曲線光滑變形得到鄰域無關(guān)約束的進給率 曲線，進而，結(jié)合比例調(diào)節(jié)算法，通過多次曲線光滑變形得到鄰域相關(guān)約束的進給率曲線， 該進給率規(guī)劃方法，在單純幾何逼近誤差約束的曲線變形基礎上加入光順項，得到的進給 率曲線具有更好的光順性，規(guī)劃方法包括以下步驟：
[0006] 步驟一、預處理：參數(shù)曲線表示曲面加工路徑，確定采樣點位置及個數(shù)，求解機床 各軸運動軌跡；
[0007] 步驟二、初始進給率直線生成：將設定的刀尖點最大進給率允許值作為采樣點處 的初始進給率值，構(gòu)造初始進給率直線；
[0008] 步驟三、鄰域無關(guān)約束下的進給率曲線生成，包括以下步驟：
[0009] (a)計算各采樣點處弦高差約束和分軸速度約束下的最大進給率允許值；
[0010] (b)結(jié)合刀尖點最大進給率允許值，確定鄰域無關(guān)約束下進給率曲線的超差區(qū)域， 并計算超差點處進給率更新值；
[0011] (C)運用曲線光滑變形，將進給率曲線從原始位置光滑變形到目標位置，得到鄰域 無關(guān)約束下的進給率曲線；
[0012] 步驟四、鄰域相關(guān)約束下的進給率曲線生成，包括以下步驟：
[0013] (a)根據(jù)當前生成的進給率曲線，計算各采樣點處的分軸加速度值和分軸躍度 值；
[0014] (b)結(jié)合設定的分軸加速度極限值和分軸躍度極限值，確定鄰域相關(guān)約束下進給 率曲線的超差區(qū)域；
[0015] (c)所有超差點對應的進給率值乘以一個相同的比例調(diào)節(jié)系數(shù)，得到超差點處新 的進給率值，進一步得到超差點處新的分軸加速度值和分軸躍度值；
[0016] (d)運用曲線光滑變形方法，將進給率曲線從原始位置光滑變形到目標位置，得到 新的進給率曲線；
[0017](e)重復步驟四中的步驟（a)、（b)、（c)和（d)，直至進給率曲線滿足鄰域相關(guān)約 束，得到鄰域相關(guān)約束下的進給率曲線，完成進給率規(guī)劃。
[0018] 本發(fā)明的有益效果是：該基于曲線光滑變形的數(shù)控加工進給率規(guī)劃方法將進給 率約束分為鄰域無關(guān)（NI)約束和鄰域相關(guān)（ND)約束。首先，將工藝要求的最大進給率設 定為初始進給率直線后，通過一次曲線光滑變形得到NI約束的進給率曲線。進而，結(jié)合比 例調(diào)節(jié)算法，通過多次曲線光滑變形得到ND約束的進給率曲線。該進給率規(guī)劃方法，在單 純幾何逼近誤差約束的曲線變形基礎上加入光順項，由此得到的進給率曲線具有更好的光 順性，最大限度消除了進給率曲線的波動，以保證加工過程的平穩(wěn)。減少了機床加工振動、 保證機床加工平穩(wěn)和提高零件加工精度的目的，對于提高加工效率和加工質(zhì)量具有顯著意 義。
【附圖說明】
[0019] 圖1為本發(fā)明方法的流程示意圖。
[0020] 圖2為沒有光順項的曲線變形圖。
[0021] 圖3為光順因子較小的曲線光滑變形圖。
[0022] 圖4為光順因子較大的曲線光滑變形圖。
[0023] 圖5為實施例五軸側(cè)銑加工路徑示意圖。
[0024] 圖6為NI約束下的進給率曲線圖。
[0025] 圖7為NI和ND約束下的進給率曲線圖。圖7中，X軸表示參數(shù)u值，Y軸表示進 給率值，單位為mm/s。
[0026] 圖8為進給率規(guī)劃完成后的平動軸加速度圖。圖8中，X軸表示參數(shù)u值，Y軸表 示平動軸加速度值，單位為mm/s2。
[0027] 圖9為進給率規(guī)劃完成后的旋轉(zhuǎn)軸加速度圖。圖9中，X軸表示參數(shù)u值，Y軸表 示旋轉(zhuǎn)軸加速度值，單位為rad/s2。
[0028] 圖10為進給率規(guī)劃完成后的平動軸躍度圖。圖10中，X軸表示參數(shù)u值，Y軸表 示平動軸躍度值，單位為mm/s 3。
[0029] 圖11為進給率規(guī)劃完成后的旋轉(zhuǎn)軸躍度圖。圖11中，X軸表示參數(shù)u值，Y軸表 示旋轉(zhuǎn)軸躍度值，單位為rad/s 3。
[0030] 圖12為進給率規(guī)劃完成后的直線軸速度圖。圖12中，X軸表示時間，單位為s ;Y 軸表示平動軸速度值，單位為mm/s。
[0031]圖13為進給率規(guī)劃完成后的旋轉(zhuǎn)軸速度圖。圖13中，X軸表示時間，單位為s ;Y 軸表示旋轉(zhuǎn)軸速度值，單位為rad/s。
[0032] 圖14為實際加工的平動軸速度圖。圖14中，X軸表示時間，單位為s ;Y軸表示平 動軸速度值，單位為mm/s。
[0033] 圖15為實際加工的旋轉(zhuǎn)軸速度圖。圖15中，X軸表示時間，單位為s ;Y軸表示旋 轉(zhuǎn)軸速度值，單位為rad/s。
【具體實施方式】
[0034] 下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步詳細說明。
[0035] 本發(fā)明提出的基于曲線光滑變形的數(shù)控加工進給率規(guī)劃方法的流程如圖1所示。
[0036] 首先將曲面加工路徑用參數(shù)曲線表示；沿加工路徑根據(jù)曲線曲率的大小分布確定 采樣點位置，進而確定采樣點個數(shù)；對給定的參數(shù)表達路徑，經(jīng)機床運動學反解，得到機床 各軸運動軌跡；將設定的刀尖點最大進給率允許值作為采樣點處的初始進給率值，構(gòu)造初 始進給率直線；根據(jù)設定的NI約束值確定NI約束下的進給率值，采用一次曲線光滑變形， 得到NI約束下的進給率曲線；計算該曲線各采樣點處的分軸加速度值和分軸躍度值，并與 設定的ND約束值比較，判斷超差區(qū)域；運用等比例調(diào)節(jié)算法重新確定超差點處的進給率 值，使各約束值約束下的加速度和躍度值同向減小，再利用曲線光滑變形方法