五轴联动刀轴矢量平面插补算法

大多数数控系统仍默认以旋转轴角度线性插补插补方式进行铣削加工,实际刀轴矢量偏离理论刀轴矢量位置,产生极大的非线性误差。在五轴联动数控加工中心圆周铣削倾斜面时,表现为实际刀轴矢量偏离待加工平面,造成过切或欠切误差。而且,机床类型不同,铣削的误差表现形式也不同。经研究表明,此非线性误差完全来源于旋转轴角度的线性插补方式。从研究分析运动学坐标转换开始,从理论上研究旋转轴角度线性插补的原理和产生非线性加工误差的根源,提出刀轴矢量平面插补具体算法,并针对CA型双摆头类型机床进行仿真验证,新算法从根本上解决了该问题。     

五轴数控系统旋转轴快速平滑插补控制策略

在五轴联动加工中,刀轴矢量与旋转轴运动坐标之间存在非线性关系,刀轴矢量的平滑过渡不能保证旋转轴的平滑运动,尤其是当刀轴矢量接近机构奇异点时会引起旋转轴的剧烈震动,导致伺服报警,甚至损伤机床部件.通过分析旋转轴线性插补和矢量插补过程中刀具姿态的变化情况,抽象出刀具姿态误差模型.根据加工允许的刀具姿态误差,在矢量插值段中插入线性插值段,防止靠近奇异点处产生的旋转轴急速转动.结合指令行程和旋转轴性能进行旋转轴插补速度钳制,使用三次样条曲线对矢量插值段和线性插值段进行平滑连接,保证整个插补过程中速度的连续平滑.试验结果表明,本策略可以在满足刀姿误差要求的同时,实现旋转轴的快速平滑插补,并且已经应用于某航空结构件的批量加工生产中.     

五轴联动数控加工中的刀具轨迹控制算法

已有的五轴联动数控加工系统往往忽略刀轴矢量插补问题,只是简单地通过对线性轴进行插补、对旋转轴进行跟随的方式来实现刀具轨迹的控制,导致产生非线性误差和刀具碰撞与干涉等问题。为此,提出一种基于刀轴矢量插补的刀具轨迹控制算法。该算法采用大圆弧插补法对加工过程中的刀轴矢量进行控制,同时采用NURBS曲线拟合方法对控制过程中产生的中间点进行处理,并通过对拟合而成的NURBS曲线进行插补来实时计算各运动轴的位置。该算法不仅能够有效地提高五轴联动数控加工的精度,而且可以有效减小数据存储量。仿真和实际加工验证了算法的有效性和实用性,证明算法具有轨迹过渡平稳、非线性误差小的特点。     

五轴数控加工中旋转轴运动引起的非线性误差分析及控制

五轴数控(Computer numerical control,CNC)加工中,刀具路径规划阶段与实际加工阶段对旋转轴运动采用的插补方式存在差异,其中刀具路径规划阶段是根据零件的几何信息进行插补,而实际加工中则根据机床信息进行插补,这种差异将引起原理性加工误差。针对五轴数控加工中旋转轴的运动,分析采用线性插补方式控制两个旋转轴进行加工时刀具姿态变化引起的原理性误差,进一步研究不同加工情况下由此产生的在垂直于走刀方向的平面内的非线性误差。通过分析旋转轴运动过程中线性插补引起的刀轴偏差角,证明刀具在相邻两刀位点运动过程的中间时刻处刀轴偏差角取得最大值,并得到由该最大值的显式表达式,在此基础上分析最大偏差角的影响因素。提出通过限制相邻两刀位点间刀轴夹角来控制此非线性误差的方法,并给出实例验证。     

五轴机床的运动学与奇异位置研究

根据所用的A-C型五轴机床,分析其五坐标的运动学矩阵变换关系,得到了刀轴矢量和工作台转角的数学映射,进而建立运动学逆解方程,实现机床坐标和编程坐标的转换运算。开发了相应的后置处理程序,针对C转轴的角度在奇异点大幅度转动,可能超出系统性能限制,并在工件表面产生过切等质量问题,对奇异位置(刀心点和刀轴矢量)提出了刀位点插值微调的解决方案,并对S曲面的刀路轨迹进行了VERICUT刀路运动仿真,确实能在奇异点附近减小C轴转角,验证了本文逆运动学方程的正确及方法的可行性。     

双摆头型五轴数控机床的坐标变换关系研究

以双摆头五轴数控加工中心结构为例,包括两个旋转轴A/C和X、Y、Z三个直线轴。分别研究刀具在平动与转动中刀位点的变换关系,建立刀位点换算关系式;根据该机床结构搭建相应的运动学方程,从机床的动态角度出发,分析五轴联动过程中刀位点及刀轴矢量的运动变化规律,运用工程数学计算方法建立A/C轴旋转角度与X/Y/Z轴向坐标数据补偿关系式,实现C-A(X)型双摆头型五轴联动机床的运动求解,为后续的后置处理器的构造作理论基础。     

五轴加工奇异问题分析与非线性误差控制

在计算机辅助制造软件中进行五轴加工编程时,后置处理反求旋转轴角度存在无解,即五轴加工的奇异问题,具体表现为旋转轴运动产生突变、非线性误差增大、加工质量下降。以A-C型五轴机床为例,通过研究刀轴的运动过程,证明C轴的转角是奇异问题产生的原因。基于该结论提出一种新的检测奇异刀位点的刀轴分量k值遍历法和基于刀轴矢量插值与样条曲线拟合的非线性误差控制方案。通过S样件的五轴加工实验表明,相比于线性插值,所提方案在奇异区域内误差显著减小,曲面更加光滑,加工效率有所提高。     

五轴线性插补中非线性误差补偿方法

以A-C双摆头五轴数控机床为研究对象,通过对机床的运动学求解,分析了五轴数控机床在加工过程中非线性误差产生机理并建立了非线性误差的数学模型。通过齐次坐标变换的方法,推导出计算加工过程中刀尖点实际位置的数学表达式以及其反计算公式。针对五轴数控机床的旋转轴运动所产生的非线性误差,提出了一种反求插补点的补偿方法。从五轴数控加工旋转中心位置插补算法角度考虑降低非线性误差的方法,通过理论刀尖点位置来反求旋转中心的插补的位置,使实际刀尖点更多地落在理论插补路径上。利用MATLAB进行实际数据的仿真验证,结果表明所提出方法能将非线性误差有效控制在加工允差内,可显著提高五轴数控系统的轨迹控制精度,可见本文所提出方法具有较好的可行性和实际应用价值。     

双转台五坐标机床RTCP功能的研究

五轴加工中由于旋转运动的影响,会产生非线性误差.RTCP(绕刀具中心点旋转)功能可使数控系统自动对旋转轴的运动进行实时线性补偿,从而保证插补点始终位于编程轨迹上.在深入分析双转台五坐标机床运动原理的基础上,介绍了一种集成RTCP功能的插补算法,并在MATLAB中做了仿真计算.计算结果表明该算法可以有效减小非线性误差.     

五轴机床后处理旋转角求解及优选研究

通过五轴机床的运动学方程,可以逆解刀轴矢量与两个旋转轴转角的数学关系,在CAM软件后处理过程中,A、C的角度解可能存在多个取值。通过定义最短旋转圆路径,限制C轴的转动角度范围为[-180°,180°],以改进C轴的转角运动。仿真和实验证明,所提出的后置处理旋转角改进方法能够避免A-C轴转动角度的突变,使A、C轴旋转运动连续、平稳,避免发生过切与干涉,对于五轴机床的实际加工应用有非常明显的意义。     

华中8系统基于RTCP刀轴矢量控制的五轴编程及应用

刀轴矢量编程因方便在不同结构五轴机床上迁移使用而优势日渐突显。针对华中8系统在五轴加工旋转刀轴中心控制(Rotational Tool Center Point,RTCP)中刀轴矢量插补编程的指令特点,以矩形槽锥壁加工为例介绍了其编程控制方法,并在VERICUT多轴环境及华中8系统机床上进行了仿真验证。     

五轴加工中刀具非线性误差的优化策略研究

近年来在机床加工的过程中五轴机床得到了广泛应用,在传统的三轴机床的基础上增加两个回转轴,可以提升加工工作的灵活性与自由度,大幅度提升自由曲面精确度,具有重要的意义。但是,在增加两个回转轴之后,会导致机床运动链的形式非常复杂,很容易在加工期间出现刀具非线性误差问题,主要因为相关的数控系统在使用线性插补形式之后,会在插补期间出现刀轴矢量和回转轴之间的非线性关系,不能确保刀具按照规定的轨线运行,出现误差问题。在此情况下,就应该结合五轴加工过程中的刀具非线性误差问题发生特点,采用有效的措施优化处理,保证各方面工作的高效化实施,提升刀具加工的准确性。     

基于机床运动学约束球头刀多轴加工刀轴矢量优化方法

针对目前航空发动机叶片进排气边加工精度和表面质量较差的问题,提出了一种基于机床运动学约束球头刀多轴加工刀轴矢量优化方法。建立刀位优化变量与刀位数据之间的关系方程,同时建立刀位数据与机床回转轴角度之间的运动变换方程,从而推导出刀位优化变量与机床回转轴角度之间的关系方程。通过求解上述方程得到球头刀多轴加工复杂曲面的刀轴矢量计算公式。在此基础上,给出球头刀多轴加工刀轴矢量优化方法和刀轨生成方法。同时,以某航空发动机叶片为例,分析了本文算法和Sturz算法对机床回转轴角度的影响。分别利用本文算法和Sturz算法生成该叶片进气边加工的刀轨,并在五轴数控机床上进行加工试验。试验结果表明,该算法能够避免加工过程中机床回转轴的大幅波动,使机床轴运动更加平稳和光滑,从而提高曲面的加工质量和加工效率,具有一定的实际应用价值。     

五轴加工奇异问题机理分析及其避免策略

五轴加工后置处理在奇异区域内反解旋转角时,产生的旋转轴运动突变,不仅会引起较大的加工非线性误差,而且会损害工件与机床部件。针对以上问题,以五轴AB双转台卧式数控机床为研究对象,根据机床结构与运动链,运用齐次坐标变换原理,推导出其后置处理算法,将刀轴矢量的可行值域简化为球体,并通过将AB轴的运动类似为球体上的AB阶跃,分析了奇异问题的产生机理,提出了加工奇异区域的检测方法。对刀轴矢量投影局部放大后,通过刀位点和刀轴矢量插值分解B阶跃后重新生成刀具路径的方法,得到了奇异问题的避免策略。仿真加工验证表明,该方法可以在原有刀位轨迹不变的基础上较好地消除奇异问题,提高加工质量,同时也可推广到同类结构相似的机床上用于消除奇异问题。     

基于加工刀位直接插补的机床坐标逆向计算方法

针对五轴数控加工中G01插补指令存在非线性刀具摆动误差的问题,提出了一种基于五轴加工刀位直接生成的五轴G01插补控制方法,同时以双转台类型的五轴数控机床为例,建立了由参考坐标系到工件坐标系之间的中间坐标系,基于对各坐标系运动情况的分析,最终得到了由参考坐标系到工件坐标系的坐标变换矩阵。具体插补控制时,将上述插补计算出的刀位逆向计算出机床坐标,从而实现对机床运行的G01轨迹的控制,可有效降低五轴数控机床的非线性误差。     

车铣复合机床运动及其五轴联动时后处理算法研究

介绍了车铣复合机床的结构及其运动,利用坐标变换原理和CAM软件的刀位数据(刀心坐标和刀轴矢量),推导出了车铣复合机床五轴联动时坐标变换计算公式,为从CAM软件刀具轨迹到机床数控程序代码的后处理提供了算法。     

双转台五轴数控机床运动变换及求解方法的研究

数控加工后置处理是实现多坐标数控机床正确、高效完成加工任务的关键步骤.在后置处理器系统设计中,机床运动变换尤为重要,它的任务是将刀位点信息和刀轴矢量信息.转化为各运动轴在机床坐标系中的运动量.五轴数控加工后置处理的难点是机床坐标运动变换;以双转台机床为例,利用机构运动学原理,推导出了刀位矢量及刀位点运动变换模型,给出了其表达式;通过仿真分析对该算法进行了验证;检验结果表明所提出方法是正确可行的而且适用于其他任何类型的五轴机床.     

双转台五轴数控机床的非线性误差补偿

针对双转台五轴数控机床因旋转轴与平移轴联动而产生的非线性误差,提出一种解析模型对非线性误差进行实时预测和补偿。选取刀位文件中的相邻点作为建立模型的刀位点,然后根据经典后置处理中的误差分布建立谐波函数解析的非线性误差模型;用该模型的解析表达式快速预测两刀位点之间的非线性误差,实现了对中间插补点的实时误差补偿。最后对一叶轮零件加工的刀位文件进行MALTLAB仿真分析,验证了所提算法的有效性。     

B轴动力刀架的轨迹规划与仿真研究

通过建立插补方程组,研究不同刀位点的位姿状态与坐标变换,得出坐标系之间的数学模型,根据仿真结果验证其有效性。依托五轴数控机床建立插补方程组,分析不同加工方向的插补模型;运用齐次矩阵变换法和数值赋值反算法,并结合机器人学中经典的D-H法建立其坐标系之间的数学模型,得出机床刀架实现转动时的位姿状态,各轴运动的坐标值及运动学方程;使用Matalb和Adams进行空间轨迹规划与运动学仿真。通过仿真分析,结果表明动力刀架在加工过程中的位姿姿态与平稳性符合前期设计要求,机床的整体运动性能良好。结论:刀具完全按照设计要求的轨迹规律在运动,验证了方法的有效性及合理性。     

RTCP算法中无碰刀轴矢量的确定

针对五轴数控加工中主轴头中心角速度超限和非线性误差的问题,提出了基于旋转轴线性插补的RTCP算法,分析了插补过程中的全局干涉现象,推导了刀杆偏差系数公式,得到了RTCP模式下的无碰干涉区域,避免了干涉现象的发生。算法减小了非线性误差,保证了插补过程中机床旋转轴的运动平稳性,当刀具长度变化时无需重新通过后置处理生成数控程序,提高了加工效率。仿真结果证实了算法的可行性。