双转台五轴机床运动学分析及非线性误差研究

建立正确的A-C型五轴联动机床的WCS(工件坐标)和MCS(机床坐标)之间的矩阵转换关系,从而得出刀轴矢量和机床两个转轴的转角之间的映射方程,对于理解机床运动和CAM系统是至关重要的。由于旋转轴运动及CNC的平动轴线性插补、旋转轴跟随插补,导致五轴铣削过程会不可避免地产生非线性误差,详细分析了非线性误差产生的原因,舍弃线性插补而采用刀轴矢量平面插补,通过机床的逆运动学方程计算刀位的插补点和新的插补矢量,经CAM后处理系统转换成NC数控程序。最后给出一个实例进行分析和MATLAB仿真,验证了运动学推论和减小非线性误差策略的正确性。     

用于五轴联动数控机床的曲线插补控制策略

为实现复杂曲面零部件的高速高精数控加工,提出了一种用于五轴联动数控机床的曲线插补控制策略.实现该控制策略的数控机床控制器将控制任务分为非实时任务和实时任务两部分.非实时任务包括刀具路径信息中位置矢量的曲线插值计算和刀位矢量的曲线插值计算;实时任务包括位置矢量插值曲线和刀位矢量插值曲线的实时插补计算,以及插补点坐标的逆机床运动变换.加工实验表明,该插补加工方法町以用于五坐标数控机床的运动控制,具有良好的应用前景.     

五轴联动数控加工的刀具路径优化方法研究

为解决五轴联动加工复杂曲面过程中的刀具路径不连续问题,提出了五轴数控的刀具路径优化方法。通过五轴NC代码的坐标变换还原有效切削路径,对切削路径进行误差约束下的非均匀有理B样条(NURBS)曲线拟合。对旋转轴路径采用五次样条曲线进行插值,建立切削路径和旋转轴路径的参数映射关系,通过机床逆运动变换求解C2连续的平动轴路径。实验表明,经过该方法优化后,切削路径和各驱动轴运动路径具有良好的平滑性,显著提高了五轴加工曲面精度和表面质量。     

五轴加工空间曲线示教编程技术

针对汽车铸锻件毛坯飞边的五轴机床切削清理工序,提出一种空间曲线示教编程方法。首先取得待加工曲线轮廓轨迹上的若干示教点,经过五轴的运动学变换后得到各点在加工坐标系中的刀位点及刀轴矢量,对其进行累加弦长三次参数样条插值,获得密化的连续光顺插值点,以小直线段插补连接相邻插值点逼近原轮廓曲线,并进行逆运动学求解,得到机床坐标系下各轴的移动量,最后格式化输出可被数控机床直接识别的加工代码。通过Vericut五轴仿真验证了算法的可行性,并在机床上进行了发动机排气歧管铸件毛坯飞边的铣削实验,实现了空间曲线五轴加工的示教编程,简化了编程步骤,丰富了数控编程方式。     

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。     

三次参数样条在机床高速高精加工中的应用

针对数控机床加工自由曲面时,NC程序包含大量微小直线段,机床无法达到较高的加工速度的情况,提出使用三次参数样条拟合技术对微段进行拟合,使用泰勒一阶展开对样条进行插补,利用弓高误差约束保证精度,达到解决数控机床高速高精度加工自由曲面的问题。     

六轴义齿加工机床线性插补实现及误差分析

多轴控制技术是六轴义齿加工机床的关键技术,由于现有六轴义齿加工机床结构的特殊性,一般机床多轴控制技术的数控算法很难得到直接应用.基于现有机床的固有结构,通过结合齐次变换,提出了一种新的数控算法,实现了直线轴和圆弧轴的两轴联动.并根据其特殊的加工轨迹,分析了其联动插补运动过程中的误差.结合使用MATLAB工具进行数据运算,得出了对任意一条二维平面上的函数,插补过程中的运动控制参数及其单位加工周期过程中的误差.     

五轴联动双NURBS曲线的生成与插补方法研究

针对现行复杂曲面加工常采用的五轴联动线性插补方法速度、精度较低且数控文件大等缺点,利用非均匀有理B样条（NURBS）曲线在表示空间曲线时具有的优势,提出了一种适合于五轴联动实时插补运算的双NURBS曲线指令格式,同时介绍了这种格式数控代码的生成过程及插补方法。通过实例表明所提出的方法可以完全克服五轴线性插补方法的不足之处。     

基于双NURBS参数混合插补算法的五轴联动交叉耦合控制器研究

针对零件复杂曲面高速高精度数控加工的需求,分析五轴联动数控加工系统刀具运动轨迹中的轮廓误差和方向误差,建立了该轮廓误差和方向误差的实时计算模型,从而得出系统跟踪误差计算模型;在此基础上设计出一种基于双NURBS参数混合插补算法的五轴联动数控系统交叉耦合控制器,并对其进行仿真,仿真结果表明,使用该交叉耦合控制器能有效提高五轴联动数控系统的零件加工精度。     

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。     

A real-time surface interpolator methodology for precision CNC machining of swept surfaces

A real-time surface interpolator is developed to machine a family of swept surfaces directly from their high-level procedural definitions. All the computations required for machining are performed in real time based on the exact surface geometry, including tool path planning, tool path interpolation, tool offsetting, and tool path step-over to achieve a prescribed scallop height. A G-code command (G05) is introduced to concisely communicate the precise surface geometry and all necessary process parameters to the controller. The swept surface interpolator offers profound accuracy and efficiency advantages over the traditional approach of generating voluminous piecewise–linear/circular tool path approximations as a preprocessing step. For example, in one instance, a 36,000-line piecewise-linear (G01) approximate part program file is replaced by a 3-line exact swept surface (G05) part program file. The methodology is verified by machining a variety of swept surface forms in aluminum and wax, using a 3-axis milling machine with the surface interpolator incorporated into an open-architecture CNC controller.     

基于VERICUT的五轴数控加工仿真与优化

虚拟加工平台的构建、数控加工程序的正确性验证及加工过程的仿真与优化及是五轴数控机床实现高效加工的重要基础技术。基于VERICUT数控加工仿真与优化平台,以非正交五轴数控机床DMC70ev为研究对象,构建了数控加工仿真平台;以曲面加工为例,建立了基于恒定体积去除率和恒定切屑厚度的优化设计数学模型,进行了刀位轨迹的优化。应用表明:研究成果实现了五轴数控加工过程仿真及数控加工程序的正确性验证,减少了刀具磨损,提高了加工效率与加工质量,可以较好地提升企业数控加工技术的应用水平、应用质量,推动现代制造技术的发展。     

机械制造业数控机床几何误差自动控制

为了降低数控机床几何误差,提升加工精度,提出机械制造业数控机床几何误差自动控制方法。通过激光跟踪仪辨识机械制造业数控机床的几何误差,采用快速定位补偿算法与圆弧插补补偿算法相结合的方法补偿数控机床几何误差。利用计算机辅助制造软件生成刀位文件,依据刀位文件生成数控机床加工程序,通过补偿控制器生成数控机床各轴运动的控制指令,数控机床伺服系统接收控制指令后,自动控制数控机床各轴运动,以达到数控机床几何误差自动控制的目的。实验结果表明,采用该方法自动控制数控机床几何误差后,方向与角度的几何误差分别低于0.03 mm与0.1°,实际应用效果较好。     

凸轮轴磨削加工速度优化调节与自动数控编程研究

为进一步提高凸轮轴的加工精度、表面质量和加工效率,根据X-C轴联动磨床的运动原理,建立了凸轮轴恒线速加工理论数学模型,依据该数学模型采用三次样条拟合插值法,建立了凸轮转速优化调节的数值计算模型。结合具体凸轮轴零件及其磨削加工工艺方案的具体参数,计算出机床各运动轴加工过程的运动数据,在确保无工艺故障的前提下,最终把各轴的运动数据自动转换为对应数控控制系统的数控加工程序,从而实现了凸轮轴磨削的自动数控编程。最后在CNC8312A数控高速凸轮轴磨床上,对钱江32F型号凸轮轴的进气凸轮和排气凸轮分别进行磨削加工试验,得到了预期加工效果。试验验证表明,该加工速度优化调节及其自动数控编程方法在理论上和实践上都是可行的,完全满足实际生产的需要。     

面向高速加工的样条曲线实时插补算法

数控加工追求更高的加工效率和光洁的加工表面,但大多数样条曲线插补算法是根据进给速度、最大合加/减速度和合加加速度来设计的,并没有考虑如何充分利用单轴的最大加减速能力。提出一种时间近似最优的样条曲线实时插补算法,它面向数控系统对高速加工的需求,在考虑机床动态性能的基础上,充分利用单轴的最大加减速能力,以达到理论上近似最优的加工效率。同时该算法通过预处理求速度限制曲线、速度曲线反向链接和平滑处理三个步骤求出满足加工精度以及机床单轴的最大加速度、加加速度等约束条件的加工速度曲线,能有效提高加工表面的粗糙度。仿真结果表明,该算法在有效提高加工效率的同时,能实现对减速点的精确定位,得到光滑的加工速度曲线。     

CAM/CNC走刀轨迹的实时重构

走刀轨迹的优化对复杂型面的高速高精度加工起着十分关键的作用。目前大多数CAM/CNC系统采用大量小直线段逼近原始曲线和直线插补的做法,只能获得零阶连续的走刀轨迹,逼近精度低,不能保证高速加工运动的平稳性,因而加工精度、光洁度和加工速度都难以提高;由小直线段构成的NC代码数据量庞大,也增加了数控系统在内存容量和数据传输方面的成本。本文采用3次参数样条曲线和B样条曲线来实时重构CAM生成的走刀轨迹,以少量的数据点便能达到比直线和圆弧插补高得多的加工精度。文中讨论了数据分段、样条拼接及首尾振荡问题,以及程序实现中的面向对象和多线程技术。在实际使用中显著地提高了数控系统的加工速度和加工精度。     

NC Machining of Freeform Pockets with Arbitrary Wall Geometry Using a Grid-Based Navigation Approach

A tool path must be determined in an efficient manner to generate NC (numerical control) code for machining. This is particularly important when machining freeform pockets with arbitrary wall geometry on a three-axis CNC machine. In this paper, a grid-based 3D navigation algorithm for generating NC tool-path data for both linear interpolation and a combination of linear and circular interpolation is presented for three-axis CNC milling of general pockets with sculptured bottom surfaces. The pocket surface is discretised by defining a grid and the navigation algorithm plans the tool motion. The grid size and the cutter diameter are chosen so that a predefined tolerance for surface roughness is satisfied. The grid-based navigation algorithm is simulated graphically and verified experimentally.