五轴联动数控系统非线性误差的研究与控制

五轴联动数控机床由于两个旋转轴的存在使得插补后获得的刀具轨迹与理论编程轨迹不相等,存在非常大的非线性误差。通过对运动学坐标变换、双摆头五轴联动机床刀具运动原理和插补原理进行分析得出引起非线性误差的原因。介绍一种基于时间分割法的插补算法,通过MATLAB进行仿真实验及参数分析,其结果表明了该算法的有效性。     

五坐标加工步长计算

五坐标曲面加工的理论刀具轨迹是由刀具与零件曲面的啮合关系所确定的非线性连续曲线，由此而得的机床各运动轴的理想联动规律是复杂的非线性关系，但由于目前的CNC在多轴联动控制时，一般只具有线性插补功能，理论的非线性连续曲线只能以一系列小线性段进行离散逼近后，再由CNC机床控制各运动轴作五维线性插补来实现被加工曲面的近似包络成型，由此而导致原理性的加工误差，在数控加工中，刀具在机床坐标系下的运动根据与被加工曲面的相对关系有二个方向，一是走刀轨 迹的方向，称为走刀方向，其在此方向上在一个插补周期内所移动的距离称为走刀步长。另一个是在走刀轨迹增量的方向，称为切削带步长，下面讨论这两个方向刀具的所能够移动的距离与误差的关系和进行计算。     

刀具摆角对复杂曲面轮廓精度的影响研究

目的通过优化五轴联动加工中刀具摆角参数,基于后置处理技术提高复杂零件表面加工的轮廓精度。方法针对回转轴非线性运动造成的刀具姿态误差过大会导致零件轮廓精度低,提出了一种摆角优化方法。首先,对回转轴线性插补产生的刀具姿态误差进行分析,控制回转角的摆动幅度大小和初始位置;其次,将线性插补后的刀轴矢量投射到理论上始末两点矢量构成的平面上获得新的插补矢量,通过线性插补刀轴矢量来优化刀具空间姿态;最后,以某叶轮试件通过仿真及实际加工实验进行了验证。结果通过摆角优化方法后,叶片轮廓与理论轮廓的轮廓误差由0.08 mm减小到0.04 mm,最大过切量也由0.03 mm减小到0.01 mm。刀具摆角优化后,能大大提高复杂曲面零件的轮廓精度。结论基于后置处理技术对五轴机床回转轴摆角进行优化,在通用算法基础上加载角度优化算法,开发专用的后置处理器处理G代码程序,是一种提高复杂曲面加工轮廓精度的可行措施。实验验证了该方法的有效性。     

摆头转台五轴数控机床RTCP算法的研究

在五轴数控机床加工中,由于旋转运动的影响,机床各轴线性插补的合成运动会使实际刀位运动偏离编程直线,造成编程直线和机床实际运动轨迹之间产生了误差,该误差被称为非线性误差。在对摆头转台五轴数控机床运动求解进行研究的基础上,基于机床的运动求解模型,分析了五坐标加工中的非线性误差的数学模型,提出了一种RTCP功能的插补算法,并通过MATLAB实例仿真验证该RTCP算法可以有效减小非线性误差,显著提高加工精度。     

最小非线性插补误差约束的多轴侧铣刀轴矢量优化

机床运动轴的线性插补会导致刀具位置及刀轴矢量的非线性插补,造成的非线性误差是影响曲面侧铣精度的重要因素。为减少刀轴矢量非线性插补造成的侧铣加工误差,建立转台旋转-刀轴偏差角模型,证明当机床旋转轴线性联动时刀轴矢量的插补一定是非线性的,并提出刀轴矢量线性插补的条件。在加工坐标系中建立球面坐标系,讨论相邻插补刀轴矢量在球面坐标系中的经纬度差异,以及对刀轴偏差角的影响。通过计算知相邻刀轴矢量的夹角与刀轴最大偏差角不呈单调关系。提出相邻刀轴矢量平均纬度最小化的优化目标;通过改变工件装夹姿态,满足优化条件。以典型叶片曲面类零件的曲面侧铣加工为例,验证刀轴矢量线性插补的约束条件。利用BC轴转台式机床进行加工,借助优化刀轴矢量在转台旋转-刀轴偏差角模型中的平均纬度,验证所提方法的有效性。     

五轴联动数控机床非线性误差的研究

五坐标插补过程中,旋转轴运动的影响使实际刀位运动偏离编程直线,产生了非线性误差。在深入分析双摆头五坐标机床运动原理和非线性误差的产生机理的基础上,介绍了一种集成RTCP(旋转刀具中心点)功能的插补算法。RTCP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。通过MATLAB仿真计算验证了该算法可以有效减小非线性误差。     

五轴联动混联机床插补算法的研究

在原有的三平动非对称并联机床(3—2SPS)的基础上添加一个双回转工作台实现五轴联动。为减小加工过程产生的非线性误差提高加工精度和运动的平稳性,所以提出了一种粗插补和精插补相结合的插补算法,坐标空间采用粗插补关节空间采用精插补,该算法弥补了传统混联机床插补算法所存在的缺点。通过Matlab仿真刀具和伸缩杆的运动轨迹,结果表明所提出的的插补算法能有效的减小加工误差。     

五轴联动刀轴矢量插补优化算法

目的研究解决五轴联动机床旋转轴角度采用线性插补方式生成的加工轨迹,导致刀具姿态偏离所设计的理想平面,引发刀具姿态误差的问题,减少非线性误差,提高零件表面质量。方法首先对旋转轴角度线性插补方式引发刀具姿态误差的原理进行了分析,提出了一种刀轴矢量插补优化算法。然后在线性插补的基础上,根据提出的刀轴矢量插补优化算法保证首末点间的刀轴插补矢量始终位于首末刀轴矢量所构成的平面内,实现刀具姿态优化,并在MATLAB中对线性插补和矢量插补优化两种方式进行仿真分析,观测出对应方式下刀轴插补矢量的空间位置。最后利用叶片试件在AB型转台摆头类型机床上进行仿真和加工验证,对比两种刀轴矢量插补方式仿真数据。结果在VERICUT同等条件下仿真,刀轴矢量采用线性插补时,叶片进出汽边误差值分别为-0.218 66 mm和-0.312 58 mm;刀轴矢量插补优化后,叶片进出汽边误差值分别为-0.095 46 mm和-0.099 05 mm。刀具姿态经过插补优化算法后,叶片进出汽边的过切值明显降低。结论刀具姿态经过插补优化算法后,叶片过切值的大小和数目明显减少,使得非线性误差明显降低,从而提高了零件表面质量。     

五轴联动圆弧非线性插补算法及其软件实现

以具有A、C旋转轴的刀具双摆动五轴机床为例,提出五轴联动数控机床的空间圆弧非线性时间分割插补算法.详细研究五轴联动中的平动和旋转运动的联动原理,利用齐次变换矩阵求取圆弧插补点的空间坐标.通过插补点的空间坐标,逆求出刀轴的旋转量,进而求取转角补偿位移,并将其叠加至平动位移上,在每一个插补步骤中进行补偿,从而实现空间圆弧的时间分割插补算法.最后利用Visual C++6.0编写该算法的仿真软件,验证该插补算法的正确性.五轴联动圆弧非线性插补算法适用于五轴联动数控机床中任意空间圆弧的插补.该算法计算简单,结果精确,刀具移动平稳.     

五轴联动加工中进给速度的控制算法

目的研究刀具进给速度平稳性对五轴联动加工中复杂自由曲面表面粗糙度、轮廓精度的影响。方法首先对五轴联动机床运动过程中的空间线性插补原理进行了分析,推导出插补周期内各轴的分解速度数学模型。根据数控系统中不同的速度指令方式以及刀具在空间的实际运动距离,分端铣和侧铣两种情况,分别建立了刀具空间运动的实际速度计算模型,然后根据机床各轴的最高速度及加速度约束条件,对各轴分速度、分加速度进行校核处理,最终求得刀具实际的合成速度。最后,基于后置处理技术,用开发的专用后置处理软件进行刀位源代码后置处理,采用某叶轮试件进行了验证,并对实验结果进行了分析。结果在复杂曲面加工中,稳定的表面进给速度会获得较高的表面质量及轮廓精度,曲面曲率变化越大,速度变化对加工质量的影响越大。在同等条件下切削,刀具采用恒表面速度与采用恒进给速度相比,获得的叶片进出汽边轮廓误差值由0.1 mm减小为0.04 mm。结论在五轴联动加工中,越稳定的表面进给速度,越能获得较高的表面质量和轮廓精度,对于曲率变化较大的复杂曲面,需要严格控制刀具的进给速度,尽量获得稳定的表面速度以减少过切值,从而提高零件表面质量。     

参数曲面五轴加工轨迹优化方法

非线性误差是五轴加工中加工误差的重要来源,不可避免。针对五轴加工中的非线性误差问题,分析了非线性误差产生的原因,提出了一种减小机床非线性误差的轨迹优化算法。该方法直接计算各实际刀轨与工件参数曲面之间的误差,找出非线性误差过大的刀位,通过递归插入新刀位来减小非线性误差,直到满足精度。插入刀位点时,结合曲面凹凸性及刀具路径的弦弧逼近误差,同时将过切、欠切情况考虑在内。仿真分析结果显示该方法能避免插入不必要的刀位点,可显著减小非线性误差。     

五轴加工刀具矢量压缩平滑定向插补算法研究

为解决五轴加工中刀具矢量变化不均匀引起减速和加速的反复发生,带来加工形状变得粗糙和加工时间变长的问题,提出一种刀具矢量压缩平滑定向插补算法。通过对指令程序进行压缩处理,可以去除刀位点和刀具矢量变化小的指令,对刀具矢量平滑处理,可以使得刀具矢量的变化与线性轴的变化一致,定向插补是对优化后的指令刀位点数据和刀具方向进行插补计算,以实现高速加工。通过仿真实验验证了该算法的有效性和可行性。     

叶轮零件的五轴数控制造质量与关键技术研究

叶轮叶面的制造质量直接影响其运行的效率、性能、流体动力稳定性、工作可靠性和使用寿命等.从具体叶轮零件结构与工艺性分析人手,通过叶轮叶面的三维建模和加工程序调试、仿真分析与刀具轨迹验证,研究叶轮数控加工策略和加工关键技术.经过分析叶轮零件的加工质量,明确了控制插补弦长、插补周期和进给速度、刀轨残留误差,可以控制五轴数控加工的误差,保证制造质量.以叶面造型的轴向截线为加工依据,解决了刀具切削间隔的计算和刀路轨迹的求解,并进行了仿真分析.实践证明:采用五轴数控加工中心对叶面进行截面法加工,避免了加工干涉,容易实现曲面间的光滑走刀,提高了叶片的加工效率和质量,降低了加工成本.     

基于辨识模型的轨迹误差预测方法

为研究轨迹误差的影响因素及规律,进行加工路径优化和轨迹误差预补偿,并提出一种基于辨识模型的轨迹误差预测方法。采用所建立的数控系统前瞻插补模块对G代码进行插补处理,获得离散位置指令;通过进给系统辨识模型对插补后的位置指令进行加工仿真,得到输出位置;根据插补位置数据和仿真得到的输出位置数据对加工轨迹误差进行计算。仿真结果表明:该方法可以快速计算数控机床联动加工时的轨迹误差值和分布情况,为轨迹误差的成因及规律分析、刀具路径的优化及轨迹误差预补偿的实施提供方法和数据支持。     

五轴数控机床旋转轴误差辨识及补偿

五轴数控机床刀具与工件接触点(切削点)相对位置不变的旋转运动控制称为RTCP(Rotated Tool Centre Point),该功能对五轴数控机床曲面加工精度具有重要影响。为了提高五轴数控机床RTCP精度,分析了五轴数控机床RTCP运动过程中旋转轴结构参数误差与刀尖点误差关系,建立了刀尖点误差与旋转轴结构参数误差映射模型,根据刀尖点误差数据建立了旋转轴结构误差辨识方程组,通过矩阵最小二乘实现五轴数控机床旋转轴结构参数误差求解,用于五轴数控机床旋转轴结构参数误差补偿。结果表明:该误差辨识模型可准确计算出旋转轴结构参数误差,提高了旋转轴几何误差检测效率和精度,对提升数五轴控机床加工精度具有重要的意义。     

基于NURBS曲面的五轴联动插补算法

文章提出了一种基于NURBS曲面的五轴联动插补算法。对于NURBS曲面,确定一个参数方向的一系列参数值,就可确定一系列的另一个参数方向的NURBS曲线。沿这些曲线逐条进行插补,就可实现对整个曲面的插补。在每个插补点,求出两个参数方向的切矢,确定出该点的曲面法矢,在假设刀控方向垂直于插补曲面的情况下求出两个旋转轴的运动,实现五轴联动插补。同时,利用NURBS曲线的局部性质来保证插补的实时性。     

五轴加工中非线性误差的分析与研究

由于数控系统的线性插补特性与实际运动轨迹的不一致性,而引起加工过程中产生了不可避免的非线性误差。通过对五轴数控加工过程的理论分析,预测出了产生最大误差的位置;并在已有算法的基础上提出了刀位中点线性加密法。通过MATLAB的仿真,验证了该方法可以有效地控制非线性误差。     

叶片五轴加工中非线性误差控制的研究

叶片属于特型零件,型面精度要求极高,因此,在加工过程中要严格控制其误差。分析了非线性误差产生的原因及有效估算方法,结合线性插补原理,建立了非线性运动误差估计模型以及误差补偿模型。通过Java语言,依据VMC850F机床进行运动求解,开发了针对叶片五轴加工具有非线性误差补偿功能的专用后置处理器;并通过某叶轮的切削加工实验验证了该后置处理器的正确性和实用性。     

五轴数控机床定位误差对刀具轨迹的影响研究

针对五轴数控机床的各轴定位误差进行分析,提出了一种包含各轴定位误差的数学模型建立方法。根据此数学模型分析了定位误差对刀具与工件相对运动轨迹的影响关系,并在MATLAB软件平台上分别模拟计算了刀具沿曲线与曲面运动的轨迹,得到了刀具理想轨迹与实际轨迹的相对关系以及各轴定位误差对刀具轨迹的综合影响规律。计算结果表明,此数学模型可以作为分析机床各轴定位精度的理论依据。根据模型计算得到了各轴定位误差对刀具运动轨迹上不同位置点的影响规律,可以为经济型五轴机床的各轴定位精度分析及其补偿提供参考。     

复杂曲面多轴数控加工非线性误差理论分析及控制

针对复杂曲面通常采用的多轴数控加工方式，结合加工用刀具，建立了多轴数控加工的非线性误差的数学模型，分析其影响因素，并给出了有效减少非线性误差的控制方法。