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.     

可配置型五坐标B样条插补控制器的研制

针对采用五轴联动数控机床的线性插补功能进行数控加工存在的不足,提出了一种B样条插补控制策略用于五轴联动数控机床以实现复杂曲面零部件的高速高精数控加工。参考开放式、模块化体系结构控制器(OMAC)标准,开发了具有B样条插补功能的五轴联动数控机床运动控制器。该控制器将控制任务按照实时性要求进行划分。人机交互、代码解析及参数映射关系构造等过程离线完成,插补运算、离散逻辑控制及逆运动学变换等过程由实时线程执行,保证了数控系统的硬实时性。为简化NC程序的编制过程,控制器设计为接收工件坐标系下的加工信息。通过开发适应各种形式数控机床的逆运动学变换模块,并将机床参数设计为可用户定制,使得控制器具有良好的通用性。在控制器内部建立NC程序文件中位置曲线和方位曲线间的参数映射关系,使得机床平动轴与转动轴间的运动规划符合实际加工要求,并可保证加工精度。实际加工实验中,在采用B样条插补算法的NC程序量降低为线性插补NC程序量15%倍时,其插补误差为线性插补误差的45%,控制器插补精度为0.68,表明该B样条插补控制器可以满足五坐标数控加工的要求。     

基于五轴机床空间运动分析的后处理研究

针对五轴加工时从刀位文件到数控程序的后处理问题,以双转台类型的五轴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,从而将五轴后处理过程简化为求解一个关于机床控制坐标的线性方程组。实际计算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。     

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。     

五轴联动数控机床的后置处理方法

后置处理是数控编程的重要环节 ,它的作用是将 CAM系统生成的刀轨文件转化为机床的加工代码。五轴联动的后置处理涉及到刀位文件的转角计算和坐标变换计算 ,坐标转换关系比较复杂 ,本文研究了立卧两种状态的五轴联动数控机床的后置处理 ,在分析了机床坐标系和工件坐标系关系的基础上 ,推导了坐标变换公式 ,并开发出了相应的后置处理软件 ,其结果满足五坐标联动后置处理的要求     

五轴数控机床几何误差建模方法研究

五轴数控机床是实现工件复杂表面精密加工的重要设备,而机床本身精度是保证加工精度的重要前提。以一台大型五轴数控加工机床为研究对象,分析各项误差,应用多体系统运动学理论,建立移动轴与旋转轴的几何误差数学模型,推导出刀具相对工件坐标系的位置与姿态误差表达式,为误差补偿提供精确数学模型,提高机床加工精度。     

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。     

双转台五轴数控机床误差实时补偿

以双转台五轴数控机床为对象,建立各移动轴和旋转轴运动的数学模型,以工件坐标系为基础坐标系,应用齐次坐标系变换理论,推导任一时刻各轴运动在工件坐标系中的位置误差数学表达式.针对五轴机床的移动轴和旋转轴同时运动存在耦合的情况,提出一种分步实施的解耦补偿方法,即在实施误差补偿时首先进行姿态误差补偿,通过旋转轴的旋转运动将工件的实际姿态调整到与理想姿态相同,然后通过移动轴的平移运动进行位置误差补偿,并相应建立五轴机床误差补偿数学模型.通过仿真分析和对曲面零件的实时补偿加工试验,明显提高加工精度,并有效避免直接进行补偿加工过程中可能带来的运动干涉情况,从而验证该五轴机床误差补偿数学模型及其实时补偿的可行性和有效性.     

基于对偶四元数的五轴等距双NURBS刀具路径规划

针对由离散刀位构成的一阶线性不连续刀路影响机床运动平稳性的问题,提出在工件坐标系下对线性刀路进行光顺,获取满足精度且达到G1以上连续的等距双非均匀有理B样条刀具路径。采用对偶四元数描述五轴刀位,利用对偶四元数B样条矢量函数拟合线性刀路,获取五轴联动的刀具B样条运动轨迹,插值得到描述刀具中心点和刀轴点运动轨迹的等距双非均匀有理B样条曲线刀具路径。算例表明,采用本算法对工件坐标系中的线性刀路进行光顺,在提高刀具轨迹运动平稳性的同时,可以获得满意的加工精度,适用于五轴高速精密加工。     

球面与柱面结合的旋转锉数控加工方法研究

阐述了一种四轴联动数控专用机床的结构,分析加工旋转锉中各轴所需的运动,研究了球头螺旋线方程,进而通过坐标变换,将球型特种回转面的螺旋线方程变换至机床坐标系下,利用圆弧插补原理计算出砂轮刃磨点的坐标值和同分度角下工件刃磨点的坐标值,其差值即为该点相对于起点的直线轴插补值,用线性补偿的方式将刃深按圆弧插补要求分段在平面内进行负向补尝,并使插补轴与工件转角联动,从而加工成球面刃线,随后过渡到加工柱面刃线.     

考虑非线性误差的五轴工件安装位置优化

针对五轴加工非线性误差的问题,根据机床的运动学关系建立非线性误差模型,并采用粒子群算法优化五轴工件的安装位置,以在工件初始安装时限制非线性误差的大小。仿真实验表明,根据粒子群算法优化出的工件安装位置可以有效地控制非线性误差的大小,避免出现局部非线性误差过大的情况,同时可以有效控制整体非线性误差,提高工件的加工质量。     

非正交双转台五轴机床后置处理通用方法

针对非正交结构的双转台型五轴机床,提出一种从工件坐标系变换到机床坐标系的逆运动学求解方法。该方法适用于正交及非正交情况下,双转台型、摆头+转台型和双摆头型五轴机床的后置处理问题。分析非正交双转台型五轴机床的结构特点,建立此类机床的通用结构形式。基于点绕空间任意轴的旋转变换公式,建立非正交五轴机床各运动坐标同刀位数据之间的映射关系,实现机床平动坐标和转动坐标的计算。针对机床C轴转动坐标的求解,分析出现奇异位置的情况,给出奇异值问题的处理方法。对整体叶轮流道及叶片加工刀位轨迹进行后置处理,并通过Vericut软件进行仿真试验,验证后置处理方法的可行性和高效性。     

刀具姿态实时控制的空间圆弧插补研究

基于坐标变换原理,平面圆弧插补算法可以扩展到由空间任意三点确定的空间圆弧插补。在此基础上,笔者对传统的固定轴空间圆弧加工进行扩展,给出空间圆弧加工时刀具姿态的实时控制方法和G代码指令格式,以满足机械加工工艺和CNC系统实时控制的要求。在深入分析五轴联动机床的RTCP(旋转刀具中心点)功能建立的基础上,对该类圆弧插补进行实时的非线性误差补偿,得到准确的插补轨迹,方便用户根据零件轮廓和期望的刀具角度进行编程。仿真结果验证了算法的有效性。     

高阶驱动约束下的数控加工进给率规划方法研究

在复杂曲面零件数控加工中,进给率规划作为数控系统的关键技术之一,其优劣不但影响着复杂曲面类零件的加工精度,而且直接决定着数控机床的加工效率。然而,受五轴数控系统工件坐标系与机床坐标系之间的非线性运动学变换关系影响,为获得一个平稳的数控加工过程,避免超过机床伺服进给系统的驱动能力,实际加工中编程进给率取值往往较为保守,导致数控机床的利用率和加工效率大打折扣。为此,提出了一种基于高阶驱动约束的五轴数控加工进给率规划方法。     

五轴微段平滑插补算法

在五轴加工编程中,计算机辅助制造系统对曲面加工通常采用以折代曲,采用大量的微小G01直线段来加工曲面,在曲率半径较大的工件表面会出现明显折痕,严重影响工件表面的加工质量。为提高五轴数控加工工件的表面质量,提出一种五轴微段平滑插补算法。该算法考虑五轴加工中刀位数据的量纲差异,根据相邻数据点间的线性轴长度、线性轴的夹角和旋转轴角度变化量识别五轴数控加工程序中非连续微段和连续微段加工区域。对非连续微段加工区域按照原始直线段和旋转轴直接插补,从而保证加工精度。对连续微段加工区域,先通过五维变量获取节点参数,采用最小二乘法对指令点在允许的精度范围内进行修正;对修正后的指令点采用4点构造法计算二阶切矢,根据连续微段的指令点修正值,节点参数值和对应的二阶切矢值获取二阶连续的三次样条曲线;在二阶连续平滑的曲线上进行实时插补计算,控制机床进行五轴加工。试验结果表明:通过提出的五轴微段平滑压缩算法拟合后的路径要更加接近原始的曲面模型,平滑处理过的实际工件加工表面也要优于未进行处理的工件加工表面,提高了五轴自由曲面的表面质量。     

弧面分度凸轮五轴非等价加工研究

通过分析弧面分度凸轮的啮合原理,结合五轴数控机床的结构特点,采用坐标变换的方法推导出五轴数控机床等价加工弧面分度凸轮的刀位控制方程。在此基础上,根据中点偏置原理推导了刀位补偿加工的刀具偏置方向及偏置量,最终得到了弧面分度凸轮非等价加工的五坐标刀位控制方程,并可以通过编程计算出弧面凸轮的加工数据,实现弧面分度凸轮的五轴非等价加工。     

多功能复合五轴数控机床的综合误差建模研究

数控机床误差补偿是提高数控机床加工精度的有效方法,而建立快速准确的误差模型又是实施误差补偿的前提和基础。以多功能复合五轴数控机床为对象,阐述了五轴数控机床的综合误差建模过程,对传统建模过程中刀具、工件和参考坐标系之间的关系进行了优化处理,得到了包含方向误差在内的综合数学模型。     

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。     

四轴数控机床回转工作台上工件任意点的点位跟踪

四轴数控机床，除X、Y、Z三轴外，还有一旋转工作台，立式机床为绕Z轴旋转的C轴。卧式机床为绕Y轴旋转的曰轴。在这些数控机床上加工工件时，工件装在旋转工作台上，操作者找正工件上的基准，将找正数据输入到数控机床的坐标偏置寄存器中，就确定了一工件坐标系。工件坐标系是随工件的形状及装夹位置不同而需随机设定，即工件坐标系对不同的零件来说是可变的。而有些工件，其加工部位与找正基准所确定的坐标系存在一定的角度关系，该角度可能是几个变量值，且图样上标注的基准往往是找正基准。数控机床操作者在加工这类工件时，若工件没有定位夹具，则不同的工件因找正坐标系不同，每装夹一次工件需进行多次繁琐的手工计算，以求得所加工部位相对工作台回转中心的偏移量，或者，有时候采取工件旋转后再次找正的办法，这样就占据了大量的机床等待时间，