五軸聯(lián)動中旋轉(zhuǎn)軸插補速度鉗制方法研究

五軸聯(lián)動中旋轉(zhuǎn)軸插補速度鉗制方法研究

五軸溫度控制是彌補三軸加工不足而開發(fā)的先進制造技術(shù)。兩個電機調(diào)整器的增加顯著提高了加工的靈活性。它在復雜形狀的制造、航空航天、汽車、船只、水箱、模型等行業(yè)具有顯著的優(yōu)勢和重要的現(xiàn)實意義。然而旋轉(zhuǎn)軸的出現(xiàn)在使刀具具有更高自由度的同時,也帶來了運動過程中刀具姿態(tài)較難控制的問題本文提出一種新的五軸數(shù)控系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)軸插補策略,在刀軸矢量插值方式基礎上,根據(jù)相鄰的刀軸矢量和刀具姿態(tài)誤差容許值,確定相應刀軸矢量插補過程中的線性插值范圍,將整個插補過程分為線性插補和矢量插補兩部分。通過增加線性插補段來實現(xiàn)五軸加工過程中旋轉(zhuǎn)軸運動的連續(xù)平滑和空間刀具姿態(tài)誤差的控制。1軸機床運動學模型采用本文提出的旋轉(zhuǎn)軸插補控制策略進行數(shù)控加工時,零件的加工程序包含刀具位置矢量p(x,y,z),刀軸方向矢量q(i,j,k)兩部分。數(shù)控系統(tǒng)首先根據(jù)控制的五軸機床機構(gòu)配置情況,確定相應的運動學轉(zhuǎn)換關系,對輸入的編程指令進行解析,對刀軸矢量進行矢量插值處理。再根據(jù)容許誤差參數(shù),確定線性插值范圍。線性插值范圍確定后,再根據(jù)線性插值行程和旋轉(zhuǎn)軸性能參數(shù),對各旋轉(zhuǎn)軸最大速度進行重新約束。最后使用三次樣條對矢量插值段和線性插值段進行平滑連接?？刂破髦械男D(zhuǎn)軸控制策略執(zhí)行過程如圖1所示。2方向矢量和位置百合量在五軸加工過程中,常用的CAD/CAM系統(tǒng)為五軸數(shù)控機床生成的一系列定義在工件坐標系下的刀位數(shù)據(jù),包括刀具方向矢量和位置矢量。為了驅(qū)動數(shù)控機床的運動,數(shù)控系統(tǒng)首先需要根據(jù)具體的機床配置情況確定運動學轉(zhuǎn)換關系,將刀位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為機床各軸的運動坐標。關于五軸機床旋轉(zhuǎn)配置情況在許多文獻中已經(jīng)有詳盡的分析由圖2可以看出,當旋轉(zhuǎn)軸a=0°時,C軸的運動不會使刀軸矢量發(fā)生變化,機床處于奇異機構(gòu),此時的刀具方向矢量為q逆變換得到3計算開口誤差的誤差3.1誤差模型佛教設相鄰的刀位數(shù)據(jù)為(p式中,τ由式(1)可得到τ式中,q3.2軸數(shù)控系統(tǒng)誤差參數(shù)定義在第3.1節(jié)中,以角度形式估算出了相鄰刀軸矢量的姿態(tài)誤差模型,但是一般在五軸加工中,尤其是主要依靠姿態(tài)變化來完成的側(cè)銑加工,數(shù)控系統(tǒng)中的誤差參數(shù)定義是以待加工面的精度(長度單位)為單位的。如圖4所示,L為有效切削長度,即刀具中心點p4基于誤差控制的旋轉(zhuǎn)軸插槽策略4.1線性過載區(qū)的確定設由第3.2節(jié)得到插補過程中容許的刀具姿態(tài)誤差為ε式中,dτ=(τ4.2線性插補方式影響c軸提供的誤差下面以實例分析說明本文提出的旋轉(zhuǎn)軸控制策略。設相鄰的刀位數(shù)據(jù)為(p通過式(2)進行求解可以得到起點q由式(5)可得q圖7、8分別為得到的A、C軸位置曲線和轉(zhuǎn)速曲線,從圖6可以看出,矢量插補方式雖然可以滿足誤差的要求,但是在插補過程中,C軸的速度在中間時刻即最接近機構(gòu)奇異點處會發(fā)生劇烈變化,速度接近–300°/s(圖8b)。多數(shù)情況下,機床性能無法滿足此處的加減速和轉(zhuǎn)速要求。線性插補方式雖然可以滿足旋轉(zhuǎn)軸運動的快速和連續(xù),但會產(chǎn)生較大的刀姿誤差(圖6)。而本文提出的策略,可以避免兩種方式在插補中點處刀具姿態(tài)誤差較大和速度急劇變化的不足,在插補過程中不會產(chǎn)生較劇烈的速度變化而且誤差也符合要求。4.3數(shù)字化運動學建模從圖8可以看出,矢量插補方式最大速度出現(xiàn)在插補段中間處,即線性插補段處。所以確定了線性插補范圍之后,還需要根據(jù)旋轉(zhuǎn)軸的運動性能對最大速度進行鉗制。首先確定線性插補段內(nèi)旋轉(zhuǎn)軸的行程,根據(jù)式(2)進行運動學反解求出A、C軸的運動行程為因為實際機床結(jié)構(gòu)中,兩個旋轉(zhuǎn)軸的性能是不同的,還需要確定過渡最短時間t根據(jù)式(7)、(8),可以得到插補過程中A軸和C軸鉗制速度為計算得到的A軸和C軸限制速度分別為20°/s和100°/s,經(jīng)過最大速度鉗制后的A、C軸轉(zhuǎn)速曲線如圖9所示,采用矢量插補方式的時間為5.6s,而采用本文提出的方法約為4.4s。圖9最大速度限制后A、C軸轉(zhuǎn)速曲線4.4平滑連接的使用從圖9中C軸的速度曲線可以看出在插入線性插補段之后,線性插補段和矢量插補段的連接處進給速度有較大的波動。為了保證速度的連續(xù),使用三次樣條對線性插補段進行平滑連接。設定第3.1節(jié)確定的線性插補段為(τ最后根據(jù)式(11)使用三次樣條對插補過程進行平滑處理式中?=a、c圖10為使用三次樣條處理后的A、C軸轉(zhuǎn)速曲線,從圖10可以看出,使用三次樣條處理后的A、C軸速度曲線,速度的波動明顯變小,雖然處理后的運動時間變成約為5s,但還是仍然比矢量插補所需的時間5.6s短。5雙轉(zhuǎn)臺五軸機床采用中國科學院沈陽計算技術(shù)研究所與沈陽飛機工業(yè)集團合作的大飛機某結(jié)構(gòu)件的五軸聯(lián)動側(cè)銑加工試驗對提出的旋轉(zhuǎn)軸控制策略進行驗證。加工使用的是搭載中國科學院沈陽計算技術(shù)研究所高檔數(shù)控國家工程研究中心自主研發(fā)的GJ-310系統(tǒng)的VMC656rt雙轉(zhuǎn)臺五軸機床。工件模型如圖11所示,刀具路徑由CAM軟件UG規(guī)劃生成,加工精度要求0.01mm。最初的試加工過程是在旋轉(zhuǎn)軸采用線性插補模式下,使用五軸加工刀具中心點控制編程(G43.4進行的在不改變程序代碼的情況下,旋轉(zhuǎn)軸的插補方法采用本文提出的快速平滑控制策略進行加工圖13a,完全消除了肋板處的過切和欠切現(xiàn)象,工件的表面質(zhì)量和幾何精度均滿足要求,圖13b所示為試加工試驗獲得的航空結(jié)構(gòu)件,該試加工件已經(jīng)通過驗收,并進行正式的批量生產(chǎn)加工。6旋轉(zhuǎn)軸控制策略(1)以雙轉(zhuǎn)臺五軸機床模型為例,對適合精度要求的旋轉(zhuǎn)軸矢量插值方式和適合速度要求的線性旋轉(zhuǎn)軸插值方式進行對比分析。針對兩種方式的特點,抽象出一種五軸加工刀具姿態(tài)誤差模型,提出適合快速光滑加工要求的五軸數(shù)控系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)軸控制策略。因為刀軸矢量的通用性,以雙轉(zhuǎn)臺五軸機床模型為例的光滑控制策略,同樣適合于其他旋轉(zhuǎn)軸配置類型的五軸機床。(2)當五軸側(cè)銑切削航空結(jié)構(gòu)件時,如果采用旋轉(zhuǎn)軸線性插補,會產(chǎn)生側(cè)面輪廓的過切和欠切,只有使用旋轉(zhuǎn)軸矢量插補方式,才可以有效地避免對工件的過切和欠切。(