在開放式CNC系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)五軸齒條插補(bǔ)法課件

在開放式CNC系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)五軸齒條插補(bǔ)法摘要：通過利用非標(biāo)準(zhǔn)的合理B齒條曲線圖（NURBS）的優(yōu)勢去表現(xiàn)空間曲線，出現(xiàn)了一個適用于五軸協(xié)同實(shí)時的帶有雙NURBS的指令格式的校對機(jī)，它代替了當(dāng)前存在的在刻紋加工中低速、低精度、和NC文件數(shù)量龐大等缺陷的五軸協(xié)同線性校對機(jī)。本文闡述了用當(dāng)前格式產(chǎn)生NC文件的過程，并且，我們發(fā)明了一種在開放的CNC系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)校對機(jī)的方法。本文描述了我們提出的方法的可行性和其能避免當(dāng)前五軸線性分類機(jī)所有缺陷的能力。關(guān)鍵詞：開放式ＣＮＣ系統(tǒng)；刻紋表面；五軸加工；ＮＵＲＢＳ；插補(bǔ)法簡介 當(dāng)前，在工件上生產(chǎn)刻紋表面的方法是在航空業(yè)、自動化、輪船，切割機(jī)和制鍛業(yè)等工業(yè)上非常重要的方法?？煽氐母咚俸透呔燃庸み^程通常是用五軸協(xié)同的CNC機(jī)器工具完成的。在CAD/CAM軟件里，工件的表面刻紋設(shè)計通常用非統(tǒng)一合理的B齒條描述的。因此，CNC系統(tǒng)應(yīng)該能夠?qū)崟r地直接產(chǎn)生五軸協(xié)同的NURBS刻紋。如今，盡管NURBS技術(shù)已經(jīng)在CAD/CAM中廣泛應(yīng)用，然而在CNC系統(tǒng)中的應(yīng)用還算落后。到目前為止，只有少數(shù)幾個頂級的CNC系統(tǒng)比如FANUC和SIEMENS支持NURBS齒條曲線校對。如Ref[3]所示，NURBS校對和線性校對相比有很多優(yōu)勢，所以很值得去研究。然而，當(dāng)前對NURBS的研究大多數(shù)集中在三軸協(xié)同運(yùn)動上。盡管有一些論文和五軸協(xié)同NURBS校對機(jī)相關(guān)，一些國外的CNC系統(tǒng)制造商已經(jīng)聲稱他們的CNC系統(tǒng)擁有五軸NURBS校對功能，但令我們失望的是，這些技術(shù)是禁止出口給中國的。為填補(bǔ)這項(xiàng)空白，本文試圖在開發(fā)五軸協(xié)同CNC系統(tǒng)時實(shí)現(xiàn)NURBS校對機(jī)。這里有一個適合五軸協(xié)同雙NURBS曲線校對機(jī)的格式以及其一般化和校對過程的計劃。雙NURBS曲線校對機(jī)的格式 在CNC系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)NURBS有兩種途徑：(1)首先讓CAM軟件中的線性加工軌道在容許的誤差內(nèi)適應(yīng)NURBS校對機(jī)的切割軌道，其次，讓CNC系統(tǒng)執(zhí)行實(shí)時NURBS校對。這種方法叫做通過GE-FANUC系統(tǒng)的“FairingInterpolation”。（2）在對CAM編程的時候直接將帶NURBS曲線的CAD系統(tǒng)中定義的幾何模型轉(zhuǎn)換為數(shù)控（NC）文件。CNC系統(tǒng)讀取這部分程序并執(zhí)行NURBS校對。相對于方法1，方法2更精確，因?yàn)樵谵D(zhuǎn)換切割軌道時沒有錯誤發(fā)生。因此，本文將討論方法2。典型的編程格式如圖1所示，直到現(xiàn)在，在3軸NURBS命令中還沒有標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一格式。程序段開始于G06.2，這也是NURBS校對的起始標(biāo)志。CNC系統(tǒng)讀取這三組數(shù)據(jù)并跟隨執(zhí)行相關(guān)的NURBS校對指令，但是這部分程序格式提供的信息對于5軸協(xié)同校正來說遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。工具軸方向的確定是不需要考慮3軸CNC校對機(jī)的工具軸方向的。五軸的軸方位必須在每個實(shí)時校對中給出。因此，工具軸方向的數(shù)據(jù)信息必須包括NURBS部分程序。在產(chǎn)生工具路徑方法和基于給定偏向的CAM編程的過程中，切割中心點(diǎn)的協(xié)調(diào)者和工具軸方向矢量能夠在沖突檢測和修改中計算出來。雙NURBS曲線校對方法的計劃是在3軸NURBS命令基礎(chǔ)上加上NURBS齒條表現(xiàn)方向上提出來的。五軸雙NURBS曲線校對命令格式如圖2所示。

以G06.5開始，計劃的格式的協(xié)調(diào)由切割中心點(diǎn)齒條控制點(diǎn)X_Y_Z指示，并且方向齒條的協(xié)調(diào)控制點(diǎn)是由關(guān)鍵字U，V，W表示的，它相應(yīng)的權(quán)重和結(jié)矢量定義的齒條和切割中心點(diǎn)齒條一樣。工具路徑裝配和NC代碼的產(chǎn)生 作為通用的CAD/CAM軟件，Unigraphics是不能產(chǎn)生由五軸協(xié)同雙NURBS齒條校對格式NC代碼的，需要自己開發(fā)一種CAD/CAM模型。在已開發(fā)的CAD/CAM模型幫助下開NC代碼的流程圖如圖3所示：在開放式CNC系統(tǒng)中布置雙NURBS曲線數(shù)據(jù)流 模塊化結(jié)構(gòu)的開放式軟件CNC系統(tǒng)如圖4所示，圖中，任務(wù)產(chǎn)生器模塊用于轉(zhuǎn)換部分程序是用微軟的COM技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，AxisGroup模塊用于實(shí)時校對和其他實(shí)時任務(wù)是用VenturCom’sRTDLL技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。數(shù)據(jù)流 提出的格式的雙NURBSNC代碼是在我們的CAD/CAM部分首先產(chǎn)生的，然后被轉(zhuǎn)換器分配。獲得的數(shù)據(jù)被送到校正機(jī)，在這里數(shù)據(jù)根據(jù)給定的校正周期和計算的跟隨控制規(guī)則的目標(biāo)位置分配的。因?yàn)镾oftSERCANs技術(shù)被采用，最終數(shù)據(jù)被輸入到一個內(nèi)部電報緩存，并且SoftSERCANs插卡和它交換數(shù)據(jù)。此時，數(shù)據(jù)報文包括移動指令通過SoftSERCANs被送到驅(qū)動通過光纖驅(qū)動電機(jī)。整個流程如圖6所示：6例證6.1工具軸方向的鑒別 工具路徑在CAM預(yù)處理階段被計算，它由20線段組成，并且每個工具軸方向結(jié)束點(diǎn)如圖7所示，是和切割中點(diǎn)齒條和方向齒條向吻合的。 通過校正C（u）和Ct（u）使用校正方法如上所述，校正點(diǎn)和它的相關(guān)工具軸方向能周從圖7看出，我們可以看到在雙NURBS校正后，工具軸方向（根據(jù)線段終點(diǎn)工具軸方向）確認(rèn)了雙NURBS校正方法的能力，保證校正在CAM計算下的工具軸方向的協(xié)議。實(shí)時測試 提出的方法的實(shí)時屬性在一臺計算機(jī)（奔騰IV2.4GHz，512MRAM）上，并且結(jié)果如圖8所示。五軸協(xié)調(diào)第二序列臨界雙NURBS校正算法在開始端計算每個軸。我們可以發(fā)現(xiàn)在雙NURBS校正中平均運(yùn)行時間周期將近28us，這在CNC系統(tǒng)占用了俄很小比例，校正周期達(dá)到2ms或者500us。6.4加工錯誤分析和試驗(yàn) 校正精度是一個評估校正方法的重要的標(biāo)準(zhǔn)。傳統(tǒng)的線性校正段時被在CAM中分散一個曲線獲得的。當(dāng)提出的雙NURBS校正方法直接遺傳曲線校正。盡管他們都臨近玄中的曲線和相關(guān)玄錯誤，提出的方法會導(dǎo)致在線性方法中一個更精確的機(jī)器表面因?yàn)樗咏粋€校正曲線步長。工具軌道的曲線變形點(diǎn)如圖7，是和參數(shù)u接近的，表現(xiàn)了和其他所有的最小的曲率。工具軌道是用雙NURBS和傳統(tǒng)的線性校正方法，用計算的在任何校正點(diǎn)的曲率弦錯誤。數(shù)據(jù)被收集用來形成一個錯誤圖如圖9所示，從圖中我們可看出，和傳統(tǒng)的線性校正相比，提出的方法能夠極大地增強(qiáng)加工性能，改善加工精度，并且不會被曲率的改變所影響。

為了克服現(xiàn)有的五軸線性校正方法的短處，使用機(jī)器刻紋表面，一個三軸協(xié)調(diào)NURBS校正格式被開發(fā)出來用于引進(jìn)一種齒條表達(dá)工具軸方向，并且，一個雙NURBS曲線校正方法