五轴联动中旋转轴插补速度钳制方法研究

五轴联动中旋转轴插补速度钳制方法研究

五轴温度控制是弥补三轴加工不足而开发的先进制造技术。两个电机调整器的增加显著提高了加工的灵活性。它在复杂形状的制造、航空航天、汽车、船只、水箱、模型等行业具有显著的优势和重要的现实意义。然而旋转轴的出现在使刀具具有更高自由度的同时,也带来了运动过程中刀具姿态较难控制的问题本文提出一种新的五轴数控系统旋转轴插补策略,在刀轴矢量插值方式基础上,根据相邻的刀轴矢量和刀具姿态误差容许值,确定相应刀轴矢量插补过程中的线性插值范围,将整个插补过程分为线性插补和矢量插补两部分。通过增加线性插补段来实现五轴加工过程中旋转轴运动的连续平滑和空间刀具姿态误差的控制。1轴机床运动学模型采用本文提出的旋转轴插补控制策略进行数控加工时,零件的加工程序包含刀具位置矢量p(x,y,z),刀轴方向矢量q(i,j,k)两部分。数控系统首先根据控制的五轴机床机构配置情况,确定相应的运动学转换关系,对输入的编程指令进行解析,对刀轴矢量进行矢量插值处理。再根据容许误差参数,确定线性插值范围。线性插值范围确定后,再根据线性插值行程和旋转轴性能参数,对各旋转轴最大速度进行重新约束。最后使用三次样条对矢量插值段和线性插值段进行平滑连接。控制器中的旋转轴控制策略执行过程如图1所示。2方向矢量和位置百合量在五轴加工过程中,常用的CAD/CAM系统为五轴数控机床生成的一系列定义在工件坐标系下的刀位数据,包括刀具方向矢量和位置矢量。为了驱动数控机床的运动,数控系统首先需要根据具体的机床配置情况确定运动学转换关系,将刀位数据转换为机床各轴的运动坐标。关于五轴机床旋转配置情况在许多文献中已经有详尽的分析由图2可以看出,当旋转轴a=0°时,C轴的运动不会使刀轴矢量发生变化,机床处于奇异机构,此时的刀具方向矢量为q逆变换得到3计算开口误差的误差3.1误差模型佛教设相邻的刀位数据为(p式中,τ由式(1)可得到τ式中,q3.2轴数控系统误差参数定义在第3.1节中,以角度形式估算出了相邻刀轴矢量的姿态误差模型,但是一般在五轴加工中,尤其是主要依靠姿态变化来完成的侧铣加工,数控系统中的误差参数定义是以待加工面的精度(长度单位)为单位的。如图4所示,L为有效切削长度,即刀具中心点p4基于误差控制的旋转轴插槽策略4.1线性过载区的确定设由第3.2节得到插补过程中容许的刀具姿态误差为ε式中,dτ=(τ4.2线性插补方式影响c轴提供的误差下面以实例分析说明本文提出的旋转轴控制策略。设相邻的刀位数据为(p通过式(2)进行求解可以得到起点q由式(5)可得q图7、8分别为得到的A、C轴位置曲线和转速曲线,从图6可以看出,矢量插补方式虽然可以满足误差的要求,但是在插补过程中,C轴的速度在中间时刻即最接近机构奇异点处会发生剧烈变化,速度接近–300°/s(图8b)。多数情况下,机床性能无法满足此处的加减速和转速要求。线性插补方式虽然可以满足旋转轴运动的快速和连续,但会产生较大的刀姿误差(图6)。而本文提出的策略,可以避免两种方式在插补中点处刀具姿态误差较大和速度急剧变化的不足,在插补过程中不会产生较剧烈的速度变化而且误差也符合要求。4.3数字化运动学建模从图8可以看出,矢量插补方式最大速度出现在插补段中间处,即线性插补段处。所以确定了线性插补范围之后,还需要根据旋转轴的运动性能对最大速度进行钳制。首先确定线性插补段内旋转轴的行程,根据式(2)进行运动学反解求出A、C轴的运动行程为因为实际机床结构中,两个旋转轴的性能是不同的,还需要确定过渡最短时间t根据式(7)、(8),可以得到插补过程中A轴和C轴钳制速度为计算得到的A轴和C轴限制速度分别为20°/s和100°/s,经过最大速度钳制后的A、C轴转速曲线如图9所示,采用矢量插补方式的时间为5.6s,而采用本文提出的方法约为4.4s。图9最大速度限制后A、C轴转速曲线4.4平滑连接的使用从图9中C轴的速度曲线可以看出在插入线性插补段之后,线性插补段和矢量插补段的连接处进给速度有较大的波动。为了保证速度的连续,使用三次样条对线性插补段进行平滑连接。设定第3.1节确定的线性插补段为(τ最后根据式(11)使用三次样条对插补过程进行平滑处理式中ℜ=a、c图10为使用三次样条处理后的A、C轴转速曲线,从图10可以看出,使用三次样条处理后的A、C轴速度曲线,速度的波动明显变小,虽然处理后的运动时间变成约为5s,但还是仍然比矢量插补所需的时间5.6s短。5双转台五轴机床采用中国科学院沈阳计算技术研究所与沈阳飞机工业集团合作的大飞机某结构件的五轴联动侧铣加工试验对提出的旋转轴控制策略进行验证。加工使用的是搭载中国科学院沈阳计算技术研究所高档数控国家工程研究中心自主研发的GJ-310系统的VMC656rt双转台五轴机床。工件模型如图11所示,刀具路径由CAM软件UG规划生成,加工精度要求0.01mm。最初的试加工过程是在旋转轴采用线性插补模式下,使用五轴加工刀具中心点控制编程(G43.4进行的在不改变程序代码的情况下,旋转轴的插补方法采用本文提出的快速平滑控制策略进行加工图13a,完全消除了肋板处的过切和欠切现象,工件的表面质量和几何精度均满足要求,图13b所示为试加工试验获得的航空结构件,该试加工件已经通过验收,并进行正式的批量生产加工。6旋转轴控制策略(1)以双转台五轴机床模型为例,对适合精度要求的旋转轴矢量插值方式和适合速度要求的线性旋转轴插值方式进行对比分析。针对两种方式的特点,抽象出一种五轴加工刀具姿态误差模型,提出适合快速光滑加工要求的五轴数控系统旋转轴控制策略。因为刀轴矢量的通用性,以双转台五轴机床模型为例的光滑控制策略,同样适合于其他旋转轴配置类型的五轴机床。(2)当五轴侧铣切削航空结构件时,如果采用旋转轴线性插补,会产生侧面轮廓的过切和欠切,只有使用旋转轴矢量插补方式,才可以有效地避免对工件的过切和欠切。(