[發明專利]五軸數控系統刀心點插補路徑插值方法

有效

• 申請號: 201010581315.1
• 申請日: 2010-12-09
• 公開（公告）號: CN102566511A
• 公開（公告）日: 2012-07-11
• 發明（設計）人: 林滸;孫維堂;劉峰;鄭飂默;王峰;蓋榮麗
• 申請（專利權）人: 中國科學院沈陽計算技術研究所有限公司;沈陽高精數控技術有限公司
• 主分類號: G05B19/41
• 分類號: G05B19/41
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 李曉光

技術領域

本發明涉及一種數控技術領域中的五軸加工技術，具體的說是一種五軸數控系統刀心點插補路徑插值方法。

背景技術

作為加工金屬模具等的自由曲面的五軸數控機床，使用在線性移動軸基礎上以外具有旋轉軸的部件。已知具有X、Y、Z的線性移動軸和兩個旋轉軸的五軸機床，在進行多軸加工時，因為旋轉軸的出現，使刀具能夠以不同的角度對工件進行加工。旋轉軸的出現在使加工靈活性大大增強的同時，也使五軸加工程序的編制變得繁瑣，抽象，難以理解。一般來說，五軸數控加工程序難以用人工手寫的方式完成，而只能通過后置處理將CAD/CAM生成的刀位數據轉換為具體機床的NC程序。一旦機床結構或者所用刀具發生改變，原始的程序便不能使用。這種“一把鑰匙開一次鎖”的加工模式，效率低可操作性和通用性差。在越來越復雜和精度要求越來越高的大批量生產加工中，這種加工模式已經嚴重的限制了五軸機床加工能力和效率的發揮，成為五軸聯動數控加工應用推廣和發展的一個瓶頸，這種處理模式存在以下弊端：

1.必須使用昂貴的CAM軟件和特定的后置處理軟件；

2.針對簡單路徑加工產生大量的微小程序加工指令，需要系統有大容量的存儲設備來儲存冗長的加工程序；

3.大量的微小程序段會加重編程系統與CNC系統之間的通訊負荷，降低整個系統的可靠性；

4.數控裝置需要大量時間和處理能力來分析冗長程序，很難保證高精高速下的平滑加工；

5.針對不同運動結構的機床需要生成不同的加工程序；

6.無法對加工進給速度進行控制。

為了數控系統可以基于CAD/CAM系統或者仿形數據直接進行多軸加工，需要從指令點直接進行插補。此時，需要五軸數控綜合考慮機床動力學約束和加工路徑約束，通過在實時插補中完成工件坐標系下編程指令到機床控制點的轉換。

另外，從工件坐標系下的指令直接驅動五軸機床進行加工的方法已經成為公知技術，對編程路徑進行按編程速度F進行每個插補周期t的路徑插值，然后進行運動學轉換，驅動機床各軸進行加工。但是，此時根據編程速度F和插補周期t進行路徑插值求出的每個軸插補點，不能保證相鄰的插補點間距離滿足機床的動力學約束，可能會導致各軸在插補過程中出現超差情況。同時旋轉軸以角度單位出現，并未對矢量單位形式的刀具軸方向插補方法進行處理。

發明內容

針對現有技術中存在的基于指令的實時插補可能導致的軸運動超差或者不連續的問題，本發明要解決的技術問題是提供一種結合數控系統所控制的機床動力學約束和加工路徑約束的五軸數控系統刀心點插補路徑插值方法，實現平穩的連續的五軸加工刀心點插補。

為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是：

本發明五軸數控系統刀心點插補路徑插值方法，用于通過控制具有三個線性軸和兩個旋轉軸的五軸機床用的數控系統，包括以下步驟：

指令解析：確定路徑起始點和終點的刀心點位置信息和刀具方向信息，刀心點進給速度、插補周期；同時通過系統內五軸機床結構參數，確定工件坐標系內編程指令信息到機床坐標系下軸位置信息的轉換關系；

路徑插值預處理：確定刀心點插補步長和段長，以及按照編程指令所需的刀心點插補周期數；

最短軸插補時間計算：確定完成整個刀心點插補路徑所需要的各軸運動行程，結合各軸的最大限制速度，計算出完成刀心點插補路徑所需的最短軸插補時間和軸插補周期數；

速度約束最短插補周期數：根據刀心點插補周期數和軸插補周期數，確定速度約束條件下的最短插補周期數；

各軸插補位置計算：根據最短插補周期數對刀心點軌跡進行處理，確定各軸每個插補周期的運動位置，然后通過逆向運動學計算完成各軸的運動信息計算；

加速度約束判斷：對各軸進行加速度約束判斷，當各軸運動符合加速度約束要求時，則將各軸運動信息經過三次樣條平滑處理后發給伺服，結束本次操作。

如果各軸運動不符合加速度約束要求時，返回最短軸插補時間計算步驟。

刀心點插補時間為：

其中，L為指令速度F下的每個插補周期的刀具中心點的移動距離，D為起始點到終點的刀具中心點距離段長度，t為插補周期。

指令速度F下的每個插補周期的刀具中心點的移動距離L為：

L＝F×t

其中F為刀心點進給速度。

起始點到終點的刀具中心點距離段長度D為：