[發明專利]一種面向五軸線性插補的平動軸旋轉軸協調運動規劃控制方法

有效

• 申請號: 201910966496.0
• 申請日: 2019-10-11
• 公開（公告）號: CN110618659B
• 公開（公告）日: 2022-09-16
• 發明（設計）人: 陳良驥;睢英照;李慧瑩;王中州;魏廣西;高飛;馬龍飛;趙波
• 申請（專利權）人: 天津工業大學
• 主分類號: G05B19/41
• 分類號: G05B19/41
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種面向五軸線性插補的平動軸旋轉軸協調運動規劃控制方法，用以解決五軸線性插補時平動軸旋轉軸運動特性的統一協調方面存在的技術問題。結合五軸線性插補原理，首先建立了旋轉軸角加速度與平動軸加速度間的關系模型，基于該模型獲得旋轉軸實際最大角加速度，再結合各旋轉軸角加速度約束參數對平動軸的最大初始加速度進行了修調，重新進行平動軸的速度規劃獲得最大進給速度后，計算出了旋轉軸實際最大角速度，利用旋轉軸角速度約束參數對平動軸最大速度進行修調。最后根據平動軸速度和加速度的修調結果待插補線性路徑各插補周期的平動軸進給速度/旋轉軸角速度進行重新規劃計算，完成對平動軸旋轉軸進行運動協調的規劃控制過程。

技術領域

本發明涉及計算機數字控制(CNC)技術領域，特別涉及該領域中五軸加工線性插補時平動軸(旋轉軸)的速度(角速度)及加速度(角加速度)的規劃控制技術。

背景技術

軌跡插補及運動控制技術是CNC技術的基礎和核心，基于該技術，機床CNC系統才能精密控制機床各個運動坐標軸實現刀具相對工件能沿既定軌跡行進切削加工的目標。但在行進過程中，以什么樣的運動形態卻是另一個值得思考的問題。任何運動機械都有自己的速度/加速度等運動動態特性約束參數，為保證加工效率提高運動速度/加速度時又必須要保證在運動機械所允許的動態特性約束范圍之內，CNC機床也是如此。五軸加工CNC機床是包含平動軸和旋轉軸的一種運動機械，由于平動和旋轉量綱不統一，在進行運動控制時如何保證兩者間的協調一致已逐漸成為一個關鍵的難點問題。

五軸CNC機床的平動軸與旋轉軸在運動形態方面的差異，直接導致兩種進給伺服軸在運動時所能承受的最大速度、最大加速度也有所不同。目前有關平動軸與旋轉軸運動控制方面的差異性協調統一的方法主要有：1)一種最優的平動軸約束進給量規劃算法，主要通過求解二階微分方程推導得出脈沖達到極限時速度函數的表達式；2)一種三次S曲線加減速算法，給出了平動軸的加加速度、加速度、速度和位移的數學表達式，對數控加工中各種情況進行了速度規劃，但是沒有考慮旋轉軸的角速度和角加速度的極限范圍；3)通過對多軸聯動的數控系統分析，建立了平動軸與旋轉軸之間的量綱轉化系數，可以根據平動軸的速度、加速度來計算旋轉軸的速度、加速度，但是該方法在推導轉化系數時存在轉化誤差。

以上方法仍然沿用平動軸最大速度、加速度極限去規劃旋轉軸的轉動角速度和角加速度，這將可能導致旋轉軸角速度、角加速度超出機床旋轉軸的最大可承受角速度、角加速度極限范圍，換句話說也就是轉動跟不上平動，結果必然是平動軸與旋轉軸之間的運動不協調，不協調運動又會產生機械沖擊，加工工件時可能發生過切現象，影響加工表面質量和精度。因此，針對五軸CNC機床平動軸旋轉軸的運動協調統一問題提出相應的運動控制方法，對于提高五軸CNC機床的運動控制性能將極具重要作用和實際應用價值。

發明內容

一般地，五軸CNC機床的控制系統廣泛采用五軸線性插補功能，其相應的數控加工代碼為G01。若某機床的G01格式為G01 Xx Yy Zz Aa Cc，則表明該機床的平動軸為X、Y和Z軸，旋轉軸則為A軸和C軸。本發明將為解決五軸線性插補時平動軸旋轉軸運動特性的統一協調方面存在的技術問題，提供一種面向五軸線性插補的平動軸旋轉軸運動特性約束下的平動軸速度/加速度、旋轉軸角速度/角加速度的規劃控制方法，其主要內容包括對平動軸速度和加速度以及旋轉軸角速度和角加速度的約束控制技術。

本發明為解決上述技術問題所采用的技術方案是：

1)由數控加工代碼解析出待插補的線性軌跡，進行平動軸的速度/加速度規劃處理，并提取最大平動加速度。

2)計算最大平動加速度所對應的各旋轉軸角加速度，利用各旋轉軸的最大極限角加速度約束判定是否超出約束控制范圍，若超出則對最大平動加速度進行降低修調處理。

3)以此時的最大平動加速度對平動軸進行速度規劃處理，重新計算出最大合成進給速度。