五轴数控加工双NURBS刀具轨迹速度规划方法技术

一种数控机床技术领域的五轴数控加工双NURBS刀具轨迹速度规划方法。包括如下步骤：一，建立面向双NURBS曲线刀具轨迹路径插补的综合约束，综合各项约束，求解刀具在运动过程中的最大速度与加速度，建立机床插补过程中的综合约束空间；二，基于窗口扫描的双向速度规划，以当前速度为基础，在可行速度域内从窗口起点处向窗口末端正向扫描，获取当前周期的进给速度。本发明专利技术保证在满足机床伺服能力与加工性能要求下以最快速度完成加工轨迹，实现高质量高效的加工过程。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是一种数控机床
的数字控制方法，具体是一种五轴数控加工双NURBS刀具轨迹速度规划方法。
技术介绍
曲线曲面的加工，即针对具有自由形面和曲线轮廓零件的数控加工日益得到重视和广泛的使用。如使用在航空航天器上的复杂形状零件，汽车流线形覆盖件，模具的型腔和汽轮机叶片等，都是具有复杂曲线曲面零件的典型代表。基于离散直线段与圆弧的小线段插补是用来加工此类复杂曲线曲面的传统方法。为了提高加工精度，不得不采用长度很小的线段与圆弧来逼近曲线曲面，这就会造成加上的一系列问题首先众多的小线段会造成加工过程中机床平凡的加减速，一方面，速度的剧烈波动会严重影响加工表面的质量；另一方面，机床在整个加工过程中很难达到预期设定的进给速度，影响加工的效率。其次，加工代买是通过NC文件传输到机床中的，大量的小线段与圆弧会造成NC文件的急剧膨胀，从而使得加工代码传输的负担。虽然采用前瞻技术可以提高加工效率，但是仍然难以满足目前高速高精度加工的要求。NURBS (Non-Uniform Rational B-Spline非均勻有理B样条)曲线，对标准的解析形状和自由形状提供了统一的参数表达，通过修改其控制点和权因子可以灵活的调整曲线曲面的形状。据此众多优点，NURBS曲线不仅成为自由曲线曲面设计的标准表达格式，也成为以NURBS插补的标准数据信息表达方式。NURBS插补是参数化查插补的一种典型类型，其特点是将加工轨迹路径用参数化曲线表达，相对于传统的直线和圆弧插补，除了能有效的减少数控加工文件的大小外，在调高加工精度，改善加工过程中机床的动态特性都方面有着无可比拟的优势。与传统的三轴加工相比，五轴加工技术增加了两个旋转轴，以便在加工过程中国控制刀具的方向。传统的五轴加工方法利用CAM软件得到满足加工精度的五轴加工轨迹， 并利用后置处理技术将刀具的位置信息转化为机床五轴的控制命令。在运动代码的执行过程中，由于旋转轴的转动而造成刀尖点的轨迹偏离规定的位置，从而造成过切或者欠切等加工缺陷；同时刀尖点的速度在刀具旋转运动的影响下也会呈现不规律的变化，最终会严重影响工件加工的表面质量。而参数化插补则是直接在描述刀具位姿的工件坐标系下进行插补，可有效的避免因旋转运动造成的非线性误差。五轴联动等距双NURBS曲线是在工件坐标系下以两条等距NURBS曲线分别表示刀具的刀心点和刀轴点，通过对应参数处位于刀心点曲线上额点来描述刀具位置，通过刀心点与刀轴点的连线来获取相应位置处的刀轴方向。双NURBS插补兼具工件坐标系下插补和 NURBS插补的优点，可以减小非线性误差，直接控制刀具中心点的速度，在侧刃加工中，有效的避免过切与欠切，提高加工精度；同时可以使实际进给速度更高、更平滑；使机床运动的动态特性更好；加工工件具有更好的表面质量。现有的针对五轴联动等距双NURBS插补的技术中，均采用恒进给速度或恒进给加速度的速度规划方法，而没有考虑插补精度、材料去除率及机床各轴伺服能力的综合约束。而恒进给速度或恒进给加速度的速度规划方法， 没有实时的根据刀具路径的几何特性及机床各轴的伺服能力，对进给速度进行自适应的变化，为了保证加工精度，就只能针对整条刀具路径，采用一个恒定而保守的进给速度及进给加速度，加工效率无法提高，从而双NURBS插补的优势得不到充分的发挥。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种五轴数控加工双NURBS刀具轨迹速度规划方法。该方法简单易行、计算效率高，能方便的应用于实时运动控制系统当中。本专利技术是通过以下技术方案实现的本专利技术包括如下步骤第一，建立面向双NURBS曲线刀具轨迹路径插补的综合约束，包含以下步骤①建立双NURBS曲线刀具轨迹中刀具速度分布场；②建立刀轴扫描面积模型及其最大可行速度约束；③建立插补精度模型及其最大可行速度约束；④建立五轴机床各轴伺服能力约束；⑤综合上述各项约束，求解刀具在运动过程中的最大速度与加速度，建立机床插补过程中的综合约束空间。第二，基于窗口扫描的双向速度规划，包含以下步骤①在双NURBS刀具轨迹上从确定窗口起始与终止点的参数坐际；②在窗口区域内，在可行速度域内向窗口起始点反向扫描，获得反向速度扫描曲线；如果反向速度扫描曲线超出可行速度范围，则将速度曲线调整至可行速度范围之内；③以当前速度为基础，在可行速度域内从窗口起点处向窗口末端正向扫描，获取当前周期的进给速度。所述的双NURBS曲线刀具轨迹路径，以两条等距NURBS曲线分别表示刀尖点和刀轴点的轨迹，共同描述加工轨迹上刀具的位置和姿态。所述的刀具速度分布场是指刀具在运动过程中刀具自身轴线上各点不同的速度所组成的速度集合。所述刀轴扫描面积是指刀具轴线在双NURBS曲线刀路构成的直纹面上扫略形成的面积。所述最大可行速度是指在满足恒定材料去除率的条件下对刀具的速度场分布形成的约束。所述插补精度是指曲线路径相邻插补点间线性过渡与给定的曲线刀路之间存在的最大偏差，其中包括刀心点的位置偏差和刀轴方向的方向偏差。所述的约束是指小于上述最大偏差对插补形成的约束。所述五轴机床各轴伺服能力约束是指机床各个运动轴最大速度、加速度和跃度的约束值。所述的最大可行速度和加速度是指，满足上述四种约束后综合刀具在运动过程中获得的机床可以提供的最大可行速度与可行加速度范围。所述窗口是指以当前插补位置为起点，以一个定长度为终点，在整条双NURBS曲线刀具轨迹上截取的一段区域，窗口宽度为动起点到终点的曲线长度。所述的反向速度扫描，是指假设窗口末端的刀具的运动速度为零，从窗口末端开始，依据窗口范围内刀具路径上不同位置处的最大加速度向窗口的始端做加速运动，从而构建反向速度扫描曲线的过程。所述的正向速度扫描，是指以窗口始端处刀具运动的当前速度为基础，依据刀具路径上不同位置处的最大加速度向窗口的末端做加速运动，从而构建正向速度扫描曲线的过程。本专利技术克服了五轴联动等距双NURBS插补中影响加工精度的技术难题，如进给速度直接影响插补精度和直接影响加工过程中材料去除率，特别是在五轴联动侧刃加工中，由于参与切削的刀刃长度较长，而且受到刀具旋转运动的影响，沿刀具轴向方向上的各点运动速度并不一致；同时由于参与切削的刀具长度不断变化，会引起材料去除率的剧烈波动，影响加工质量。进给速度与刀具路径共同决定了机床各伺服轴的输入命令，影响各轴运动的动态特性、跟随误差以及机床运动的平稳性，进而影响工件的加工精度和表面质量。本专利技术实现了高速、高精插补，满足插补精度、材料去除率以及各轴伺服性能的综合约束，按照期望的加减速特性，达到命令进给速度，从而保证加工精度并提高加工效率。 本专利技术简单易行、计算效率高，能方便的应用于实时运动控制系统当中。附图说明图1是刀具速度分布场的示意图。图2是刀轴扫描面积的示意图。图3是基于窗口的双向扫描自适应速度规划的示意图。图4是自适应速度规划扫描窗口范围的示意图。图5(a)是反向速度扫描示意图；(b)是对速度曲线调整时示意图。图6(a)是正向速度扫描示意图；(b)是对速度曲线调整的示意图。具体实施例方式以下结合附图对本专利技术的实施例作详细说明以下实施例在以本专利技术技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。实施例1本实施本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种五轴数控加工双ＮＵＲＢＳ刀具轨迹速度规划方法，其特征在于，包括如下步骤：第一，建立面向双ＮＵＲＢＳ曲线刀具轨迹路径插补的综合约束：①建立双ＮＵＲＢＳ曲线刀具轨迹中刀具速度分布场；②建立刀轴扫描面积模型及其最大可行速度约束；③建立插补精度模型及其最大可行速度约束；④建立五轴机床各轴伺服能力约束；⑤综合上述各项约束，求解刀具在运动过程中的最大速度与加速度，建立机床插补过程中的综合约束空间；第二，基于窗口扫描的双向速度规划：①在双ＮＵＲＢＳ刀具轨迹上从确定窗口起始与终止点的参数坐标；②在窗口区域内，在可行速度域内向窗口起始点反向扫描，获得反向速度扫描曲线；如果反向速度扫描曲线超出可行速度范围，则将速度曲线调整至可行速度范围之内；③以当前速度为基础，在可行速度域内从窗口起点处向窗口末端正向扫描，获取当前周期的进给速度。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王宇晗，冯景春，石璟，
申请(专利权)人：上海交通大学，上海拓璞数控科技有限公司，
类型：发明
国别省市：31