專利名稱：五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控側(cè)銑加工表面波紋控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工技木，尤其是數(shù)控側(cè)銑加工中的表面波紋控制技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控側(cè)銑加工過程中，會出現(xiàn)表面波紋缺陷，較大的表面波紋會嚴(yán)重影響零件的使用性能和使用壽命，甚至?xí)?dǎo)致零件的不合格。目前，在軸承、機(jī)床、通信廣播、鐘表、砂輪工作面及整機(jī)的塑料機(jī)殼、艦載火控雷達(dá)整機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、機(jī)車車輛、量具刃具等行業(yè)中，零件工作表面上的表面波紋是影響其工作壽命和動(dòng)態(tài)性能的重要因素之一。國內(nèi)外對于表面波紋的控制技術(shù)研究集中于提高加工過程中的穩(wěn)定性，主要采用兩種控制方式:非エ藝優(yōu)化和エ藝優(yōu)化的方式。非エ藝優(yōu)化方式的研究通過增加切削系統(tǒng)剛度、阻尼、吸振器、致動(dòng)器或引入智能材料等方式[1_4]來增加工件加工過程中的穩(wěn)定性，抑制表面波紋的產(chǎn)生。這種方法通常都需要一定的附加裝置或者改變機(jī)床本身的一些結(jié)構(gòu)或材料，在實(shí)際的應(yīng)用中受到一定的限制。エ藝優(yōu)化方式的研究集中于切削參數(shù)優(yōu)化，如優(yōu)化機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速[5_7]、刀具工作角度[8_11]和進(jìn)給速度等，其中最主要且研究最多的是優(yōu)化進(jìn)給速度。W.P.Wangtl2]在利用掃描射線法進(jìn)行加工仿真的基礎(chǔ)上，通過計(jì)算NC指令執(zhí)行中切除材料的體積，以此來估算切削負(fù)載和平均力，并據(jù)此給每ー NC程序段指定一個(gè)保證生產(chǎn)率最大化且滿足約束的“最佳進(jìn)給速度”。Yamazaki[13]建立了進(jìn)給速度與材料切除體積的函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了進(jìn)給速度的優(yōu)化。清華大學(xué)Z.Z.Li[14]等利用材料切除率來獲得平均功率和平均切削力，進(jìn)而對數(shù)控指令的進(jìn)給速度進(jìn)行優(yōu)化。北航彭海濤[15]等由設(shè)定的峰值カ確定出金屬切除率目標(biāo)值，根據(jù)每段數(shù)控指令的實(shí)際切削體積計(jì)算出相應(yīng)的進(jìn)給速度數(shù)值。周艷紅_對進(jìn)給速度進(jìn)行合理的優(yōu)化，使得刀位點(diǎn)相對于零件表面的切削進(jìn)給速度保持恒定。這些進(jìn)給速度優(yōu)化的方法中都只研究和優(yōu)化了三軸數(shù)控加工的狀況或五軸端銑加工中的刀位點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)情況，而并沒有從整體加工狀態(tài)出發(fā)，研究和優(yōu)化五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控側(cè)銑加工中的表面波紋問題?，F(xiàn)有的表面波紋控制技術(shù)主要有以下缺陷:(I)需要增加附加裝置或者改變機(jī)床本身的一些結(jié)構(gòu)或材料，成本高，應(yīng)用受到限制；(2)需要與現(xiàn)有系統(tǒng)集成，存在控制滯后問題；(3)主要局限在三軸數(shù)控加工和五軸端銑加工，很難推廣到五軸側(cè)銑加工；(4)方法較為復(fù)雜，效率低，耗時(shí)較長；(5)僅考慮加工過程中刀位點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)情況，不能很好的反應(yīng)真實(shí)的整體加工狀態(tài)。參考文獻(xiàn):[I]NEW R.Profile boring of deep holes[J].Production Engineer,1981,60(4):41-44.
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發(fā)明內(nèi)容
鑒于現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是研究提供五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控側(cè)銑加工表面波紋控制方法，使五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床在進(jìn)行側(cè)銑加工時(shí)保持恒定的材料切除率和平穩(wěn)連續(xù)的擺動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明的目的是通過如下的手段實(shí)現(xiàn)的。五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控側(cè)銑加工表面波紋控制方法，使五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床在進(jìn)行側(cè)銑加工時(shí)保持恒定的材料切除率和平穩(wěn)連續(xù)的擺動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)，包括以下步驟:第一歩:輸入相關(guān)參數(shù)，具體包括:⑴機(jī)床轉(zhuǎn)心距，⑵數(shù)控系統(tǒng)插補(bǔ)周期，(3)數(shù)控加工程序所使用的刀具長度，(4)機(jī)床各進(jìn)給軸速度限值，(5)機(jī)床各進(jìn)給軸加速度限值，(6)機(jī)床坐標(biāo)系下エ件側(cè)銑加工中Z向切削深度和刀具徑向切深，(7)初始材料切除率；第二步:計(jì)算每一段GOl數(shù)控指令執(zhí)行過程中刀軸與エ件接觸掃掠面積，再根據(jù)設(shè)定的初始材料切除率和刀具徑向切深，優(yōu)化數(shù)控指令進(jìn)給速度；第三步:根據(jù)第二步結(jié)果，計(jì)算機(jī)床各進(jìn)給軸的運(yùn)動(dòng)速度，并按照進(jìn)給軸的速度約束方法調(diào)整進(jìn)給速度，保證各進(jìn)給軸的實(shí)際運(yùn)動(dòng)速度不大于各軸的速度限值vs_ ;第四步:提取第三步結(jié)果，計(jì)算機(jī)床各進(jìn)給軸的運(yùn)動(dòng)加速度，并按照進(jìn)給軸的加速度約束方法調(diào)整進(jìn)給速度，保證各進(jìn)給軸的實(shí)際加速度不大于各軸的加速度限值as_ ；第五歩:提取第四步結(jié)果，判斷擺動(dòng)軸轉(zhuǎn)角運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是否連續(xù)平穩(wěn)。如果為小角度單調(diào)/非單調(diào)不連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)或者小角度往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，則按照擺動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)優(yōu)化方法進(jìn)行刀位點(diǎn)和刀軸矢量的優(yōu)化調(diào)整；第六步:輸出經(jīng)過優(yōu)化后的數(shù)控指令，在機(jī)床上進(jìn)行加工。本發(fā)明通過調(diào)整數(shù)控指令的進(jìn)給速度，使五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床在進(jìn)行側(cè)銑加工時(shí)保持恒定的材料切除率和平穩(wěn)連續(xù)的擺動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)，并且根據(jù)機(jī)床運(yùn)動(dòng)特性參數(shù)，對每段數(shù)控指令的速度和加速度進(jìn)行約束和對擺動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化。以此控制五軸數(shù)控側(cè)銑加工中的表面波紋缺陷。與現(xiàn)有的表面波紋控制技術(shù)相比，本發(fā)明能夠從數(shù)控指令和機(jī)床運(yùn)動(dòng)特性參數(shù)著手，控制五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控側(cè)銑加工中的表面波紋缺陷。該方法不需要對機(jī)床進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造，無控制滯后問題，具有操作方便簡單，計(jì)算效率高，實(shí)用性好的優(yōu)點(diǎn)。


圖1本發(fā)明技術(shù)路線流程2構(gòu)建描述側(cè)銑加工刀軌的雙NURBS曲線示意圖
圖3刀軸與エ件接觸掃掠面積4小角度非單調(diào)不連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)示意5小角度單調(diào)不連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)示意6小角度往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)示意7小角度非單調(diào)不連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)的優(yōu)化結(jié)果示意8小角度單調(diào)不連續(xù)/往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)的優(yōu)化算法流程9S型筋板測試件圖10切削加工優(yōu)化對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的主要技術(shù)路線見圖1，具體的控制方法如下(以FXYZCA型機(jī)床為例進(jìn)行詳細(xì)說明):1、構(gòu)建雙NURBS曲線描述側(cè)銑加工 刀軌在五軸聯(lián)動(dòng)側(cè)銑加工エ藝中，進(jìn)給數(shù)控指令通常由GOl表示。雖然這對于加工的信息是足夠的，但是由于刀位點(diǎn)是離散的，因此很難完整地描述刀軌路徑。在優(yōu)化之前，需要將刀軌路徑進(jìn)行參數(shù)化表示。五軸聯(lián)動(dòng)側(cè)銑加工的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡可以由兩條NURBS曲線P(U)和Q(U)在編程坐標(biāo)系內(nèi)進(jìn)行定義。其中，P(U) = (Xp(u)，yP(u)，Zp(U))定義的是刀位點(diǎn)坐標(biāo)(CL點(diǎn))，Q(u) = (xQ(u), yQ(u), zQ(u))定義的是上刀位點(diǎn)坐標(biāo)(UCL點(diǎn))。刀位點(diǎn)與對應(yīng)上刀位點(diǎn)的高度差為Z向切削深度h，并且上刀位點(diǎn)過刀軸中心線，如錯(cuò)誤！未找到引用源。所示:加工坐標(biāo)系的刀軸矢量Vi可以根據(jù)運(yùn)動(dòng)變換運(yùn)算表達(dá)為下式
權(quán)利要求
1.軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控側(cè)銑加工表面波紋控制方法，使五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床在進(jìn)行側(cè)銑加工時(shí)保持恒定的材料切除率和平穩(wěn)連續(xù)的擺動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)，包括以下步驟: 第一歩:輸入相關(guān)參數(shù)，具體包括:(I)機(jī)床轉(zhuǎn)心距，(2)數(shù)控系統(tǒng)插補(bǔ)周期，(3)數(shù)控加工程序所使用的刀具長度，(4)機(jī)床各進(jìn)給軸速度限值，(5)機(jī)床各進(jìn)給軸加速度限值，(6)機(jī)床坐標(biāo)系下エ件側(cè)銑加工中Z向切削深度和刀具徑向切深，(7)初始材料切除率； 第二步:計(jì)算每一 GOl數(shù)控指令執(zhí)行過程中刀軸與エ件接觸掃掠面積，再根據(jù)設(shè)定的初始材料切除率和刀具徑向切深，優(yōu)化數(shù)控指令進(jìn)給速度； 第三步:根據(jù)第二步結(jié)果，計(jì)算機(jī)床各進(jìn)給軸的運(yùn)動(dòng)速度，并按照進(jìn)給軸的速度約束方法調(diào)整進(jìn)給速度，保證各進(jìn)給軸的實(shí)際運(yùn)動(dòng)速度不大于各軸的速度限值Vs_ ； 第四步:提取第三步結(jié)果，計(jì)算機(jī)床各進(jìn)給軸的運(yùn)動(dòng)加速度，并按照進(jìn)給軸的加速度約束方法調(diào)整進(jìn)給速度，保證各進(jìn)給軸的實(shí)際加速度不大于各軸的加速度限值as_ ； 第五步:提取第四步結(jié)果，判斷擺動(dòng)軸轉(zhuǎn)角運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是否連續(xù)平穩(wěn)。如果為小角度單調(diào)/非單調(diào)不連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)或者小角度往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，則按照擺動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)優(yōu)化方法進(jìn)行刀位點(diǎn)和刀軸矢量的優(yōu)化調(diào)整； 第六步:輸出經(jīng)過優(yōu)化后的數(shù)控指令，在機(jī)床上進(jìn)行加工。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述之五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控側(cè)銑加工表面波紋控制方法，其特征在于，所述優(yōu)化GOl數(shù)控指令進(jìn)給速度的計(jì)算方法為:
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述之五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控側(cè)銑加工表面波紋控制方法，其特征在于，所述擺動(dòng)軸優(yōu)化方法包括對小角度單調(diào)/非單調(diào)不連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)和小角度往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)的優(yōu)化。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述之五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控側(cè)銑加工表面波紋控制方法，其特征在干，對于小角度非單調(diào)不連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，在保證加工允差的條件下，通過在第i段GOl數(shù)控指令中插入新的刀位點(diǎn)和刀軸矢量，優(yōu)化擺軸運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述之五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控側(cè)銑加工表面波紋控制方法，其特征在于，對于小角度單調(diào)不連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)和小角度往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)兩種情況，在保證加工允差的條件下，通過調(diào)整第i段GOl數(shù)控指令中的刀位點(diǎn)和刀軸矢量，優(yōu)化擺動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控側(cè)銑加工表面波紋控制方法。包括基于進(jìn)給速度優(yōu)化和擺動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)狀態(tài)優(yōu)化兩部分。通過調(diào)整數(shù)控指令的進(jìn)給速度，使得五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床在進(jìn)行側(cè)銑加工時(shí)保持恒定的材料切除率，并且根據(jù)機(jī)床運(yùn)動(dòng)特性參數(shù)，對數(shù)控指令的速度和加速度進(jìn)行約束。方法同時(shí)對擺動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化，包括對小角度單調(diào)/非單調(diào)不連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)和小角度往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)的優(yōu)化，保持?jǐn)[動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)連續(xù)。本發(fā)明所提供的方法不需要對機(jī)床進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造，無控制滯后問題，具有操作方便簡單，計(jì)算效率高，實(shí)用性好的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號G05B19/416GK103092137SQ20121030244
公開日2013年5月8日 申請日期2012年8月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月23日
發(fā)明者江磊, 馬術(shù)文, 胡命華, 丁國富, 朱紹維, 楚王瑋, 彭雨, 蔡延波 申請人:西南交通大學(xué), 成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司