专利名称：五轴联动数控侧铣加工表面波纹控制方法
技术领域：
本发明涉及五轴联动数控加工技木，尤其是数控侧铣加工中的表面波纹控制技术领域。
背景技术：
在五轴联动数控侧铣加工过程中，会出现表面波纹缺陷，较大的表面波纹会严重影响零件的使用性能和使用寿命，甚至会导致零件的不合格。目前，在轴承、机床、通信广播、钟表、砂轮工作面及整机的塑料机壳、舰载火控雷达整机、内燃机、机车车辆、量具刃具等行业中，零件工作表面上的表面波纹是影响其工作寿命和动态性能的重要因素之一。国内外对于表面波纹的控制技术研究集中于提高加工过程中的稳定性，主要采用两种控制方式:非エ艺优化和エ艺优化的方式。非エ艺优化方式的研究通过增加切削系统刚度、阻尼、吸振器、致动器或引入智能材料等方式[1_4]来增加工件加工过程中的稳定性，抑制表面波纹的产生。这种方法通常都需要一定的附加装置或者改变机床本身的一些结构或材料，在实际的应用中受到一定的限制。エ艺优化方式的研究集中于切削參数优化，如优化机床主轴转速[5_7]、刀具工作角度[8_11]和进给速度等，其中最主要且研究最多的是优化进给速度。W.P.Wangtl2]在利用扫描射线法进行加工仿真的基础上，通过计算NC指令执行中切除材料的体积，以此来估算切削负载和平均力，并据此给每ー NC程序段指定一个保证生产率最大化且满足约束的“最佳进给速度”。Yamazaki[13]建立了进给速度与材料切除体积的函数，实现了进给速度的优化。清华大学Z.Z.Li[14]等利用材料切除率来获得平均功率和平均切削力，进而对数控指令的进给速度进行优化。北航彭海涛[15]等由设定的峰值カ确定出金属切除率目标值，根据每段数控指令的实际切削体积计算出相应的进给速度数值。周艳红_对进给速度进行合理的优化，使得刀位点相对于零件表面的切削进给速度保持恒定。这些进给速度优化的方法中都只研究和优化了三轴数控加工的状况或五轴端铣加工中的刀位点的运动情况，而并没有从整体加工状态出发，研究和优化五轴联动数控侧铣加工中的表面波纹问题。现有的表面波纹控制技术主要有以下缺陷:(I)需要增加附加装置或者改变机床本身的一些结构或材料，成本高，应用受到限制；(2)需要与现有系统集成，存在控制滞后问题；(3)主要局限在三轴数控加工和五轴端铣加工，很难推广到五轴侧铣加工；(4)方法较为复杂，效率低，耗时较长；(5)仅考虑加工过程中刀位点的运动情况，不能很好的反应真实的整体加工状态。參考文献:[I]NEW R.Profile boring of deep holes[J].Production Engineer,1981,60(4):41-44.
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发明内容
鉴于现有技术的不足，本发明的目的是研究提供五轴联动数控侧铣加工表面波纹控制方法，使五轴联动数控机床在进行侧铣加工时保持恒定的材料切除率和平稳连续的摆动轴运动。本发明的目的是通过如下的手段实现的。五轴联动数控侧铣加工表面波纹控制方法，使五轴联动数控机床在进行侧铣加工时保持恒定的材料切除率和平稳连续的摆动轴运动，包括以下步骤:第一歩:输入相关參数，具体包括:⑴机床转心距，⑵数控系统插补周期，(3)数控加工程序所使用的刀具长度，(4)机床各进给轴速度限值，(5)机床各进给轴加速度限值，(6)机床坐标系下エ件侧铣加工中Z向切削深度和刀具径向切深，(7)初始材料切除率；第二步:计算每一段GOl数控指令执行过程中刀轴与エ件接触扫掠面积，再根据设定的初始材料切除率和刀具径向切深，优化数控指令进给速度；第三步:根据第二步结果，计算机床各进给轴的运动速度，并按照进给轴的速度约束方法调整进给速度，保证各进给轴的实际运动速度不大于各轴的速度限值vs_ ;第四步:提取第三步结果，计算机床各进给轴的运动加速度，并按照进给轴的加速度约束方法调整进给速度，保证各进给轴的实际加速度不大于各轴的加速度限值as_ ；第五歩:提取第四步结果，判断摆动轴转角运动状态是否连续平稳。如果为小角度单调/非单调不连续转动或者小角度往复转动状态，则按照摆动轴转动优化方法进行刀位点和刀轴矢量的优化调整；第六步:输出经过优化后的数控指令，在机床上进行加工。本发明通过调整数控指令的进给速度，使五轴联动数控机床在进行侧铣加工时保持恒定的材料切除率和平稳连续的摆动轴运动，并且根据机床运动特性參数，对每段数控指令的速度和加速度进行约束和对摆动轴运动状态进行优化。以此控制五轴数控侧铣加工中的表面波纹缺陷。与现有的表面波纹控制技术相比，本发明能够从数控指令和机床运动特性參数着手，控制五轴联动数控侧铣加工中的表面波纹缺陷。该方法不需要对机床进行结构改造，无控制滞后问题，具有操作方便简单，计算效率高，实用性好的优点。
图1本发明技术路线流程2构建描述侧铣加工刀轨的双NURBS曲线示意图
图3刀轴与エ件接触扫掠面积4小角度非单调不连续转动状态示意5小角度单调不连续转动状态示意6小角度往复转动状态示意7小角度非单调不连续转动状态的优化结果示意8小角度单调不连续/往复转动状态的优化算法流程9S型筋板测试件图10切削加工优化对比实验結果。
具体实施例方式本发明的主要技术路线见图1，具体的控制方法如下(以FXYZCA型机床为例进行详细说明):1、构建双NURBS曲线描述侧铣加工 刀轨在五轴联动侧铣加工エ艺中，进给数控指令通常由GOl表示。虽然这对于加工的信息是足够的，但是由于刀位点是离散的，因此很难完整地描述刀轨路径。在优化之前，需要将刀轨路径进行參数化表示。五轴联动侧铣加工的刀具运动轨迹可以由两条NURBS曲线P(U)和Q(U)在编程坐标系内进行定义。其中，P(U) = (Xp(u)，yP(u)，Zp(U))定义的是刀位点坐标(CL点)，Q(u) = (xQ(u), yQ(u), zQ(u))定义的是上刀位点坐标(UCL点)。刀位点与对应上刀位点的高度差为Z向切削深度h，并且上刀位点过刀轴中心线，如错误！未找到引用源。所示:加工坐标系的刀轴矢量Vi可以根据运动变换运算表达为下式
权利要求
1.轴联动数控侧铣加工表面波纹控制方法，使五轴联动数控机床在进行侧铣加工时保持恒定的材料切除率和平稳连续的摆动轴运动，包括以下步骤: 第一歩:输入相关參数，具体包括:(I)机床转心距，(2)数控系统插补周期，(3)数控加工程序所使用的刀具长度，(4)机床各进给轴速度限值，(5)机床各进给轴加速度限值，(6)机床坐标系下エ件侧铣加工中Z向切削深度和刀具径向切深，(7)初始材料切除率； 第二步:计算每一 GOl数控指令执行过程中刀轴与エ件接触扫掠面积，再根据设定的初始材料切除率和刀具径向切深，优化数控指令进给速度； 第三步:根据第二步结果，计算机床各进给轴的运动速度，并按照进给轴的速度约束方法调整进给速度，保证各进给轴的实际运动速度不大于各轴的速度限值Vs_ ； 第四步:提取第三步结果，计算机床各进给轴的运动加速度，并按照进给轴的加速度约束方法调整进给速度，保证各进给轴的实际加速度不大于各轴的加速度限值as_ ； 第五步:提取第四步结果，判断摆动轴转角运动状态是否连续平稳。如果为小角度单调/非单调不连续转动或者小角度往复转动状态，则按照摆动轴转动优化方法进行刀位点和刀轴矢量的优化调整； 第六步:输出经过优化后的数控指令，在机床上进行加工。
2.根据权利要求1所述之五轴联动数控侧铣加工表面波纹控制方法，其特征在于，所述优化GOl数控指令进给速度的计算方法为:
3.根据权利要求1所述之五轴联动数控侧铣加工表面波纹控制方法，其特征在于，所述摆动轴优化方法包括对小角度单调/非单调不连续转动和小角度往复转动状态的优化。
4.根据权利要求3所述之五轴联动数控侧铣加工表面波纹控制方法，其特征在干，对于小角度非单调不连续转动状态，在保证加工允差的条件下，通过在第i段GOl数控指令中插入新的刀位点和刀轴矢量，优化摆轴运动状态。
5.根据权利要求3所述之五轴联动数控侧铣加工表面波纹控制方法，其特征在于，对于小角度单调不连续转动和小角度往复转动两种情况，在保证加工允差的条件下，通过调整第i段GOl数控指令中的刀位点和刀轴矢量，优化摆动轴运动状态。
全文摘要
本发明涉及一种五轴联动数控侧铣加工表面波纹控制方法。包括基于进给速度优化和摆动轴运动状态优化两部分。通过调整数控指令的进给速度，使得五轴联动数控机床在进行侧铣加工时保持恒定的材料切除率，并且根据机床运动特性参数，对数控指令的速度和加速度进行约束。方法同时对摆动轴运动状态进行优化，包括对小角度单调/非单调不连续转动和小角度往复转动状态的优化，保持摆动轴运动平稳连续。本发明所提供的方法不需要对机床进行结构改造，无控制滞后问题，具有操作方便简单，计算效率高，实用性好的优点。
文档编号G05B19/416GK103092137SQ20121030244
公开日2013年5月8日 申请日期2012年8月23日 优先权日2012年8月23日
发明者江磊, 马术文, 胡命华, 丁国富, 朱绍维, 楚王玮, 彭雨, 蔡延波 申请人:西南交通大学, 成都飞机工业(集团)有限责任公司