微小线段曲线的五轴联动加工速度平滑方法

专利名称：微小线段曲线的五轴联动加工速度平滑方法
技术领域：
本发明涉及计算机数控加工技术，特别是涉及一种计算机数字控制的用于微小线 段曲线的五轴联动加工速度平滑方法技术。
背景技术：
五轴联动的刀具路径， 一般是由一系列离散的刀位点组成，每个刀位点包括三
个平动坐标X, Y, Z，及两个旋转坐标如B， C，而机床控制器则根据刀位点，对各 轴进行联动控制。要向获得理想的表面加工质量和较快的加工速度，应该尽量使得 插补时的进给速度尽量平稳，及程序段间速度的平滑过渡。而传统的方法在对某段 程序段进行插补时，并没有充分考虑后续程序段的信息，而对各程序段进行单独的 控制，这样就会导致程序段转折处的进给速度降得很低，甚至为零，电机频繁的启 停和加减速使得进给速度不够平稳，影响表面加工质量，同时，加工速度也难以提 高。目前，解决这个问题主要是速度平滑优化处理方法。该方法充分考虑机床各轴 的加减速能力，并且对连续多段的加工代码进行预处理，分析其几何特性，包括相 邻程序段间的转角，单段程序段的长度，在此基础上，获得程序段内的最大进给速 度及最大对速度，同时对程序段间的衔接速度进行优化，使进给速度尽量平滑。 在已发表的专利和文献中，当速度平滑优化后， 一个程序段的起点速度与终点速度 不再为零，这样往往不能按期望的进给速度把程序段在整数个插补周期内分割完， 这样会导致进给速度上升和下降的过快，超出了机床的加减速能力，引起机床冲击。 为避免该种情况，有文献采用后加减速来解决这一问题，但会引起一定的位置误差， 或者为了满足位置精度，把衔接速度降得很低，这样又影响了加工速度。

发明内容
针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种能提 高加工速度，满足机床的加减速特性的，能避免了机床冲击的微小线段曲线的五轴 联动加工速度平滑方法。
为了解决上述技术问题，本发明所提供的一种微小线段曲线的五轴联动加工速 度平滑方法，其特征在于，在满足机床加减速特性的基础上，对一段程序段进行插 补，即选择一组K《，使得
上式可写成
即只需选择一组平动进给速度，把程序段中的直线长度按照这组速度进行分割， 就可以对五个联动轴实现插补；
对于(2)式，当起点速度不为零时，即W〉0时，必须对段首速度加以约束， 也就是所谓的段首约束条件；调整方法一，通过调整某些插补周期的进给速度W， 把那些进给速度大于F。的插补周期，调整为K,艮P:
通过调整所述插补周期的P，使得前("。+"c+ )个周期插补所得的长度变小，这
个减小的长度记为s。。只要找到合适的r。，使得
就可使得r-("a+nc+"d+i)r;从而使得整个插补过程即满足机床的加减速特 性，同时插补总时间也在整数个周期内完成。
但当使^ = ^;，假设^<)^+1,仍然有-
可通过如下调整方法二调整w:'
W = k。，且K —",.mr < f。 s ^ ，当/="c'
使得
& -"cX7](i-/)r 通过上述的两种调整方法只要满足& 1^& (s，为对于给定的/,，K，巳,，所能获 得的s。的上限值)，就可以满足速度平滑时的精度要求。 进一步地，所述的约束条件包括-
1) 机床各轴驱动电机的物理约束，包括功率、速度以及加速度的约束。本发明
通过指定电机的最大功率、最大速度及最大加速度来表征这一约束；
2) 运动轨迹的几何约束，包括相邻刀位点的位置矢量和方向矢量对相邻直线段 交点处的最大进给速度约束。这一约束保证了每一直线段在起点和终点速度不为零 时，伺服电机加速度的平滑过渡。
利用本发明提供的微小线段曲线的五轴联动加工速度平滑方法，由于采用上述 的两种调整方法，满足速度平滑时的精度要求，从而使得整个插补过程即满足机床 的加减速特性，同时插补总时间也在整数个周期内完成，避免了机床冲击。


图1是本发明实施例微小线段曲线的五轴联动加工速度平滑方法的调整方法一
的原理示意图2是本发明实施例微小线段曲线的五轴联动加工速度平滑方法的调整方法二 的原理示意图。
具体实施例方式
以下结合

对本发明的实施例作进一步详细描述，但本实施例并不用于 限制本发明，凡是采角本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范 围。
本发明实施例所提供的一种微小线段曲线的五轴联动加工速度平滑方法,针对 五轴联动机床的结构特点提出了以下两个方面的约束条件
1) 机床各轴驱动电机的物理约束，包括功率、速度以及加速度的约束。假如机床的 惯性，切削力以及摩擦力超出了这些约束，电机的性能将会下降。本发明通过指定 电机的最大功率、最大速度及最大加速度来表征这一约束；
2) 运动轨迹的几何约束，包括相邻刀位点的位置矢量和方向矢量对相邻直线段交点 处的最大进给速度约束。这一约束保证了每一直线段在起点和终点速度不为零时， 伺服电机加速度的平滑过渡。
在建立了以上两类约束的基础上，本发明提出了基于前瞻的五轴小直线段速度 优化算法，在满足各轴电机约束的前提下，实现了直线段间的进给速度衔接。实验 结果表明了本发明的算法的有效性。以下是主要的实施方法。
在满足机床加减速特性的基础上，对一段程序段进行插补，实际上就是要找到 这样一组W八，使得<formula>formula see original document page 7</formula>(1)
上式可写成<formula>formula see original document page 8</formula>也就是说只需找到一组平动进给速度，把程序段中的直线长度按照这组速度进 行分割，就可以对五个联动轴实现插补。
对于(2)式，当程序段的起点速度为零，即"=0时，这样的一组W肯定是 可以找到的，也就是说，程序段肯定可以在恰恰整数个(",.)周期内完成插补。但 是，当起点速度不为零时，即">0时(而这正是采用速度平滑后的情况)，按照常
规的插补方法，就往往不可实现，因此，必须对段首速度加以约束，也就是所谓的 段首约束条件。如图1所示，K为程序段起点速度，即第一个插补周期的速度，K+, 为终点速度，即最后一个插补周期的速度，rc为该程序段的命令进给速度，也就是
恒速段的速度。整个插补历时/=(加+^+^+/)7^, yr为最后不足一个周期的部 分，其中0^/<1。可见，在最后一个插补周期，会有一个较小的余量，其长度为 ^-^yr，若要在到达合适的进给速度，即乙,，它就不足一个周期，即yr，若 要在一个周期内走完，则进给速度为r',+,-y^+"当/较小时，这个进给速度超出 允许的范围，引起机床的冲击。实际上，可以改变常规的插补方法，使得整个插补 过程即满足机床的加减速特性，同时插补总时间也在整数个周期内完成，即 r = (wa+wc+m/+i)r。如图i所示，通过调整某些插补周期的进给速度^，也就是
把那些进给速度大于F。的插补周期，调整为F。，艮p-
这样，通过调整这些周期的w，使得前("。+A+ )个周期插补所得的长度会变小，
这个减小的长度记为s。。很明显，只要找到合适的r。，使得 就可以使得<formula>formula see original document page 8</formula>。
但当使「。=^,如图2所示，假设^<巧+1，仍然有
这时，通过如下方法调整^:
^K， 当_/<"/
'j^-。且f;u《w，当x
W = r。-(卜"X7，当X
使得
& ("-W](i-/)r 从上面描述的两种调整方法可知，对于给定的/,，^K+,，所能获得的s。具有上限 值，记为s，；当s，〈&时，通过上述两种调整方法，无法满足要求。
下面，我们将研究如何保证
s咖" (3) 只要满足(3),就可以通过上述的两种调整方法来满足速度平滑时的精度要求。
权利要求
1、一种微小线段曲线的五轴联动加工速度平滑方法，其特征在于，在满足机床加减速特性的基础上，对一段程序段进行插补，即选择一组ViΛj，使得
2、根据权利要求l所述的五轴联动加工速度平滑方法，其特征在于，所述的约束条件包括1)机床各轴驱动电机的物理约束，包括功率、速度以及加速度的约象；2)运动轨迹的几何约束，包括相邻刀位点的位置矢量和方向矢量对相邻直线段 交点处的最大进给速度约束。
3、 一种微小线段曲线的五轴联动加工速度平滑方法，其特征在于，在满足机床 加减速特性的基础上，对一段程序段进行插补，即选择一组V八，使得<formula>see original document page 3</formula> (1)上式可写成<formula>see original document page 3</formula> (2)即只需选择一组平动进给速度，把程序段中的直线长度按照这组速度进行分割， 就可以对五个联动轴实现插补；当使Va=Vi，假设Vi<Vi+1，通过如下方法调整W:<formula>see original document page 3</formula>使得<formula>see original document page 3</formula>通过上述的调整方法只要满足^ &就能满足速度平滑时的精度要求。
4、 根据权利要求3所述的五轴联动加工速度平滑方法，其特征在于，所述调整方法的约束条件包括1) 机床各轴驱动电机的物理约束，包括功率、速度以及加速度的约束；2) 运动轨迹的几何约束，包括相邻刀位点的位置矢量和方向矢量对相邻直线段 交点处的最大进给速度约束。
全文摘要
本发明公开一种微小线段曲线的五轴联动加工速度平滑方法，涉及计算机数控加工技术领域；该五轴联动加工速度平滑方法通过调整某些插补周期的进给速度V_i^j，把那些进给速度大于V_a的插补周期，调整为V_a的调整方法，使得t＝(na+nc+nd+1)T；从而使得整个插补过程即满足机床的加减速特性，同时插补总时间也在整数个周期内完成；通过选择一组平动进给速度，把程序段中的直线长度按照这组速度进行分割，对五个联动轴实现插补，从而满足速度平滑时的精度要求。本发明的五轴联动加工速度平滑方法具有能提高加工速度，满足机床的加减速特性的，能避免了机床冲击的特点。
文档编号G05B19/416GK101169647SQ200610117660
公开日2008年4月30日 申请日期2006年10月27日 优先权日2006年10月27日
发明者冯景春, 徐志明, 杨家荣, 王宇晗 申请人:上海电气集团股份有限公司中央研究院