专利名称：五轴数控加工进给率控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种机械数控加工技术领域的系统，具体是一种基于机床和刀尖 点运动学性能的五轴数控加工进给率控制系统。
背景技术：
数控机床已经大量的应用到制造业中，与传统的三轴数控加工相比，五轴数控加 工可以显著提高加工效率、增强刀具可达性和缩短刀具长度，为复杂零件的加工提供了有 效的手段。五轴数控加工中，在恒定进给率下有诸多问题，由于零件的几何曲面不同，毛坯 各部位切削余量也不同，相同进给率下刀尖点实际速度和加速度变化剧烈，若给定进给率 过高可能超出机床运动轴速度及加速度限制造成机床振动，致使加工过过程不稳定，降低 加工质量和刀具寿命，同时进给率也是决定切削力的主要因素之一，若给定进给率过低则 大大降低加工效率。因此规划合理的进给率是保证加工质量和提高加工效率的关键因素。国内研究五轴刀具路径规划主要是从九十年代末开始的，大多集中在通过优化刀 具的位置和倾斜角来提高材料去除率和消除局部干涉等方面，对于进给率规划方面的研究 较少。国外对五轴数控机床刀具路径规划研究的起步较早，从八十年代初期，研究领域涉 及到了刀具路径规划的各个方面。进给率的选择对于加工效率和加工精度有很大的影响， 因此自适应进给率规划吸引了很多学者的注意力，自适应进给率规划的目的是在机床参数 和工艺参数和约束范围内尽可能提高进给率，已达到高效加工的目的。大多的研究都是 基于材料去除率的分析来规划进给率，也是现在商用CAM软件如Vericut的Optipath和 MasterCAM的Hifeed优化进给率的方法。但是这些商用软件的缺憾在于没有考虑到机床本 身的运动学性能对于进给率的约束机床运动速度不能超过某一特定值，否则会对机床机 械结构产生损害。同样机床运动速度的突变值也就是加速度不能超过某一特定值，否则会 造成机床运动产生抖动，影响机床加工精度，同时对机床机械和伺服机构产生损害。因此规 划得到的数控程序可能因为机床性能无法达到而失去可用性。经对现有技术的文献检索发现，有一种根据机床运动学特性约束的速度预处 理方法(赵东林，连续加工路径的进给速度规划算法研究，组合机床与自动化加工技术 1001-2265(2006))，在满足机床机械特性和运动轨迹特性的前提下，计算最大的进给速度， 但是这种方法没有考虑工件坐标系下刀尖点的速度与加速度限制，而且只用于三轴数控加 工，无法应用于5轴加工。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种五轴数控加工进给率控制系统， 该系统计算效率高，适用于各种结构类型的五轴联动数控加工代码的进给率控制。本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括加工代码读取模块、坐标变换模 块和进给率优化控制模块，其中加工代码读取模块与坐标变换模块和进给率优化控制模 块相连接并传输机床坐标系下坐标位置信息，坐标变换模块与进给率优化控制模块相连接并传输工件坐标系下刀位点信息。所述的加工代码读取模块包括NC文件读入单元、坐标信息提取单元，其中NC文 件读入单元读取NC代码并输出至坐标信息提取单元，由坐标信息提取单元将NC代码中的 机床各轴的位置信息并传输到坐标变换模块和进给率优化控制模块。所述的坐标变换模块包括机床结构选择单元、坐标变换单元，其中机床结构选 择单元由用户指定加工所用机床的结构形式，坐标变换单元按照结构形式调用对应坐标变 换公式并将机床坐标系下各运动轴的坐标位置变换为工件坐标系下刀尖点位置信息后输 出到进给率优化控制模块，所述的结构形式包括双摆头结构、主轴摆动工作台回转结构或 双回转工作台结构。所述的刀尖点位置信息是指对于球头铣刀是指端部半球面的球心的位置坐标、 对于平底铣刀是端部圆面的圆心的位置坐标或对于圆环铣刀是指端部圆环的圆环中心的 位置坐标。所述的进给率优化控制模块包括约束条件输入单元、优化计算单元和NC文件输 出单元，其中约束条件输入单元由用户输入所希望的机床坐标系下机床速度与加速度约 束值和工件坐标系下刀尖点速度与加速度约束值，优化计算单元根据输入的数据和接受自 两个模块的机床和刀尖点位置信息建立数学模型并求解，NC文件输出单元，输出新的加工 代码，在每行代码之后加入了优化后的加工进给率F值；所述的机床速度与加速度约束值 是指机床的机械结构所能承受的最大速度和加速度；所述的刀尖点速度与加速度约束值是 指在保证加工精度和避免刀具受到过大冲击的情况下刀尖点所能达到的最大速度和加速 度。 与现有技术相比，本发明在五轴数控加工进给率控制中同时考虑了机床坐标系和 工件坐标系下的运动学性能约束，避免了单一坐标系下约束带来的弊端。用合理的理想化 数学模型对每段NC代码进行进给率规划，可应用于不同结构类型的五轴数控机床。全部过 程计算效率高，编程实现简单，可以应用于复杂零件的3+2轴数控加工或者五轴联动数控 加工的进给率规划。
图1为机床旋转轴的定义示意图；图2为A-B双摆头五轴联动数控机床坐标系示意图；图3为A转台B摆头五轴联动数控机床坐标系示意图；图4为A-C双摆头五轴联动数控机床坐标系示意图；图5为对应于不同铣刀的刀位点位置示意图；图6为本发明系统结构示意图；图中1刀尖点位置、2机床坐标系、3工件坐标系、4坐标轴方向与机床坐标系一致 的与回转轴A固联的坐标系、5工件坐标系、6坐标轴方向与机床坐标系一致的与回转轴B 固联的坐标系、7工件坐标系、8机床坐标系。
具体实施例方式下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行
4实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施 例。如图6所述，本实施例包括加工代码读取模块、坐标变换模块和进给率优化控制 模块，其中加工代码读取模块与坐标变换模块和进给率优化控制模块相连接并传输机床 坐标系下坐标位置信息，坐标变换模块与进给率优化控制模块相连接并传输工件坐标系下 刀位点信息。所述的加工代码读取模块包括NC文件读入单元、坐标信息提取单元，其中NC文 件读入单元将NC代码读入系统，坐标信息提取单元将NC代码中的多余信息去除，只提取机 床各轴的位置信息，并传输到坐标变换模块和进给率优化控制模块。所述的坐标变换模块包括机床结构选择单元、坐标变换单元，其中机床结构选 择单元由用户指定加工所用机床的结构形式。如图1所示，一般五轴联动数控机床三个平动轴和二个回转轴构成。根据运动轴 配置的不同，五轴联动数控机床的结构类型按轴的分布可以分为以下三种基本类型如图2所示双摆头；如图3所示主轴摆动工作台回转；如图4所示双回转工作台。坐标变换单元按照前一单元选择的结构类型调用相应的坐标变换公式，将机床坐 标系下各运动轴的坐标位置变换为工件坐标系下刀尖点位置信息，并传输到进给率优化控 制模块。所述机床坐标系是指加工时设定的机床坐标系，原点一般取在旋转轴轴线交点 处，若轴线不相交，则取在基轴轴线上，各坐标轴方向与机床绝对坐标系各坐标轴方向相 同。所述工件坐标系是指工件的设计坐标系，数控编程时，所有的尺寸都基于此坐标 系计算。如图5所示，刀尖点对于球头铣刀是指端部半球面的球心，对于平底铣刀是端部 圆面的圆心，对于圆环铣刀是指端部圆环的圆环中心。所述的进给率优化控制模块包括约束条件输入单元、优化计算单元、NC文件输 出单元，其中约束条件输入单元由用户输入所希望的机床坐标系下机床速度与加速度约 束值和工件坐标系下刀尖点速度与加速度约束值，优化计算单元根据输入的数据和接受自 两个模块的机床和刀尖点位置信息建立数学模型并求解。NC文件输出单元，输出新的加工 代码，在每行代码之后加入了优化后的加工进给率F值。所述的机床速度与加速度约束值是指机床的机械结构所能承受的最大速度和加 速度。所述的刀尖点速度与加速度约束值是指在保证加工精度和避免刀具受到过大冲 击的情况下刀尖点所能达到的最大速度和加速度。如图6所示，本实施例通过以下方式进行工作首先将需要进行进给率规划的加 工NC代码通过加工代码读取模块导入系统，系统提取出其中的机床各运动轴的坐标位置 信息；然后指定加工所用机床的结构形式，本实施例以如图4所示A-C双回转工作台结构为 例，该模块按两个坐标系的变换矩阵进行坐标变换计算，将机床坐标系下各运动轴的坐标
5位置变换为工件坐标系下刀尖点位置信息；最终输入所希望的机床坐标系下机床速度与加 速度约束值和工件坐标系下刀尖点速度与加速度约束值，该模块根据输入的数据和之前两 个模块得到的机床和刀尖点位置信息建立数学模型目标变量为NC代码中第i行机床进给 率Fi，设计变量为NC代码第i行到第i+Ι行之间及相应的两行刀位文件之间的运动时间 Ti，约束条件为机床坐标系下机床最大速度与加速度和工件坐标系下刀尖点最大速度与加 速度。对此数学模型求解后输出新的加工代码，在每行代码之后加入了优化后的加工进给 率F值。 本实施例为A-C双回转工作台结构的五轴机床数控加工进给率规划为例，说明了 五轴数控加工基于机床和刀尖点运动学性能的进给率控制，可以为五轴联动数控加工规划 出合理高效的进给率。本发明也可以应用到双摆头结构和主轴摆动工作台回转结构的五轴 数控加工中。
权利要求
一种五轴数控加工进给率控制系统，其特征在于，包括加工代码读取模块、坐标变换模块和进给率优化控制模块，其中加工代码读取模块与坐标变换模块和进给率优化控制模块相连接并传输机床坐标系下坐标位置信息，坐标变换模块与进给率优化控制模块相连接并传输工件坐标系下刀位点信息。
2.根据权利要求1所述的五轴数控加工进给率控制系统，其特征是，所述的加工代码 读取模块包括NC文件读入单元、坐标信息提取单元，其中NC文件读入单元读取NC代码 并输出至坐标信息提取单元，由坐标信息提取单元将NC代码中的机床各轴的位置信息并 传输到坐标变换模块和进给率优化控制模块。
3.根据权利要求1所述的五轴数控加工进给率控制系统，其特征是，所述的坐标变换 模块包括机床结构选择单元、坐标变换单元，其中机床结构选择单元由用户指定加工所 用机床的结构形式，坐标变换单元按照结构形式调用对应坐标变换公式并将机床坐标系下 各运动轴的坐标位置变换为工件坐标系下刀尖点位置信息后输出到进给率优化控制模块， 所述的结构形式包括双摆头结构、主轴摆动工作台回转结构或双回转工作台结构。
4.根据权利要求3所述的五轴数控加工进给率控制系统，其特征是，所述的刀尖点位 置信息是指对于球头铣刀是指端部半球面的球心的位置坐标、对于平底铣刀是端部圆面 的圆心的位置坐标或对于圆环铣刀是指端部圆环的圆环中心的位置坐标。
5.根据权利要求1所述的五轴数控加工进给率控制系统，其特征是，所述的进给率优 化控制模块包括约束条件输入单元、优化计算单元和NC文件输出单元，其中约束条件输 入单元由用户输入所希望的机床坐标系下机床速度与加速度约束值和工件坐标系下刀尖 点速度与加速度约束值，优化计算单元根据输入的数据和接受自两个模块的机床和刀尖点 位置信息建立数学模型并求解，NC文件输出单元，输出新的加工代码，在每行代码之后加入 了优化后的加工进给率F值；所述的机床速度与加速度约束值是指机床的机械结构所能承 受的最大速度和加速度；所述的刀尖点速度与加速度约束值是指在保证加工精度和避免刀 具受到过大冲击的情况下刀尖点所能达到的最大速度和加速度。
全文摘要
一种机械数控加工技术领域的五轴数控加工进给率控制系统，包括加工代码读取模块、坐标变换模块和进给率优化控制模块，加工代码读取模块与坐标变换模块和进给率优化控制模块相连接并传输机床坐标系下坐标位置信息，坐标变换模块与进给率优化控制模块相连接并传输工件坐标系下刀位点信息。本发明计算效率高，适用于各种结构类型的五轴联动数控加工代码的进给率控制。
文档编号G05B19/19GK101976055SQ20101054966
公开日2011年2月16日 申请日期2010年11月19日 优先权日2010年11月19日
发明者毕庆贞, 王宇晗, 郑焱 申请人:上海交通大学