专利名称：基于球坐标的cnc系统插补算法及实现该算法的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及程序控制机床技术领域，具体地说是一种基于球形薄壁曲面加工的球坐标CNC系统插补算法及实现该算法的装置。
背景技术：
目前，现有的数控机床对工件复杂的曲面加工通常采用直线插补法或圆弧插补法，所谓直线插补法是给出两端点间的插补数字信息，借此信息控制刀具与工件的相对运动，采用逐次逼近的方式处理曲面插补，使其按规定的直线加工出理想曲面的一种插补方式，所谓圆弧插补法是对磨削回转曲面进行曲线光顺处理，简化了计算过程，解决了三轴联动数控砂轮修整器后处理数控程序的设计问题，以上两种插补法的不足是产生的弓高误差非常明显，加工精度极低。
工业上很多需要加工的轻金属拉伸成型的复杂薄壁球型件，基于大型件、切削力小和不等壁厚等特点，这些复杂的工件不但需要经历拉伸变形，同时还要保证工件的强度和刚度，同时还需减重。因此，其设计和制造上均具复杂性，在加工时，首先采用轻金属拉伸成型，由于材料的不均匀性及拉伸偏心等工艺因素的影响，其壁厚参数难以满足使用要求，传统的插补算法采用逐次逼近的方式处理曲线插补，所产生的弓高误差相对较明显，通过再细分方式可提高加工精度。因此，在拉伸后，还要对其进行切削加工，以保证壁厚尺寸参数满足设计要求，若采用铣削，则需采用五坐标数控机床，导致工件弓高误差大，加工精度较高，但工作效率差，生产成本很高。发明内容
本发明的目的是解决上述现有技术的不足，提供一种结构新颖、算法简单、弓高误差小、加工精度高、工作效率高、生产成本低、工件重量轻的基于球坐标的CNC系统插补算法及实现该算法的装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是: 一种基于球坐标的CNC系统插补算法，其特征在于包括测量点规划、走刀路径规划和曲面直接插补算法，规划待加工工件的测量点，通过测厚仪测量工件各位置壁厚参数的测量值，将测量的测量值输入计算机中进行厚度曲面建模，针对壁厚曲面模型，通过划线笔规划走刀路径的加工轨迹，根据加工轨迹，采用曲面直接插补算法对壁厚模型进行采样、计算，在计算机中形成基于球坐标的薄壁工件壁厚模型，生成球坐标数控加工程序，并将加工程序指令输入CNC系统，通过CNC系统控制伺服系统对工件进行数控加工，以确保理论壁厚尺寸。
本发明可在走刀路径规划之后增设球面调和步骤，在近似表达壁厚基础上，确保薄壁厚度的球基几何及物理特性，进而确保走刀路径规划在球面调和函数的基础上，采用球坐标空间螺旋规划，以提高整个系统的加工效率。
本发明所述曲面直接插补算法为球坐标双向霍曼过渡曲面插补算法，以使其实际产生的插补轨迹为椭圆轨道，其包括单向霍曼插补算法和双向霍曼插补算法，所述双向霍曼插补算法包括球基插补和空间任意两点间插补， 所述单向霍曼插补算法:根据霍曼转移轨道转移过程中角动量和能量守恒，可以得出共面轨道转移公式:
权利要求
1.一种基于球坐标的CNC系统插补算法，其特征在于包括测量点规划、走刀路径规划和曲面直接插补算法，规划待加工工件的测量点，通过测厚仪测量工件各位置壁厚参数的测量值，将测量的测量值输入计算机中进行厚度曲面建模，针对壁厚曲面模型，通过划线笔规划走刀路径的加工轨迹，根据加工轨迹，采用曲面直接插补算法对壁厚模型进行采样、计算，在计算机中形成基于球坐标的薄壁工件壁厚模型，生成球坐标数控加工程序，并将加工程序指令输入CNC系统，通过CNC系统控制伺服系统对工件进行数控加工。
2.根据权利要求1所述的一种基于球坐标的CNC系统插补算法，，其特征在于在走刀路径规划之后增设球面调和步骤。
3.根据权利要求2所述的一种基于球坐标的CNC系统插补算法，，其特征在于走刀路径规划在球面调和函数的基础上，采用球坐标空间螺旋规划。
4.根据权利要求1所述的一种基于球坐标的CNC系统插补算法，，其特征在于所述曲面直接插补算法为球坐标双向霍曼过渡曲面插补算法，以使其实际产生的插补轨迹为椭圆轨道，其包括单向霍曼插补算法和双向霍曼插补算法，所述双向霍曼插补算法包括球基插补和空间任意两点间插补，其中， 所述单向霍曼插补算法:根据霍曼转移轨道转移过程中角动量和能量守恒，得出共面轨道转移公式:
5.根据权利要求2所述的一种基于球坐标的CNC系统插补算法，其特征在于所述球面调和函数的具体算法为:根据球面调和函数规则，首先需将壁厚值进行规范化，使之满足|i (武_|<1，再利用球面调和方法，进行壁厚建模，根据式(6) Κ(θ,ψ)函数，利用一系列球面调和函数乃(武(泛劝，再线性近似表示定义在球面上的连续函数5(氐#:
6.一种实现该算法的装置，其特征在于包括工件驱动装置、直线轨道、驱动导轨、平台、刀架支撑装置、补偿刀架装置和控制系统，所述工件驱动装置包括主轴箱、Θ轴伺服电机、周向码盘和真空吸盘夹具，刀架支撑装置包括靠模、母线码盘、定位装置、Φ轴伺服电机、刀架导向轨道和蜗杆，补偿刀架装置包括刀座、刀架、刀具、P轴伺服电机、滚珠丝杠和划线笔，所述刀架导向轨道和靠模分别呈弧形曲面，刀架导向轨道上端面中心设有导向槽，所述主轴箱固定在直线轨道一端，并经Θ轴伺服电机驱动，主轴箱输出轴端设有真空吸盘夹具，输出轴一侧的主轴箱上设有周向码盘，周向码盘与真空吸盘夹具经连接杆相连接，驱动导轨下端与直线轨道滑动连接，上端与平台固定连接，一侧经定位装置与直线轨道定位，刀架导向轨道固定在平台上，刀架导向轨道外壁一侧经连接杆与靠模平行固定连接，另一侧设有涡轮齿，母线码盘经蜗杆与刀架导向轨道中的涡轮齿相啮合，蜗杆经Φ轴伺服电机驱动，母线码盘上端固定设有刀架，刀架底面一端经滑轨与刀架导向轨道中的导向槽滑动连接，另一端经滑轨与靠模滑动连接，刀架上端中心设有滚珠丝杠，两侧分别设有导向滑道，刀座上端设有划线笔和刀具，下端经螺母与滚珠丝杠相铰接，下端两侧分别经导向滑轨与导向滑道滑动连接，滚珠丝杠经固定在刀架上的P轴伺服电机驱动，Θ轴伺服电机、φ轴伺服电机和P轴伺服电机分别由伺服控制系统控制。
7.根据权利要求6所述的一种实现该算法的装置，其特征在于刀架下端设有光栅尺，光栅尺经导线与CNC系统相连接，通过将刀架位移输出的数字脉冲信号传输到CNC系统。
全文摘要
本发明涉及程序控制机床技术领域，具体地说是一种基于球坐标的CNC系统插补算法，其特征在于包括测量点规划、走刀路径规划和曲面直接插补算法，规划待加工工件的测量点，通过测厚仪测量工件各位置壁厚参数的测量值，将测量的测量值输入计算机中进行厚度曲面建模，针对壁厚曲面模型，通过划线笔规划走刀路径的加工轨迹，根据加工轨迹，采用消元法和曲面直接插补算法对壁厚模型进行采样、计算，在计算机中形成基于球坐标的薄壁工件壁厚模型，生成球坐标数控加工程序，并将加工程序指令输入CNC系统，通过CNC系统控制伺服系统对工件进行数控加工，具有结构新颖、算法简单、弓高误差小、加工精度高、工作效率高、生产成本低、工件重量轻等优点。
文档编号G05B19/41GK103176428SQ20131013016
公开日2013年6月26日 申请日期2013年4月16日 优先权日2013年4月16日
发明者易兴, 杜清府 申请人:易兴, 杜清府