专利名称：可对曲面轮廓直接插补的cnc系统的制作方法
技术领域：
本发明属机械加工自动化领域，应用于三座标数控铣床和加工中心场合。
曲面加工是CNC的主要应用对象，目前的CNC上一般只有直线圆弧等少数功能，曲面加工时必须由外部CAM将曲面离散成许多小直线后，才能输入到CNC进行加工。精加工时由微小步长和极密行距构成的零件程序非常庞大，制作昂贵费时，即使使用先进的CAD/CAM系统编程，其程序制作时间也往往是机床实际加工时间的数倍乃至数十倍以上。且这样的程序其使用、校验以至保存都非常不便。此外，在精加工时当程序步长很小时，要提高加工速度，CNC需要极高的运算能力才能进行连续解释执行。对此，一些高档系统采用多32位CPU以至多RISC处理器来进行微段程序的连续处理，系统复杂，价格很贵。
由于曲面精加工程序庞大，难以一次装入CNC内存执行，高速加工时，一般外设(如纸带、磁盘和普通通讯)难以工作，需以外部大容量服务器和高速CNC为之服务，整体加工系统要求很高。再者，由于输入CNC的只是简单直线信息，不能实现三维轮廓补偿，因而若刀具、余量等有所变化时，则原有程序无法使用，操作者对其不能干予，造成使用不便。一种实现三维补偿的方法是在原直线程序上附加法矢信息，但代价是零件程序增加一倍。鉴于上述问题，尽管CNC本身具有高速高精能力，但实际加工结果则取决于所使用的零件程序的精度，由于要提高程序精度，其信息量能以接受，步长不能过小，因而使CNC应有能力难以发挥。正如CNC上有了圆弧插补功能后即可对圆直接加工而无需逐点计算编程一样，使CNC具有曲面轮廓直接插补具有重要意义。一些高档系统，如日本FANUC 15M，德国西门子880M上已有了三次样条曲线功能，并为之申请专利。90年代，美国政府的下一代CNC(Naxt Generation Control/er)计划中也将B样条曲线作为功能指标之一。但由于输入的仅为曲线信息，不能进行刀具补偿，因而难于用在曲面加工之中。此外，日本FANUC的15M和瑞士Acera公司的5000CNC系统，采用在CNC上附加一套CAM系统，使得能够进行曲面处理，但这要在机床加工前进行，需占用大量机床使用时间。瑞士苏黎世工业大学(ETH)和Fidas等开发的OZELOT，使用高速浮点器阵列，可对Bezier曲面进行插补加工，其插补按照允许误差获得最大逼近直线方式进行。日本九州工业大学使用PC机加工15个Transputer处理器构成的并行处理系统，采用反偏置法对刀具偏置面作近似逼近后再进行插补，其逼近误差较难估计。日本三菱电机提出的按刀具投影区域分割处理组分曲面，但需2000个68020+68881 32位处理器并行处理，才能满足要求，系统过于复杂难以实施。
针对现有技术中存在的上述缺点，本发明的任务是(一)能以价格便宜的工业级PC总线微型计算机作为主体，增加适当接口电路，使其成为能对曲面轮廓直接加工的三坐标铣削CNC系统。(二)以尽可能小的进给步长进行轨迹插补，实现高的轮廓精度。(三)除轨迹插补外，还进行加工行距的实时处理，控制加表面残余高度，提高表面质量。(四)能对多种形式的三次曲面进行插补，适应性大。(五)提供对刀具、加工余量和加工行距参数的机床现场修改能力，使操作者能够对轮廓加工进行干予。
为完成上述发明目的，本发明采取以下技术措施。本发明的原理是，图1a中，Si为一无干涉的光滑三次曲面 (u，v)，曲面可为Coons，Bezier或B样条方法构成， 是相应的刀具运动轨迹，其啮合关系如图1b所示。插补方式按 沿曲面的参数方向，也可按 沿平行于z轴的平面进行行切加工。当指定插补形式后，则CNC可根据曲面Si，起终点P0和 ，使用的刀具和加工余量，实时地插补出刀具运动轨迹。其数学表达式为设刀具偏置为rσ，加工余量为rδ，则刀具运动轨迹 为图(1b) 在闭环控制的CNC中，插补为定时分割方式，插补即是在CNC的插补任务周期T内获得时间tk＝KT时，各轴运动增量 其中 (tk)＝(△x(t)、△y(t)、△z(t))。在指定的进给速度f时，其插补进给量为 将 送至轴位置控制电路，驱动机床完成加工运动。以上过程用语句表示，设Curve为加工语句，则该过程为Cureve＝Si/P0， 若将曲面S上的各条加工轨迹加以组合，并加以相应的辅助进退刀运动，则可完成整个曲面加工。走刀方式可有单向，往复和闭合几种方式(图2)。用path-type表示走刀方式，用循环方式执行，则该曲面的加工为For i＝0 To NCureve＝S/[P0， ]，path-typeNext i
当无边界限制的区域加工时，P0和 为参数域的矩形对角点(图3)，此时按照允许残余高度，CNC自动予测下一加工切削行，使CNC自动完成整个表面加工，用Surf表示区域加工，则对图3曲面，其加工语句为Surf＝S/P0、 ，path-type对于由多个表面组合而成的复杂曲面，可先在CAD/CAM系统中将其分解成若干个曲片，并将边界点有序排列，再由CNC进行逐片或逐线方式加工。由此可见，本发明中的CNC所使用的曲面加工程序由一系列的Curve和Surf语句组成，由于插补是以刀具轨迹进行，因此在零件程序中应先对所使用的刀具尺寸、加工余量和表面残余高度等工艺参数进行说明。按照上述工作原理的CNC结构(图4)，它由工业PC计算机加如下必要的电路构成;(1)2为曲面予处理器，加工过程中，它作插补前的予处理工作，其任务是将各种形式不同的三次参数曲面(如Coons、Bezier和B样条)转变成同一内部表达，工作时当插补进入参数曲面的第i、j个曲面子块(patch)时，将该子块作矩阵转换成 (u，v)＝UAW表示的双三次多项式。这样形成不同的双三次曲面，可由同一插补器来进行轨迹插补。(2)3为轨线产生器(曲线产生器)，它是插补前的第二级予处理器，它在接收到由曲面予处理器产生的曲面子片后，按照指定的表面残余高度h，实时地预测出下一加工路线的行间宽度L，L是当前轨线与下一轨线在曲线全长上的空间最短距离，并使L≤ (图5)。由此保证型面的最大允许残余高度。此外，也根据指定的走刀方式path-type，给出单向、双向或闭合走刀方式时的辅助进退刀运动。(3)4为速度调节器，工作在插补任务周期中，对每条轨线及进退刀运动的起点终点进行加减速运动。加减速规律按指数形式。在每次插补时，都先对当前位置主刀具轨迹终点 进行曲线弧长进行判别，若该弧长小于减速距离，则进行减速处理。此外，在正常工作时，还对曲面凸凹分别进行处理。若凸曲面时，则按指定速度作正常匀速进给，即f插补＝f指令，而当曲面为凹时，则根据轮廓曲率半径ρ进行修正，其修正为f插补＝f指令× (ρ-R)/(P) ，其中R为刀具半径，使加工运动更为平稳。(3)5为轨迹插补器。它根据速度调节器3输出的当前插补速度，在单位插补任务周期内，在刀具运动轨迹 上插补出运动增量 ＝(△x、△y、△z)，并使得 ＝f插补，并将该运动增量送到轴位置控制器，由其来驱动机床实现加工运动。上述各部分的工作过程为，由于本发明中CNC的曲面加工程序仅由曲面几何方程参数和边界以及一些工艺参数构成，程序信息量很小，可以一次装入内存。在程序装入期间即对其进行译码转换成CNC内部格式。加工启动后，图4中的2、3、4和5在实时操作方式下工作。其中曲面予处理器和轨迹线产生器3可工作在背景方式，而速度调节器4和轨迹插补器5则工作在插补任务周期中。首先，由曲面予处理器2将曲面的当前子块进行格式转换成同一双三次表示送于轨线产生器3，轨线产生器3按照表面残余高度进行加工行距预测，预测出下一行距离宽度后，即进行该曲线起、终点的处理以及相应进退刀运动指令的产生，送至内部的缓冲器，而插补器5对该缓冲器中的曲线进行插补。在每次插补前应先由速度调节器4根据当前运动位置进行加减速判断，并根据曲面的凹凸进行速度修正，然后轨迹插补器5根据修正后的进给速度进行刀具轨迹插补，插补出运动增量后送至轴位置控制器电路6，再由伺吸电机8驱动机床10进行切削运动。图中7为伺吸驱动电路，9为位置检测部分，由其完成闭环控制。
本发明的优点为(一)使用低成本和经济的工业PC计算机即能实现复杂轮廓的直接插补加工，无需使用高性能硬件，使用一个CPU即能获得曲面加工高级功能。(二)CNC具有曲面直接插补能力后，可以极大降低零件程序信息量，CAD几何数据少量处理后即可用于加工，降低NC加工的辅助时间的成本，使曲面精加工成为经济和高效。(三)对刀具运动轨迹直接插补，以单位插补周期的进给步长直接逼近轮廓，该步长对CNC来说是原理性最短步长，由此可以获得最大轮廓精度。(四)由于零件程序的简化，可以一次装入内存，避免了程序的传输环节，在精加工时无需外部高速DNC服务即可获得高速、高精度效果。(五)由于本发明中的插补是根据曲面轮廓、刀具开关和加工余量直接进行，还能控制表面残余高度，因此，操作者可以按照实际加工情况，现场进行修改工艺参数，使得曲面加工中可以发挥操作者的丰富经验。
如下附图1a曲面轮廓的CNC直接插补附图1b刀具和曲面的啮合关系附图2a单向走刀方式附图2b往复走刀方式附图2c闭合曲面走刀方式附图3曲面的区域加工附图4UCNC系统结构附图5切削行间的残余高度附图6实施例、华中Ⅰ型CNC系统结构结合附图对本发明作具体说明如下本发明已在华中理工大学研制的华中Ⅰ型CNC系统上得到实现，实现了三坐标各种双三次自由曲面的直接铣削加工，其系统硬件为台湾研华公司生产的IPC-6136工业PC机加上适当接口电路构成，其结构由图6所示，各功能模块为(图6)(1)PCA-6136CPU卡，CPU为80386+8387，内存4Mb.1.44软盘驱动器作零件程序装入。
(2)电子盘卡PCD-890，双FLASH/RAM电子盘，容量2Mb。
(3)VGA显示卡PCA-6141，1024×768分辨率彩色CRT显示。
(4)4串口用户卡PE514，以RS-232与交流伺服相连。
(5)多功能卡，与操作面板，主轴和机床开关等信号相连。
权利要求
1.以工业级PC总线微型计算机为主体的CNC系统，其特征为增加以下的接口电路后使其成为能对曲面轮廓直接插补的CNC系统A.(2)为曲面予处理器，加工过程中它作插补前的予处理工作，其任务是将各种形式不同的三次参数曲面转变成同一内部表达，工作时当插补进入参数曲面的第i、j个曲面子块时，将该子块作矩阵转换成ri、j(uv)=uAw表示的双三次多项式，这样形成不同的双三次曲面，可由同一插补器来进行轨迹插补，B.(3)为轨线产生器，它是插补前的第二级予处理器，它在接收到由曲面予处理器产生的曲面子片后，按照指定的表面残余高度h，实时地予测出下一加工路线的行间宽度L，L是当前轨线与下一轨线在曲线全长上的空间最矩矩离，并使L≤ ，由此保证型面的最大允许残余高度，此外，也根据指定的走刀方式path-type，给出单向、双向或闭合走刀方式时的辅助进退刀运动，C.(4)为速度调节器，工作在插补任务周期中，对每条轨线及进退刀运动的起点和终点进行加减速运动，加减速规律按指数形式，在每次插补时，都先对当前位置至刀具轨迹终点Pe进行曲线弧长进行判别，若该弧长小于减速距离，则进行减速处理，此外，在正常工作时，还按曲面形状进行调节，当曲面为凸时使f插补=f指令，而当曲面为凹时，则根据轮廓曲率半径ρ进行修正，其修正为f插补=f指令× (ρ-R)/(P) ，其中R为刀具半径，使加工运动更为平稳，D.(5)为轨迹插补器，它根据速度调节器(3)输出的当前插补速度，在单位插补任务周期内，在刀具运动轨迹 上插补出运动增量 ≡(△x、△y、△z)，并使得 =f插补，并将该运动增量送到轴位置控制器，由其来驱动机床实现加工运动。
全文摘要
本发明属机械加工自动化领域，用于三坐标数控铣床和加工中心场合。它以工业级PC总线微型计算机为主体，加曲面预处理器(2)、轨线产生器(3)、速度调节器(4)和轨道插补器(5)等必要电路后使其成为能对曲面轮廓直接插补的CNC系统。本发明可使用低成本的工业PC计算机，以单CPU结构即能实现复杂轮廓的高速高精度直接插补加工，无需使用昂贵硬件。其曲面加工高级功能可使曲面精加工成为经济和高效。
文档编号G05B19/18GK1102890SQ94106759
公开日1995年5月24日 申请日期1994年7月2日 优先权日1994年7月2日
发明者周云飞, 周济, 周祖德, 李国其, 曾祥林, 周艳红, 刘延巍 申请人:华中理工大学