一种基于曲线光滑变形的数控加工进给率规划方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于曲线光滑变形的数控加工进给率规划方法，属于数控加工技 术领域。
【背景技术】
[0002] 数控机床已广泛应用于复杂曲面零件的数控加工，进给率规划作为数控加工的 关键环节，对高质量、高效率和低成本完成复杂工件的数控加工起着重要作用。由于笛卡尔 空间和节点空间存在非线性关系，目前适用于五轴数控加工的进给率规划方法十分有限。 现有文献对进给率曲线的光顺性关注不够，进给率过度波动问题没有得到有效的控制。因 此，在实现进给率自适应定制的同时保证进给率曲线的光顺性仍是有待解决的问题，并具 有重要的意义。
[0003] 经对现有技术的文献检索发现，有关五轴数控加工进给率规划方法的研究有 Wei Fan 等的 "Time-optimal interpolation for five-axis CNC machining along parametric tool path based on linear programming' International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2013, 69 (5-8): 1373-1388.论文以获得最短加工 时间为目标函数，以弦高差、机床最大速度、机床各轴最大加速度和跃度作为约束条件，构 建线性约束优化模型用于进给率规划。Sencer B等在其论文"Feed optimization for five-axis CNC machine tools with drive constraints'，?International Journal of Machine Tools&Manufacture, 2008, 48:733 - 745.中以获得最短加工时间为目标函数，以 机床各轴最大速度、加速度和跃度为约束条件，构建非线性约束优化模型用于进给率规划。 上述进给率规划方法均采用约束优化模型，本发明着重考虑进给率曲线的形态和光顺性， 在常规误差控制的曲线变形基础上，形成了基于曲线光滑变形的数控加工进给率规划方 法。
【发明内容】
[0004] 本发明针对现有技术的不足，提供一种基于曲线光滑变形的数控加工进给率规划 方法。该方法首先将进给率约束条件分为两类，即：1.邻域无关（Neighbor-independent， NI)约束，此类约束只与进给率本身有关，与进给率曲线的微分性质无关，如弦高差约束和 分轴速度约束等。对于此类约束，只需针对初始进给率曲线，计算出约束超差点的进给率更 新值，通过一次曲线光滑变形，便可得到邻域无关（NI)约束下的进给率曲线。2.邻域相关 (Neighbor-dependent, ND)约束，此类约束的进给率满足条件计算，不仅涉及到进给率本 身，而且涉及到其微分性质。邻域相关（ND)约束包括分轴加速度和分轴跃度约束等。对于 此类约束，需结合比例调节算法计算约束超差区域的进给率更新值，并通过对目标进给率 曲线的多次光滑变形，得到邻域相关（ND)约束下的最终进给率曲线。
[0005] 本发明采用的技术方案是：一种基于曲线光滑变形的数控加工进给率规划方法将 进给率约束分为邻域无关约束（NI约束）和邻域相关约束（ND约束），首先，将工艺要求的 最大进给率设定为初始进给率直线后，通过一次曲线光滑变形得到邻域无关约束的进给率 曲线，进而，结合比例调节算法，通过多次曲线光滑变形得到邻域相关约束的进给率曲线， 该进给率规划方法，在单纯几何逼近误差约束的曲线变形基础上加入光顺项，得到的进给 率曲线具有更好的光顺性，规划方法包括以下步骤：
[0006] 步骤一、预处理：参数曲线表示曲面加工路径，确定采样点位置及个数，求解机床 各轴运动轨迹；
[0007] 步骤二、初始进给率直线生成：将设定的刀尖点最大进给率允许值作为采样点处 的初始进给率值，构造初始进给率直线；
[0008] 步骤三、邻域无关约束下的进给率曲线生成，包括以下步骤：
[0009] (a)计算各采样点处弦高差约束和分轴速度约束下的最大进给率允许值；
[0010] (b)结合刀尖点最大进给率允许值，确定邻域无关约束下进给率曲线的超差区域， 并计算超差点处进给率更新值；
[0011] (C)运用曲线光滑变形，将进给率曲线从原始位置光滑变形到目标位置，得到邻域 无关约束下的进给率曲线；
[0012] 步骤四、邻域相关约束下的进给率曲线生成，包括以下步骤：
[0013] (a)根据当前生成的进给率曲线，计算各采样点处的分轴加速度值和分轴跃度 值；
[0014] (b)结合设定的分轴加速度极限值和分轴跃度极限值，确定邻域相关约束下进给 率曲线的超差区域；
[0015] (c)所有超差点对应的进给率值乘以一个相同的比例调节系数，得到超差点处新 的进给率值，进一步得到超差点处新的分轴加速度值和分轴跃度值；
[0016] (d)运用曲线光滑变形方法，将进给率曲线从原始位置光滑变形到目标位置，得到 新的进给率曲线；
[0017](e)重复步骤四中的步骤（a)、（b)、（c)和（d)，直至进给率曲线满足邻域相关约 束，得到邻域相关约束下的进给率曲线，完成进给率规划。
[0018] 本发明的有益效果是：该基于曲线光滑变形的数控加工进给率规划方法将进给 率约束分为邻域无关（NI)约束和邻域相关（ND)约束。首先，将工艺要求的最大进给率设 定为初始进给率直线后，通过一次曲线光滑变形得到NI约束的进给率曲线。进而，结合比 例调节算法，通过多次曲线光滑变形得到ND约束的进给率曲线。该进给率规划方法，在单 纯几何逼近误差约束的曲线变形基础上加入光顺项，由此得到的进给率曲线具有更好的光 顺性，最大限度消除了进给率曲线的波动，以保证加工过程的平稳。减少了机床加工振动、 保证机床加工平稳和提高零件加工精度的目的，对于提高加工效率和加工质量具有显著意 义。
【附图说明】
[0019] 图1为本发明方法的流程示意图。
[0020] 图2为没有光顺项的曲线变形图。
[0021] 图3为光顺因子较小的曲线光滑变形图。
[0022] 图4为光顺因子较大的曲线光滑变形图。
[0023] 图5为实施例五轴侧铣加工路径示意图。
[0024] 图6为NI约束下的进给率曲线图。
[0025] 图7为NI和ND约束下的进给率曲线图。图7中，X轴表示参数u值，Y轴表示进 给率值，单位为mm/s。
[0026] 图8为进给率规划完成后的平动轴加速度图。图8中，X轴表示参数u值，Y轴表 示平动轴加速度值，单位为mm/s2。
[0027] 图9为进给率规划完成后的旋转轴加速度图。图9中，X轴表示参数u值，Y轴表 示旋转轴加速度值，单位为rad/s2。
[0028] 图10为进给率规划完成后的平动轴跃度图。图10中，X轴表示参数u值，Y轴表 示平动轴跃度值，单位为mm/s 3。
[0029] 图11为进给率规划完成后的旋转轴跃度图。图11中，X轴表示参数u值，Y轴表 示旋转轴跃度值，单位为rad/s 3。
[0030] 图12为进给率规划完成后的直线轴速度图。图12中，X轴表示时间，单位为s ;Y 轴表示平动轴速度值，单位为mm/s。
[0031]图13为进给率规划完成后的旋转轴速度图。图13中，X轴表示时间，单位为s ;Y 轴表示旋转轴速度值，单位为rad/s。
[0032] 图14为实际加工的平动轴速度图。图14中，X轴表示时间，单位为s ;Y轴表示平 动轴速度值，单位为mm/s。
[0033] 图15为实际加工的旋转轴速度图。图15中，X轴表示时间，单位为s ;Y轴表示旋 转轴速度值，单位为rad/s。
【具体实施方式】
[0034] 下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步详细说明。
[0035] 本发明提出的基于曲线光滑变形的数控加工进给率规划方法的流程如图1所示。
[0036] 首先将曲面加工路径用参数曲线表示；沿加工路径根据曲线曲率的大小分布确定 采样点位置，进而确定采样点个数；对给定的参数表达路径，经机床运动学反解，得到机床 各轴运动轨迹；将设定的刀尖点最大进给率允许值作为采样点处的初始进给率值，构造初 始进给率直线；根据设定的NI约束值确定NI约束下的进给率值，采用一次曲线光滑变形， 得到NI约束下的进给率曲线；计算该曲线各采样点处的分轴加速度值和分轴跃度值，并与 设定的ND约束值比较，判断超差区域；运用等比例调节算法重新确定超差点处的进给率 值，使各约束值约束下的加速度和跃度值同向减小，再利用曲线光滑变形方法