在五轴联动过程中,刀路轨迹的好坏直接影响到零件的加工效果。由于目前CNC系统普遍采用线性插补技术,刀具轨迹采用线性线段描述,这导致在节点处切向不连续,影响刀具的运动姿态,从而降低了曲面的制造精度。本文的目的是优化局部刀具轨迹,使刀具在线段连接部位平滑过渡,具体实施方法是:通过三次方B样条曲线在相邻线段构造新的控制点,这样能够满足刀具在拐角处2阶连续,保证刀具平滑过渡。实验证明,该方法可以提高五轴机床在复杂曲面上的制造精度。 In the process of the five-axis linkage, the path of the tool directly affects the machining effect of the parts. Since the linear interpolation technique is widely used in the CNC system, the tool path can be described by a linear segment, which causes the cutting direction of the nodes to be incontinuous at the nodes. The purpose of this paper is to optimize the local tool path so that the cutting tool in the line segment connecting part can transit smoothly, and the specific implementation of the method is to construct a new control point by the Cubic B-spline curve in the adjacent segment. This can meet the 2-order continuousness in the corner of the cutting tool to ensure the smooth transition of the tool. Experiments show that this method can improve the accuracy of five-axis machine tools on complex surface.
吴志清
广州工程技术职业学院,广东 广州
收稿日期:2017年4月7日;录用日期:2017年4月27日;发布日期:2017年4月30日
在五轴联动过程中,刀路轨迹的好坏直接影响到零件的加工效果。由于目前CNC系统普遍采用线性插补技术,刀具轨迹采用线性线段描述,这导致在节点处切向不连续,影响刀具的运动姿态,从而降低了曲面的制造精度。本文的目的是优化局部刀具轨迹,使刀具在线段连接部位平滑过渡,具体实施方法是:通过三次方B样条曲线在相邻线段构造新的控制点,这样能够满足刀具在拐角处2阶连续,保证刀具平滑过渡。实验证明,该方法可以提高五轴机床在复杂曲面上的制造精度。
关键词 :五轴联动,刀具轨迹,优化,三次B样条,控制点
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五轴联动加工中涉及到很多关键技术,其中最重要的一点就是刀具路径的策略问题。一般情况下,加工中刀具路径策略是决定性的,越均匀流畅的刀具轨迹,会得到越光顺、表面质量越高的零部件;如果刀具路径比较复杂,机床的轴运动呈现不连续性且进给速度不断变化,就会引起五轴联动加工过程中走刀不均匀,造成零件表面缺陷。
然而目前的数控系统中,一般都采用线性插补的模式。要想得到精确的轮廓形状,只能减小插补公差,添加大量的数据点。但是,由于机床CNC控制系统的运算限制,虽然能在一定程度上提高型面的制造精度,但是由于系统处理的数据巨大,伺服驱动在大量微线段间频繁的启动和加速会造成刀具在该部位产生不连续的现象,造成局部过切现象。
在传统的五轴加工中,线性轨迹的加工,由于线性轨迹间存在刀具不连续性,影响了零件加工精度,造成了过切现象问题,其常用的解决方法都是采用降低进给速度,或者通过一圆角过渡来避免刀具的过切现象。本文的目的是提出一种局部优化方法,在矢量变化剧烈部位,通过在相邻线性刀具轨迹插入三次标准的B样条来控制刀具位置 [
位置控制点的三次方B样条方程可以有以下公式来定义,通过样条方程基函数
根据公式(2)和(3)可以求得
如图1所示,设
为了在连接点
微分位置矢量D(U)在节点处的三次B样条的二阶导数等于其线性轨迹。
公式(6)成立的条件为:
设位置轨迹矢量
从公式(7)看出,当
图1. 控制点计算方法
值,可得:
设
当样条参数
根据该样条曲线的公式(1),最大轮廓容差恰好在圆滑曲线的中点u = 0.5处。那么有:
根据给定的轮廓容差,可以求出
最大的误差值必须小于设置的位置容差
求出五个控制点后,相应的刀轴矢量可以根据初始三个控制点
数控加工中由于各种因素会产生过切现象,比如,当程序指令中的圆弧半径小于切削刀具的半径时,如果进行内侧圆弧切削会产生过切;当加工小于刀具直径的沟槽时,如果槽底宽度小于刀具直径,在加工中刀会产生过切;当加工小于刀具半径的台阶时,刀容易产生过切;还有在线性轨迹中,由于线性轨迹间存在刀具不连续性,影响零件加工精度,也容易造成过切现象。
由于叶片零件具有独特的代表性,特别是在进出汽边曲率变化非常大,刀轴矢量的变化就非常剧烈,非常适合本案例的测试,通常情况下,叶片的进出汽边在常规加工中常常会产生过切现象 [
本文利用VERICUT7.0建立起双转台五轴机床的虚拟加工环境和刀具模型,在使用相同毛坯和刀具的基础下,分别对优化前后的NC程序进行仿真加工 [
最后,在BV100双转台五轴机床上进行了叶片的加工实验,来验证此优化算法的效果。如图4为叶片加工实物图,通过优化算法,在叶片进出汽边部位采用三次B样条替代原有的大量离散点数据,减少了机床控制系统的运算量,降低了伺服延滞的影响,大大减少了叶片边缘的过切现象,使叶片光顺性、误差值达到工程标准,说明该优化算法达到预期目标。
图2. 优化算法采用前图片
图3. 优化算法采用后图片
图4. 叶片实物图;(a) 叶片加工图;(b) 加工实物图
目前CNC系统普遍采用线性插补技术,刀具轨迹采用线性线段描述,这导致在节点处切向不连续,影响刀具的运动姿态,从而降低了曲面的制造精度。本文针对在线性轨迹中,由于线性轨迹间存在的刀具不连续性,影响了零件加工精度,造成了过切现象问题,因此提出一种三次方B样条的优化方法,并通过局部刀具控制点,圆滑过渡小圆角,解决了过切现象,最后通过以一叶片零件做了仿真和实际切削实验,验证了该优化算法的正确性。
广州市教育科学“十二五”规划2014年度课题(1201431361)。
吴志清. 五轴联动加工中局部轨迹优化方法Local Tool Path Optimization Method for Five-Axis Linkage in Machining[J]. 动力系统与控制, 2017, 06(02): 76-81. http://dx.doi.org/10.12677/DSC.2017.62010