数控预插补信息逆向驱动的刀路自适应优化研究

发布时间：2020-05-15 21:57

【摘要】：复杂曲面零件在航空航天、军工、汽车、医疗等重要领域有着广泛的应用。复杂曲面的高速高精加工是各国高端制造能力的体现,是数字化加工的技术前沿。随着计算机技术的发展,各类CAM/CNC技术为多轴复杂曲面加工提供了技术支撑。然而当前主流的数控软件系统之间的运作模式仍然存在着不少缺陷,现有加工流程机制上并不合理,阻碍了加工质量和效率的提升。尤其在五轴曲面加工中,CAM系统和CNC系统之间运行相对独立,通常在CAM中以静态标准生成刀具路径文件,CNC系统只能接收既有刀路文件实现插补加工。事实上,在五轴机床曲面加工中,刀路的形貌和工件的安装位置的因素都会影响插补进给速度曲线,进而影响加工效率。然而现有曲面加工流程中,由于缺少CNC系统到CAM系统的信息反向互通机制,导致CNC下游的信息无法传递回上游,CAM无法修改或优化既有代码。本论文在积极借鉴已有研究成果的前提下,从当前曲面加工机制的不足出发,提出了从CNC系统到CAM系统的逆向反馈机制,通过传递下游插补速度规划评价的信息,辅助上游系统优化修改刀具路径,提升加工效率,充分发挥机床性能。论文的主要研究内容成果归纳如下:首先,针对当前CAM/CNC系统之间运行相对独立的问题,提出了衔接CAM/CNC系统的逆向反馈机制,拟打破传统CAM系统和CNC系统之间的单向信息流,建立从CNC系统到CAM系统的双向信息传递通道,将下游插补层的速度规划信息反馈给上游的CAM系统。CAM系统通过分析反馈信息,调整局部刀路或者更改刀路生成策略,最终通过逆向反馈机制的选择评价功能选择一组效率最优刀路生成。在衔接CAM/CNC系统时,刀路效率是重要的评价指标,而速度规划方法是效率评价的基础。针对当前多数速度规划方法没有考虑各轴动力学极限的问题,提出了满足机床动力学性能约束的进给速度规划方法,规划匹配伺服控制机电特性的进给速度曲线,提高进给系统的平稳性。该方法首先基于机床动力学模型,将刀路轨迹姿态分解到各轴上,获取各运动轴在进给过程中的位移曲线。考虑各轴的动力学特性(速度、加速度、加加速度等)极限值,结合位移曲线求解进给速度可行域。根据刀路弧长在进给速度可行域中对应的名义进给速度,通过样条曲线逼近可行域边界曲线,获得满足机床性能的效率最优进给曲线。该方法可确保进给速度曲线达到低阶连续的情况下,严格保证各轴速度曲线分量达到各轴动力学性能所要求的高阶连续,使速度指令不会超过伺服轴饱和极限,以提高伺服跟踪性能,确保加工过程平稳性。进而,针对三轴加工中刀路形貌对速度规划的影响问题,提出了基于低速敏感区域逆向反馈的三轴刀路规划方法。首先通过预插补获取待加工曲面上的低速敏感区域,CAM系统根据低速敏感区域局部调整刀路轨迹。最后,系统对不同的调整方案下的整体加工时间进行评估,选择效率最优的刀路生成方案。该方法首先根据加工残高要求,在曲面表面建立起满足加工精度的限残高网格。然后基于曲面几何属性,通过满足机床动力学性能约束的进给速度规划方法求出限残高网格节点上的名义进给速度,同时在参数域上搜寻到低速区域。最后用最小包络矩形将相邻的低速点包络起来,所得到的区域即低速敏感区域。加工刀路将根据速敏感区域进行规划调整。此过程反复迭代优化,直到刀路加工效率性能实现最优或者满足预设要求,然后将优化后的刀路发送给实时插补模块。将逆向反馈机制应用从三轴曲面加工拓展至五轴曲面加工,针对五轴曲面加工中等残高路径既定前提下刀具姿角对进给速度规划的限制问题,提出了基于C-Space空间映射反馈的五轴曲面路径刀具姿角优化方法。该方法首先在曲面上生成等残高加工路径。根据刀路轨迹和曲面几何属性获得刀具进给时的姿态变化,并将刀具姿态映射到C-Space空间中。通过对原始刀路进行速度规划,找到C-Space曲线上相应的低速区域,以此为反馈信息传递给CAM系统。CAM系统通过修改优化C-Space曲线优化刀具位姿。最后反算修改后的刀位点信息,重新规划速度曲线,提升加工效率。进而,针对五轴曲面加工中旋转轴在大曲率区域对进给速度曲线的干扰问题,提出了旋转位移敏感特征钳制下的五轴刀路反馈优化,生成符合机床运动特性的五轴加工刀路轨迹。该方法首先在曲面参数域建立等参数网格,将旋转轴在曲面上的位移与等参数网格建立起映射关系,从而将曲面参数域划分成若干子区域。子区域的轮廓将作为反馈信息传递给CAM系统。刀路规划阶段,在同一子区域内可以采用合适的策略进行刀路规划,以提升加工效率。最后,基于逆向反馈机制生成的曲面优化刀路,设计了机加工验证实验。首先通过实验比较工件安装位置对加工效率的影响,进而对比静态标准刀路文件与通过逆向反馈机制优化后的刀路文件在实际加工中的效率差异,验证了逆向反馈机制的合理性和有效性。
【图文】：

拓扑图,典型刀具,拓扑,路径

逦（ｂ）凸面逦（ｃ）凹面逡逑图１．２曲面加工残高计算模型逡逑由于五轴加工增加了两个额外的旋转轴，其刀路规划的复杂性在于不仅要考虑刀具参逡逑考点的轨迹，还需要考虑刀具在扫掠曲面时的姿态。为描述刀具在五轴加工时的姿态，通逡逑常在曲面局部建立起局部坐标系（ＬｏｃａｌＣｏｏｒｄｉｎａｔｅ邋Ｓｙｓｔｅｍ，ＬＣＳ）。局部坐标系也称作曲面的逡逑局部标架，是根据曲面局部固有几何性质生成的［３９，４Ｑ］。刀具的姿态可以在局部坐标系中通逡逑过旋转角（ＲｏｔａｔｉｏｎＡｎｇｌｅ）和侧倾角（ＴｉｌｔＡｎｇｌｅ）来定义。旋转角定义为刀轴在ＸＯＹ平面内绕逡逑０点逆时针旋转的转角，记作卩。此时将刀轴旋转后的矢量记作瓦。在Ｚ轴和瓦，组成的逡逑５逡逑

齐次坐标,控制网格,控制顶点,曲面

Ｐ（Ｕ＇＂）＝逦（２．５）逡逑其中控制点｛Ｐｊ形成了有两个方向的控制网格（如图２．７（ａ）所示），｛ｗ；｝是与顶点逡逑联系的权因子，｛Ａ／；，ｐ（Ｘ）｝和｛Ａ／＾Ｏ）｝分别是定义在节点矢量Ｕ和Ｖ上的非有理Ｂ样条基函数，逡逑由德布尔递推公式决定。有理基函数表示引入分段有理基函数：逡逑ｉｗ邋、－逦叫，ｐ邋⑷？ＯＭ－，；逡逑ｕ（ｕ，ｌ７）＿邋ｒｋ＝0ｉＴ＝0Ｎｋ，Ｐｃ＾Ｎｉ．＾＞ｕ逦（２．６）逡逑则公式（２．５）可以改写为公式（２．７），可以注意到公式（２．７）并不是两个单变量函数的乘积，所逡逑以，一般地，ＮＵＲＢＳ曲面不是张量积曲面。逡逑ｎ邋ｍ逡逑ｐ（ｕ，ｖ）邋＝邋＾邋＾邋ｖ）Ｐｉｊ逦（２．７）逡逑ｉ＝0邋ｊ＝0逡逑根据公式（２．７）可得知，，既可以通过移动控制点，也可以通过改变权因子的方法来局部逡逑修改ＮＵＲＢＳ曲面的形状。定性地说：若（ｕＭｅ＾Ｕｆ＋ｐ＋ｄｘ＾Ｖｈ＋Ｊ
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG659

【参考文献】