五轴加工实时刀具路径光顺与进给速度规划方法研究

发布时间：2020-06-22 05:50

【摘要】：高端五轴数控系统是加工国防和运输等行业中复杂曲面类零件的关键装备,直接影响着加工精度和加工效率。为实现高精高效加工,数控系统的首要任务是实时生成光滑高效的刀具运动。目前,商业数控系统中广泛采用的仍是线性格式的刀具路径,使用的进给速度却越来越高。线性路径在转角处切向不连续,为减小速度波动和保证加工精度,数控系统通常以远低于指令值的进给速度通过转角。这会导致机床各轴频繁的加减速运动,因而严重制约了高速加工的效率和质量。为提高加工精度和效率,需从刀具路径光顺和进给速度规划等方面研究如何生成光滑高效的运动。已有研究主要集中于三轴加工,且存在以下不足:路径光顺方面,刀轴方向误差无法直接控制,刀尖点和刀轴方向路径的参数难以解析同步;进给速度规划方面,常用的低阶速度曲线在高速运动中会对机床结构造成冲击,前瞻进给速度规划算法需低效地序列扫描规划单元,尚缺同时考虑刀尖点平动和刀轴转动约束的五轴进给速度实时规划方法。针对上述问题,按照从三轴到五轴、从路径光顺到速度规划的思路,本文从参数曲线轨迹生成、前瞻速度规划、五轴路径转接光顺和五轴速度实时规划四个方面开展了深入研究。提出了一种高阶时间律,使进给速度在参数曲线各路径单元内部高阶连续;提出了一种修正的前瞻规划算法和一种并行扫描算法,保证了进给速度在多条路径单元的跨段处连续;提出了一种五轴路径解析转接光顺方法,可得到G~2连续的参数曲线路径;提出了一种五轴速度实时规划算法,可满足刀尖点和刀轴的运动学约束。本文的主要研究内容和成果归纳如下:1.提出了一种使用正弦级数表达跃度函数的时间律形式。通过取级数系数为等比数列,该时间律的速度、加速度和跃度函数均可由单条解析表达式描述,比分段多项式形式的时间律表达便捷;通过优化等比数列的公比,该时间律规划后的运动效率相比于三角函数时间律有10.9%以上提升,且达到了多项式时间律的95.4%以上。同时,提出一种参数曲线的整体插补方法。通过在速度、加速度和跃度函数上整体采样,所提插补方法避免了各路径单元内部的弧长误差补偿。使用整体插补后,根据参考位置差分得到的各轴速度和各轴加速度连续。曲线跟踪实验表明,所提时间律可在保证轮廓误差相当的条件下显著提高运动效率。2.揭示了加速过程中时间律的两条性质:(1)当运动学约束对称时,加速位移为加速时间和始末速度均值的积;(2)若存在一条加速时间律,当末端速度减小时,一定存在另一条时间律。在此基础上,提出了一种可使用高阶时间律的修正前瞻速度规划方法和一种并行双向扫描算法。由于加速过程中位移并非一定关于始端速度单调递减,传统的前瞻速度规划方法在使用高阶时间律时,得到的速度曲线可能存在跳变;使用所提修正算法后,无论前瞻段数的大小如何,进给速度均全局连续。前瞻速度规划需使用双向扫描算法序列地扫描规划单元,扫描效率低;对规划单元分组后,并行扫描算法可同时扫描各组内的单元,在四核CPU上可提高扫描效率3.7倍。3.提出了一种解析的五轴转接光顺算法。该方法可在工件坐标系直接控制刀轴方向的光顺误差,并可解析同步刀尖点和刀轴方向路径的曲线参数。通过先在刀轴方向的转角插入三次B样条,后将光顺曲线投影到单位球面S~2,实现了对刀轴方向误差的准确控制。通过将余留线段转变为三次B样条,实现了刀尖点和刀轴方向路径参数的解析同步。相比于在机床坐标系下的光顺方法,所提方法在光顺中,无需运动学变换,计算效率提高了34.0%,可准确地控制刀轴方向误差。自主搭建的五轴平台上的实验表明,使用所提光顺方法后,在运动时间不变的情况下,各轴加速度最多可减小28.0%。4.提出了一种刀尖点平动和刀轴转动的实时同步规划方法。该方法可满足工件坐标系下的刀尖点和刀轴的速度、加速度和跃度等约束;通过在局部将各轴约束映射至工件坐标系,也可以考虑各轴的运动学约束。对于一条含16个刀位点的五轴刀具路径,所提方法可在0.5ms完成速度规划,满足数控系统的实时性要求。该方法包括两步:首先分别规划刀尖点和刀轴的运动,然后同步刀尖点和刀轴的运动时间。相比于使用参数同步的五轴进给速度规划方法,所提方法可保证各轴速度、加速度在给定约束附近,且可减小路径光顺后转接曲线部分的各轴加速度达97.2%。使用所提路径光顺和速度同步规划算法后,相比线性刀具路径,两个算例的运动效率分别提高了38.4%和84.2%。最后,集成各章算法,形成了一套五轴光滑高效轨迹实时生成的算法系统。在自主搭建的五轴平台上开展实验,结果表明该算法系统在开放式数控系统中可实时规划进给速度;在商业数控系统上的加工实验表明,该算法系统可根据各轴性能离线优化进给速度。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG659

【参考文献】