CN102528553A - 五轴联动数控铣床伺服动态参数快速调整方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及五轴联动数控铣床伺服动态参数快速调整方法，包括如下步骤：步骤1：设定数控铣床的动态因素量值计算得到数控铣床各个运动轴的实际运动轨迹；步骤2：根据各个运动轴的实际运动轨迹，计算得到数控铣床刀具的实际运动轨迹；步骤3：根据数控铣床刀具的实际运动轨迹，计算得到铣削工件成形点的位置轨迹；步骤4：根据步骤3得到的铣削工件成形点的位置轨迹，计算得到铣削工件成形面的轨迹；步骤5：根据步骤4得到的铣削工件成形面的轨迹和工件理想型面数据，计算得到工件的铣削精度；步骤6：如果工件的铣削误差在零件允许的范围内，则不需要调整数控铣床的动态因素量值。本发明的有益效果是：具备更好的精度控制效果和工作效率。

Description

五轴联动数控铣床伺服动态参数快速调整方法
技术领域
本发明属于五轴联动数控机床制造领域，尤其涉及大型结构件的五坐标轴机床铣削加工技术领域。
背景技术
五轴联动数控机床是指在一台机床上有五个运动轴，包括三个直线轴和两个旋转轴，数控机床各轴在计算机数控系统的控制下按一定的速度同时到达某一个设定的点，协调运动进行加工，五轴联动数控铣床多用于加工复杂曲面零件或者大型结构件。由于五轴联动数控铣床在使用过程中机械、电气系统存在耦合和匹配性问题，对于数控机床的伺服动态参数调整较为复杂；另一方面由于无法预计参数调整后对零件加工精度的影响，目前的机床调整通常采用传统的试切-调整-再试切的循环方法，直到满足零件精度要求。因此，机床参数调整的盲目性较大，缺乏科学指导，调整周期长，生产效率低，尤其对于大型件的试切成本更高，极大浪费了生产力。
由于企业对生产效率和零件精度控制的需求，基于加工精度评判机床伺服动态参数调整后对零件切削产生的影响，成为一技术要点。由此改变机床的动态伺服参数即可预知不同条件下的铣削工件加工精度，从而为机床的快速调整提供依据。
发明内容
本发明的目的提高五轴联动数控机床伺服控制动态参数的调整效率，提出了五轴联动数控铣床伺服动态参数快速调整方法。
本发明的内容是：五轴联动数控铣床伺服动态参数快速调整方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：步骤1：设定数控铣床的动态因素量值(位置环增益Kp、速度环增益Kv、加速度a、加加速度
Figure BDA0000134056040000011
)，输入数控铣床的工件加工程序，计算得到数控铣床各个运动轴(X，Y，Z，A，B)的实际运动轨迹；
步骤2：根据步骤1得到的数控铣床各个运动轴(X，Y，Z，A，B)的实际运动轨迹，计算得到数控铣床刀具的实际运动轨迹；
步骤3：根据步骤2得到的数控铣床刀具的实际运动轨迹，计算得到铣削工件成形点的位置轨迹；
步骤4：根据步骤3得到的铣削工件成形点的位置轨迹，计算得到铣削工件成形面的轨迹；
步骤5：根据步骤4得到的铣削工件成形面的轨迹和工件理想型面数据，计算得到工件的铣削精度；
步骤6：如果工件的铣削误差在零件允许的范围内，则不需要调整数控铣床的动态因素量值，否则由机床操作人员根据实际经验，调整数控铣床的动态因素量值，按照步骤1到步骤5的过程计算出工件铣削的精度，直到在零件允许的范围内。
本发明的有益效果是：本发明将机床伺服调整的动态因素和现有机床的静态因素精度相结合，用于产生刀具的实际位置和姿态，由包络理论构建零件铣削的实际成形点，由曲面造型理论得到零件铣削的精度，最终由铣削精度评判机床的伺服动态参数。相对于现有技术依靠经验调整或者采用调整-试切-再调整的方法，具有系统而科学的调整方法，具备更好的精度控制效果和工作效率。同时本方法可以实现大型零件铣削加工的精度预估，为零件切削前提供精度保障。
附图说明
图1本发明的实现主流程图。
图2本发明实施例的数控机床运动轴基本环节。
图3本发明实施例的铣削圆柱工件刀具运动轨迹。
图4本发明实施例的铣削S曲面工件刀具运动轨迹。
图5本发明实施例的铣削圆柱工件成形点位置轨迹。
图6本发明实施例的铣削S曲面成形点位置轨迹。
图7本发明实施例的铣削圆柱工件成形面轨迹。
图8本发明实施例的铣削S曲面工件成形面轨迹。
图9本发明实施例的机床调整示意图。
具体实施方式
下面结合附图1和具体实施例详细描述本发明的具体实施过程五轴联动数控铣床伺服动态参数快速调整方法，包括如下步骤：
步骤1：设定数控铣床的动态因素量值(位置环增益Kp、速度环增益Kv、速度a、加加速度
Figure BDA0000134056040000021
)，输入数控铣床的工件加工程序，计算得到数控铣床各个运动轴(X，Y，Z，A，B)的实际运动轨迹；
数控铣床的运动轴可表示为X，Y，Z三个方向的直线轴以及A，B，C三个方向的旋转轴，A、B、C分别表示绕X，Y，Z直线轴旋转的旋转轴，五轴数控铣床包括X，Y，Z三个方向的直线轴和A、B、C三个旋转轴中的任意两个，本实施例中以X，Y，Z，A，B五轴机床为例。如图2所示，数控铣床运动轴包括了位置环、速度环、电机环、机械环基本环节，通过设定数控铣床的动态因素量值，输入数控铣床的工件加工程序，由计算得到各运动轴的实际运动轨迹，工件放置在由加工程序指定的工件坐标系下。
步骤2：根据步骤1得到的数控铣床各个运动轴(X，Y，Z，A，B)的实际运动轨迹，计算得到数控铣床刀具的实际运动轨迹。
本步骤中，各运动轴的实际运动轨迹经多体运动学计算得到末端数控铣床刀具的实际运动轨迹，实际运动轨迹包括刀具中心点的位置轨迹和刀具中心点的方向向量轨迹两部分。
本实施例中，以图3所示的圆柱形工件为例，数控铣床刀具的实际运动轨迹包括虚线表示的刀具中心点位置轨迹和点划线表示的刀具中心点方向向量轨迹，刀具中心点的理想位置轨迹由圆组成。
以图4所示的S曲面工件为例，数控铣床刀具的实际运动轨迹包括虚线表示的刀具中心点位置轨迹和点划线表示的刀具中心点方向向量轨迹，刀具中心点的理想位置轨迹由实线曲线组成。
步骤3：根据步骤2得到的数控铣床刀具的实际运动轨迹，计算得到铣削工件成形点的位置轨迹。
本步骤中，由于刀具铣削半径的存在，步骤2中得到刀具中心点的位置轨迹需要由包络理论计算得到铣削工件成形点的位置轨迹。铣削工件成形点的位置轨迹可以由以下三个公式联立计算得到：
(x-x0)2+(y-y0)2+(z-z0)2＝R2                           (1)
(x-x0)I+(y-y0)J+(z-z0)K＝0                            (2)
(x-x0)(x′0-x0)+(y-y0)(y′0-y0)+(z-z0)(z′0-z0)＝0    (3)
公式(1)-(3)中x，y，z表示铣削工件成形点的位置轨迹，x0，y0，z0表示刀具中心点的位置轨迹，I，J，K表示刀具中心点的方向向量轨迹，x′0，y′0，z′0表示前一时刻刀具中心点的位置轨迹。本实施例中，公式(1)表示铣削工件成形点的位置轨迹在刀具中心点的半径圆上，公式(2)表示铣削工件成形点的位置轨迹与刀具中心点的方向向量垂直，公式(3)表示铣削工件成形点的位置轨迹与前后时刻刀具中心点的方向向量垂直。由此，输入数控铣床刀具的实际运动轨迹包括刀具中心点的位置轨迹和刀具中心点的方向向量轨迹，可以得到铣削工件成形点的位置轨迹。
本实施例中，以图5所示的圆柱工件为例，虚线表示的刀具中心点实际位置轨迹，围绕虚线轨迹的圆表示运动过程中刀具的铣削圆，内波动实线表示由公式(1)-(3)计算得到的铣削工件成形点的位置轨迹。
以图6所示的S形工件为例，虚线表示的刀具中心点实际位置轨迹，围绕虚线轨迹的圆表示运动过程中刀具的铣削圆，内波动实线表示由公式(1)-(3)计算得到的铣削工件成形点的位置轨迹。
步骤4：根据步骤3得到的铣削工件成形点的位置轨迹，计算得到铣削工件成形面的轨迹。
本步骤中，输入铣削工件成形点的位置轨迹，沿刀具中心点的方向向量轨迹拉伸至铣削层高，可以得到铣削工件成形面的轨迹。
本实施例中，在图7所示的圆柱工件为例，铣削工件成形点的位置轨迹沿刀具中心点方向向量轨迹拉伸，可以得到铣削圆柱工件成形面轨迹。
在图8所示的S形工件为例，铣削工件成形点的位置轨迹沿刀具中心点方向向量轨迹拉伸，可以得到铣削S曲面工件成形面轨迹。
步骤5：根据步骤4得到的铣削工件成形面的轨迹和工件理想型面数据，计算得到工件的铣削精度。
本步骤中，工件理想型面数据由加工工件的数学模型在指定的工件坐标系下得到，该工件坐标系由步骤1中的加工程序指定。将铣削工件成形面的轨迹与工件理想型面数据在对应点坐标相减，计算得到工件各个点的位置误差，即工件的铣削误差。
步骤6：如果工件的铣削误差在零件允许的范围内，则不需要调整数控铣床的动态因素量值，否则由机床操作人员根据实际经验，调整数控铣床的动态因素量值，按照步骤1到步骤5的过程计算出工件铣削的精度，直到在零件允许的范围内，由此给出数控铣削机床动态因素量值的快速调整方案。
如图9所示的具体步骤，由计算得到的工件铣削误差，若各个点的位置误差小于或等于零件允许范围，则不需要调整机床，若各个点的位置误差大于零件允许范围，则按经验调整数控铣床的动态因素量值(位置环增益Kp、速度环增益Kv、加速度a、加加速度
Figure BDA0000134056040000041
)，由步骤1-5一直循环计算工件新的铣削精度，直到各个点的位置误差小于或等于允许范围。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.五轴联动数控铣床伺服动态参数快速调整方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：步骤1：设定数控铣床的动态因素量值(位置环增益Kp、速度环增益Kv、加速度a、加加速度
Figure FDA0000134056030000011
)，输入数控铣床的工件加工程序，计算得到数控铣床各个运动轴(X，Y，Z，A，B)的实际运动轨迹；
步骤2：根据步骤1得到的数控铣床各个运动轴(X，Y，Z，A，B)的实际运动轨迹，计算得到数控铣床刀具的实际运动轨迹；
步骤3：根据步骤2得到的数控铣床刀具的实际运动轨迹，计算得到铣削工件成形点的位置轨迹；
步骤4：根据步骤3得到的铣削工件成形点的位置轨迹，计算得到铣削工件成形面的轨迹；
步骤5：根据步骤4得到的铣削工件成形面的轨迹和工件理想型面数据，计算得到工件的铣削精度；
步骤6：如果工件的铣削误差在零件允许的范围内，则不需要调整数控铣床的动态因素量值，否则由机床操作人员根据实际经验，调整数控铣床的动态因素量值，按照步骤1到步骤5的过程计算出工件铣削的精度，直到在零件允许的范围内。
2.根据权利要求1所述的五轴联动数控铣床伺服动态参数快速调整方法，其特征在于，所述步骤3中铣削工件成形点的位置轨迹可以由以下三个公式联立计算得到：
(x-x0)2+(y-y0)2+(z-z0)2＝R2；
(x-x0)I+(y-y0)J+(z-z0)K＝0；
(x-x0)(x′0-x0)+(y-y0)(y′0-y0)+(z-z0)(z′0-z0)＝0；
上述公式中x，y，z表示铣削工件成形点的位置轨迹，x0，y0，z0表示刀具中心点的位置轨迹，I，J，K表示刀具中心点的方向向量轨迹，x′0，y′0，z′0表示前一时刻刀具中心点的位置轨迹；第一个公式表示铣削工件成形点的位置轨迹在刀具中心点的半径圆上，第二个公式表示铣削工件成形点的位置轨迹与刀具中心点的方向向量垂直，第三个公式表示铣削工件成形点的位置轨迹与前后时刻刀具中心点的方向向量垂直；由此，输入数控铣床刀具的实际运动轨迹包括刀具中心点的位置轨迹和刀具中心点的方向向量轨迹，可以得到铣削工件成形点的位置轨迹。
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