CN103163837A - 一种面向五轴数控加工的刀具轨迹自适应管理系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于数控技术领域，具体说是一种面向五轴数控加工的刀具轨迹自适应管理系统及方法。本发明根据用户的加工需求，自适应管理模块控制刀具路径规划模块对待加工曲面选择相应的加工方式；将刀具路径规划信息送入高精插补计算模块和自适应管理模块；根据用户的加工需求和刀具路径规划信息，自适应管理模块控制高精插补计算模块选择相应的插补计算方式。本发明为模块化设计，可以满足多样化的加工需求，建立了专家系统数据库。
Description
技术领域
本发明属于数控技术领域，具体说是一种面向五轴数控加工的刀具轨迹自适应管理系统及方法。
背景技术
五轴数控加工刀具轨迹的生成过程可抽象为以下两个步骤：刀具轨迹规划和高精插补计算。传统的数控系统，首先要通过CAD软件对工件进行实体造型，并将工件的实体数据模型导入CAM软件中去进行刀具轨迹规划，由此产生刀位文件，然后将刀位文件送入数控系统中进行加工。传统的数控系统不具备刀具轨迹规划功能，在CAM向数控系统传输的过程中损失了大部分零件加工数据。此外，传统加工轨迹规划离不开技术人员的直接干预，对专家经验的过度依赖很大程度上制约了系统性能的提高。
数控加工追求的是高速、高精和高表面质量轮廓，但在实际加工中，这三方面是相互制约的，并不能同时达到最优。与此同时，不同的加工类型其侧重点也不同，如：粗加工追求最高的加工效率，半精加工追求高的加工精度，而精加工则追求光洁的加工表面。在实际加工中，数控系统需要针对具体工件的特殊质量需求，平衡速度，精度和表面精度之间的关系，为不同的加工类型设计不同的加工策略。因此，我们可以实现更为智能化的控制，并减轻机床操作者的工作。然而，国内现有的数控系统并不支持该功能，并存在以下问题：
·不同的加工类型和工件对加工的需求不同，而现有数控系统的速度规划算法较为单一，无法满足多样性的需求。
·现有大量加工参数需要在加工时手动设置，对操作人员的经验和技术要求较高，使得加工时难以达到机床的最优性能。
·现有大量加工参数需要在加工时手动设置，对操作人员的经验和技术要求较高，使得加工时难以达到机床的最优性能。现有对速度规划算法的研究大都仅考虑当前路径的速度平滑过渡，未考虑相邻轨迹间的关系，导致轨迹间相邻点速度差异较大，影响了加工表面的光洁度。
发明内容
为解决上述不足之处，本发明为解决该技术问题提供一种为不同加工类型分别设计一套适合的加工策略，实现路径规划模块与插补计算模块，建立自适应策略平台，提供加工参数的自适用调整的面向五轴数控加工的刀具轨迹自适应管理系统及方法。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种面向五轴数控加工的刀具轨迹自适应管理系统，将数控系统加工路径自适应管理系统划分为三个模块：
刀具轨迹规划模块，根据自适应管理模块的决策结果进行适合加工模式下的刀具轨迹规划；
高精插补计算模块，存储了数控加工需要的各种插补方法，通过自适应管理模块的决策实现插补算法的自动选择，完成加工路径的自动生成；
自适应管理模块，用于实现实时算法评估，CAD模型复杂度评估，代价计算，策略决策，资源调度，及人机交互等功能，可以根据用户的加工需求，调用刀具路径规划模块和高精插补计算模块，选择合适的刀具路径规划方法和插补计算方法，生成刀具加工轨迹。
一种面向五轴数控加工的刀具轨迹自适应管理方法，包括以下步骤：
根据用户的加工需求，自适应管理模块控制刀具路径规划模块对待加工曲面选择相应的加工方式；
将刀具路径规划信息送入高精插补计算模块和自适应管理模块；
根据用户的加工需求和刀具路径规划信息，自适应管理模块控制高精插补计算模块选择相应的插补计算方式。
所述自适应管理模块对曲面进行分析，将其与用户需求结合起来，建立复杂度，精度与速度的三方权重模型，选择相应的刀具路径规划方式。
所述刀具路径规划完成后，自适应管理模块针对完成路径规划后产生的加工路径，平衡复杂度、精度与速度要求，选择相应的刀具路径规划方式插补方式。
所述刀具路径规划模块的加工方式包括粗加工模式、半精加工模式和精加工模式。
所述高精插补计算模块的加工方式包括线性插补模式、样条曲线插补模式、NURBS曲线插补模式。
所述精加工模式兼顾相邻刀具路径间的平滑。
所述刀具路径规划模块建立了专家系统数据库，对加工参数的自适应调整，在加工过程中不断优化该加工参数。
本发明具有以下优点：
1.模块化设计。本发明方法将面向五轴端面铣的加工路径自适应管理系统划分为三个模块，每个模块完成一个特定的子功能。由于模块功能的独立性和接口的一致性，使管理系统的各个模块可以相对独立的设计和扩展，而不会影响到其他模块。
2.可以满足多样化的加工需求。本发明方法分别以加工效率、加工精度和加工表面光洁度为优化目标，为粗加工、半精加工和精加工设计了三种不同的路径规划策略，更好地满足了实际加工的要求。
3.建立了专家系统数据库。本发明方法实现了加工参数的自适应调整，并可以在加工过程中不断优化加工参数，减少了对操作人员的技术要求。
附图说明
图1为本发明方法模块化结构图；
图2为刀具轨迹规划模块结构图；
图3为高精插补计算模块流程图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
本发明包括：
自适应管理模块是核心模块，主要实现实时算法评估，CAD模型复杂度评估，代价计算，策略决策，资源调度，及人机交互等功能。对于一个曲面，自适应管理模块通过横向纵向分别截取一定数量的曲线作为采样，分别计算这些曲线的曲率，构建基于坐标系的该曲面的曲率变化模型，针对不同精度的要求，将曲面根据曲率变化细分，完成该曲面的复杂度分析，以此作为该区域内选择不同插补方式的标准。完成对曲面的曲率复杂度分析之后，自适应管理模块将其与用户的精度与速度需求结合起来，建立复杂度，精度与速度的三方权重模型，并自主决策相应的刀具轨迹规划方式。针对完成路径规划后产生的加工路径，平衡复杂度、精度与速度要求进行代价计算，将路径分段，自适应管理模块根据权重模型自主决策每段路径上所采用的插补方式并在加工过程完成实时插补方式的切换以及相关资源调度；
刀具轨迹规划模块中存储了各种可选择的加工模式，包括粗加工、精加工、半径加工等，通过该模块可以实现CAD模型采样，根据自适应管理模块的决策结果进行适合加工模式下的刀具轨迹规划；
高精插补计算模块中存储了数控加工需要的各种插补方法，包括线性插补、样条曲线插补、NURBS曲线插补三种方法，通过对刀具轨迹规划模块得到的加工数据进行特征提取，通过自适应管理模块的决策实现插补算法的自动选择，通过实时插补以及坐标转换等步骤完成加工路径的自动生成。
如图2所示，刀具轨迹规划模块共有“粗加工”、“半精加工”和“精加工”三种加工模式。
粗加工模式针对粗加工及部分工件对加工效率的特殊要求，采用效率优先的加工策略。首先，根据曲面首末边界曲线的不同的链接方式设计了不同的初始螺旋轨迹直接生成方法；然后，采用二分搜索法来解决等残余高度路径生成策略过渡依赖的问题，并偏置初始螺旋轨迹，得到覆盖整个曲面的螺旋轨迹；同时，还根据粗加工的特点，通过在大曲率处添加过渡段来提高加工效率，从而得到高效的螺旋轨迹加工路径。最后建立专家系统优化加工参数，实现加工参数的自适应调整。
半精加工模式针对半精加工及部分工件对加工精度的特殊要求，采用精度优先的加工策略。采用往复式的走刀方式，得到的加工路径满足加工误差和最大残余高度等约束条件，具有很好的精度。本研究也将为该加工模式建立专家系统来优化加工参数。
精加工模式针对精加工和部分工件对加工表面光洁度的特殊要求，采用表面光洁度优先的加工策略。首先，根据相邻路径的拐角等信息来偏置求下一条路径，可以保持了相邻路径间的一致性，从而改善了由于相邻路径间的不规则导致的加工表面粗糙问题，生成光顺的加工路径。其次，添加了相邻路径的预读功能，找到相邻路径点间的位置关系，为速度规划实现加工路径间的速度平滑过渡提供依据。最后，精加工模式也同样建立了专家系统来优化其加工参数。
如图3所示，高精插补计算模块共有“线性插补”、“NURBS曲线插补”和“样条曲线插补”三种加工模式。线性插补面向数控系统对高速加工的需求，在考虑机床动态性能的基础上，充分利用单轴的最大加减速能力，以达到理论上近似最优的加工效率，能有效提高加工表面的粗糙度，具有计算简单，计算精确，刀具移动平稳的特点。NURBS插补方式具有精度高，能实现对减速点的精确定位，插补过程平滑，但是计算复杂，处理方式平滑。样条曲线插补的方向矢量在由起始矢量和结束矢量夹紧的平面上运行，每个旋转轴都按照等角趋近。这三种插补计算方式也同样建立了专家系统来优化其加工参数。
Claims (8)
1.一种面向五轴数控加工的刀具轨迹自适应管理系统，其特征在于，将数控系统加工路径自适应管理系统划分为三个模块：
刀具轨迹规划模块，根据自适应管理模块的决策结果进行适合加工模式下的刀具轨迹规划；
高精插补计算模块，存储了数控加工需要的各种插补方法，通过自适应管理模块的决策实现插补算法的自动选择，完成加工路径的自动生成；
自适应管理模块，用于实现实时算法评估，CAD模型复杂度评估，代价计算，策略决策，资源调度，及人机交互等功能，可以根据用户的加工需求，调用刀具路径规划模块和高精插补计算模块，选择合适的刀具路径规划方法和插补计算方法，生成刀具加工轨迹。
2.一种面向五轴数控加工的刀具轨迹自适应管理方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据用户的加工需求，自适应管理模块控制刀具路径规划模块对待加工曲面选择相应的加工方式；
将刀具路径规划信息送入高精插补计算模块和自适应管理模块；
根据用户的加工需求和刀具路径规划信息，自适应管理模块控制高精插补计算模块选择相应的插补计算方式。
3.根据权利要求2所述的一种面向五轴数控加工的刀具轨迹自适应管理方法，其特征在于，所述自适应管理模块对曲面进行分析，将其与用户需求结合起来，建立复杂度，精度与速度的三方权重模型，选择相应的刀具路径规划方式。
4.根据权利要求3所述的一种面向五轴数控加工的刀具轨迹自适应管理方法，其特征在于，所述刀具路径规划完成后，自适应管理模块针对完成路径规划后产生的加工路径，平衡复杂度、精度与速度要求，选择相应的刀具路径规划方式插补方式。
5.根据权利要求2所述的一种面向五轴数控加工的刀具轨迹自适应管理方法，其特征在于，所述刀具路径规划模块的加工方式包括粗加工模式、半精加工模式和精加工模式。
6.根据权利要求2所述的一种面向五轴数控加工的刀具轨迹自适应管理方法，其特征在于，所述高精插补计算模块的加工方式包括线性插补模式、样条曲线插补模式、NURBS曲线插补模式。
7.根据权利要求5所述的一种面向五轴数控加工的刀具轨迹自适应管理方法，其特征在于，所述精加工模式兼顾相邻刀具路径间的平滑。
8.根据权利要求5所述的一种面向五轴数控加工的刀具轨迹自适应管理方法，其特征在于，所述刀具路径规划模块建立了专家系统数据库，对加工参数的自适应调整，在加工过程中不断优化该加工参数。
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