CN106547251B

CN106547251B - 一种基于低速敏感区域插补信息反馈的五轴刀路生成方法

Info

Publication number: CN106547251B
Application number: CN201610887104.8A
Authority: CN
Inventors: 沈洪垚; 孙扬帆; 傅建中
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2016-10-11
Filing date: 2016-10-11
Publication date: 2019-04-30
Anticipated expiration: 2036-10-11
Also published as: CN106547251A

Abstract

本发明公开了一种基于低速敏感区域插补信息反馈的五轴刀路生成方法，包括：(1)输入待加工曲面并设置参数；(2)CAM系统对曲面进行五轴刀路预规划，生成预生成五轴刀路；(3)CNC系统对预生成五轴刀路进行模拟插补，规划进给速度曲线，并搜索速度敏感区域；(4)将五轴刀路的位姿投射到配置空间中，生成空间配置曲线；(5)将含有速度敏感区域信息的配置空间曲线反馈给CAM系统，CAM系统对配置空间曲线进行优化，并反算出优化的刀具位姿，合成优化的五轴刀路；(6)将优化的五轴刀路输入CNC系统，进行最终的插补运算。本方法生成的五轴刀路，既保证了曲面加工精度，又有效地提升了加工效率。

Description

一种基于低速敏感区域插补信息反馈的五轴刀路生成方法

技术领域

本发明涉及在五轴刀路路径规划领域，尤其涉及一种基于低速敏感区域插补信息反馈的五轴刀路生成方法。

背景技术

在现代高端制造业迅猛发展的今天，数控机床以其高精度、高效率的特点，成为了一个国家制造水平的象征。五轴数控机床由三轴数控机床发展而来，在原有的三个平动轴的基础上增加了两个旋转轴，在计算机数字控制机床(CNC)系统控制下运动，理论上，五轴数控机床可以调整到相对于机床坐标系的任意位姿，可以方便平滑的加工复杂自由曲面，提升加工质量和效率。在航空发动机叶轮叶片、船用螺旋桨等复杂曲面零件加工中，有着不可替代的作用。五轴加工技术的发展，对软件五轴刀路的生成提出了更高的要求。传统的五轴刀路生成方法，只在计算机辅助制造(CAM)系统内部完成，通常只是从曲面的几何信息入手考虑，而机床的运动学特性、动力学特性、五轴刀路的形貌特征对插补质量的影响、工件的装夹位置等因素则无法纳入刀具路径规划的考虑因素中。传统方法生产的五轴刀路，一般未必是加工效率最优的五轴刀路。

在现有的五轴刀路路径规划的文献中，尚未有将CNC插补阶段也纳入路径规划的方法。且CNC系统与CAM系统之间的通信模式一直是单向流通。尚无有效的机制实现数控机床上游软件之间的信息互通。俞武嘉提出了一种基于STEP-NC的五轴刀路规划方法，基于STEP-NC数控机床的信息交互机制，提出了一种加工域并行规划法方法；通过加工域分析方法得到优化的加工域宽度和切削方向角，并对设计曲面分区域进行刀具路径的搜索迭代生成；Lin提出了通过模拟切割过程的方法，实现了NURBS曲面的等残高五轴刀路规划，在理论上，该方法适用于任何自由曲面的路径规划，而不限制于刀具的大小。

根据上面的文献分析，现有的数控加工软件体系，均是CAM到CNC的单项信息传递，五轴刀路规划的过程局限在CAM系统中，尚无将CNC插补阶段纳入五轴刀路规划的方法；全局优化的五轴刀路生成方法尚无人提出。

发明内容

本发明提供了一种基于低速敏感区域插补信息反馈的五轴刀路生成方法，该方法能够改善现有数控系统中CNC/CAM单向信息传递的模式，实现五轴刀路路径规划的全局优化，在保证加工精度的同时实现更优地全局效率。

针对输入的目标曲面，该方法对曲面预规划一组五轴刀路，再通过CNC系统的模拟插补，搜索速度敏感区域，将速度敏感区域反馈给CAM系统，最后通过调整五轴刀路位姿获得效率最优的五轴刀路。

一种基于低速敏感区域插补信息反馈的五轴刀路生成方法，包括如下步骤：

(1)输入待加工曲面S(u,v)、刀具底端半径R₁、圆角半径R₂以及应许最大残高σ；

(2)设定加工机床加工参数；

(3)CAM系统按照模拟切削过程得到的五轴刀路生成方法预生成一组等残高五轴刀路，得到预生成五轴刀路，记作B＝{b₁,b₂,…,b_n}；

(4)CNC系统按速度规划方法插补预生成五轴刀路，规划出进给速度曲线，记作F＝{f₁,f₂,…,f_n}；

(5)分析进给速度曲线，找到速度敏感区域，记作S＝{s₁,s₂,…,s_m}，并将速度敏感区域反馈给CAM系统；

(6)CAM系统对速度敏感区域内的五轴刀路的姿态做优化调整，得到优化的五轴刀路；

(7)将优化的五轴刀路输入CNC系统，进行最终的插补运算。

在步骤(1)中，待加工曲面S(u,v)是张量积曲面，以NURBS形式保存成指定格式，可以是iges格式或step格式；曲面造型可以由任意的CAD软件实现，并保存成通用格式。

在步骤(1)中，刀具采用环形刀具模型，球头刀可以看作环形刀的特殊形式；当前机床坐标系中，刀具的刀轴矢量T_i与机床坐标系z轴的夹角定义为θ，刀具的刀轴矢量T_i在机床坐标系中XOY平面上的投影与机床坐标系x轴的夹角定义为β，则刀具位姿P_i表示为P_i＝[θ_i,β_i]。

在步骤(2)中，所用的机床不受机床类型限制，可以是双回转工作台型(RT)五轴数控机床或主轴旋转型(SR)五轴数控机床。在机床的反向运动学模型中，G代码中的程序原点与机床坐标原点之间相对位置，用矢量表示；机床坐标系和工件坐标系之间的相对位置关系，用矢量表示；由于A轴与C轴的旋转中心通常不共面，故两个轴之间的距离表示为d。

在步骤(3)中，模拟切削过程得到的五轴刀路生成方法是刀具以模拟切割的方式在曲面上搜索目标五轴刀路，搜索原则是，当刀具沿着目标五轴刀路运动时，在曲面上留下一条切割带，切割带在已加工曲面一侧，能与上一条五轴刀路的切割带共享一条切割带轮廓，而在待加工曲面一侧的切割带轮廓，则是下一条五轴刀路的搜索依据；具体步骤为：

(3-1)以待加工曲面S(u,v)的某一条边界为参考基准线，刀具以固定姿态沿着基准线运动，第一条参考基准线为第一条五轴刀路；

(3-2)于待加工曲面S(u,v)上搜索与上一条五轴刀路的切割带共享轮廓的下一条五轴刀路；

(3-3)以当前的五轴刀路为参考基准线，重复步骤(3-2)，直至五轴刀路曲线覆盖整个曲面为止，得到预生成五轴刀路。

在步骤(3-1)中，刀具沿着第一条五轴刀路运动时，在待加工曲面S(u,v)表面留下切割带，待加工曲面S(u,v)的表面与刀具外轮廓之间的距离为应许最大残高σ的曲线，即第一条五轴刀路切割带的轮廓线。

步骤(4)中的速度规划方法，是基于机床各个轴的动力学和运动学特性约束的，具体步骤如下：

(4-1)通过五轴数控机床的反向运动学模型，将刀具终端的运动轨迹分解为机床各个轴的位移变化，即：Q(s)＝[X(s)Y(s)Z(s)A(s)C(s)]；

(4-2)对各个轴的位移变化规律Q(s)求导，得到各轴应许可承受的最大速度、加速度以及加加速度，进而约束得到刀具进给速度的最可行域，机床进给速度的表达式为：

(4-3)在最可行域中迭代调整，获得最终满足各个轴运动学约束的最大进给速度，得到进给速度曲线。

在速度规划方法中，各轴的位移均表达成五轴刀路弧长的函数，弧长同时也是时间的函数，根据复合函数求导法则，对位移函数求相对于时间的导数，可获得刀具进给速度的约束模型。在机床各轴运动学和动力学特性极限的约束下，刀具进给速度的可行域从进给速度约束模型中得到。

在步骤(5)中，速度敏感区域是通过进给速度曲线获得的，在进给速度曲线中，进给速度低于某一设定进给速度F_min的连续区间，即为速度敏感区域；进给速度F_min根据需要自行设定。

在步骤(6)中，修改速度敏感区域内的五轴刀路姿态能够提升五轴刀路在速度区域的插补性能。

在步骤(6)中，CAM系统根据CNC插补信息的反馈，对五轴刀路做出的优化调整，具体步骤如下：

(6-1)将速度敏感区域内的五轴刀路曲线转到配置空间里，得到配置空间曲线；

(6-2)调整配置空间曲线；

(6-3)根据调整后的配置空间曲线，反算出调整后的刀具位姿信息；

(6-4)根据预生成五轴刀路的刀具刀触点，由空间配置曲线合成优化的五轴刀路。

在步骤(6-1)中，配置空间法是对空间轨迹运动控制的常用方法，在三维空间中，刀具在某一指定刀触点的位姿用刀轴矢量来表述，即T_i＝[T_x,T_y,T_z]。配置空间中当前刀具位姿P_i为当前机床坐标系中的刀具位姿P_i＝[θ_i,β_i]，在一条连续变化的五轴刀路中，刀具的位姿变换可以完全投射到配置空间中；配置空间法采用三维配置曲线，即C(t)＝[θ(t),β(t),s(t)]。

在步骤(6-2)中，配置空间曲线上任意一点(θ_i,β_i,s_i)代表刀具在该位置的刀具位姿，通过对配置空间曲线进行平整、弯曲、局部变形等形状操作，可以顺滑地改变配置空间曲线的形状，减缓刀具位姿变化的剧烈程度。

在步骤(6-3)中，配置曲线整体变形后，在任意一点(θ_i,β_i,s_i)，可反向计算得到刀具的调整后的刀轴矢量T_i＝[T_x(θ_i,β_i),T_y(θ_i,β_i),T_z(θ_i,β_i)]。

在步骤(6-4)中，根据预生成五轴刀路的刀具刀触点TP_i＝[x(s_i),y(s_i),z(s_i)]，由空间配置曲线合成优化的五轴刀路。

与传统五轴刀路生成方法相比，基于低速敏感区域插补信息反馈的五轴刀路生成方法，将CNC插补阶段的信息也纳入了五轴刀路路径规划中，在规划路径时，充分考虑了五轴刀路位姿形貌对插补质量的影响，避免了五轴刀路中不利于插补的五轴刀路路径或姿态。具体优点有：

(1)保持加工精度不变，刀具的刀触点由预生成五轴刀路控制；

(2)加工效率更优，刀具具体的姿态，根据CNC模拟插补的信息反馈调整，避免了不利于插补的五轴刀路形貌；

(3)将CAM/CNC之间的单向信息流动转化为双向信息传递，使五轴刀路全局优化成为可能。

附图说明

图1为本发明的五轴刀路生成方法流程图；

图2为某条五轴刀路经逆向运动学分解后的各个轴位移曲线；

图3为指定五轴刀路下刀具进给速度的可行域；

图4为刀具在工件坐标系下的定义示意图；

图5为五轴刀具位姿转化到配置空间的配置曲线；

图6为五轴刀具进给速度曲线；

图7为调整后的配置曲线；

图8为调整优化后的五轴刀具进给速度曲线。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，基于低速敏感区域插补信息反馈的五轴刀路生成方法具体步骤：

步骤101：输入待加工曲面S(u,v)；刀具底端半径R₁、圆角半径R₂、以及应许最大残高σ，确定机床参数；

该步骤中，曲面S(u,v)由任意主流商业软件造型得到，以NURBS曲面形式保存在iges文件中；其中u、v为两参数，经标准化处理，即u,v∈[0,1]。

该步骤中，刀具采用球头刀，球头刀几何结构简单，刀触点各个方向上有效切触半径相等。

该步骤中，应许最大残高σ即要求加工后曲面在垂直进给方向上的最大误差不能超过σ。

该步骤中，程序原点到机床坐标系原点的矢量记作机床坐标系原点指向工件坐标系的矢量记作A轴和C轴的最小距离记作d。

步骤102：采用指定路径规划方法对待加工曲面进行路径规划，以曲面的某一条边界为第一条五轴刀路TP₁，刀具模拟切割过程，沿着该五轴刀路以指定位姿运动，在曲面上留下一条切割带的轮廓G₁。

步骤103：刀具在曲面上搜索下一条等残高五轴刀路，确保相邻五轴刀路在已加工侧共享一条切割带轮廓；迭代循环这个过程，直至五轴刀路曲线覆盖整张曲面。

步骤104：将五轴刀路传给将预生成的五轴刀路刀位，在CAM系统后处理模块中，分解为各个轴的位移，表示成弧长s的函数，即Q(s)＝[X(s)Y(s)Z(s)A(s)C(s)]。

步骤105：求各轴位移进行相对时间的导数，即：

根据导数模型、各个轴的最大可承受速度V_max；可承受的加速度A_max；可承受的加加速度J_max；约束得到刀具进给速度，即s′(s)的可行域；图2为五轴刀路经逆向运动学分解后的各个轴位移曲线，图3为分析刀具进给速度的可行域。在可行域的中，可以找到满足机床运动学和动力学约束的最大进给速度，从而获得进给速度曲线；

步骤106：在进给速度曲线中，速度低于给定值F_min的连续区域，即为速度敏感区域。速度敏感区域，用弧长区间表示，如表示为[s_i,s_i+1]。

步骤107：将速度敏感区域投射到配置空间中，生成配置曲线C(t)＝[β(t),θ(t),s(t)]，并反馈给CAM系统。

刀具在工件坐标系中定义如图4所示；刀具刀轴矢量和机床坐标系z轴的夹角为θ；刀轴在机床坐标系XOY平面上的投影与机床坐标系的x轴的夹角为β；刀具在指定五轴刀路的任意位置，用弧长s表示。则在s＝s_i处，刀具的位姿可以表示为P_i＝[θ_i,β_i]，所以任意一条五轴刀路，都可以在配置空间中表达为C(t)＝[θ(t),β(t),s(t)]，如图5所示。

步骤108：对配置空间中的配置曲线进行形状操作，通常操作手段有平整、弯曲、局部变形等；调整后，根据配置曲线变化规律，可以反向计算得，在弧长s＝s_i处，刀具位姿为：T_i＝[T_x(θ_i,β_i),T_y(θ_i,β_i),T_z(θ_i,β_i)]。刀具的刀触点为：TP_i＝[x(s_i),y(s_i),z(s_i)]，最终可以合成优化后的五轴刀路。

步骤109：将优化后的五轴刀路输入CNC系统，采用相同的速度规划方法，计算加工效率，若效率比预生产五轴刀路高，则优化后五轴刀路为正式加工五轴刀路，否则转入CAM系统，重复步骤108。

本发明的典型实施实例如下：

待加工曲面为一碗型NURBS曲面，本发明基于低速敏感区域插补信息反馈的五轴刀路生成方法具体步骤为：

(a)将碗型NURBS曲面保存成iges文件，并导入到为本发明编写的C++测试程序中，设定刀具底端半径20mm、圆角半径10mm、以及应许最大残高0.01mm，测试程序的CAM模块按照指定五轴刀路生成方法，生成五轴刀路文件；

五轴刀路文件包含刀具刀触点轨迹和刀具位姿矢量；曲线为刀具刀触点的轨迹，其中一条五轴刀路的刀具位姿变化；

(b)测试程序的CAM后处理模块对五轴刀路进行反向运动学分解，得到机床各个轴实际的位移变化图；

(c)测试程序的CNC模块根据各轴位移的变化规律对五轴刀路进行速度规划，获得进给速度曲线，如图6所示；

(d)测试程序的CNC模块根据图6所示的进给速度图，检测出速度敏感区域，如图4所示；

(e)将速度敏感区域投射到配置空间中；并将含有速度敏感区域信息的配置曲线反馈给CAM模块；

(f)测试程序的CAM模块对速度敏感区域相对应的配置曲线进行平整操作，调整后的空间配置曲线如图7所示；

(g)根据配置曲线的定义，反算指定位置刀具的位姿，可以获得优化都得五轴刀路数据，图8是调整优化后的五轴刀具进给速度曲线，新的五轴刀路数据再次发送给测试程序的CNC模块，进行进给速度规划。

优化前后加工效率对比如下：

表格1五轴刀路优化前后对比

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的一般技术人员来说，本发明还可以有各种更改和变化。在不脱离本发明原理的前提下，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于低速敏感区域插补信息反馈的五轴刀路生成方法，包括如下步骤：

(2)设定加工机床加工参数；

(4)CNC系统按速度规划方法插补预生成五轴刀路，规划出进给速度曲线，记作F＝{f₁,f₂,…,f_n}；其中，速度规划方法的具体步骤如下：

(4-1)通过五轴数控机床的反向运动学模型，将刀具终端的运动轨迹分解为机床各个轴的位移变化：Q(s)＝[X(s)Y(s)Z(s)A(s)C(s)]；

(4-3)在最可行域中迭代调整，获得最终满足各个轴运动学约束的最大进给速度，得到进给速度曲线；

(5)分析进给速度曲线，找到速度敏感区域，记作S＝{s₁,s₂,…,s_m}，并将速度敏感区域反馈给CAM系统，具体地，在进给速度曲线中，进给速度低于某一设定进给速度F_min的连续区间为速度敏感区域；进给速度F_min根据需要自行设定；

(6)CAM系统对速度敏感区域内的五轴刀路的姿态做优化调整，得到优化的五轴刀路，其中，对五轴刀路的姿态做优化调整的具体步骤如下：

(6-2)调整配置空间曲线；

(6-4)根据预生成五轴刀路的刀具刀触点，由空间配置曲线合成优化的五轴刀路；

(7)将优化的五轴刀路输入CNC系统，进行最终的插补运算。

2.如权利要求1所述的基于低速敏感区域插补信息反馈的五轴刀路生成方法，其特征在于：步骤(3)中五轴刀路生成方法的具体步骤为：

3.如权利要求1所述的基于低速敏感区域插补信息反馈的五轴刀路生成方法，其特征在于：步骤(6-2)中，调整配置空间曲线的操作为平整、弯曲、局部变形操作中的至少一种。