CN1093455C - 椭圆曲线数控加工成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种椭圆曲线的数控加工成型方法，以装有加工零件的机械传动链的物理轴为真实轴，以存在于控制系统中的机床参数为虚拟轴，设圆A和B都以加工工件的中心为圆心并且该圆心位于真实轴和虚拟轴上，通过圆A在真实轴X方向均匀缩小某一倍数或通过圆B在真实轴Y方向均匀扩大某一倍数形成椭圆曲线；其虚拟轴与实际存在于数控装置上的物理轴之间的比例变换关系：或其中：b＞a＞0本发明具有计算量少、编程简单、精度高等优点。

Description

椭圆曲线数控加工成型方法

本发明涉及数控加工、摆臂式机械手的运动控制，具体是一种在通用数控设备上或摆臂式机械手运动轨迹中实现的椭圆曲线数控加工成型方法。

在机械制造业中，具有椭圆形外型轮廓的工件是二维工件加工中比较常见也是比较难以加工的，目前椭圆形工件的加工方法主要有：根据椭圆的形成定理设计专用加工装置进行加工或在数控机床上进行数控加工。由于一般数控机床的编程代码只具有直线插补和圆弧插补功能，且系统不对用户开放，因此对于椭圆这类非圆形曲线的数控加工大多采用小段直线或小段圆弧去逼近轮廓曲线，控制最大偏离度在公差允许范围内，然后计算出每段直线或圆弧的起点坐标、终点坐标及圆弧半径，再编制数控加工程序进行加工。由于必须按照允许的精度要求计算各小段直线或圆弧的起点和终点，当工件轮廓较长而精度要求很高时，逼近段直线或圆弧必须分得很细，因而计算量大，给编程带来很大的不便，同时这种按逼近曲线或近似画法进行编程的方法从原理上就已存在误差，因而无法加工出高精度的椭圆形工件。

为了克服上述不足，本发明的目的是提供一种计算量少、精度高、编程简单、能在通用型数控设备上实现的椭圆曲线数控加工成型方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：以装有加工工件的机械传动链的物理轴为真实轴，以存在于控制系统中的机床参数为虚拟轴，设圆A、B都以加工工件的中心为圆心并且该圆心位于真实轴和虚拟轴上，通过圆A在真实轴X方向均匀缩小某一倍数或通过圆B在真实轴Y方向均匀扩大某一倍数形成椭圆曲线；

所述圆A在真实轴X方向均匀缩小某一倍数或圆B在真实轴Y方向均匀扩大某一倍数是基于虚拟轴与实际存在于数控装置上的物理轴之间的比例变换关系：

或

其中：b＞a＞0

具体为：在具有半阅环位置伺服系统结构的数控机床上进行椭圆曲线的数控加工时，利用半闭环位置伺服系统将机床本身的机械传动链排除在位置闭环之外，伺服系统的电气控制部分和执行机械相对独立这一特点，首先以机床参数形式构造一存在于控制系统参数中的虚拟轴；然后通过虚拟轴与实际存在于数控装置上的物理轴之间的比例变换关系，编写圆形曲线的数控加工代码，实现两个轴上的圆A在真实轴X方向均匀缩小某一倍数或圆B在真实轴Y方向均匀扩大某一倍数，从而精确形成椭圆曲线。

所述圆形曲线可以为以椭圆长轴为直径的圆，也可以为以椭圆短轴为直径的圆；所述虚拟轴以机床参数形式存在于数控系统中，与其对应的真实轴存在与机床本身的机械传动链中。

本发明具有如下优点：

1.本发明从原理上避免了各种逼近方法编程所造成的加工误差，具有计算量小，编程简单，精度高等特点；

2.应用范围广。本发明除适用于半闭环位置伺服系统结构的数控机床，也适用于以步进电机作为执行部件的开环位置伺服系统型数控系统；除数控加工外，还可以应用于摆臂式机械手的运动学控制中，实现平直的水平运动。

附图说明：

图1为本发明原理图。

图2为本发明一个实施例原理图。

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，其中圆A1为Y向进给轴与构造的X向虚拟轴的圆形插补运动轨迹，其直径为椭圆曲线2的长轴，椭圆曲线2为待形成的椭圆形加工曲线，圆B3为X向进给轴(即：进给轴)与构造的Y向虚拟轴的圆形插补运动轨迹，其直径为椭圆曲线2的短轴，X向进给轴由伺服电机A4驱动，Y向进给轴由伺服电机B6驱动，设5为机床数控系统，7为Y向进给轴丝杠，8为X向进给轴丝杠，9为工件坐标系XOY。

待加工工件的外形轮廓曲线如图1中椭圆曲线2所示，方程表示如下：

(ba＞0)  (1)令

y′＝y则(1)式变为：

    x′²+y′²＝b²                         (2)令x″＝x，

则(1)式变为：

    x″² +y″²＝a²                        (3)

式(1)到式(2)的变换表明：圆A1在x轴方向上均匀压缩b/a倍成为椭圆曲线2；式(1)到式(3)的变换表明：圆B3在y轴方向上均匀扩大b/a倍成为椭圆曲线2。

半闭环位置伺服系统将机床本身的机械传动链排除在位置闭环之外，伺服系统的电气控制部分和执行机械是相对独立的。机床机械传动链节的有关参数(如速比、丝杠导程、极限行程及脉冲当量等)均以机床参数的形式存储在数控系统的存储器中，对控制系统而言，改变某一进给轴机床参数的数值相当于改变了机床机械传动链节相应部分的结构，由于伺服电机实际驱动的进给轴结构并未改变，即与改动后的机床参数所对应的进给轴实际上并不存在，故称其为虚拟轴。如果在数控程序中对虚拟轴编程，则程序执行后伺服电机所驱动的真实进给轴的实际进给量并非为实际编程值，两者之间存在一比例关系。

若S_real为机床实际连接丝杠导程，S_virtual为虚拟轴丝杠导程，为进行椭圆曲线加工可取其比例关系为：

或

(b＞a＞0)

并修改相关机床参数，则在数控指令执行过程中执行机构自动实现在某一坐标轴方向的放大或压缩，完成从圆到椭圆的变换，实现椭圆形曲线的数控加工。

本发明加工方法通过编程实现，编程内容包括以下2部分：

1.修改某一进给轴的部分机床参数，构造一个与其对应的虚拟轴；

2.编写圆形曲线数控加工代码。

实施例1：椭圆形二维轮廓工件的数控加工

需加工的椭圆如图1中椭圆曲线2所示，长、短轴分别为150mm和75mm，构造X向虚拟轴，Y向真实轴与X向虚拟轴之间按圆A1进行插补运动，取：则刀具处形成的加工曲线即为椭圆曲线2。数控程序如下： $\frac{S_{\mathrm{real}}}{S_{\mathrm{virtual}}}=\frac{b}{a}=\frac{150}{75}=2$

1.修改机床参数，构造X向虚拟轴，将X轴的以下6组共10个机床数据扩大2倍：

(1)MD11，MD12    脉冲当量

(2)MD27，MD28    加速度、减速度

(3)MD31          进给轴最高速度

(4)MD20，MD21    负、正向软极限

(5)MD6，MD36     回参考点终、初速度

(6)MD3           参考点坐标

2.编写数控加工代码：

N1  G00 X150000 Y0 M1＝6 (快速进给至加工起点)

N5  G02 G17 I150000 F6000(以工进速度进行半径为150mm的全圆加工

N10 G00 X200000 Y200000  (加工结束，返回)

N15 M1＝30               (程序结束)

实施例2：摆臂式机械手的水平运动轨迹控制

如图2所示，为本发明应用在一种2自由度摆臂式机械手的实例。其中储气罐10位于机械手的安装支架11上，机械手具有垂直轴12和水平轴15，支架11上装有摆臂14，端拾器13位于摆臂14末端，16为椭圆形运动轨迹，17为水平直线运动轨迹。

该机械手的机械结构决定了当水平轴15单独驱动时，与摆臂14连接的端拾器13上任一点C的空间轨迹为一椭圆形运动轨迹16。为保持C点沿水平直线运动轨迹17运动，必须对水平轴15和垂直轴12进行与椭圆形运动轨迹16垂直对称的椭圆曲线插补，补偿因水平轴15运动带来的C点在垂直方向上的位移量。

采用本发明所述的椭圆曲线的形成方法，以机床参数形式构造一水平虚拟轴，垂直轴12与X向虚拟轴之间按圆形曲线进行插补运动，则端拾器13上任一点C的合成空间轨迹即为水平直线运动轨迹17。程序结构形式与实施例1相同。

Claims (2)

1.一种椭圆曲线数控加工成型方法，其特征在于：以装有加工零件的机械传动链的物理轴为真实轴，以存在于控制系统中的机床参数为虚拟轴，设圆A(1)和B(3)都以加工工件的中心为圆心并且该圆心位于真实轴和虚拟轴上，通过圆A(1)在真实轴X方向均匀缩小某一倍数或通过圆B(3)在真实轴Y方向均匀扩大某一倍数形成椭圆曲线(2)。

2.按权利要求1所述的椭圆曲线数控加工成型方法，其特征在于：所述圆A(1)在真实轴X方向均匀缩小某一倍数或圆B(3)在真实轴Y方向均匀扩大某一倍数是基于虚拟轴与实际存在于数控装置上的物理轴之间的比例变换关系：

或

其中：b＞a＞0