CN111487929B - 一种基于双向比例调整的多约束数控加工进给率定制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种基于双向比例调整的多约束数控加工进给率定制方法，该方法首先根据零件工艺要求对加工路径进行扫描，并确定每个采样点在弓高误差约束、机床分轴速度约束、分轴加速度约束下的最大进给率上限值；然后，采用B样条曲线对离散点进给率上限值进行拟合，得到初始进给率曲线；最后，以局部极小值点为基点，采用双向比例迭代调整算法，对初始进给率曲线进行横向变形调整，以获取满足给定约束的最终进给率。本发明可有效提高机床运动平稳性，以保证零件加工质量、精度和效率。

Description

一种基于双向比例调整的多约束数控加工进给率定制方法
技术领域
本发明是一种基于双向比例调整的多约束数控加工进给率定制方法，属于机械数控加工技术领域。
背景技术
随着我国航空航天、新能源、船舶等领域的飞速发展，具有复杂曲面型腔结构的机械零件得到了广泛应用。尤其在一些高端装备制造中，对该类零件的加工质量和精度也提出了更高的要求。作为制造领域的重要加工方式之一，数控机床凭借较高的加工效率和稳定性，受到了工业界人士的普遍关注，其中，进给率规划作为数控加工的核心技术，其规划质量的优劣直接决定了数控加工的稳定性和加工质量。目前，商业数控系统的进给率规划通常以梯形和S形加减速规律为主，而缺少对机床分轴驱动特性的考虑。尤其在高速加工过程中，为了避免机床进给系统的特性的超差，传统的加减速方式在加工工艺参数设定上往往较为保守，很大程度上降低了加工效率。
本发明从机床分轴驱动特性的角度出发，基于双向比例调整策略，形成了一种多约束数控加工进给率定制方法。
发明内容
本发明针对现有技术的缺陷，提出了一种基于双向比例调整的多约束数控加工进给率定制方法。该方法采用解耦方式可快速确定出加工路径上具有极小值进给率特征的位置点，并以此为基点，利用横向比例迭代调整算法，通过降低约束超差位置点处的进给率值，达到机床分轴加速度和加加速度减小的目的，最终实现多约束条件下的数控进给率定制。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
该种基于双向比例调整的多约束数控加工进给率定制方法，其特征在于：该方法的步骤如下：
步骤一、对零件的加工路径进行扫描，从路径参数起点开始，以预设的插补周期为间隔确定采样点，通过采样点拟合数控走刀加工路径，将数控走刀加工路径用B样条曲线表示，得到的参数曲线表达式：
Figure GDA0002903295140000021
式中，P(u)表示数控走刀加工路径，pi(i＝0,1…,n)为路径曲线控制点，Ni,k(u)表示第i个k次B样条基函数，u为近似弦长参数化得到的路径参数；
步骤二、通过给定零件加工弓高误差最大允许值εmax，机床分轴速度最大允许值
Figure GDA0002903295140000022
机床分轴加速度最大允许值
Figure GDA0002903295140000023
刀具运动切向加速度最大允许值
Figure GDA0002903295140000024
确定每个采样点的弓高误差约束、机床分轴速度约束、机床分轴加速度约束，根据下述公式计算每个采样点处在满足给定约束下的最大进给率上限值
Figure GDA0002903295140000025
式中，ρ(u)为加工路径的曲率半径，T为参数插补周期，ω为加工路径总长度，fmax为数控加工最大编程进给率；
步骤三、采用B样条曲线对步骤二中计算得到的每一个采样点进给率上限值进行拟合，得到初始进给率曲线，其表达式如下
Figure GDA0002903295140000026
式中，f(u)表示进给率曲线，di为B样条进给率曲线控制点，m为B样条进给率曲线控制点的个数；
步骤四、根据下式对每一个采样点的机床分轴速度约束、机床分轴加速度约束进行校验
Figure GDA0002903295140000031
步骤五、若采样点处的机床分轴速度超过机床分轴速度最大允许值
Figure GDA0002903295140000032
或机床分轴加速度超过机床分轴加速度最大允许值
Figure GDA0002903295140000033
则以该采样点附近的极小值点为基点，定义首末两端进给率上限值为f(u1)和f(uG)，满足f(uw-1)<f(uw)<f(uw+1),1<w<G条件下的进给率f(uw)为极小值，G为采样点的个数，采用双向比例迭代调整算法，对初始进给率曲线进行横向变形调整，所述双向比例迭代调整算法的调整过程如下：
5.1以基点为起始点，以刀具运动切向加速度最大允许值
Figure GDA0002903295140000034
为第一斜率向基点两侧构造直线，与步骤三中得到的初始进给率曲线相交，并替代两相交点区域内的进给率曲线，然后，更新两相交点区域内的采样点的最大进给率上限值，重复步骤三、四，再次利用B样条曲线对每一个采样点的最大进给率上限值进行拟合并校验；
5.2若步骤5.1中所述两相交点区域内的采样点仍有不满足步骤五中所述条件的，则将切向加速度
Figure GDA0002903295140000035
乘以比例系数λ(0<λ<1)作为第二斜率，仍以步骤5.1中的基点为起点向两侧重新构造直线，与步骤5.1中经调整后的初始进给率曲线相交，更新两相交点区域内各采样点处的最大进给率上限值，重复步骤三、四，再次利用B样条曲线对每一个采样点的最大进给率上限值进行拟合并校验；
5.3若步骤5.2中各处采样点仍有不满足步骤五中所述条件的，重复步骤5.2，使不满足条件的采样点的最大进给率上限值逐渐减低，直至每一个采样点处的机床分轴速度不超过机床分轴速度最大允许值
Figure GDA0002903295140000036
机床分轴加速度不超过机床分轴加速度最大允许值
Figure GDA0002903295140000037
最终实现多约束下的进给率上限值定制。
在一种实施中，数控加工最大编程进给率为50～100mm/s。
在一种实施中，插补周期为0.5～8ms。
在一种实施中，弓高误差最大允许值为0.0005～0.005mm。
在一种实施中，数控加工切向最大加速度值为500～1500mm/s2。
在一种实施中，机床分轴最大速度允许值为50～100mm/s。
在一种实施中，机床分轴最大加速度允许值为500～1500mm/s2。
在一种实施中，λ(0<λ<1)以0.8～0.9为公差进行调整。
本发明技术方案的特点及有益效果是：
利用进给率与机床分轴速度、机床分轴加速度在速度转接点处存在的线性关系，基于B样条表达的进给率曲线，通过横向比例迭代调整策略使过渡区间内超差点处的进给率值下降，从而达到使机床分轴速度、分轴加速度同时下降的目的。与现有技术相比，本发明技术方案避免了参数曲线重复插值的计算过程，算法简单易操作，并充分考虑了零件的几何精度、工艺特性和机床的驱动特性，由此规划的进给率曲线对于保证数控加工的平稳性，提高零件加工精度具有重要意义。
附图说明
图1为加工路径示意图。
图2为规划完成后的进给率曲线图，其中，X轴表示参数u值；Y轴表示进给率的值，单位为mm/s。
图3为规划完成后的弓高误差图。其中，X轴表示参数u值；Y轴表示弓高误差的值，单位为mm。
图4为规划完成后的x向分轴的加速度图，其中X轴表示参数u值；Y轴表示分轴加速度的值，单位为mm/s2。
图5为规划完成后的y向分轴的加速度图，其中X轴表示参数u值；Y轴表示分轴加速度的值，单位为mm/s2。
具体实施方式
下面结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施。本发明提出的基于双向比例调整的多约束数控加工进给率定制方法,首先根据零件工艺要求对加工路径进行扫描，并确定每个采样点在弓高误差约束，机床分轴速度约束、分轴加速度约束下的最大进给率上限值；然后，采用B样条曲线对离散点进给率上限值进行拟合，得到初始进给率曲线；最后，以局部极小值点为基点，采用双向比例迭代调整算法，对初始进给率曲线进行横向变形调整，以获取满足给定约束的最终进给率。
实施例为一个B样条参数加工路径，如图1所示。根据零件的加工工艺要求，预设数控加工最大编程进给率为60mm/s，插补周期为4ms，弓高误差最大允许值为0.005mm，数控加工切向最大加速度值为800mm/s2，机床分轴最大加速度允许值为800mm/s2。定制方法的详细步骤如下：
1)将数控走刀加工路径用B样条曲线表示，得到加工路径的参数曲线表达式：
Figure GDA0002903295140000051
式中，P(u)表示数控走刀加工路径，pi(i＝0,1…,n)为路径曲线控制点，其数目n＝175，Ni,k(u)表示第i个k次B样条基函数的阶次，k取值为3，u为近似弦长参数化得到的路径参数，
Figure GDA0002903295140000052
为对应的节点矢量；
2)给定零件加工弓高误差最大允许值εmax，机床分轴速度最大允许值
Figure GDA0002903295140000053
分轴加速度最大允许值
Figure GDA0002903295140000054
刀具运动切向加速度最大允许值
Figure GDA0002903295140000055
从路径参数起点开始，以预设参数间隔，对路径进行扫描，并根据下述公式计算每个采样点处在满足给定约束下的最大进给率上限值
Figure GDA0002903295140000056
式中，ρ(u)为加工路径的曲率半径，T为参数插补周期，ω为加工路径总长度，根据最大进给率上限的特点，扫描并确定局部进给率极小值点及其参数位置；
3)采用B样条曲线对2)中计算得到的进给率上限值点进行拟合，得到初始进给率曲线，其表达式如下
Figure GDA0002903295140000061
式中，f(u)表示进给率曲线，di为B样条进给率曲线控制点，m＝80为B样条进给率曲线控制点的个数，进给率曲线的次数k＝3；
4)根据下式对机床分轴速度、分轴加速度约束进行校验
Figure GDA0002903295140000062
5)若机床分轴驱动约束存在超差现象，则以局部极值点为基点，以最大切向加速度
Figure GDA0002903295140000063
向两侧加速，更新每个采样点处的进给率值，并再次利用B样条曲线对离散进给率值进行拟合；若上述约束仍存在超差，则将该区间内的切向加速度
Figure GDA0002903295140000064
乘以比例系数λ＝0.85以减缓上升趋势，进而使得上述约束值逐渐减低，依次循环，直到机床的分轴速度、分轴加速度均不超差，最终实现多约束下的进给率定制。规划完成后的进给率曲线如图2所示。
运用本发明方法完成进给率规划后，路径弓高误差如图3所示，机床x向分轴加速度如图4所示，机床y向分轴加速度如图5所示。从规划结果来看，数控加工路径的几何特性和机床的分轴驱动特性均得到了有效限制，从而验证了本发明的可靠性和正确性。

Claims (8)

1.一种基于双向比例调整的多约束数控加工进给率定制方法，其特征在于：该方法的步骤如下：
步骤一、对零件的加工路径进行扫描，从路径参数起点开始，以预设的插补周期为间隔确定采样点，通过采样点拟合数控走刀加工路径，将数控走刀加工路径用B样条曲线表示，得到的参数曲线表达式：
Figure FDA0002903295130000011
式中，P(u)表示数控走刀加工路径，pi(i＝0,1…,n)为路径曲线控制点，Ni,k(u)表示第i个k次B样条基函数，u为近似弦长参数化得到的路径参数；
步骤二、通过给定零件加工弓高误差最大允许值εmax，机床分轴速度最大允许值
Figure FDA0002903295130000012
机床分轴加速度最大允许值
Figure FDA0002903295130000013
刀具运动切向加速度最大允许值
Figure FDA0002903295130000014
确定每个采样点的弓高误差约束、机床分轴速度约束、机床分轴加速度约束，根据下述公式计算每个采样点处在满足给定约束下的最大进给率上限值：
Figure FDA0002903295130000015
式中，ρ(u)为加工路径的曲率半径，T为参数插补周期，ω为加工路径总长度，fmax为数控加工最大编程进给率；
步骤三、采用B样条曲线对步骤二中计算得到的每一个采样点进给率上限值进行拟合，得到初始进给率曲线，其表达式如下
Figure FDA0002903295130000016
式中，f(u)表示进给率曲线，di为B样条进给率曲线控制点，m为B样条进给率曲线控制点的个数；
步骤四、根据下式对每一个采样点的机床分轴速度约束、机床分轴加速度约束进行校验
Figure FDA0002903295130000021
步骤五、若采样点处的机床分轴速度超过机床分轴速度最大允许值
Figure FDA0002903295130000022
或机床分轴加速度超过机床分轴加速度最大允许值
Figure FDA0002903295130000023
则以该采样点附近的极小值点为基点，定义首末两端进给率上限值为f(u1)和f(uG)，满足f(uw-1)<f(uw)<f(uw+1),1<w<G条件下的进给率f(uw)为极小值，G为采样点的个数，采用双向比例迭代调整算法，对初始进给率曲线进行横向变形调整，所述双向比例迭代调整算法的调整过程如下：
5.1以基点为起始点，以刀具运动切向加速度最大允许值
Figure FDA0002903295130000024
为第一斜率向基点两侧构造直线，与步骤三中得到的初始进给率曲线相交，并替代两相交点区域内的进给率曲线，然后，更新两相交点区域内的采样点的最大进给率上限值，重复步骤三、四，再次利用B样条曲线对每一个采样点的最大进给率上限值进行拟合并校验；
5.2若步骤5.1中所述两相交点区域内的采样点仍有不满足步骤五中所述条件的，则将切向加速度
Figure FDA0002903295130000025
乘以比例系数λ(0<λ<1)作为第二斜率，仍以步骤5.1中的基点为起点向两侧重新构造直线，与步骤5.1中经调整后的初始进给率曲线相交，更新两相交点区域内各采样点处的最大进给率上限值，重复步骤三、四，再次利用B样条曲线对每一个采样点的最大进给率上限值进行拟合并校验；
5.3若步骤5.2中各处采样点仍有不满足步骤五中所述条件的，重复步骤5.2，使不满足条件的采样点的最大进给率上限值逐渐减低，直至每一个采样点处的机床分轴速度不超过机床分轴速度最大允许值
Figure FDA0002903295130000026
机床分轴加速度不超过机床分轴加速度最大允许值
Figure FDA0002903295130000031
最终实现多约束下的进给率上限值定制。
2.根据权利要求1所述的基于双向比例调整的多约束数控加工进给率定制方法，其特征在于：数控加工最大编程进给率为50～100mm/s。
3.根据权利要求1所述的基于双向比例调整的多约束数控加工进给率定制方法，其特征在于：插补周期为0.5～8ms。
4.根据权利要求1所述的基于双向比例调整的多约束数控加工进给率定制方法，其特征在于：弓高误差最大允许值为0.0005～0.005mm。
5.根据权利要求1所述的基于双向比例调整的多约束数控加工进给率定制方法，其特征在于：数控加工切向最大加速度值为500～1500mm/s2。
6.根据权利要求1所述的基于双向比例调整的多约束数控加工进给率定制方法，其特征在于：机床分轴最大速度允许值为50～100mm/s。
7.根据权利要求1所述的基于双向比例调整的多约束数控加工进给率定制方法，其特征在于：机床分轴最大加速度允许值为500～1500mm/s2。
8.根据权利要求1所述的基于双向比例调整的多约束数控加工进给率定制方法，其特征在于：λ(0<λ<1)以0.8～0.9为公差进行调整。
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