CN111948982A - 一种基于插补算法的机械加工控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于插补算法的机械加工控制方法，通过将待加工零件按照预设加工要求进行分段，分为多个连续的加工线段；并根据加工线段确定待加工零件的加工工序；选择加工线段，并按照确定的加工工序对待加工零件进行拟合，获取二次有理贝塞尔曲线；驱动旋转轴和移动轴，按照二次有理贝塞尔曲线对待加工零件进行加工，获取对应的工件；将工件与标准件进行比对，确定工件与标准件是否一致；若不一致，则通过NURBS曲线插补算法对所选择加工线段以及对应的加工工序进行路径规划，并用规划后的路径调节二次有理贝塞尔曲线，重新驱动旋转轴和移动轴进行加工，获取与标准件一致的工件。本发明可以修改预先确定的加工路径，重新对加工路径进行规划。
Description
技术领域
本发明涉及制造业技术领域，特别是涉及一种基于插补算法的机械加工控制方法。
背景技术
数控机床(Computer numerical control machine tools，CNC)，是一种装有程序控制系统的自动化机床。该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，用代码化的数字表示，通过信息载体输入数控装置。经运算处理由数控装置发出各种控制信号，控制机床的动作，按图纸要求的形状和尺寸，自动地将零件加工出来。
目前数控机床加工零件的轨迹需要控制多个电机共同运动来完成运动轨迹，在控制多个电机时由于控制信号需要处理发送及到响应会有延迟，控制系统发送的脉冲在某些情况下还会丢步现象，这些也会导致多个电机无法做到同步而使运动轨迹有误差。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于插补算法的机械加工控制方法，用于解决现有技术中机床加工时出现的轨迹误差问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于插补算法的机械加工控制方法，包括以下步骤：
将待加工零件按照预设加工要求进行分段，分为多个连续的加工线段；并根据所述加工线段确定所述待加工零件的加工工序；
选择加工线段，并按照确定的加工工序对所述待加工零件进行拟合，获取二次有理贝塞尔曲线；
驱动旋转轴和移动轴，按照所述二次有理贝塞尔曲线对待加工零件进行加工，获取对应的工件；
将所述工件与标准件进行比对，确定所述工件与所述标准件是否一致；若不一致，则通过NURBS曲线插补算法对所选择加工线段以及对应的加工工序进行路径规划，并用规划后的路径调节所述二次有理贝塞尔曲线，重新驱动所述旋转轴和移动轴对待加工零件进行加工，直至获取与标准件一致的工件。
可选地，所述通过NURBS曲线插补算法对所选择加工线段以及对应的加工工序进行路径规划，包括有：
初始化所述二次有理贝塞尔曲线；
根据期望步长预估所述二次有理贝塞尔曲线中的插补点；
计算实际插补步长值和偏差值，并判断所述步长值的精度是否满足预设加工要求；若所述步长值的精度满足预设加工要求，则计算所述旋转轴和移动轴的变化量，并输出对应的结果；若所述步长值的精度不满足预设加工要求，则迭代校正参数，重新根据期望步长预估所述二次有理贝塞尔曲线中的插补点。
可选地，在通过NURBS曲线插补算法对所选择加工线段以及对应的加工工序进行路径规划时，还包括根据所选择加工线段以及对应的加工工序计算出待加工零件的一阶导曲线，并根据所述一阶导曲线计算出NURBS曲线的总长度，通过所述NURBS曲线的总长度进行路径规划。
可选地，还包括：
根据NURBS曲线中插补点曲率的变化，确定速度突变点的位置；
根据速度突变点的位置将NURBS曲线进行分段，采用自适应插补，获取速度突变点处的进给速度；
根据所述速度突变点处的进给速度计算前瞻距离；并在前瞻距离范围内，确定所述加工线段内的最大速度及其对应的插补点位置；
将所述加工线段内的最大速度对应的插补点位置作为所述加工线段的减速点来对所述加工线段进行速度规划。
可选地，还包括通过双NURBS曲线进行插补，有：
读入NURBS曲线G代码；
按照递归插补算法进行刀尖点NURBS曲线的实时插补，获得刀尖点(x，y，z)；
按照分区间参数同步关系模型计算刀轴点曲线的插补参数，获得刀轴方向矢量点(i，j，k)；
整理插补刀位文件(x，y，z，i，j，k)，并通过运动学反变换计算出各坐标轴的运动分量(X，Y，Z，A，B)；其中，X，Y，Z为三维坐标中的坐标轴，A为依赖轴，B为非依赖轴；所述刀包括铣刀、削刀。
可选地，所述移动轴通过滑轨沿着X轴、Y轴进行直线移动；所述旋转轴在伺服电机驱动下进行顺时针或逆时针旋转。
可选地，所述加工线段包括直线加工线段、曲线加工线段。
可选地，所述加工工序包括铣工、削工。
如上所述，本发明提供一种基于插补算法的机械加工控制方法，具有以下有益效果：通过将待加工零件按照预设加工要求进行分段，分为多个连续的加工线段；并根据加工线段确定待加工零件的加工工序；选择加工线段，并按照确定的加工工序对待加工零件进行拟合，获取二次有理贝塞尔曲线；驱动旋转轴和移动轴，按照二次有理贝塞尔曲线对待加工零件进行加工，获取对应的工件；将工件与标准件进行比对，确定工件与标准件是否一致；若不一致，则通过NURBS曲线插补算法对所选择加工线段以及对应的加工工序进行路径规划，并用规划后的路径调节二次有理贝塞尔曲线，重新驱动旋转轴和移动轴对待加工零件进行加工，直至获取与标准件一致的工件。本发明可以修改预先确定的加工路径，重新对加工路径进行规划，解决现有技术中数控机床加工过程中轨迹存在误差的情形。并且，本发明使用优化运动控制插补算法，提高了插补精度，对加工程序段做了前瞻性预处理，提前规划好轨迹和速度，提高了机床运动的平稳性，提升了加工精度。本发明提出NURBS插补技术后处理数控加工程序，通过合理选择拟合精度及优化进给速度的方法，具有插补精度高、数控程序量小、加工过程平稳的优点，仿真和实验结果表明使用该技术可以缩短加工时间，提高加工质量。本发明还能够采用双NURBS曲线进行插补，避免了大量复杂的参数曲线几何计算，使本发明计算简单，计算精度高，且计算鲁棒性好。
附图说明
图1为一实施例提供的基于插补算法的机械加工控制方法的流程示意图；
图2为一实施例提供的基于插补算法的CNC机床加工示意图；
图3为一实施例提供的NURBS曲线插补的流程示意图；
图4为一实施例提供的NURBS曲线插补示例示意图；
图5为一实施例提供的双NURBS曲线插补的流程示意图；
图6为一实施例提供的双NURBS曲线插补中的分区间同步参数切削示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
插补：是机床数控系统依照一定方法确定刀具运动轨迹的过程。也可以说，已知曲线上的某些数据，按照某种算法计算已知点之间的中间点的方法，也称为“数据点的密化”；数控装置根据输入的零件程序的信息，将程序段所描述的曲线的起点、终点之间的空间进行数据密化，从而形成要求的轮廓轨迹，这种“数据密化”机能就称为“插补”。在数控机床中，刀具不能严格地按照要求加工的曲线运动，只能用折线轨迹逼近所要加工的曲线。
请参阅图1至图6所示，本发明提供一种基于插补算法的机械加工控制方法，包括以下步骤：
S100，将待加工零件按照预设加工要求进行分段，分为多个连续的加工线段；并根据加工线段确定待加工零件的加工工序；其中，本发明中的加工线段包括直线加工线段、曲线加工线段；加工工序包括：铣工、削工。
S200，选择加工线段，并按照确定的加工工序对待加工零件进行拟合，获取二次有理贝塞尔曲线；
S300，驱动旋转轴和移动轴，按照二次有理贝塞尔曲线对待加工零件进行加工，获取对应的工件；其中，移动轴通过滑轨沿着X轴、Y轴进行直线移动；旋转轴在伺服电机驱动下进行顺时针或逆时针旋转。
S400，将工件与标准件进行比对，确定工件与标准件是否一致；若不一致，则通过NURBS曲线插补算法对所选择加工线段以及对应的加工工序进行路径规划，并用规划后的路径调节二次有理贝塞尔曲线，重新驱动旋转轴和移动轴对待加工零件进行加工，直至获取与标准件一致的工件。
本发明可以修改预先确定的加工路径，重新对加工路径进行规划，解决现有技术中数控机床加工过程中轨迹存在误差的情形。并且，本发明使用优化运动控制插补算法，提高了插补精度，对加工程序段做了前瞻性预处理，提前规划好轨迹和速度，提高了机床运动的平稳性，提升了加工精度。本发明提出NURBS插补技术后处理数控加工程序，通过合理选择拟合精度及优化进给速度的方法，具有插补精度高、数控程序量小、加工过程平稳的优点，仿真和实验结果表明使用该技术可以缩短加工时间，提高加工质量。
在一示例性实施例中，如图3所示，通过NURBS曲线插补算法对所选择加工线段以及对应的加工工序进行路径规划，包括有：
初始化所述二次有理贝塞尔曲线；
根据期望步长预估所述二次有理贝塞尔曲线中的插补点；
计算实际插补步长值和偏差值，并判断所述步长值的精度是否满足预设加工要求；若所述步长值的精度满足预设加工要求，则计算所述旋转轴和移动轴的变化量，并输出对应的结果；若所述步长值的精度不满足预设加工要求，则迭代校正参数，重新根据期望步长预估所述二次有理贝塞尔曲线中的插补点。
本发明中，NURBS曲线插补编程的主要函数为G代码解析函数、预处理函数和实时处理函数。本次实验将NURBS曲线插补标识设定为G641，并设计G代码解析函数int32sGcodeExplain(void)来识别G641代码，将CNC程序G代码指令中的坐标轴位置信息和指令速度信息传给相关变量，供预处理和实时计算使用。下面是G代码解释函数的部分代码。
在NURBS曲线的插补预处理阶段，与直线插补不同，除了对各轴同步系数等关键参数进行初始化之外，还需计算出原曲线的一阶导曲线，进而计算出NURBS曲线的总长度。此外，由于是自由曲线的曲率变化不可预测，且影响到插补的弦高误差，故需要计算整条曲线的曲率分布情况，并根据许可误差确定出速度极小值点作为节点进行分段加减速规划。用函数void PreCalculationG641(void)来实现NURBS曲线插补的预处理功能，下面是其部分代码：
实时处理函数根据NURBS曲线插补算法程序，在各插补周期内实时计算出符合要求的插补点。先判断当前速度在加减速规划中所处的阶段，根据期望插补步长预估插补参数，再计算出实际插补步长值和偏差值，并根据需要进行必要的迭代，确保步长精度在许可范围内。将最终所得插补点坐标传至伺服系统，完成本周期的插补任务。每个插补周期中均调用一次插补处理函数，直至完成整条NURBS曲线的插补。设计程序函数voidNurbsInterG641(void)来完成曲线插补实时计算，下面是其中的部分代码：
作为示例，以图4所示的一条NURBS曲线为例，其参数为p3；节点矢量为U＝[0，0，0，0，0.3，0.6，1，1，1，1]；控制顶点P＝[(-55，15，-10)；(-45，45，5)；(-18，40，15)；(-20，0，20)；(-10，-40，-20)；(40，5，20)]。
根据上述记载，在通过NURBS曲线插补算法对所选择加工线段以及对应的加工工序进行路径规划时，还包括根据所选择加工线段以及对应的加工工序计算出待加工零件的一阶导曲线，并根据所述一阶导曲线计算出NURBS曲线的总长度，通过所述NURBS曲线的总长度进行路径规划。
在本申请实施例中，还包括：根据NURBS曲线中插补点曲率的变化，确定速度突变点的位置；根据速度突变点的位置将NURBS曲线进行分段，采用自适应插补，获取速度突变点处的进给速度；根据所述速度突变点处的进给速度计算前瞻距离；并在前瞻距离范围内，确定所述加工线段内的最大速度及其对应的插补点位置；将所述加工线段内的最大速度对应的插补点位置作为所述加工线段的减速点来对所述加工线段进行速度规划。本申请实施例与S型加减速算法相比，缩短了运行时间；与传统三次多项式加减速算法相比，减少了最大弓高误差。
在一示例性实施例中，如图5和图6所示，还包括通过双NURBS曲线进行插补，有：读入NURBS曲线G代码；按照递归插补算法进行刀尖点NURBS曲线的实时插补，获得刀尖点(x，y，z)；按照分区间参数同步关系模型计算刀轴点曲线的插补参数，获得刀轴方向矢量点(i，j，k)；整理插补刀位文件(x，y，z，i，j，k)，并通过运动学反变换计算出各坐标轴的运动分量(X，Y，Z，A，B)；其中，X，Y，Z为三维坐标中的坐标轴，A为依赖轴，B为非依赖轴；所述刀包括铣刀、削刀。该实施例中数控机床的传动链为：刀具→Z轴→Y轴→床身→X轴→B轴→A轴→工件。其中A轴为依赖轴，B轴为非依赖轴。此机械装置上配置了开放式五轴数控系统，构成了可供切削加工的五轴加工机床。本申请实施例中的双NURBS曲线插补加工可以在该五轴加工机床上进行。对于自由曲面的平底刀加工，双NURBS曲线的插补效果主要通过刀轴的变化最终体现在切削宽度的均匀性上。
本发明提供一种基于插补算法的机械加工控制方法，具有以下有益效果：通过将待加工零件按照预设加工要求进行分段，分为多个连续的加工线段；并根据加工线段确定待加工零件的加工工序；选择加工线段，并按照确定的加工工序对待加工零件进行拟合，获取二次有理贝塞尔曲线；驱动旋转轴和移动轴，按照二次有理贝塞尔曲线对待加工零件进行加工，获取对应的工件；将工件与标准件进行比对，确定工件与标准件是否一致；若不一致，则通过NURBS曲线插补算法对所选择加工线段以及对应的加工工序进行路径规划，并用规划后的路径调节二次有理贝塞尔曲线，重新驱动旋转轴和移动轴对待加工零件进行加工，直至获取与标准件一致的工件。本发明可以修改预先确定的加工路径，重新对加工路径进行规划，解决现有技术中数控机床加工过程中轨迹存在误差的情形。并且，本发明使用优化运动控制插补算法，提高了插补精度，对加工程序段做了前瞻性预处理，提前规划好轨迹和速度，提高了机床运动的平稳性，提升了加工精度。本发明提出NURBS插补技术后处理数控加工程序，通过合理选择拟合精度及优化进给速度的方法，具有插补精度高、数控程序量小、加工过程平稳的优点，仿真和实验结果表明使用该技术可以缩短加工时间，提高加工质量。本发明还能够采用双NURBS曲线进行插补，避免了大量复杂的参数曲线几何计算，使本发明计算简单，计算精度高，且计算鲁棒性好。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (8)
1.一种基于插补算法的机械加工控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
将待加工零件按照预设加工要求进行分段，分为多个连续的加工线段；并根据所述加工线段确定所述待加工零件的加工工序；
选择加工线段，并按照确定的加工工序对所述待加工零件进行拟合，获取二次有理贝塞尔曲线；
驱动旋转轴和移动轴，按照所述二次有理贝塞尔曲线对待加工零件进行加工，获取对应的工件；
将所述工件与标准件进行比对，确定所述工件与所述标准件是否一致；若不一致，则通过NURBS曲线插补算法对所选择加工线段以及对应的加工工序进行路径规划，并用规划后的路径调节所述二次有理贝塞尔曲线，重新驱动所述旋转轴和移动轴对待加工零件进行加工，直至获取与标准件一致的工件。
2.根据权利要求1所述的基于插补算法的机械加工控制方法，其特征在于，所述通过NURBS曲线插补算法对所选择加工线段以及对应的加工工序进行路径规划，包括有：
初始化所述二次有理贝塞尔曲线；
根据期望步长预估所述二次有理贝塞尔曲线中的插补点；
计算实际插补步长值和偏差值，并判断所述步长值的精度是否满足预设加工要求；若所述步长值的精度满足预设加工要求，则计算所述旋转轴和移动轴的变化量，并输出对应的结果；若所述步长值的精度不满足预设加工要求，则迭代校正参数，重新根据期望步长预估所述二次有理贝塞尔曲线中的插补点。
3.根据权利要求1或2所述的基于插补算法的机械加工控制方法，其特征在于，在通过NURBS曲线插补算法对所选择加工线段以及对应的加工工序进行路径规划时，还包括根据所选择加工线段以及对应的加工工序计算出待加工零件的一阶导曲线，并根据所述一阶导曲线计算出NURBS曲线的总长度，通过所述NURBS曲线的总长度进行路径规划。
4.根据权利要求1所述的基于插补算法的机械加工控制方法，其特征在于，还包括：
根据NURBS曲线中插补点曲率的变化，确定速度突变点的位置；
根据速度突变点的位置将NURBS曲线进行分段，采用自适应插补，获取速度突变点处的进给速度；
根据所述速度突变点处的进给速度计算前瞻距离；并在前瞻距离范围内，确定所述加工线段内的最大速度及其对应的插补点位置；
将所述加工线段内的最大速度对应的插补点位置作为所述加工线段的减速点来对所述加工线段进行速度规划。
5.根据权利要求1所述的基于插补算法的机械加工控制方法，其特征在于，还包括通过双NURBS曲线进行插补，有：
读入NURBS曲线G代码；
按照递归插补算法进行刀尖点NURBS曲线的实时插补，获得刀尖点(x，y，z)；
按照分区间参数同步关系模型计算刀轴点曲线的插补参数，获得刀轴方向矢量点(i，j，k)；
整理插补刀位文件(x，y，z，i，j，k)，并通过运动学反变换计算出各坐标轴的运动分量(X，Y，Z，A，B)；其中，X，Y，Z为三维坐标中的坐标轴，A为依赖轴，B为非依赖轴；所述刀包括铣刀、削刀。
6.根据权利要求1所述的基于插补算法的机械加工控制方法，其特征在于，所述移动轴通过滑轨沿着X轴、Y轴进行直线移动；所述旋转轴在伺服电机驱动下进行顺时针或逆时针旋转。
7.根据权利要求1所述的基于插补算法的机械加工控制方法，其特征在于，所述加工线段包括直线加工线段、曲线加工线段。
8.根据权利要求1所述的基于插补算法的机械加工控制方法，其特征在于，所述加工工序包括铣工、削工。
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