CN114296399A - 一种经过圆弧局部光顺优化的c机能刀具半径补偿算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种经过圆弧局部光顺优化的C机能刀具半径补偿算法，属于数控系统轮廓加工技术领域。本发明刀具半径补偿算法具体包括直线接直线的过渡圆弧算法、直线接圆弧或者圆弧接直线的过渡圆弧算法以及圆弧接圆弧的过渡圆弧算法。本发明通过圆弧局部光顺化后，刀具路径在实现了刀具补偿的功能同时，在设置的误差允许下具有了一阶连续特性，这会极大减小运动过程中的冲击，极大提高加工速度和加工质量，增加机床寿命。另一方面本算法运算量较少，对数控整体系统运算周期影响较小。

Description

一种经过圆弧局部光顺优化的C机能刀具半径补偿算法

技术领域

本发明属于数控系统轮廓加工技术领域，尤其与C机能刀具半径补偿算法优化有关。

背景技术

在轮廓加工中，由于刀具总有一定的半径，刀具中心的运动轨迹并不是待加工工件的实际轮廓。在进行轮廓加工时，刀具中心需要偏移工件的轮廓面一个半径值。这种偏移称为刀具半径补偿。现有刀具补偿主要为B机能刀具补偿（完成轮廓之间的连接）和C机能刀具补偿（C功能刀具补偿，主要是要解决下一段加工轨迹对本段加工轨迹的影响问题）。B机能刀具补偿对两个程序段之间的特性情况没有给予考虑。C机能刀具半径补偿在工件轮廓的拐角处采用折线过渡，是目前CNC系统中普遍采用的刀具半径补偿方法，它较好的改善了B机能刀补的缺陷。在一般的CNC系统中，实际加工轮廓都是由直线和圆弧构成，所用刀补算法有四种连接形式：直线和直线相接，直线和圆弧相接，圆弧和直线相接，圆弧和圆弧相接。连接形式可分为三种转接类型：缩短型，伸长型，插入型。现有的一般的C机能刀具半径补偿算法使用折线过渡的形式进行连接，这就导致补偿后的刀具移动路径衔接点处仅具有相同的点，即仅具有零阶连续特性。这会使高速数控机床在加工过程中有较大的运动冲击，严重影响到加工速度和加工质量，减少机床寿命。

发明内容

针对上述背景技术存在的问题，本发明提出一种经过圆弧局部光顺优化的C机能刀具半径补偿算法。

为此，本发明采用以下技术方案：一种经过圆弧局部光顺优化的C机能刀具半径补偿算法，具体包括直线接直线的过渡圆弧算法、直线接圆弧或者圆弧接直线的过渡圆弧算法以及圆弧接圆弧的过渡圆弧算法；

直线接直线的过渡圆弧算法包括以下步骤：

第一步：首先导入两条直线轨迹；

第二步：根据弓高误差得到内衔接的半径值，同时比较连接的两条直线限制的半径值；

第三步：取得较小值作为过渡圆弧的半径；

第四步：得出与上述两条直线同时相切的圆；

第五步：最后得出内接圆弧的切点和圆心的计算，实现对刀具半径补偿的优化；

直线接圆弧或者圆弧接直线的过渡圆弧算法包括以下步骤：

第一步：首先导入直线轨迹和圆弧轨迹；

第二步：通过轮廓误差、弦高误差、补偿周期和目标周期求得上述直线轨迹和圆弧轨迹连接圆弧的半径；

第三步：得出与上述直线和圆弧同时相切的圆；

第四步：最后得出内接圆弧的切点和圆心的计算，实现对刀具半径补偿的优化；

圆弧接圆弧的过渡圆弧算法包括以下步骤：

第一步：首先导入两条圆弧轨迹；

第二步：通过轮廓误差、弦高误差、补偿周期和目标周期求得上述两条圆弧轨迹的连接圆弧的半径；

第三步：得出与上述两条圆弧同时相切的圆；

第四步：最后得出内接圆弧的切点和圆心的计算，实现对刀具半径补偿的优化。

本发明可以达到以下有益效果：本发明通过圆弧局部光顺化后，刀具路径在实现了刀具补偿的功能同时，在设置的误差允许下具有了一阶连续特性，这会极大减小运动过程中的冲击，极大提高加工速度和加工质量，增加机床寿命。另一方面本算法运算量较少，对数控整体系统运算周期影响较小。

附图说明

图1为本发明的总体框架流程示意图。

图2为本发明实施例直线与直线刀补仿真：A点(0，0)，B点(0.1，0.1)，C点(0，0.09)圆弧过渡的轨迹示意图，其中虚线为初始路径，实线为刀补路径。

图3为本发明实施例直线与直线刀补仿真时间-加速度曲线示意图。

图4为本发明实施例直线与直线刀补仿真时间时间-速度曲线（运动总时间：1.776s）示意图。

图5为直线与直线刀补仿真没有圆弧过渡的轨迹示意图，其中虚线为初始路径，实线为刀补路径。

图6为直线与直线刀补没有圆弧过渡的时间-加速度曲线示意图。

图7为直线与直线刀补没有圆弧过渡的时间-速度曲线（运动总时间2.022s）示意图。

图8为本发明实施例直线与圆弧刀补仿真(同圆弧与直线插补)：A(0，0)，B(0.2，0)，C(0.3，0.1)，圆心(0.3，0.0)，半径0.1m圆弧过渡的轨迹示意图，其中虚线为初始路径，实线为刀补路径。

图9为本发明实施例直线与圆弧刀补仿真时间-加速度曲线示意图。

图10为本发明实施例直线与圆弧刀补仿真时间时间-速度曲线（运动总时间：2.048s）示意图。

图11为直线与圆弧刀补仿真没有圆弧过渡的轨迹示意，其中虚线为初始路径，实线为刀补路径。

图12为直线与圆弧刀补没有圆弧过渡的时间-加速度曲线示意图。

图13为直线与圆弧刀补没有圆弧过渡的时间-速度曲线（运动总时间2.52s）示意图。

图14为圆弧与圆弧刀补的总示意图，其中虚线为初始路径，实线为刀补路径。

图15为圆弧与圆弧刀补仿真：A(0,0),B(0.2,0),C(0.3,0.1),圆心1(0.1,0.0),半径0.1m，圆心2(0.2,0.0),半径0.1m圆弧过渡的轨迹示意图，其中虚线为初始圆弧，实线为刀补路径。

图16为圆弧与圆弧刀补仿真时间时间-加速度曲线。

图17为圆弧与圆弧刀补仿真时间时间-速度曲线（运动总时间：2.584s）示意图。

图18为圆弧与圆弧刀补仿真：A(0,0),B(0.2,0),C(0.3,0.1),圆心1(0.1,0.0),半径0.1m，圆心2(0.2,0.0),半径0.1m仿真示意图，其中虚线为初始路径，实线为刀补路径。

图19为圆弧与圆弧刀补没有圆弧过渡的时间-加速度曲线示意图。

图20为圆弧与圆弧刀补没有圆弧过渡的时间-速度曲线（运动总时间3.16s）示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细描述，所描述的实施例只是对本发明的说明和解释，并不构成对本发明的唯一限定。

如图1所示，本发明实施例经过圆弧局部光顺优化的C机能刀具半径补偿算法，具体包括直线接直线的过渡圆弧算法、直线接圆弧或者圆弧接直线的过渡圆弧算法以及圆弧接圆弧的过渡圆弧算法；

直线接直线的过渡圆弧算法包括以下步骤：

第一步：首先导入两条直线轨迹；

第二步：根据弓高误差得到内衔接的半径值，同时比较连接的两条直线限制的半径值；

第三步：取得较小值作为过渡圆弧的半径；

第四步：得出与上述两条直线同时相切的圆；

第五步：最后得出内接圆弧的切点和圆心的计算，实现对刀具半径补偿的优化；

直线接圆弧或者圆弧接直线的过渡圆弧算法包括以下步骤：

第一步：首先导入直线轨迹和圆弧轨迹；

第二步：通过轮廓误差、弦高误差、补偿周期和目标周期求得上述直线轨迹和圆弧轨迹连接圆弧的半径；

第三步：得出与上述直线和圆弧同时相切的圆；

第四步：最后得出内接圆弧的切点和圆心的计算，实现对刀具半径补偿的优化；

圆弧接圆弧的过渡圆弧算法包括以下步骤：

第一步：首先导入两条圆弧轨迹；

第二步：通过轮廓误差、弦高误差、补偿周期和目标周期求得上述两条圆弧轨迹的连接圆弧的半径；

第三步：得出与上述两条圆弧同时相切的圆；

第四步：最后得出内接圆弧的切点和圆心的计算，实现对刀具半径补偿的优化。

如图2-图20所示为在matlab用7段S曲线加减速仿真的结果，工作速度0.5m/s ,最大加速度1.5m/s*s,最大加加速度1.5m/s*s*s,刀补半径0.001m,轮廓误差0.00001m,弦高误差0.000025m，插补周期0.002s的仿真图，从以上图形可以看出，经过圆弧局部光顺优化的C机能刀具半径补偿算法，运动轨迹具有了一阶连续特性，减小运动冲击，提高加工速度和加工质量。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (1)

1.一种经过圆弧局部光顺优化的C机能刀具半径补偿算法，其特征在于：所述的具体刀具半径补偿算法包括直线接直线的过渡圆弧算法、直线接圆弧或者圆弧接直线的过渡圆弧算法以及圆弧接圆弧的过渡圆弧算法；

直线接直线的过渡圆弧算法包括以下步骤：

第一步：首先导入两条直线轨迹；

第二步：根据弓高误差得到内衔接的半径值，同时比较连接的两条直线限制的半径值；

第三步：取得较小值作为过渡圆弧的半径；

第四步：得出与上述两条直线同时相切的圆；

第五步：最后得出内接圆弧的切点和圆心的计算，实现对刀具半径补偿的优化；

直线接圆弧或者圆弧接直线的过渡圆弧算法包括以下步骤：

第一步：首先导入直线轨迹和圆弧轨迹；

第二步：通过轮廓误差、弦高误差、补偿周期和目标周期求得上述直线轨迹和圆弧轨迹连接圆弧的半径；

第三步：得出与上述直线和圆弧同时相切的圆；

第四步：最后得出内接圆弧的切点和圆心的计算，实现对刀具半径补偿的优化；

圆弧接圆弧的过渡圆弧算法包括以下步骤：

第一步：首先导入两条圆弧轨迹；

第二步：通过轮廓误差、弦高误差、补偿周期和目标周期求得上述两条圆弧轨迹的连接圆弧的半径；

第三步：得出与上述两条圆弧同时相切的圆；

第四步：最后得出内接圆弧的切点和圆心的计算，实现对刀具半径补偿的优化。

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