專利名稱：五軸聯動數控側銑加工表面波紋控制方法
技術領域：
本發明涉及五軸聯動數控加工技木，尤其是數控側銑加工中的表面波紋控制技術領域。
背景技術：
在五軸聯動數控側銑加工過程中，會出現表面波紋缺陷，較大的表面波紋會嚴重影響零件的使用性能和使用壽命，甚至會導致零件的不合格。目前，在軸承、機床、通信廣播、鐘表、砂輪工作面及整機的塑料機殼、艦載火控雷達整機、內燃機、機車車輛、量具刃具等行業中，零件工作表面上的表面波紋是影響其工作壽命和動態性能的重要因素之一。國內外對于表面波紋的控制技術研究集中于提高加工過程中的穩定性，主要采用兩種控制方式:非エ藝優化和エ藝優化的方式。非エ藝優化方式的研究通過增加切削系統剛度、阻尼、吸振器、致動器或引入智能材料等方式[1_4]來增加工件加工過程中的穩定性，抑制表面波紋的產生。這種方法通常都需要一定的附加裝置或者改變機床本身的一些結構或材料，在實際的應用中受到一定的限制。エ藝優化方式的研究集中于切削參數優化，如優化機床主軸轉速[5_7]、刀具工作角度[8_11]和進給速度等，其中最主要且研究最多的是優化進給速度。W.P.Wangtl2]在利用掃描射線法進行加工仿真的基礎上，通過計算NC指令執行中切除材料的體積，以此來估算切削負載和平均力，并據此給每ー NC程序段指定一個保證生產率最大化且滿足約束的“最佳進給速度”。Yamazaki[13]建立了進給速度與材料切除體積的函數，實現了進給速度的優化。清華大學Z.Z.Li[14]等利用材料切除率來獲得平均功率和平均切削力，進而對數控指令的進給速度進行優化。北航彭海濤[15]等由設定的峰值カ確定出金屬切除率目標值，根據每段數控指令的實際切削體積計算出相應的進給速度數值。周艷紅_對進給速度進行合理的優化，使得刀位點相對于零件表面的切削進給速度保持恒定。這些進給速度優化的方法中都只研究和優化了三軸數控加工的狀況或五軸端銑加工中的刀位點的運動情況，而并沒有從整體加工狀態出發，研究和優化五軸聯動數控側銑加工中的表面波紋問題。現有的表面波紋控制技術主要有以下缺陷:(I)需要增加附加裝置或者改變機床本身的一些結構或材料，成本高，應用受到限制；(2)需要與現有系統集成，存在控制滯后問題；(3)主要局限在三軸數控加工和五軸端銑加工，很難推廣到五軸側銑加工；(4)方法較為復雜，效率低，耗時較長；(5)僅考慮加工過程中刀位點的運動情況，不能很好的反應真實的整體加工狀態。參考文獻:[I]NEW R.Profile boring of deep holes[J].Production Engineer,1981,60(4):41-44.
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發明內容
鑒于現有技術的不足，本發明的目的是研究提供五軸聯動數控側銑加工表面波紋控制方法，使五軸聯動數控機床在進行側銑加工時保持恒定的材料切除率和平穩連續的擺動軸運動。本發明的目的是通過如下的手段實現的。五軸聯動數控側銑加工表面波紋控制方法，使五軸聯動數控機床在進行側銑加工時保持恒定的材料切除率和平穩連續的擺動軸運動，包括以下步驟:第一歩:輸入相關參數，具體包括:⑴機床轉心距，⑵數控系統插補周期，(3)數控加工程序所使用的刀具長度，(4)機床各進給軸速度限值，(5)機床各進給軸加速度限值，(6)機床坐標系下エ件側銑加工中Z向切削深度和刀具徑向切深，(7)初始材料切除率；第二步:計算每一段GOl數控指令執行過程中刀軸與エ件接觸掃掠面積，再根據設定的初始材料切除率和刀具徑向切深，優化數控指令進給速度；第三步:根據第二步結果，計算機床各進給軸的運動速度，并按照進給軸的速度約束方法調整進給速度，保證各進給軸的實際運動速度不大于各軸的速度限值vs_ ;第四步:提取第三步結果，計算機床各進給軸的運動加速度，并按照進給軸的加速度約束方法調整進給速度，保證各進給軸的實際加速度不大于各軸的加速度限值as_ ；第五歩:提取第四步結果，判斷擺動軸轉角運動狀態是否連續平穩。如果為小角度單調/非單調不連續轉動或者小角度往復轉動狀態，則按照擺動軸轉動優化方法進行刀位點和刀軸矢量的優化調整；第六步:輸出經過優化后的數控指令，在機床上進行加工。本發明通過調整數控指令的進給速度，使五軸聯動數控機床在進行側銑加工時保持恒定的材料切除率和平穩連續的擺動軸運動，并且根據機床運動特性參數，對每段數控指令的速度和加速度進行約束和對擺動軸運動狀態進行優化。以此控制五軸數控側銑加工中的表面波紋缺陷。與現有的表面波紋控制技術相比，本發明能夠從數控指令和機床運動特性參數著手，控制五軸聯動數控側銑加工中的表面波紋缺陷。該方法不需要對機床進行結構改造，無控制滯后問題，具有操作方便簡單，計算效率高，實用性好的優點。
圖1本發明技術路線流程2構建描述側銑加工刀軌的雙NURBS曲線示意圖
圖3刀軸與エ件接觸掃掠面積4小角度非單調不連續轉動狀態示意5小角度單調不連續轉動狀態示意6小角度往復轉動狀態示意7小角度非單調不連續轉動狀態的優化結果示意8小角度單調不連續/往復轉動狀態的優化算法流程9S型筋板測試件圖10切削加工優化對比實驗結果。
具體實施例方式本發明的主要技術路線見圖1，具體的控制方法如下(以FXYZCA型機床為例進行詳細說明):1、構建雙NURBS曲線描述側銑加工 刀軌在五軸聯動側銑加工エ藝中，進給數控指令通常由GOl表示。雖然這對于加工的信息是足夠的，但是由于刀位點是離散的，因此很難完整地描述刀軌路徑。在優化之前，需要將刀軌路徑進行參數化表示。五軸聯動側銑加工的刀具運動軌跡可以由兩條NURBS曲線P(U)和Q(U)在編程坐標系內進行定義。其中，P(U) = (Xp(u)，yP(u)，Zp(U))定義的是刀位點坐標(CL點)，Q(u) = (xQ(u), yQ(u), zQ(u))定義的是上刀位點坐標(UCL點)。刀位點與對應上刀位點的高度差為Z向切削深度h，并且上刀位點過刀軸中心線，如錯誤！未找到引用源。所示:加工坐標系的刀軸矢量Vi可以根據運動變換運算表達為下式
權利要求
1.軸聯動數控側銑加工表面波紋控制方法，使五軸聯動數控機床在進行側銑加工時保持恒定的材料切除率和平穩連續的擺動軸運動，包括以下步驟: 第一歩:輸入相關參數，具體包括:(I)機床轉心距，(2)數控系統插補周期，(3)數控加工程序所使用的刀具長度，(4)機床各進給軸速度限值，(5)機床各進給軸加速度限值，(6)機床坐標系下エ件側銑加工中Z向切削深度和刀具徑向切深，(7)初始材料切除率； 第二步:計算每一 GOl數控指令執行過程中刀軸與エ件接觸掃掠面積，再根據設定的初始材料切除率和刀具徑向切深，優化數控指令進給速度； 第三步:根據第二步結果，計算機床各進給軸的運動速度，并按照進給軸的速度約束方法調整進給速度，保證各進給軸的實際運動速度不大于各軸的速度限值Vs_ ； 第四步:提取第三步結果，計算機床各進給軸的運動加速度，并按照進給軸的加速度約束方法調整進給速度，保證各進給軸的實際加速度不大于各軸的加速度限值as_ ； 第五步:提取第四步結果，判斷擺動軸轉角運動狀態是否連續平穩。如果為小角度單調/非單調不連續轉動或者小角度往復轉動狀態，則按照擺動軸轉動優化方法進行刀位點和刀軸矢量的優化調整； 第六步:輸出經過優化后的數控指令，在機床上進行加工。
2.根據權利要求1所述之五軸聯動數控側銑加工表面波紋控制方法，其特征在于，所述優化GOl數控指令進給速度的計算方法為:
3.根據權利要求1所述之五軸聯動數控側銑加工表面波紋控制方法，其特征在于，所述擺動軸優化方法包括對小角度單調/非單調不連續轉動和小角度往復轉動狀態的優化。
4.根據權利要求3所述之五軸聯動數控側銑加工表面波紋控制方法，其特征在干，對于小角度非單調不連續轉動狀態，在保證加工允差的條件下，通過在第i段GOl數控指令中插入新的刀位點和刀軸矢量，優化擺軸運動狀態。
5.根據權利要求3所述之五軸聯動數控側銑加工表面波紋控制方法，其特征在于，對于小角度單調不連續轉動和小角度往復轉動兩種情況，在保證加工允差的條件下，通過調整第i段GOl數控指令中的刀位點和刀軸矢量，優化擺動軸運動狀態。
全文摘要
本發明涉及一種五軸聯動數控側銑加工表面波紋控制方法。包括基于進給速度優化和擺動軸運動狀態優化兩部分。通過調整數控指令的進給速度，使得五軸聯動數控機床在進行側銑加工時保持恒定的材料切除率，并且根據機床運動特性參數，對數控指令的速度和加速度進行約束。方法同時對擺動軸運動狀態進行優化，包括對小角度單調/非單調不連續轉動和小角度往復轉動狀態的優化，保持擺動軸運動平穩連續。本發明所提供的方法不需要對機床進行結構改造，無控制滯后問題，具有操作方便簡單，計算效率高，實用性好的優點。
文檔編號G05B19/416GK103092137SQ20121030244
公開日2013年5月8日 申請日期2012年8月23日 優先權日2012年8月23日
發明者江磊, 馬術文, 胡命華, 丁國富, 朱紹維, 楚王瑋, 彭雨, 蔡延波 申請人:西南交通大學, 成都飛機工業(集團)有限責任公司