[发明专利]五轴数控系统刀心点插补路径插值方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种数控技术领域中的五轴加工技术，具体的说是一种五轴数控系统刀心点插补路径插值方法。

背景技术

作为加工金属模具等的自由曲面的五轴数控机床，使用在线性移动轴基础上以外具有旋转轴的部件。已知具有X、Y、Z的线性移动轴和两个旋转轴的五轴机床，在进行多轴加工时，因为旋转轴的出现，使刀具能够以不同的角度对工件进行加工。旋转轴的出现在使加工灵活性大大增强的同时，也使五轴加工程序的编制变得繁琐，抽象，难以理解。一般来说，五轴数控加工程序难以用人工手写的方式完成，而只能通过后置处理将CAD/CAM生成的刀位数据转换为具体机床的NC程序。一旦机床结构或者所用刀具发生改变，原始的程序便不能使用。这种“一把钥匙开一次锁”的加工模式，效率低可操作性和通用性差。在越来越复杂和精度要求越来越高的大批量生产加工中，这种加工模式已经严重的限制了五轴机床加工能力和效率的发挥，成为五轴联动数控加工应用推广和发展的一个瓶颈，这种处理模式存在以下弊端：

1.必须使用昂贵的CAM软件和特定的后置处理软件；

2.针对简单路径加工产生大量的微小程序加工指令，需要系统有大容量的存储设备来储存冗长的加工程序；

3.大量的微小程序段会加重编程系统与CNC系统之间的通讯负荷，降低整个系统的可靠性；

4.数控装置需要大量时间和处理能力来分析冗长程序，很难保证高精高速下的平滑加工；

5.针对不同运动结构的机床需要生成不同的加工程序；

6.无法对加工进给速度进行控制。

为了数控系统可以基于CAD/CAM系统或者仿形数据直接进行多轴加工，需要从指令点直接进行插补。此时，需要五轴数控综合考虑机床动力学约束和加工路径约束，通过在实时插补中完成工件坐标系下编程指令到机床控制点的转换。

另外，从工件坐标系下的指令直接驱动五轴机床进行加工的方法已经成为公知技术，对编程路径进行按编程速度F进行每个插补周期t的路径插值，然后进行运动学转换，驱动机床各轴进行加工。但是，此时根据编程速度F和插补周期t进行路径插值求出的每个轴插补点，不能保证相邻的插补点间距离满足机床的动力学约束，可能会导致各轴在插补过程中出现超差情况。同时旋转轴以角度单位出现，并未对矢量单位形式的刀具轴方向插补方法进行处理。

发明内容

针对现有技术中存在的基于指令的实时插补可能导致的轴运动超差或者不连续的问题，本发明要解决的技术问题是提供一种结合数控系统所控制的机床动力学约束和加工路径约束的五轴数控系统刀心点插补路径插值方法，实现平稳的连续的五轴加工刀心点插补。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

本发明五轴数控系统刀心点插补路径插值方法，用于通过控制具有三个线性轴和两个旋转轴的五轴机床用的数控系统，包括以下步骤：

指令解析：确定路径起始点和终点的刀心点位置信息和刀具方向信息，刀心点进给速度、插补周期；同时通过系统内五轴机床结构参数，确定工件坐标系内编程指令信息到机床坐标系下轴位置信息的转换关系；

路径插值预处理：确定刀心点插补步长和段长，以及按照编程指令所需的刀心点插补周期数；

最短轴插补时间计算：确定完成整个刀心点插补路径所需要的各轴运动行程，结合各轴的最大限制速度，计算出完成刀心点插补路径所需的最短轴插补时间和轴插补周期数；

速度约束最短插补周期数：根据刀心点插补周期数和轴插补周期数，确定速度约束条件下的最短插补周期数；

各轴插补位置计算：根据最短插补周期数对刀心点轨迹进行处理，确定各轴每个插补周期的运动位置，然后通过逆向运动学计算完成各轴的运动信息计算；

加速度约束判断：对各轴进行加速度约束判断，当各轴运动符合加速度约束要求时，则将各轴运动信息经过三次样条平滑处理后发给伺服，结束本次操作。

如果各轴运动不符合加速度约束要求时，返回最短轴插补时间计算步骤。

刀心点插补时间为：

其中，L为指令速度F下的每个插补周期的刀具中心点的移动距离，D为起始点到终点的刀具中心点距离段长度，t为插补周期。

指令速度F下的每个插补周期的刀具中心点的移动距离L为：

L＝F×t

其中F为刀心点进给速度。

起始点到终点的刀具中心点距离段长度D为：