[发明专利]一种采用时间参数多项式插补的自由曲面数控加工方法

说明书

本发明涉及一种采用时间参数多项式插补的自由曲面数控加工方法。具体包括三大步骤：预测前瞻速度规划、以B‑spline为基础的时间参数多项式加工轨迹生成和时间参数多项式实时插补；(1)通过读取参数曲线型自由曲面加工轨迹进行速度规划，生成高速高精的自由曲面加工过程离散数据；2)采用给定精度的B‑spline拟合技术对经速度规划后的高速高精加工过程离散数据进行表征，然后转换成简洁增量式时间参数多项式曲面加工轨迹；(3)根据生成的时间参数多项式曲面加工轨迹编制相应实时插补程序对数控机床进行实时控制，完成自由曲面加工。本发明改善了所加工出的自由曲面的轮廓精度与表面质量，显著提高了自由曲面加工效率，减少了自由曲面加工所需数据量。

技术领域

本发明属于数控加工技术领域，具体涉及一种自由曲面数控加工方法，尤其是可以根据参数曲线加工轨迹，离线进行速度规划并生成包含曲面加工几何与速度信息的简洁曲面加工数据，开发了相应实时在线时间参数多项式插补算法。

背景技术

随着航空航天以及光学领域的发展，自由曲面零件如航空发动机叶片、光学镜头等的加工要求越来越高。但是与规则曲面例如球面、二次曲面等能用方程表示相比，自由曲面一般采用大量的点云或大量分段方程进行表征。这大大增加了自由曲面数控加工的复杂性。在目前的生产实践中，自由曲面加工依然采用大量小线段离散轨迹，然后通过在线光顺与速度规划实现自由曲面加工。但是由于在线实时计算量的严格控制使得在线光顺与速度规划都不能实现很好的高速高精自由曲面加工。已公开的一种高速高精度数控加工的小线段实时平滑过渡插补方法，采用三次B-spline进行对小线段轨迹进行过渡，并采用S加减速方法对速度进行规划，但是过渡精度难以得到控制，且S加减速规划方法难以达到速度规划的最优性。

因此在自由曲面加工中，以曲率连续的参数曲线轨迹的数控加工方法得到广泛的应用。但是由于曲线参数与曲线弧长一般不具有显函数关系，限制了采用参数曲线加工的速度规划与实时插补过程，使得参数曲线加工轨迹的自由曲面数控加工在生产实践中难以推广应用。

已有公开技术解决参数曲线应用于自由曲面加工中遇到的问题，对采用参数曲线加工轨迹的离线速度规划(Beudaert X,Lavernhe S,Tournier C(2012)Feedrateinterpolation with axis jerk constraints on 5-axis NURBS and G1tool path.IntJ Mach Tools Manuf 57:73–82.)与参数插补(Erkorkmaz K,Altintas Y(2005)QuinticSpline Interpolation With Minimal Feed Fluctuation.J Manuf Sci Eng 127:339.)分别进行了研究。但是都没有协同考虑速度规划与插补方法，使得在参数插补过程中难以保证由速度规划完成的高速高精加工过程。而保证参数插补按照离线速度规划过程控制机床运动，则需要大量冗余数据。

已公开的小线段路径压缩平滑的前瞻插补系统，主要特点是先采用B-spline对小线段轨迹进行拟合，采用S型前瞻速度规划方法，以及多种插补方法。但没有介绍如何将速度规划后的结果简洁高精度的应用于其提出的多种插补方法中。

发明内容

本发明针对采用参数曲线轨迹的自由曲面数控加工问题的复杂性与现有技术的不足，提出了一种采用时间参数多项式插补的自由曲面数控加工方法。该方法协同考虑了在线实时计算与离线计算的特点，采用离线计算实现速度规划与加工数据生成，提高了速度规划的最优性与生成数据的简洁性。在线实时插补只采用以时间参数的多项式插补，降低了实时插补的计算复杂性，提高了实时计算的鲁棒性。促进了参数型自由曲面加工轨迹在生产实践中的应用。

本发明是通过以下技术方案实现：

一种采用时间参数多项式插补的自由曲面数控加工方法适用于数控机床加工自由曲面，所述数控机床包括实时机床控制器与机床本体，所述机床本体包括工作台和各个运动轴。本发明方法包括三个操作步骤：