论文部分内容阅读
五轴数控加工以其特有和无法替代的优势，一直是数控技术领域倍受重视和大力推广的一种加工模式。随着我国装备制造业的高速发展，现代化的制造业对五轴数控加工技术提出了更高的要求，但是做为五轴加工过程核心的高性能数控系统与国际先进水平相比还有差距，还不能完全满足日益增长的高效率高精度生产加工要求。同时在“高档数控机床与基础制造装备”国家科技重大专项中，更将五轴联动加工的相关技术列为数控装置任务中的重要研究内容。因此，在研究国际上领先的五轴数控系统基础上，针对五轴数控加工过程链条对数控系统的要求，开展高档数控系统五轴数控加工关键技术的研究。研究具有自主知识产权的系统级别五轴加工相关技术解决方案，并整合到现有的具有五轴联动控制功能的蓝天数控系统中，使其五轴联动功能和性能达到国际先进水平。围绕上述问题，本论文开展的研究工作如下：
1.基于通用模型的五轴加工空间运动学基础的研究。五轴加工的实质是通过数控系统控制五轴机床各个运动轴的运动来实现刀具与工件之间的相对运动，从而完成切削加工。五轴机床机构种类繁多，空间运动复杂导致运动学求解算法繁琐通用性差。在研究各种类型五轴机床结构以及加工用刀特点的基础上，运用机构学理论建立一种通用的五轴加工空间运动学模型，通过对模型进行正向和逆向运动学分析，得到各种五轴机床和刀具组合的五轴加工空间运动学的统一描述，使得五轴加工NC数据的通用性和可移植性得到了很大的提高，并为后续的五轴加工相关功能的研究奠定了运动学基础。
2.五轴数控系统刀具中心点控制功能的研究与实现。针对现有的五轴加工只能在机床坐标系下进行轴指令编程所导致的代码通用性和加工过程可操作性差的问题，在通用五轴机床运动学模型的基础上，开展五轴加工用刀具中心点控制相关技术的研究工作。在蓝天数控系统软硬件平台基础上，通过在实时插补过程中完成通用五轴机床的运动学转换，设计并实现蓝天数控系统五轴加工用刀具中心点控制功能，使用户可以按照刀具中心点的运动轨迹进行程序编制，而与加工时所用的机床类型无关，简化加工程序。并通过在五轴机床上进行实际加工实验，验证了该功能的高效性、便捷性和适用性。
3.五轴数控系统旋转轴快速平滑插补控制策略的研究。在五轴加工用刀具中心点插补过程中，由于刀轴矢量与旋转轴运动坐标之间存在的非线性关系，刀轴矢量的平滑过渡不能保证旋转轴的平滑运动，尤其是当刀轴矢量接近机构奇异点时会引起旋转轴的剧烈震动，导致伺服报警，甚至损伤机床部件。通过分析旋转轴线性插补和矢量插补过程中刀具姿态的变化情况，抽象出刀具姿态误差模型。根据加工允许的刀具姿态误差，在矢量插值段中插入线性插值段，防止靠近奇异点处产生的旋转轴急速转动。结合指令行程和旋转轴性能进行旋转轴插补速度钳制，使用三次样条曲线对矢量插值段和线性插值段进行平滑连接，保证整个插补过程中速度的连续平滑。试验结果表明，本策略可以在满足刀具姿态误差要求的同时，实现旋转轴的快速平滑插补，并且已经应用于某航空结构件的批量加工生产中。
4.五轴加工用空间刀具补偿功能的研究与实现。在五轴联动加工中，由于刀具轴向的不断变化以及加工工艺的多样化，使原有的三轴刀具半径补偿方法不再适用于五轴加工，是否具有五轴加工所需的空间刀具半径补偿功能已经成为高档数控系统的重要标志之一。在五轴加工通用运动学模型的基础上，通过分析刀具半径补偿应用条件与待加工面的关系，提出一种不需要加工面附加信息就可以进行空间刀具半径补偿的方法，通过在空间补偿平面内计算刀具半径补偿矢量，最终完成空间刀具半径补偿，仿真实验验证了该补偿方法的有效性。最后在蓝天数控系统中分别实现了五轴加工用刀具前端偏置补偿功能和五轴加工用刀具侧面偏置补偿功能。