[发明专利]一种基于误差控制的五轴NC系统平滑插补方法

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，具体的说是一种基于误差控制的五轴NC系统平滑插补方法。

背景技术

五轴数控加工通过改变刀轴方向，可以有效避免刀具与零件的干涉，更好的匹配刀具几何与工件曲面，控制刀具参与切削的区域，调整切削力和减少刀具磨损，从而提高加工效率，改善加工表面质量。然而旋转轴的出现也带来了刀具姿态较难控制、非线性误差较大的问题。目前CNC在联动控制中针对运动轴的插补主要有两种方式：线性插补方式和矢量插补方式。线性插补方式计算简便，执行时间较短。但是由于仅仅依靠一系列微小线段来离散逼近机床各运动轴的理想联动轨迹，因此线性插补后，各轴的实际联动轨迹与理论轨迹之间不可避免的出现非线性误差。另一方面，由于刀轴矢量(i，j,k)与旋转轴之间存在非线性转换关系，因此刀轴在线性插补过程中会偏离相邻矢量形成的平面，引起刀轴姿态误差。矢量插补是在相邻刀轴矢量形成的平面内进行矢量插值，然后根据插值矢量对各轴进行插补计算。因此矢量插补大大降低了刀姿误差，但是矢量插补在接近奇异点时会引起旋转轴不连续并且急速的转动，机床性能很难满足此时旋转轴的加减速和转速要求，极易破坏工件，甚至损伤机床部件。因此如何保证插补运动的平滑连续，同时有效控制刀姿误差和轨迹误差，是五轴NC系统需要解决的一个关键性问题。

现有的非线性误差控制方法或是只针对各轴合成的轨迹误差，或是只针对刀轴姿态误差，考虑到这两种误差都是五轴加工非线性运动引起的，都会对加工造成影响。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明提出一种基于误差控制的五轴NC系统平滑插补方法，对轨迹误差和刀姿误差间的区别和联系进行了分析，将两种插补方式结合起来，提出基于误差控制的插补算法，从而将两种误差都限制在允许范围以内，并且避免机床轴的运动突变。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于误差控制的五轴NC系统平滑插补方法，包括以下步骤：

采用基于奇异点检测的刀具矢量插补方式对五轴数控系统旋转轴进行插补；

采用基于理想刀位点轨迹的线性插补方式对五轴数控系统线性轴进行插补。

所述基于奇异点检测的矢量插补方式包括以下步骤：

将相邻两个NC轴指令通过正向运动学分别转换为相应的刀位点坐标：(u_w，n，q_w,n)和(u_w，n+1,q_w，n+1)；其中，(x_m，n,y_m，n,z_m，n)和(x_m，n+1，y_m，n+1，z_m，n+1)表示机床线性轴指令，和表示机床旋转轴指令，u_w,n和u_w，n+1为刀心点位置矢量，q_w,n和q_w，n+1刀轴方向矢量；

求两个刀位点坐标中点处的刀轴方向矢量若q_w，0.5'处在奇异区域内，求解相邻两个NC轴指令中点处的旋转轴坐标通过数控机床自身的正向运动学变换求得相应的刀轴方向矢量q_w，0.5；将q_w，05'向q_w，0.5倾斜ε_allow角，得到中点处新的刀轴矢量其中ε_allow为加工精度允许的最大刀姿误差；将中点左右子区间的旋转轴分别采用矢量插补；

若q_w，0.5'处在奇异区域外，则刀轴不进行倾斜处理，整个区间旋转轴采用矢量插补。

所述基于理想刀位点的线性插补方式包括以下步骤：

计算相邻两个NC轴指令中点处的轨迹误差δ_non-linear，若δ_non-linear≤δ_allow，线性轴直接采用线性插补；若δ_non-linear>δ_allow，则根据插补周期数m将u_w,n和u_w，n+1之间的直线段m等分，同时结合矢量插补得到的各点处的旋转轴坐标，通过数控机床自身的反向运动学变换得到各插补点处的线性轴坐标；δ_allow为最大允许轨迹误差。

所述相邻两个NC轴指令中点处的轨迹误差δ_non-linear的计算方法为：