五轴数控加工中无碰刀具轨迹生成算法的研究

摘要

自由曲面在国防、航空航天、汽车、消费品等领域获得了广泛应用，由于形状复杂、精度要求高，其加工比较困难。鉴于五轴加工的优越性，越来越多的自由曲面采用五轴数控机床进行加工。然而无论从研究的深度与广度来说我国的五轴联动数控技术均落后于发达国家。因此以高速、高精度为方向，对五轴联动数控技术进行持续深入的研究具有极其重要的理论与实际意义。
　　 本文在总结国内外最新理论研究成果的基础上，对自由曲面五轴加工中的几个关键技术：刀具轨迹规划中的刀轴矢量规划、全局干涉检查算法、RTCP算法、高速高精微线段插补算法做了一些有益的研究和探索，并设计开发了具有自主知识产权的嵌入式五轴数控系统，论文的主要研究成果总结如下：
　　 提出了一种多目标优化的平底刀刀轴矢量规划算法，可以规划出加工效率高、切削条件稳定、机床运动平稳的刀轴矢量。现有算法在确定最优刀+轴矢量时，多以材料去除率最大作为优化目标，然而加工效率最高的刀轴矢量不一定是刀具最优姿态，还需要考虑加工质量、刀具刚度、刀轴光顺等因素。本文从这几个方面建立了单个刀轴矢量优劣、相邻刀轴矢量光顺性的度量指标，并以度量指标加权和最小作为优化目标建立了刀轴矢量优化模型，将多目标规划问题转化为力学平衡问题，高斯球面上运动节点的平衡位置就是最优刀轴矢量。
　　 提出了一种基于人工势场法的全局干涉检查算法，提高了算法的计算效率和鲁棒性。该算法通过求解复杂NURBS曲面间的最小距离判断干涉与否，并对干涉刀位给出了刀位修正算法。通过构建人工势场模型，分析虚拟小球受力情况，模拟其运动过程，获取平衡位置，将非线性方程组的求解转化为运动学中平衡位置的求取问题，可应用于NURBS、三角片或数学解析式表示的点、线、面间最小距离的求解。
　　 提出了一种基于旋转轴插补的RTCP插补算法，减小了非线性误差，保证了插补过程中机床旋转轴的运动平稳性；当刀具长度变化时无需重新通过后置处理生成数控程序，提高了加工效率。针对刀轴矢量变化较大时该算法在插补过程中可能出现的全局干涉现象，推导了RTCP插补过程中的刀杆偏差系数公式，避免了碰撞现象的发生。
　　 提出了一种实时前瞻的微线段直接插补算法，可以解决目前直接插补法在微线段加工中出现频繁加减速、不能精确到位的问题，实现微线段的高速高精加工。在精插补器中设计的匀变速DDA精插补算法能根据待插补直线段的始末速度在给定的插补周期内实现匀变速运动，可以减小机床冲击，改善零件表面加工质量。粗插补任务通过正向速度规划和反向速度修正，计算各微线段允许的最大拐角速度，再根据前瞻数据量和微线段允许速度实时调整实际拐角速度，最后调用匀变速DDA精插补算法实现脉冲输出。
　　 设计开发了具有自主知识产权的嵌入式五轴数控系统。通过实际加工，验证了文中所提无碰刀具轨迹生成算法的正确性和有效性。