一種基于曲線光滑變形的數(shù)控加工進給率規(guī)劃方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于曲線光滑變形的數(shù)控加工進給率規(guī)劃方法，屬于數(shù)控加工技 術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 數(shù)控機床已廣泛應(yīng)用于復(fù)雜曲面零件的數(shù)控加工，進給率規(guī)劃作為數(shù)控加工的 關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對高質(zhì)量、高效率和低成本完成復(fù)雜工件的數(shù)控加工起著重要作用。由于笛卡爾 空間和節(jié)點空間存在非線性關(guān)系，目前適用于五軸數(shù)控加工的進給率規(guī)劃方法十分有限。 現(xiàn)有文獻對進給率曲線的光順性關(guān)注不夠，進給率過度波動問題沒有得到有效的控制。因 此，在實現(xiàn)進給率自適應(yīng)定制的同時保證進給率曲線的光順性仍是有待解決的問題，并具 有重要的意義。
[0003] 經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，有關(guān)五軸數(shù)控加工進給率規(guī)劃方法的研究有 Wei Fan 等的 "Time-optimal interpolation for five-axis CNC machining along parametric tool path based on linear programming' International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2013, 69 (5-8): 1373-1388.論文以獲得最短加工 時間為目標(biāo)函數(shù)，以弦高差、機床最大速度、機床各軸最大加速度和躍度作為約束條件，構(gòu) 建線性約束優(yōu)化模型用于進給率規(guī)劃。Sencer B等在其論文"Feed optimization for five-axis CNC machine tools with drive constraints'，?International Journal of Machine Tools&Manufacture, 2008, 48:733 - 745.中以獲得最短加工時間為目標(biāo)函數(shù)，以 機床各軸最大速度、加速度和躍度為約束條件，構(gòu)建非線性約束優(yōu)化模型用于進給率規(guī)劃。 上述進給率規(guī)劃方法均采用約束優(yōu)化模型，本發(fā)明著重考慮進給率曲線的形態(tài)和光順性， 在常規(guī)誤差控制的曲線變形基礎(chǔ)上，形成了基于曲線光滑變形的數(shù)控加工進給率規(guī)劃方 法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于曲線光滑變形的數(shù)控加工進給率規(guī)劃 方法。該方法首先將進給率約束條件分為兩類，即：1.鄰域無關(guān)（Neighbor-independent， NI)約束，此類約束只與進給率本身有關(guān)，與進給率曲線的微分性質(zhì)無關(guān)，如弦高差約束和 分軸速度約束等。對于此類約束，只需針對初始進給率曲線，計算出約束超差點的進給率更 新值，通過一次曲線光滑變形，便可得到鄰域無關(guān)（NI)約束下的進給率曲線。2.鄰域相關(guān) (Neighbor-dependent, ND)約束，此類約束的進給率滿足條件計算，不僅涉及到進給率本 身，而且涉及到其微分性質(zhì)。鄰域相關(guān)（ND)約束包括分軸加速度和分軸躍度約束等。對于 此類約束，需結(jié)合比例調(diào)節(jié)算法計算約束超差區(qū)域的進給率更新值，并通過對目標(biāo)進給率 曲線的多次光滑變形，得到鄰域相關(guān)（ND)約束下的最終進給率曲線。
[0005] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種基于曲線光滑變形的數(shù)控加工進給率規(guī)劃方法將 進給率約束分為鄰域無關(guān)約束（NI約束）和鄰域相關(guān)約束（ND約束），首先，將工藝要求的 最大進給率設(shè)定為初始進給率直線后，通過一次曲線光滑變形得到鄰域無關(guān)約束的進給率 曲線，進而，結(jié)合比例調(diào)節(jié)算法，通過多次曲線光滑變形得到鄰域相關(guān)約束的進給率曲線， 該進給率規(guī)劃方法，在單純幾何逼近誤差約束的曲線變形基礎(chǔ)上加入光順項，得到的進給 率曲線具有更好的光順性，規(guī)劃方法包括以下步驟：
[0006] 步驟一、預(yù)處理：參數(shù)曲線表示曲面加工路徑，確定采樣點位置及個數(shù)，求解機床 各軸運動軌跡；
[0007] 步驟二、初始進給率直線生成：將設(shè)定的刀尖點最大進給率允許值作為采樣點處 的初始進給率值，構(gòu)造初始進給率直線；
[0008] 步驟三、鄰域無關(guān)約束下的進給率曲線生成，包括以下步驟：
[0009] (a)計算各采樣點處弦高差約束和分軸速度約束下的最大進給率允許值；
[0010] (b)結(jié)合刀尖點最大進給率允許值，確定鄰域無關(guān)約束下進給率曲線的超差區(qū)域， 并計算超差點處進給率更新值；
[0011] (C)運用曲線光滑變形，將進給率曲線從原始位置光滑變形到目標(biāo)位置，得到鄰域 無關(guān)約束下的進給率曲線；
[0012] 步驟四、鄰域相關(guān)約束下的進給率曲線生成，包括以下步驟：
[0013] (a)根據(jù)當(dāng)前生成的進給率曲線，計算各采樣點處的分軸加速度值和分軸躍度 值；
[0014] (b)結(jié)合設(shè)定的分軸加速度極限值和分軸躍度極限值，確定鄰域相關(guān)約束下進給 率曲線的超差區(qū)域；
[0015] (c)所有超差點對應(yīng)的進給率值乘以一個相同的比例調(diào)節(jié)系數(shù)，得到超差點處新 的進給率值，進一步得到超差點處新的分軸加速度值和分軸躍度值；
[0016] (d)運用曲線光滑變形方法，將進給率曲線從原始位置光滑變形到目標(biāo)位置，得到 新的進給率曲線；
[0017](e)重復(fù)步驟四中的步驟（a)、（b)、（c)和（d)，直至進給率曲線滿足鄰域相關(guān)約 束，得到鄰域相關(guān)約束下的進給率曲線，完成進給率規(guī)劃。
[0018] 本發(fā)明的有益效果是：該基于曲線光滑變形的數(shù)控加工進給率規(guī)劃方法將進給 率約束分為鄰域無關(guān)（NI)約束和鄰域相關(guān)（ND)約束。首先，將工藝要求的最大進給率設(shè) 定為初始進給率直線后，通過一次曲線光滑變形得到NI約束的進給率曲線。進而，結(jié)合比 例調(diào)節(jié)算法，通過多次曲線光滑變形得到ND約束的進給率曲線。該進給率規(guī)劃方法，在單 純幾何逼近誤差約束的曲線變形基礎(chǔ)上加入光順項，由此得到的進給率曲線具有更好的光 順性，最大限度消除了進給率曲線的波動，以保證加工過程的平穩(wěn)。減少了機床加工振動、 保證機床加工平穩(wěn)和提高零件加工精度的目的，對于提高加工效率和加工質(zhì)量具有顯著意 義。
【附圖說明】
[0019] 圖1為本發(fā)明方法的流程示意圖。
[0020] 圖2為沒有光順項的曲線變形圖。
[0021] 圖3為光順因子較小的曲線光滑變形圖。
[0022] 圖4為光順因子較大的曲線光滑變形圖。
[0023] 圖5為實施例五軸側(cè)銑加工路徑示意圖。
[0024] 圖6為NI約束下的進給率曲線圖。
[0025] 圖7為NI和ND約束下的進給率曲線圖。圖7中，X軸表示參數(shù)u值，Y軸表示進 給率值，單位為mm/s。
[0026] 圖8為進給率規(guī)劃完成后的平動軸加速度圖。圖8中，X軸表示參數(shù)u值，Y軸表 示平動軸加速度值，單位為mm/s2。
[0027] 圖9為進給率規(guī)劃完成后的旋轉(zhuǎn)軸加速度圖。圖9中，X軸表示參數(shù)u值，Y軸表 示旋轉(zhuǎn)軸加速度值，單位為rad/s2。
[0028] 圖10為進給率規(guī)劃完成后的平動軸躍度圖。圖10中，X軸表示參數(shù)u值，Y軸表 示平動軸躍度值，單位為mm/s 3。
[0029] 圖11為進給率規(guī)劃完成后的旋轉(zhuǎn)軸躍度圖。圖11中，X軸表示參數(shù)u值，Y軸表 示旋轉(zhuǎn)軸躍度值，單位為rad/s 3。
[0030] 圖12為進給率規(guī)劃完成后的直線軸速度圖。圖12中，X軸表示時間，單位為s ;Y 軸表示平動軸速度值，單位為mm/s。
[0031]圖13為進給率規(guī)劃完成后的旋轉(zhuǎn)軸速度圖。圖13中，X軸表示時間，單位為s ;Y 軸表示旋轉(zhuǎn)軸速度值，單位為rad/s。
[0032] 圖14為實際加工的平動軸速度圖。圖14中，X軸表示時間，單位為s ;Y軸表示平 動軸速度值，單位為mm/s。
[0033] 圖15為實際加工的旋轉(zhuǎn)軸速度圖。圖15中，X軸表示時間，單位為s ;Y軸表示旋 轉(zhuǎn)軸速度值，單位為rad/s。
【具體實施方式】
[0034] 下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步詳細說明。
[0035] 本發(fā)明提出的基于曲線光滑變形的數(shù)控加工進給率規(guī)劃方法的流程如圖1所示。
[0036] 首先將曲面加工路徑用參數(shù)曲線表示；沿加工路徑根據(jù)曲線曲率的大小分布確定 采樣點位置，進而確定采樣點個數(shù)；對給定的參數(shù)表達路徑，經(jīng)機床運動學(xué)反解，得到機床 各軸運動軌跡；將設(shè)定的刀尖點最大進給率允許值作為采樣點處的初始進給率值，構(gòu)造初 始進給率直線；根據(jù)設(shè)定的NI約束值確定NI約束下的進給率值，采用一次曲線光滑變形， 得到NI約束下的進給率曲線；計算該曲線各采樣點處的分軸加速度值和分軸躍度值，并與 設(shè)定的ND約束值比較，判斷超差區(qū)域；運用等比例調(diào)節(jié)算法重新確定超差點處的進給率 值，使各約束值約束下的加速度和躍度值同向減小，再利用曲線光滑變形方法