一种五轴加工刀位进给速度控制方法及系统与流程

1.本发明属于机械制造加工领域，更具体地，涉及一种五轴加工刀位进给速度控制方法及系统。


背景技术：

2.随着信息技术不断渗透到加工领域，分布数字控制(distributed numerical control，dnc)的应用也逐渐普遍，其主要功能是与机床等数控设备建立通信来进行数据交互。相较于传统加工方式而言，dnc无需外接传感器，数据采集更为便捷，是实现加工智能一体化的重要助力。五轴数控加工技术广泛应用于航空航天等领域复杂表面零件的加工中，如何提升五轴数控加工的质量和效率，是众多学者、生产人员的主要研究问题。进给速度优化是对加工影响最直接、优化效果最直观、研究最多的一种加工工艺优化方式。
3.工艺规划阶段给定的进给速度指刀具沿刀路相对于工件的速度，由工件坐标系描述，而实际加工阶段中数控代码进给速度指令f由机床坐标系所描述。传统的三轴加工过程中，刀具与工件之间只存在平动；而在五轴加工过程中，旋转轴的运动使得工件坐标系与机床坐标系发生相对转动，导致实际加工时刀具相对于工件的进给速度与工艺规划阶段给定的进给速度不一致，即刀具在工件表面的刀位点进给速度与规划刀路时所设定的期望进给速度不同。现有五轴加工过程中，通常直接基于进给速度指令去控制刀具相对于工件的进给速度，这种控制方式并不适用于五轴加工，极大地限制了五轴加工的质量和效率。


技术实现要素：

4.针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种五轴加工刀位进给速度控制方法及系统，其目的在于解决五轴加工过程中直接基于进给速度指令控制刀具进给速度所导致的加工质量和效率低下的问题。
5.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种五轴加工刀位进给速度控制方法，包括：s1，接收进给量指令，根据预设进给分配方式计算所述进给量指令下五轴机床各运动轴的速度；s2，当一个或多个运动轴的速度大于相应的速度阈值时，将所述五轴机床各运动轴的速度分别修正为各运动轴的行程与修正时间之比，所述修正时间为各运动轴的行程与相应的速度阈值之比的最大值；s3，对所述五轴机床各运动轴的速度进行坐标变换，得到工件坐标系下的刀位进给速度，并根据所述刀位进给速度控制刀具。
6.更进一步地，所述s1之前还包括：采样获取不同进给量指令样本下五轴机床各运动轴的速度样本，基于所述进给量指令样本和所述五轴机床各运动轴的速度样本拟合得到所述预设进给分配方式。
7.更进一步地，所述预设进给分配方式为：
8.9.其中，v
λ
为所述进给量指令下五轴机床λ运动轴的速度，f为所述进给量指令，λ1和λ2分别为执行所述进给量指令前、后五轴机床λ运动轴的位置，λ1和λ2分别为执行所述进给量指令前、后五轴机床λ运动轴的位置。
10.更进一步地，所述s2中修正后五轴机床各运动轴的速度为：
[0011][0012][0013]
其中，v
λ
为修正后五轴机床λ运动轴的速度，s
λ
为五轴机床λ运动轴的行程，t为所述修正时间，s
x
、s
y
、s
z
、s
a
和s
c
分别为五轴机床x、y、z、a和c运动轴的行程，v
xmax
、v
ymax
、v
zmax
、v
amax
和v
cmax
分别为五轴机床x、y、z、a和c运动轴的速度阈值。
[0014]
更进一步地，所述s3之前还包括：将机床坐标系下刀位点坐标变换至工件坐标系，得到机床坐标系下各运动轴的位置与工件坐标系下刀位点之间的位置关系；对所述位置关系进行求导，得到机床坐标系下各运动轴的速度与工件坐标系下刀位点速度之间的变换关系；所述s3中根据所述变换关系计算得到工件坐标系下刀位点速度，并根据所述刀位点速度计算所述刀位进给速度。
[0015]
更进一步地，所述位置关系为：
[0016][0017]
其中，x、y、z、a和c分别为机床坐标系下刀位点在x、y、z、a和c轴的位置，x、y和z分别为工件坐标系下刀位点在x、y和z轴的位置，i、j和k分别为工件坐标系下刀位点在x、y和z轴的姿态，(t
x
,t
y
,t
z
)为工件坐标系相对于刀具零点坐标系的位置坐标，d
y
为五轴机床的a轴和c轴在y方向上的偏差，d
z
为五轴机床的a轴和c轴在z方向上的偏差，h为工作台上表面与主轴端面之间的垂直距离，l为刀尖点与主轴端面之间的垂直距离。
[0018]
更进一步地，所述变换关系为：
[0019]
[0020][0021]
其中，v
x
、v
y
和v
z
分别为工件坐标系下刀位点在x、y和z轴的速度，v
x
、v
y
、v
z
、v
a
和v
c
分别为机床坐标系下刀位点在x、y、z、a和c轴的运动轴速度，m为坐标系速度映射矩阵，r
x
为第一映射参数，r
x
＝x m
x
，r
y
为第二映射参数，r
y
＝y d
y
m
y
，r
z
为第三映射参数，r
z
＝z h
‑
d
z
m
z
，m
x
、m
y
和m
z
分别为刀具零点坐标系下刀具在x、y和z轴的位置。
[0022]
更进一步地，所述刀位进给速度为：
[0023][0024]
其中，f为所述刀位进给速度，v
x
、v
y
和v
z
分别为工件坐标系下刀位点在x、y和z轴的速度。
[0025]
按照本发明的另一个方面，提供了一种五轴加工刀位进给速度控制系统，包括：接收及分配模块，用于接收进给量指令，根据预设进给分配方式计算所述进给量指令下五轴机床各运动轴的速度；修正模块，用于当一个或多个运动轴的速度大于相应的速度阈值时，将所述五轴机床各运动轴的速度分别修正为各运动轴的行程与修正时间之比，所述修正时间为各运动轴的行程与相应的速度阈值之比的最大值；变换及控制模块，用于对所述五轴机床各运动轴的速度进行坐标变换，得到工件坐标系下的刀位进给速度，并根据所述刀位进给速度控制刀具。
[0026]
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：预先分析设置数控系统对于进给速度的分配方式，例如通过预先采集数控系统中大量各运动轴实际运动速度与进给量指令f并进行分析拟合，得到二者之间的对应关系，从而为该数控系统预设进给分配方式，实际五轴加工过程中，执行任意数控代码时，可以根据该预设进给分配方式计算代码中f指令分配到各运动轴的速度，并进一步变换得到刀具相对于工件的三轴进给速度，基于该三轴进给速度控制刀具切削加工工件，解决了五轴加工直接基于进给速度指令控制刀具进给速度所导致的加工质量和效率低下的问题；此外，各个运动轴受其物理性能约束，各有其速度限制，基于该速度限制对各运动轴的速度进行修正，避免因某一或某些运动轴速度过高而损坏数控系统，提高了五轴数控加工的安全性，延长了五轴加工装置的使用寿命。
附图说明
[0027]
图1为本发明实施例提供的五轴加工刀位进给速度控制方法的流程图；
[0028]
图2为本发明实施例提供的自研dnc软件界面图；
[0029]
图3为本发明实施例提供的五轴数控机床的结构示意图；
[0030]
图4为本发明实施例提供的五轴加工刀位进给速度控制系统的框图。
具体实施方式
[0031]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0032]
在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
[0033]
图1为本发明实施例提供的五轴加工刀位进给速度控制方法的流程图。参阅图1，结合图2
‑
图3，对本实施例中五轴加工刀位进给速度控制方法进行详细说明，方法包括操作s1
‑
操作s3。
[0034]
操作s1，接收进给量指令，根据预设进给分配方式计算进给量指令下五轴机床各运动轴的速度。
[0035]
根据本发明的实施例，在执行操作s1之前还包括：采样获取不同进给量指令样本下五轴机床各运动轴的速度样本，基于采样获得的多组进给量指令样本和五轴机床各运动轴的速度样本拟合得到预设进给分配方式。其中，进给量指令即为f指令。可以理解的是，不同数控系统的预设进给分配方式可能会有所不同。
[0036]
具体地，例如采用自研的dnc软件，采集实际加工过程中，各进给量指令样本下五轴机床各运动轴的速度样本。dnc软件例如基于海德汉remotools开发组件开发，基于tcp/ip和lsv
‑
2协议与数控系统建立通信，调用开发组件中提供的sdk即可对数控系统的相应数据进行采集，软件界面如图2所示。
[0037]
轴机床的运动轴包括x轴、y轴、z轴三轴、以及绕x轴旋转的a轴、绕y轴旋转的b轴、绕z轴旋转的c轴中的两轴，其中z轴平行于主轴。本实施例中以五轴机床的运动轴包括x轴、y轴、z轴、a轴和c轴为例，如图3所示。
[0038]
本发明一数控系统实施例(例如内嵌海德汉tinc530m数控系统的米克朗ucp 800duro型五轴数控机床)中，拟合得到的预设进给分配方式为：
[0039][0040]
其中，v
λ
为进给量指令f下五轴机床λ运动轴的速度，f为进给量指令，λ1和λ2分别为执行进给量指令f前、执行进给量指令f后五轴机床λ运动轴的位置，λ1和λ2分别为执行进给量指令f前、执行进给量指令f后五轴机床λ运动轴的位置。对于其他数控系统而言，拟合得到的其他数控系统的预设进给分配方式可能会与该预设进给分配方式不同，本发明实施例中的控制对象不限于该数控系统。
[0041]
当数控系统接收到进给量指令f时，直接基于该数控系统的预设进给分配方式计算该进给量指令f下分配到五轴机床各运动轴的速度v
x
、v
y
、v
z
、v
a
和v
c
。
[0042]
操作s2，当一个或多个运动轴的速度大于相应的速度阈值时，将五轴机床各运动
轴的速度分别修正为各运动轴的行程与修正时间之比，所述修正时间为各运动轴的行程与相应的速度阈值之比的最大值。
[0043]
本实施例中的速度阈值为相应运动轴λ可承受或可达到的最大速度v
λmax
。当操作s1中得到的v
x
大于v
xmax
、或者v
y
大于v
ymax
、或者v
z
大于v
zmax
、或者v
a
大于v
amax
、或者v
c
大于v
cmax
中的任一项或任几项成立时，将五轴机床各运动轴的速度v
x
、v
y
、v
z
、v
a
和v
c
分别修正为如下值：
[0044][0045][0046]
其中，v
λ
为修正后五轴机床λ运动轴的速度，s
λ
为五轴机床λ运动轴的行程，t为修正时间，s
x
、s
y
、s
z
、s
a
和s
c
分别为五轴机床x、y、z、a和c运动轴的行程，v
xmax
、v
ymax
、v
zmax
、v
amax
和v
cmax
分别为五轴机床x、y、z、a和c运动轴的速度阈值。修正后合成得到的数控系统实际执行时的进给速度f
′
为：
[0047][0048]
其中，上式中v
λ
为修正后五轴机床λ运动轴的速度。
[0049]
操作s3，对五轴机床各运动轴的速度进行坐标变换，得到工件坐标系下的刀位进给速度，并根据刀位进给速度控制刀具。
[0050]
根据本发明的实施例，在执行操作s3之前还包括操作s3
′
和操作s3
″
。
[0051]
在操作s3
′
中，将机床坐标系下刀位点坐标变换至工件坐标系，得到机床坐标系下各运动轴的位置与工件坐标系下刀位点之间的位置关系。
[0052]
本实施例中，以五轴机床为a
‑
c双转台式五轴数控机床为例说明操作s3中的坐标变换过程。运动学分析过程中涉及三个坐标系：刀具零点坐标系{t}，位于主轴端面中心，与机床固定连接；工件坐标系{w}，与工件固定连接，即为生成刀路时的参考坐标系；过渡坐标系{h}，位于工作台中心，与工件坐标系相对位置不变。各坐标系位置以及相关代号描述如图3所示。经运动学分析可得刀具零点坐标系{t}下一点经过五轴运动后在工件坐标系{w}下的位置及姿态变换关系：
[0053][0054][0055][0056]
[0057][0058]
求解上式可得工件坐标系下位置(x,y,z)、姿态(i,j,k)对应于五轴运动的位置关系：
[0059][0060]
其中，x、y、z、a和c分别为机床坐标系下刀位点在x、y、z、a和c轴的位置，x、y和z分别为工件坐标系下刀位点在x、y和z轴的位置，i、j和k分别为工件坐标系下刀位点在x、y和z轴的姿态，(t
x
,t
y
,t
z
)为工件坐标系相对于刀具零点坐标系的位置坐标，d
y
为五轴机床的a轴和c轴在y方向上的偏差，d
z
为五轴机床的a轴和c轴在z方向上的偏差，h为工作台上表面与主轴端面之间的垂直距离，l为刀尖点与主轴端面之间的垂直距离。
[0061]
在操作s3
″
中，对位置关系进行求导，得到机床坐标系下各运动轴的速度与工件坐标系下刀位点速度之间的变换关系。
[0062]
假设对刀点在刀具零点坐标系{t}下的位置为(m
x
,m
y
,m
z
)，将上述位置关系两边分别对t求导，得到刀具零点坐标系{t}下机床运动轴速度与工件坐标系{w}下刀位三轴运动速度的之间的变换关系如下：
[0063]
[0064][0065]
其中，v
x
、v
y
和v
z
分别为工件坐标系下刀位点在x、y和z轴的速度，v
x
、v
y
、v
z
、v
a
和v
c
分别为机床坐标系下刀位点在x、y、z、a和c轴的运动轴速度，m为坐标系速度映射矩阵，r
x
为第一映射参数，r
x
＝x m
x
，r
y
为第二映射参数，r
y
＝y d
y
m
y
，r
z
为第三映射参数，r
z
＝z h
‑
d
z
m
z
。
[0066]
结合前述进给分配方式，可得v
x
、v
y
和v
z
与数控代码进给量指令f之间的关系为：
[0067][0068][0069]
其中，m
(i,j)
表示坐标系速度映射矩阵m的第i行第j列元素，λ1和λ2分别为执行所述进给量指令前、后五轴机床λ运动轴的位置，λ1和λ2分别为执行所述进给量指令前、后五轴机床λ运动轴的位置。
[0070]
根据刀位三轴速度v
x
、v
y
和v
z
，可以求得刀位进给速度f为：
[0071][0072]
由此可得刀位进给速度f与数控代码进给量指令f之间的关系如下：
[0073][0074]
p
x
＝m
(1,1)
i
x
m
(1,2)
i
y
m
(1,3)
i
z
m
(1,4)
i
a
m
(1,5)
i
c
[0075]
p
y
＝m
(2,1)
i
x
m
(2,2)
i
y
m
(2,3)
i
z
m
(2,4)
i
a
m
(2,5)
i
c
[0076]
p
z
＝m
(3,1)
i
x
m
(3,2)
i
y
m
(3,3)
i
z
m
(3,4)
i
a
m
(3,5)
i
c
[0077]
进一步地，设定数控代码进给量指令f，控制刀具以刀位进给速度f切削加工工件，工件位于工作台上，受a、c旋转轴运动控制。由此，五轴加工过程中，执行任意数控代码时，可以计算代码中f指令分配到各运动轴的速度，从而经坐标变换得到刀具相对于工件的进给速度，解决了五轴加工直接基于进给速度指令控制刀具进给速度所导致的加工质量和效
率低下的问题。
[0078]
图4为本发明实施例提供的五轴加工刀位进给速度控制系统的框图。参阅图4，该五轴加工刀位进给速度控制系统400包括接收及分配模块410、修正模块420以及变换及控制模块430。
[0079]
接收及分配模块410例如执行操作s1，用于接收进给量指令，根据预设进给分配方式计算进给量指令下五轴机床各运动轴的速度。
[0080]
修正模块420例如执行操作s2，用于当一个或多个运动轴的速度大于相应的速度阈值时，将五轴机床各运动轴的速度分别修正为各运动轴的行程与修正时间之比，所述修正时间为各运动轴的行程与相应的速度阈值之比的最大值。
[0081]
变换及控制模块430例如执行操作s3，用于对五轴机床各运动轴的速度进行坐标变换，得到工件坐标系下的刀位进给速度，并根据刀位进给速度控制刀具。
[0082]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。