CN108829038B - 一种刀尖运动轨迹控制算法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种刀尖运动轨迹控制算法,该算法首先分析机床的结构,再根据机床的结构建立机床坐标***,然后依次构建各个坐标系间的相对位置关系、机床运动传递链和机床加工运动学方程,其次再对机床加工运动学方程进行求解,最后将求解后得到的算法写入CAM后置处理器,输入工件的刀位数据信息,经过CAM后置处理器处理后,生成加工刀具长度实时变化的数控NC程序。本发明解决了刀具中心点到刀轴旋转轴的距离实时变化问题。
Description
技术领域
本发明属于机械加工制造技术领域,具体涉及一种精密机床的刀尖运动轨迹控制算法。
背景技术
随着航空航天、国防工业、微电子工业、现代医学以及生物工程技术的发展,对精密三维微小型复杂回转体异构件的加工精度越来越高,这类零件尺寸小,结构复杂,通常要求一次装夹完成,亚微米级精度加工,因此研发了具有宏微结合的超精密微小型车铣磨复合加工机床,微动精密十字滑台重复定位精度为50nm,可实现五轴联动数控加工,具有车、铣、车铣、磨、车磨、抛、钻、镗等多功能复合加工,大大提高了加工精度和加工效率,有效保证了三维小型复杂异构件的高精度多工艺复合加工要求。
超精密车铣复合加工机床布采用空间几何误差最小的布局结构XYCTZB型结构,该机床设计X、Y、Z三个亚微米级精度的宏动轴和U、W两个纳米级精度的微动十字直线轴,转台B轴和车削C轴,形成了五个直线轴和两个旋转轴的复合加工五轴联动功能。该机床的精密微动十字直线轴U、W安装在转台B轴上,刀具刀座安装在精密微动十字直线滑台上,通过宏动轴的大行程运动结合微动十字直线轴的高精度补偿,可完成纳米级精度进给和加工,极大提高了超精密车铣复合加工机床的精度和性能。
从机床布局上来看,超精密车铣复合加工机床和传统的五轴联动数控机床区别主要表现在:
传统的五轴联动机床机构有A-C双转台、A转台-B摆头、AC双摆头三种类型,无论哪一种类型,其刀具中心点到刀具旋转中心距离(即刀具加工长度)均为固定值。由于超精密车铣复合加工机床的微动十字直线轴安装在B轴旋转台上,这类安装在转台上的直线轴均有一个共同的缺点,机床在五轴联动加工工件时,刀具中心点到刀具旋转中心(即B轴回转中心)的长度实时变化,导致原有CAM软件生成的数控程序无法使用,因此有必要推导一种新的刀尖运动轨迹控制算法,
发明内容
有鉴于此,本发明提供了一种刀尖运动轨迹控制算法,能够将刀具刀位文件转换成正确的数控NC程序,完成三维复杂异构件的高精度加工。
一种刀尖运动轨迹控制算法,该算法实现的步骤如下:
步骤一:分析机床的直线轴和旋转轴;
步骤二:建立机床坐标系和各轴坐标系;
步骤三:构建各个坐标系间的相对位置关系;
步骤四:构建机床运动传递链;
步骤五:构建机床加工运动学方程
步骤六:对机床加工运动学方程进行求解
步骤七:将求解后得到的算法写入CAM后置处理器。
进一步地,当机床为七轴五联动车铣复合加工机床时,五个直线轴分别是X轴、Y轴、Z轴和微动精密十字直线平台上的U轴和W轴,初始位置下,U轴、W轴分别和X轴、Z轴平行;同时该机床还具备C轴和B轴两个旋转轴,微动精密十字直线平台安装在B轴回转台上,刀具刀座安装在精密微动十字直线平台上,刀座随微动精密十字直线轴的平移而移动,刀座随着B轴旋转而转动。
进一步地,所述步骤二中,OXYT为机床坐标系、OTXTYTTT为刀具坐标系、OSWXSWYSWTSW为精密微动十字滑台W轴坐标系、OSUXSUYSUTSU为精密微动十字滑台U轴坐标系、OBXBYBTB为B轴回转台坐标系、OZXZYZTZ为Z轴坐标系、OXXXYXTX为X轴坐标系、OYXYYYTY为Y轴坐标系、OCXCYCTC为C轴坐标系、OWXWYWTW为工件坐标系;机床初始状态下,工件坐标系方向、刀具坐标系方向和机床坐标系方向一致,刀具轴线和工件轴线平行于Z轴,B轴回转工作台的轴线过微动精密十字滑台坐标系原点,其中微动精密十字滑台坐标系原点为W轴坐标系和U轴坐标系的交点。
进一步地,所述步骤三中,采用齐次坐标构建车铣复合加工机床各坐标轴之间的位姿关系,工件坐标系中,刀具刀轴位置矢量为(px,py,pz),刀具刀轴方向矢量为(nx,ny,nz);在刀具坐标系中,刀具刀轴位置矢量为(ptx,pty,ptz),刀具刀轴初始方向矢量为(Ix,Iy,Iz);C轴坐标值原点在工件坐标系中的坐标值为(rx,ry,rz),机床坐标系原点在C轴坐标系的坐标值为(wx,wy,wz);机床坐标系原点在B轴坐标系下的坐标值为(tx,ty,tz),B轴坐标系原点在微动精密十字滑台坐标系中的坐标值(ux,uy,uz),微动精密十字滑台坐标系原点在刀具坐标系中的坐标值为(lx,ly,lz)。
进一步地,所述步骤四中通过机床坐标系构建车铣复合加工机床的运动传递链,机床传递链从刀具出发,具体为刀具—微动精密十字滑台W轴—微动精密十字滑台U轴—B轴回转工作台—Z轴工作台—机床原点—X轴工作台—Y轴工作台—C轴回转工作台—工件;基于传递变换矩阵建立起刀具、工件和各个运动轴间的传递变换关系,并由传递矩阵关系式(1)表示:
进一步地,所述步骤五构建机床加工运动学方程的过程为:基于车铣复合加工机床运动传递链和传递变换矩阵,构建车铣复合加工机床运动学方程式(2)和式(3),其中式(2)为刀具中心点位置在刀具坐标系、工件坐标系中的数值关系,式子(3)为刀具中心点方向矢量在刀具坐标系、工件坐标系中的数值关系;
设在刀具坐标系中,刀具中心点初始位置和方向矢量为式子(4);
将式(4)代入到式(2)和式(3)中,整理得:
有益效果:
本发明建立的刀尖运功轨迹算法解决了刀具中心点到刀轴旋转中心距离(即刀具加工长度)实时变化问题,解决了传统CAM软件生成的数控NC程序不能使用问题,后续类似直线轴安装在旋转台上的机床运动轨迹算法均可参照本发明所建立的算法。同时刀具磨损补偿、旋转刀具轴线安装偏置等均可参考本发明所提出的算法修改数控程序,完成工件的高精度加工。
附图说明
图1为超精密车铣复合加工机床的结构示意图;
图2为刀尖运动轨迹控制算法的流程图
图3为超精密车铣复合加工机床的坐标系;
图4为算法验证,加工球体实例仿真
图5为算法验证,加工椭球体实例仿真。
其中,1-大理石基座、2-X轴运动机构、3-Y轴运动结构、4-主轴、5-刀具刀座、6-精密十字滑台、7-B轴回转台、8-Z轴运动机构。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例,对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种刀尖运动轨迹控制算法,如图2所示,该算法实现的步骤如下:
步骤一、分析超精密车铣复合加工机床结构
该机床是具有宏微结合功能的七轴五联动车铣复合加工机床,其中有五个直线轴,分别是X轴2、Y轴3、Z轴8和微动精密十字直线平台6的U轴和W轴,初始位置下,U轴、W轴分别和X轴2、Z轴8平行;同时该机床还具备两个旋转轴,C轴4和B轴7。微动精密十字直线平台6安装在B轴回转台7上,刀具刀座5安装在精密微动十字直线平台6上,刀座随微动精密十字直线轴的平移而移动,刀座随着B轴旋转而转动。
步骤二、建立机床坐标系
为了描述超精密车铣复合加工机床各坐标轴之间的运动关系,建立如图3超精密车铣复合加工机床的坐标系;其中OXYT为机床坐标系、OTXTYTTT为刀具坐标系、OSWXSWYSWTSW为精密微动十字滑台W轴坐标系、OSUXSUYSUTSU为精密微动十字滑台U轴坐标系、OBXBYBTB为B轴回转台坐标系、OZXZYZTZ为Z轴坐标系、OXXXYXTX为X轴坐标系、OYXYYYTY为Y轴坐标系、OCXCYCTC为C轴坐标系、OWXWYWTW为工件坐标系。机床初始状态下,工件坐标系方向、刀具坐标系方向和机床坐标系方向一致,刀具轴线和工件轴线平行于Z轴,B轴回转工作台的轴线过微动精密十字滑台坐标系原点,其中微动精密十字滑台坐标系原点为W轴坐标系和U轴坐标系的交点。
步骤三、构建各个坐标系间的相对位置关系
采用齐次坐标构建超精密车铣复合加工机床各坐标轴之间的位姿关系。工件坐标系中,刀具刀轴位置矢量为(px,py,pz),刀具刀轴方向矢量为(nx,ny,nz);在刀具坐标系中,刀具刀轴位置矢量为(ptx,pty,ptz),刀具刀轴初始方向矢量为(Ix,Iy,Iz)。C轴坐标值原点在工件坐标系中的坐标值为(rx,ry,rz),机床坐标系原点在C轴坐标系的坐标值为(wx,wy,wz);机床坐标系原点在B轴坐标系下的坐标值为(tx,ty,tz),B轴坐标系原点在微动精密十字滑台坐标系中的坐标值(ux,uy,uz),微动精密十字滑台坐标系原点在刀具坐标系中的坐标值为(lx,ly,lz)。
步骤四、构建机床运动传递链
由图3机床坐标***构建超精密车铣复合加工机床的运动传递链,机床传递链应从刀具出发,具体为刀具—微动精密十字滑台W轴—微动精密十字滑台U轴—B轴回转工作台—Z轴工作台—机床原点—X轴工作台—Y轴工作台—C轴回转工作台—工件。基于传递变换矩阵建立起刀具、工件和各个运动轴间的传递变换关系,并由传递矩阵关系式(1)表示。
步骤五、构建超精密车铣复合加工机床运动学方程
基于超精密车铣复合加工机床运动传递链和传递变换矩阵,构建超精密车铣复合加工机床运动学方程式(2)和式(3),其中式(2)为刀具中心点位置在刀具坐标系、工件坐标系中的数值关系,式(3)为刀具中心点方向矢量在刀具坐标系、工件坐标系中的数值关系。
设在刀具坐标系中,刀具中心点初始位置和方向矢量为式子(4);
将式(4)代入到式(2),式(3)中,整理得:
步骤六、超精密车铣复合加工机床运动学方程的求解
采用MATLAB软件求解超精密车铣复合加工机床运动学方程(4),可以得运动学方程X、Y、Z、U、W、B、C的代数解(5)。其中方程解X、Y、Z、U和W代表五个平动轴的坐标变化量,方程B、C分别代表两个旋转轴的角度旋转变换量。也就是说,将工件的刀位源文件代入到公式(5)中,可以转化为机床直线运动坐标值及相应的回转角度。
步骤七、算法写入CAM后置处理器
将超精密车铣复合加工机床运动学方程的解写入到CAM后置处理器中。输入工件的刀位数据信息,经过CAM后置处理器处理后,生成加工刀具长度实时变化的数控NC程序。不同加工零件的刀位数据经过式(6)计算后,均可以得到超精密车铣复合加工机床的各轴瞬时运动值。如表1所示,MATLAB生成的双曲线刀位源文件,将其代入到式(6)中得超精密加工机床五个直线轴坐标变化量和两个旋转轴旋转变化量,如表2所示。为了使CAM(如ESPRIT)生成的数控程序符合机床加工要求,将该运动轨迹控制算法写入到CAM后置处理器中,使CAM软件生成加工刀具长度实时变化的数控NC程序。
表1双曲线刀位原始数据
表2双曲线NC代码
步骤八、实例加工
为了验证该算法的正确性,以加工典型零件球体和椭球体为对象,通过MATLAB生成椭球体和球体的密集化的刀位数据文件,主要包括刀轴的位置矢量和刀轴的方向矢量,将密集化刀位数据文件代入到式子(6)中,可以得到密集化的五个直线轴变化量和两个旋转轴的旋转量,采用G01直线运动指令执行,最后将G代码导入到VERICUT中进行仿真加工,可以得到正确的球体和椭球体,加工实物如图4和5所示,表明了该算法的正确性。
综上所述,以上仅为本发明的较佳实施例而已,并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种刀尖运动轨迹控制算法,其特征在于,该算法实现的步骤如下:
步骤一:分析机床的直线轴和旋转轴;当机床为七轴五联动车铣复合加工机床时,五个直线轴分别是X轴、Y轴、Z轴和微动精密十字直线平台上的U轴和W轴,初始位置下,U轴、W轴分别和X轴、Z轴平行;同时该机床还具备C轴和B轴两个旋转轴,微动精密十字直线平台安装在B轴回转台上,刀具刀座安装在微动精密十字直线平台上,刀座随微动精密十字直线平台的平移而移动,刀座随着B轴旋转而转动;
步骤二:建立机床坐标系和各轴坐标系;OXYT为机床坐标系、OTXTYTTT为刀具坐标系、OSWXSWYSWTSW为微动精密十字直线平台W轴坐标系、OSUXSUYSUTSU为微动精密十字直线平台U轴坐标系、OBXBYBTB为B轴回转台坐标系、OZXZYZTZ为Z轴坐标系、OXXXYXTX为X轴坐标系、OYXYYYTY为Y轴坐标系、OCXCYCTC为C轴坐标系、OWXWYWTW为工件坐标系;机床初始状态下,工件坐标系方向、刀具坐标系方向和机床坐标系方向一致,刀具轴线和工件轴线平行于Z轴,B轴回转台的轴线过微动精密十字直线平台坐标系原点,其中微动精密十字直线平台坐标系原点为W轴坐标系和U轴坐标系的交点;
步骤三:构建各个坐标系间的相对位置关系;采用齐次坐标构建车铣复合加工机床各坐标轴之间的位姿关系,工件坐标系中,刀具刀轴位置矢量为(px,py,pz),刀具刀轴方向矢量为(nx,ny,nz);在刀具坐标系中,刀具刀轴位置矢量为(ptx,pty,ptz),刀具刀轴初始方向矢量为(Ix,Iy,Iz);C轴坐标值原点在工件坐标系中的坐标值为(rx,ry,rz),机床坐标系原点在C轴坐标系的坐标值为(wx,wy,wz);机床坐标系原点在B轴坐标系下的坐标值为(tx,ty,tz),B轴坐标系原点在微动精密十字直线平台坐标系中的坐标值(ux,uy,uz),微动精密十字直线平台坐标系原点在刀具坐标系中的坐标值为(lx,ly,lz);
步骤四:构建机床运动传递链;通过机床坐标系构建车铣复合加工机床的运动传递链,机床传递链从刀具出发,具体为刀具—微动精密十字直线平台W轴—微动精密十字直线平台U轴—B轴回转台—Z轴工作台—机床原点—X轴工作台—Y轴工作台—C轴回转工作台—工件;基于传递变换矩阵建立起刀具、工件和各个运动轴间的传递变换关系,并由传递矩阵关系式(1)表示:
步骤五:构建机床加工运动学方程;基于车铣复合加工机床运动传递链和传递变换矩阵,构建车铣复合加工机床运动学方程式(2)和式(3),其中式(2)为刀具中心点位置在刀具坐标系、工件坐标系中的数值关系,式(3)为刀具中心点方向矢量在刀具坐标系、工件坐标系中的数值关系;
设在刀具坐标系中,刀具中心点初始位置和方向矢量为式(4);
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