具有自光顺功能的五坐标样条插补控制器 (2011年)

针对现行复杂曲面加工中常常采用的五轴联动线性插补加工方法速度、精度较低，数控文件较大等缺点，开发了一种具有自光顺功能的五坐标样条曲线插补器。介绍了运动控制器中样条曲线的构造方法和曲线实时插补方法。针对具有流线型设计要求的工件的加工，控制器在插补实施之前，对数控程序文件中提供的刀心点序列进行光顺性判断，对不符合光顺判别条件的刀心点进行修正。加工实例表明，本文方法可以完全克服五轴线性插补方法的不足之处。初步应用表明：该控制器对轮廓外形具有光顺性要求的工件具有良好的加工效果。 ### 具有自光顺功能的五坐标样条插补控制器 #### 摘要与背景 本研究针对现行复杂曲面加工中存在的问题——即采用五轴联动线性插补加工方法导致的速度低、精度差及数控文件体积过大等问题，提出了一种新型的五坐标样条曲线插补器。该插补器不仅能够有效提高加工速度和精度，还能够通过自光顺功能优化数控程序中的刀心点序列，从而改善加工工件的表面质量和减少高频振颤现象。 #### 样条曲线插补器的关键技术 1. **样条曲线的构造方法**： - **定义与参数化**：样条曲线是一种平滑连续的曲线，可以通过一系列控制点来定义。为了实现样条插补，首先需要确定样条曲线的类型（如B样条、NURBS等），然后根据给定的刀具中心点（刀心点）序列构建出平滑过渡的样条曲线模型。 - **分段逼近**：对于复杂的曲面加工，通常会将整个路径分成多个小段，每一段都用一条样条曲线来近似表示。这样不仅可以简化计算，还能更好地适应曲线的变化趋势。 2. **曲线实时插补方法**： - **实时计算**：在实际加工过程中，样条插补器需要能够实时地计算出当前位置与下一个位置之间的路径，这通常涉及到快速求解样条曲线方程的问题。 - **误差补偿**：为了确保加工精度，还需要引入误差补偿机制。例如，通过对曲线的局部修正或调整刀具的进给速度等方式来减少累积误差。 3. **自光顺功能**： - **光顺性判断**：在插补执行前，控制器会对数控程序文件中的刀心点序列进行光顺性判断，以确保整个加工路径的平滑性和连续性。 - **刀心点修正**：对于不符合光顺性要求的刀心点，控制器会自动进行修正处理，比如通过增加或删除某些点来调整路径，从而避免加工过程中出现尖锐的拐角或突变。 #### 应用效果 通过实际加工案例验证了该样条插补控制器的有效性。结果显示，相比传统的五轴线性插补方法，新方法不仅能显著提高加工速度和精度，还能够有效减少数控文件的大小，降低了对存储空间的需求。此外，通过自光顺功能优化后的加工路径更加平滑，大大提升了加工件的表面质量和减少了加工过程中的高频振颤现象。 #### 结论与展望 本研究提出的具有自光顺功能的五坐标样条插补控制器，通过创新性的样条曲线构造方法和实时插补技术，以及关键的自光顺功能，成功地解决了传统五轴联动线性插补加工中存在的速度慢、精度低、数控文件大等问题。这一研究成果不仅为复杂曲面加工提供了新的解决方案，也为进一步提升数控机床性能和加工效率开辟了新的途径。未来的研究可着眼于如何进一步优化样条曲线的构建算法，以及如何更好地集成自光顺功能，以适应更广泛的应用场景。