在机位姿逆向驱动刀路纹理的五轴曲面插补机制研究

If the component velocity exceeds the capability of the servo system, vibration may arise due to controller saturation, which deteriorates the machining precision and the surface quality. Therefore, the velocity command profile of each driver should be as smooth as possible during CNC machining. However, the displacements of each servo axis will be different with diversity of clamping positions even for the same toolpath because of the inverse kinematics in 5-axis machining, and then the velocity profile of each axis will be affected. The smoothness of each axis can be satisfied by adjusting the feed profile according to the clamping status, but the machining efficiency can't be guaranteed. Adjusting the toolpath profile during toolpath generation stage is able to depress the negative influence by the toolpath itself and the clamping positions. In the unidirectional transmission mode from CAM to CNC, CNC system receives the toolpaths from CAM system without sending the feed profile information back to CAM, so the toolpath can't be adjusted in CAM. This proposal proposes the new mechanism for 5-axis HSM where the toolpath profile generation is driven by clamping position status, which takes the influence of clamping position and toolpath profile into toolpath generation stage, as well as guaranteeing the global machining efficiency.

机床各驱动轴的速度指令超出伺服驱动能力时，将出现控制器饱和，产生伺服振动，影响加工精度和表面质量，因此有必要保证各轴速度指令的光滑性。然而，在五轴加工反向运动学映射机制下，给定刀路在各驱动轴上的位移量会随工件装夹位姿的不同而存在差异，进而影响进给速度曲线各轴分量的光滑性。在不改变刀路的情况下，若仅根据装夹位姿调整每条刀路的进给速度曲线，原则上可满足各轴速度光滑性要求，但已无法保证曲面整体刀路的加工效率。 现有CAM→CNC单向信息流模式下，CNC接收CAM阶段产生的刀路，但不会将插补阶段速度曲线的质量信息反馈给CAM系统，也无法在CAM系统中进行刀路纹理的二次调整。本项目拟将工件实际装夹位姿信息引入到前端设计环节，着眼于装夹位姿和刀路形貌对进给速度曲线的非线性影响，以曲面加工整体效率最优化为目标，开展由装夹位姿逆向驱动刀路纹理规划的曲面直接插补机制研究，探索五轴曲面高速高精加工新模式。

复杂曲面零件在航空航天、军工、汽车、医疗等重要领域有着广泛的应用。然而在当前五轴曲面加工中，CAM系统和CNC系统之间运行相对独立，在CAM中通常以静态标准生成刀具路径文件，CNC系统只能接收既有刀路文件实现插补加工。由于缺少CNC系统到CAM系统的信息反向互通机制，导致CNC下游的信息无法传递回上游，阻碍了加工质量和效率的提升。本项目面向五轴曲面加工路径全局效率最优生成，在CAM系统路径规划阶段引入下游CNC系统轨迹插补信息，建立从CNC系统到CAM系统的双向信息传递通道，将下游插补层的速度规划信息反馈给上游的CAM系统。进而，提出了基于预插补逆信息向驱动的五轴刀路自适应生成方法，以机床各轴动力学极限为约束，考虑五轴机床反向运动学模型对各轴实际位移的影响，通过传递下游插补速度规划评价的信息，辅助上游系统优化修改刀具路径，提升加工效率；针对加工中刀路形貌对速度规划的影响问题，通过预插补获取待加工曲面上的低速敏感区域，CAM系统根据低速敏感区域局部调整刀路轨迹，系统对不同的调整方案下的整体加工时间进行评估，选择效率最优的刀路生成方案；针对五轴曲面加工中等残高路径既定前提下刀具姿角对进给速度规划的限制问题，提出了基于C-Space空间映射反馈的五轴曲面路径刀具姿角优化方法；针对五轴曲面加工中旋转轴在大曲率区域对进给速度曲线的干扰问题，提出了旋转位移敏感特征钳制下的五轴刀路反馈优化，生成符合机床运动特性的五轴加工刀路轨迹。本项目研究工作过程发表SCI检索论文15篇，授权发明专利2项，获得软件著作权3项，培养博士生4名，硕士生3名。