冗余自由度下曲面数控高速进给加工逆向刀位轨迹规划

Multi-axis numerical control (NC) machining with high feed speed presents higher requests for tool path planning. The improper characteristics of motion will result in shock of machine's moving axes and the bad machining quality. According to the features of multi-axis numerical control machining with high feed speed, this project creatively presents a new tool path planning method, whose core is considering the axis motion's characteristics and the surface's macroscopic geometrical property at first, and making the machine's movement still keep stable in high speed feeding. Based on considering the surface's geometrical property and machining strategy firstly, analyzing each axis motion's and shock characteristics, optimizing each axis's motion, directly produces the original tool path; then reversely calculates the contact point path according to the surface's and cutter's geometric information; and then analyzes and modify the machining error, at last generates the final cutter path. In addition, the resultant feed velocity is analyzed, and puts forward an idea about balancing this velocity. Compared with the current method that tool path is generated from contact point path, because of considering the axis motion's characteristics at first, the present method radically guarantees the stability of each axis's motion in high feed speed. At the same time, this method generates the tool path according to the surface's macroscopic geometrical property, so it makes not only the single surface but also the combinational surfaces, which only share the same position rather than first order derivative, have an excellent motion property.

高速进给多轴数控加工对刀位轨迹规划提出了更高要求，运动规律不合适会引起机床运动轴产生振动，影响加工质量。本课题针对高速进给多轴数控加工的特点，创造性地提出一种新的刀位轨迹规划方法，核心是先考虑各轴运动学特性及曲面宏观几何特性，使机床在高速进给下仍保持平稳运动。该方法首先在考虑曲面几何特性以及加工策略的基础上，分析机床各轴的运动学特性和振动，优化各轴的运动规律，直接生成初始刀位轨迹；再根据曲面与刀具几何信息逆向反算接触点轨迹；然后分析并修正加工误差，生成最终的刀位轨迹；此外，分析合成进给速度，提出均匀速度的思路。这种刀位轨迹规划方法区别于现有的由接触点轨迹生成刀位轨迹的方法，一开始就考虑到机床各轴的运动学特性，从根本上保证了机床高速进给时各轴运动的平稳性；同时，该方法根据曲面的宏观几何特征规划刀位轨迹，不仅对单张曲面，而且对仅位置连续、一阶导数不连续的组合曲面，机床各轴也具有良好的运动特性。

该项目针对在多轴数控加工与高速进给加工结合中，由于运动规律的不合适引起机床的运动部件受到较大的冲击和振动，直接影响加工表面质量，同时也限制了进给速度的进一步提高的问题，在分析数控机床各轴运动特性和曲面几何特性的基础上，提出了一种全新的刀位轨迹规划方法，采用具有冗余自由度的机床实现高速进给，通过将冲击大的运动轴的运动分解到冗余自由度的运动轴上来减轻冲击，为进一步提高进给速度提供可能。课题组深入研究了冗余自由度下机床运动的合成分解，分析了冗余自由度轴的增加如何影响其它轴的运动，作为调整机床轴运动的依据；并通过分析机床轴伺服电机驱动特性和伺服驱动系统的固有特性，推导出了机床各轴的运动约束条件，检验各轴运动的合理性，并由此确定运动超限轴，对机床几何误差快速测量方法进行研究，提出基于激光跟踪仪多变测量的几何误差测量与辨识方法。在考虑曲面几何特征及机床各轴运动特性的基础上，直接生成初始刀位轨迹，再根据曲面与刀具几何信息逆向反算接触点轨迹，提出了刀具与曲面接触点的高效计算方法，然后分析并修正加工误差，生成最终的刀位轨迹。本项目提出的刀位轨迹规划方法一开始就考虑到了机床各轴的运动学特性，从根本上保证了机床高速进给时各轴运动的平稳性。同时，本项目根据冗余自由度下机床各轴的运动合成分解原理，对运动超限轴进行调整，使调整后的各轴运动均满足机床要求，并对数控机床热变形进行测量、建模分析研究，完成误差补偿，达到了保持高速进给速度的同时减小机床振动冲击、提高表面质量的目的。本项目的研究成果已使用到课题组开发的叶片、鞋楦曲面的数控加工编程软件中，显示出了本项目研究成果良好的应用前景。项目资助发表论文7篇，其中SCI 5篇。培养硕士生15名，博士生1名，其中10名已经取得硕士学位。项目投入经费80万元，支出23万元。