[发明专利]一种五轴双样条曲线插补速度规划方法

说明书

本发明一种五轴双样条曲线插补速度规划方法属于多轴数控加工技术领域，涉及一种五轴数控机床物理轴驱动性能约束下的速度敏感区间恒速双样条曲线插补速度规划方法。该方法在对刀尖点轨迹曲线进行等弧长离散的基础上，计算五轴机床各物理轴位置对刀尖点轨迹弧长参数的一阶到三阶微分，从而获得物理轴运动与刀具轨迹间关系。以轴驱动性能极限条件为约束，以平衡加工运行平稳性和加工效率为目标，优化求取速度敏感区间。通过双向扫描，确定各速度敏感区间的速度值及升、降速起始点曲线参数。该方法可有效平衡五轴曲线插补加工效率和加工质量，且算法计算效率高，实时性好。

技术领域

本发明属于精密高效智能化多轴数控加工技术领域，涉及一种五轴数控机床物理轴驱动性能约束下的双样条曲线插补速度规划方法。

背景技术

目前，曲线插补技术因相比于传统直线、圆弧插补技术具有加工轨迹与理想模型逼近精度高、加工过程运动平稳、加工代码易于存储与传输等优势，受到了广泛关注和研究。在曲线插补加工过程中，曲线上各位置处进给速度的规划是实现高质高效加工的前提。若进给速度规划过高，易导致各物理轴实际速度、加速度、加加速度等超出相应的许用极限，从而诱发运动突变、机床震颤等现象，影响加工精度和加工质量。若进给速度规划过低，则虽可满足轴驱动性能约束，但易由于速度过于保守而降低加工效率。因此，根据数控机床物理轴运动性能许用极限条件，进行曲线插补进给速度的自适应合理规划，对实现精密高效加工具有重要意义。虽然针对三轴曲线插补的进给速度规划方法已有较多研究，但面向五轴双样条曲线插补的进给速度规划策略仍鲜有报道。在五轴双样条曲线插补过程中，五轴刀具轨迹由一条表示刀尖点运动的曲线和一条表示刀轴上刀尖外另一点运动的曲线共同确定。因除三个直线轴运动外，引入了两个旋转轴运动以实现刀轴方向的连续变化，导致五轴双样条曲线插补加工过程中物理轴运动和刀尖点运动间具有极强的非线性关联关系，为刀尖点运动进给速度的合理规划提出了巨大挑战。如何以五个物理轴驱动性能极限为约束条件，规划双样条曲线插补加工过程中的刀尖点进给速度，已成为五轴数控曲线插补技术亟需解决的难题之一。

现有技术文献1“Feedrate interpolation with axis jerk constraints on 5-axis NURBS and G1tool path”，Beudaert等，International Journal of Machine Toolsand Manufacture，2012，57：73-82，该文献通过对五轴刀具轨迹进行等时间步长离散，在每个离散点处依据驱动性能约束求取该点对应的位移区间，进而通过二分迭代规划时间最优的进给速度。然而，该方法所规划进给速度在插补过程中实时变化，即速度波动频繁，虽最大程度上提高了加工效率，但不利于加工表面质量的提高，此外，该方法进行速度插补时，需要复杂的迭代算法，实时性差。文献2“A smooth curve evolution approach to thefeedrate planning on five-axis toolpath with geometric and kinematicconstraints”，Sun等，International Journal of Machine Tools and Manufacture，2015，97：86-97，该文献利用曲线演化的思想，基于进给速度的比例调节，对五轴曲线插补过程中进给速度轮廓进行迭代规划，以满足轴驱动性能约束条件。然而，该方法计算量大，属离线方法，难以应用到实时插补过程中。

发明内容

本发明旨在克服现有技术缺陷，发明一种计算效率高的物理轴驱动性能约束下速度敏感区间恒速五轴双样条曲线插补速度规划方法，该方法通过对待插补曲线轮廓进行等弧长离散，获得各物理轴位置对弧长参数的各阶微分；进而以轴驱动性能极限条件为约束，以平衡加工质量和加工效率为目标，优化求取速度敏感区间；通过双向扫描，确定各速度敏感区间的速度值及升、降速起始点曲线参数，在敏感区间采用所确定的恒定进给速度，在非敏感区间利用S形加减速模式规划平滑进给速度。该方法可有效平衡五轴曲线插补加工效率和加工质量，且算法计算负担轻，实时性好。