李憲輝

摘 要：數(shù)控機(jī)床，特別是五軸數(shù)控機(jī)場(chǎng)的加工技術(shù)，一直是我國(guó)研究的重點(diǎn)，五軸數(shù)控機(jī)床，由于受到旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)影響，使得機(jī)床進(jìn)行軸線性，的插補(bǔ)合成運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，經(jīng)常會(huì)造成刀位偏移，不按照原本編程的直線進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，使得實(shí)際機(jī)床的運(yùn)動(dòng)，和機(jī)床的變成之間出現(xiàn)誤差，而出現(xiàn)的這種誤差在，通常情況下，被稱之為非線性誤差，為了減少非線性誤差，讓機(jī)床更加精準(zhǔn)，本文就擺頭轉(zhuǎn)臺(tái)五軸數(shù)控機(jī)床，RTCP算法進(jìn)行研究，希望對(duì)于數(shù)控機(jī)床精準(zhǔn)度有所幫助。

關(guān)鍵詞：非線性誤差；運(yùn)動(dòng)求解；RTCP

轉(zhuǎn)頭擺動(dòng)五軸數(shù)控機(jī)床其本身，在實(shí)際的應(yīng)用中，由于對(duì)于復(fù)雜曲面的加工。具有非常大的去除率，以及干涉、消除加工等特點(diǎn)，使得其在船舶、航空航天以及汽車(chē)的制造方面，都有著非常廣泛的應(yīng)用，而現(xiàn)在我國(guó)的轉(zhuǎn)頭擺動(dòng)五軸數(shù)控機(jī)床，無(wú)論是在機(jī)床性能，還是在精準(zhǔn)度上都不能跟進(jìn)口機(jī)器相比。轉(zhuǎn)頭擺動(dòng)五軸數(shù)控機(jī)床在實(shí)際的運(yùn)行過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)，機(jī)床運(yùn)動(dòng)軌跡出現(xiàn)偏差的現(xiàn)象，為了減少這種非線性誤差，就必須對(duì)機(jī)床進(jìn)行RTCP算法的研究。

1 轉(zhuǎn)頭擺動(dòng)五軸數(shù)控機(jī)床背景

相比較于國(guó)外的，轉(zhuǎn)頭擺動(dòng)五軸數(shù)控機(jī)床研究技術(shù)，我國(guó)的RTCP算法研究，已經(jīng)非常的落后了，現(xiàn)在國(guó)外的很多高檔的，數(shù)控系統(tǒng)已經(jīng)具備了RTCP功能，而在數(shù)控梓潼的核心技術(shù)方面，RTCP的核心技術(shù)仍舊是保密的，雖然國(guó)內(nèi)對(duì)于RTCP功能，也進(jìn)行了很多的研究，像是趙薇等設(shè)計(jì)的，RTCP功能集成插補(bǔ)算法，并給出了算法的理論，進(jìn)行了算法的仿真實(shí)驗(yàn)和誤差分析，實(shí)驗(yàn)的結(jié)果很好的表明了，RTCP功能插補(bǔ)算法，可以很好的減少，非線性的誤差，針對(duì)實(shí)時(shí)性要求也能很好的滿足，并且簡(jiǎn)單易行，可以廣泛的應(yīng)用于CNC系統(tǒng)之中。

而董超杰等，對(duì)雙擺頭五坐標(biāo)機(jī)床進(jìn)行的，非常線性誤差昌盛的機(jī)理，以及機(jī)床運(yùn)動(dòng)的原理的研究，也介紹了一種RTCP功能集成的插補(bǔ)算法，RTCP功能可以非常有效的，讓數(shù)控系統(tǒng)自動(dòng)的，對(duì)非線性誤差進(jìn)行補(bǔ)償，通過(guò)旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償，來(lái)保證機(jī)床隨時(shí)都處于，正確的編程軌跡上，并通過(guò)MATLAB仿真計(jì)算，來(lái)對(duì)該算法進(jìn)行驗(yàn)證，證實(shí)了該系統(tǒng)能夠有效的減少非線性誤差。

2 五軸RTCP功能及研究必要性

在三軸銑削加工時(shí)，由于沒(méi)有旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)，刀具中心點(diǎn)軌跡與刀控點(diǎn)軌跡是等距線，不存在非線性誤差的補(bǔ)償問(wèn)題，但在五軸加工時(shí)，由于刀具中心點(diǎn)與刀控點(diǎn)存在距離偏移，刀具的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)引起刀具中心的附加移動(dòng)即產(chǎn)生非線性誤差，當(dāng)?shù)毒咧行狞c(diǎn)進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，刀控點(diǎn)以曲線形式的軌跡運(yùn)動(dòng).采用RTCP功能可以直接編程刀具中心點(diǎn)的軌跡，使得數(shù)控程序獨(dú)立于具體的機(jī)床結(jié)構(gòu)，數(shù)控系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)計(jì)算，并保持刀具中心總始終在編程軌跡上，由旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)引起的非線性誤差，都會(huì)被位移軸的運(yùn)動(dòng)所補(bǔ)償，從而滿足加工要求。

非線性誤差的產(chǎn)生，跟機(jī)床整體的結(jié)構(gòu)，有著非常大的影響，前置刀位的計(jì)算通用化也非常難以考慮，而在后置的處理過(guò)程中，也會(huì)對(duì)機(jī)床的結(jié)構(gòu)進(jìn)行校驗(yàn)，保證誤差不會(huì)超出許用值，而一旦超出許用值，就必須對(duì)相應(yīng)的到位進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)行修整處理，直到達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)誤差之內(nèi)，同時(shí)在刀位數(shù)據(jù)進(jìn)行后置處理中，也不能再對(duì)刀具，以及零件的型面信息，進(jìn)行信息的接觸，因此對(duì)于非線性誤差不能完全的解決，只能變成近似標(biāo)準(zhǔn)值。

3 RTCP算法的研究

RTCP功能：

RTCP功能主要是為了，解決轉(zhuǎn)頭擺動(dòng)五軸數(shù)控機(jī)床的，非常線性誤差的問(wèn)題，目前只能對(duì)非線性誤差進(jìn)行補(bǔ)償，不能對(duì)其進(jìn)行徹底的解決，而補(bǔ)償也只能讓誤差變?yōu)?，近似編程?shù)據(jù)，而不能完全消除，因此需要用轉(zhuǎn)頭擺動(dòng)五軸數(shù)控機(jī)床，對(duì)工件進(jìn)行長(zhǎng)度的補(bǔ)償時(shí)，或者是需要用到兩個(gè)旋轉(zhuǎn)的刀頭時(shí)，就需要用到RTCP功能，來(lái)對(duì)執(zhí)刀的工具進(jìn)行，中心點(diǎn)的路徑的調(diào)整和移動(dòng)，來(lái)增加零件加工的精準(zhǔn)度，來(lái)減少非線性的誤差。

4 實(shí)現(xiàn)RTCP功能的主要技術(shù)難點(diǎn)

由于受到旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的影響，引起五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床各軸實(shí)際運(yùn)動(dòng)偏離編程直線，產(chǎn)生非線性誤差，實(shí)現(xiàn)各插補(bǔ)軸的速度控制也是RTCP功能開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)。由于在加減速規(guī)劃時(shí)，為了提高工件的表面加工質(zhì)量，需要刀具中心點(diǎn)速度滿足連續(xù)性要求，同時(shí)保證各軸的速度及加速度滿足機(jī)床的加減速要求。

5 RTCP算法的實(shí)現(xiàn)

基于以上分析，本文從五軸加工中的非線性誤差的控制、各軸速度控制及基于參數(shù)化配置的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的建立等方面對(duì)RTCP算法進(jìn)行研究。

5.1 非線性誤差的控制

非線性誤差控制是實(shí)現(xiàn)RTCP技術(shù)的關(guān)鍵問(wèn)題之一。由于補(bǔ)償算法與選用的機(jī)床類(lèi)型相關(guān)，不失一般性，以下以雙轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)的數(shù)控機(jī)床為例進(jìn)行分析。對(duì)于其它類(lèi)型的五軸機(jī)床的數(shù)學(xué)模型與此類(lèi)似，只是坐標(biāo)系的選取、旋轉(zhuǎn)軸的代號(hào)及旋轉(zhuǎn)變換矩陣有所變化。

5.2 基于前瞻算法的速度控制

為了提高工件表面的加工質(zhì)量，本文采用基于刀觸點(diǎn)進(jìn)行加減速規(guī)劃，但可能造成各軸的速度超出機(jī)床的最大加減速能力.為此，本文在加減速控制模塊中增加了加工運(yùn)動(dòng)誤差控制及各軸速度約束，通過(guò)對(duì)各軸運(yùn)動(dòng)速度的調(diào)整來(lái)保證加工速度的平穩(wěn)性、使加速度大小不超出機(jī)床加減速能力.速度控制算法的流程圖.基于二分法實(shí)現(xiàn)軌跡細(xì)分，保證各軌跡點(diǎn)問(wèn)的誤差滿足加工誤差的要求；通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)變換實(shí)現(xiàn)由工件坐標(biāo)系中的坐標(biāo)點(diǎn)到軸坐標(biāo)系坐標(biāo)點(diǎn)之間的映射；最后，根據(jù)加減速特性，通過(guò)各軸速度的前瞻控制算法實(shí)現(xiàn)各軌跡點(diǎn)處的最優(yōu)速度，從而提高加工效率。

5.3 基于參數(shù)配置的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

由于RTCP技術(shù)采用工件坐標(biāo)系編程，不同的機(jī)床結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)于不同的運(yùn)動(dòng)學(xué)變換，使得加工代碼對(duì)于機(jī)床結(jié)構(gòu)的依賴性較大，造成同一加工程序不能在不同結(jié)構(gòu)機(jī)床上運(yùn)行，因此需要建立基于參數(shù)配置的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。五軸機(jī)床的結(jié)構(gòu)形式種類(lèi)繁多，但是按照旋轉(zhuǎn)軸的分布可以將其分為3種類(lèi)型：雙擺頭結(jié)構(gòu)、雙轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)、擺頭轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu).根據(jù)機(jī)床不同的結(jié)構(gòu)類(lèi)型及各種機(jī)床的結(jié)構(gòu)尺寸，如樞軸中心距及刀具尺寸等，實(shí)現(xiàn)五軸機(jī)床結(jié)構(gòu)的參數(shù)化描述，由機(jī)床廠家或系統(tǒng)操作人員，根據(jù)具體機(jī)床結(jié)構(gòu)及刀具尺寸進(jìn)行配置。使系統(tǒng)滿足多種結(jié)構(gòu)機(jī)床加工的運(yùn)動(dòng)學(xué)要求。

6 結(jié)論

綜上所述，運(yùn)用RTCP算法對(duì)，轉(zhuǎn)頭擺動(dòng)五軸數(shù)控機(jī)床進(jìn)行研究，主要是利用線性插補(bǔ)的方式，在旋轉(zhuǎn)軸之間進(jìn)行插補(bǔ)，在每個(gè)插補(bǔ)步長(zhǎng)內(nèi)，對(duì)這種非現(xiàn)行誤差，進(jìn)行補(bǔ)償，來(lái)達(dá)到要求的精準(zhǔn)度，讓每一段加工的程序，來(lái)對(duì)非線性誤差進(jìn)行細(xì)分，從而達(dá)到提高轉(zhuǎn)頭擺動(dòng)五軸數(shù)控機(jī)床，加工精準(zhǔn)度的目的，通過(guò)對(duì)各軸承之間的速度進(jìn)行控制，來(lái)減少機(jī)床振動(dòng)，讓轉(zhuǎn)頭擺動(dòng)五軸數(shù)控機(jī)床加工，工件的質(zhì)量得到上升。通過(guò)RTCP算法來(lái)滿足加工的需求。

參考文獻(xiàn)

[1]唐清春，黎國(guó)強(qiáng)，劉謙，等.擺頭轉(zhuǎn)臺(tái)五軸數(shù)控機(jī)床RTCP算法的研究？[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2016（5）：39-42.

[2]顧瀟.五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床RTCP控制及其結(jié)構(gòu)參數(shù)測(cè)量研究[D].華中科技大學(xué)，2016.

[3]彭錦群.五軸加工同步精度評(píng)價(jià)與診斷[D].華中科技大學(xué)，2016.

[4]姜忠，丁杰雄，王偉，等.基于RTCP功能的五軸數(shù)控機(jī)床動(dòng)態(tài)誤差溯源方法[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2016，52（7）：187-195.