CN103809519B - 数控系统用极坐标插补极值区域平滑处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种数控技术领域中的控制XZ线性轴和旋转C轴的数控系统及控制方法。数控系统所控制车削中心由两个线性轴(X,Z)必须相互垂直。回转轴(C)必须和线性轴Z平行(围绕Z旋转)。线性轴X和回转轴C相交。对于端面加工笛卡尔平面的XY路径进行F进给速度的编程，数控系统转换为X轴和C轴进行插补运动。数控系统针对笛卡尔平面中的接近极点(X=0、Y=0)的极值区域，进行XY路径的加减速控制，防止C轴的超差，实现平滑的极坐标插补极值区域处理。

Description

数控系统用极坐标插补极值区域平滑处理方法

技术领域

本发明涉及一种数控技术领域中的控制XZ线性轴和旋转C轴的数控系统及控制方法，具体地说是一种数控系统用极坐标插补极值区域平滑处理方法。

背景技术

在车削中心对部件进行端面铣削加工(无Y坐标轴)时，需要在机床的X、Z、C坐标系中，通过X、C两轴联动，形成虚拟的正交笛卡尔X、Y、Z坐标系，来完成通用的铣削加工数控程序的编制，保证编程方式与铣削加工编程方式一致，给用户编程带来方便，提高加工效率，同时丰富车削中心的功能。在正交笛卡尔轨迹平面中存在一个特殊点：X＝0，Y＝0点，也就是X进给轴与车削中心的交点称为“极点”。在极点附近，轨迹轴X,Y位置的较小变化通常会导致回转轴C位置的较大变化。因此不建议在极点的附件加工工件，因为在一些情况下，要求进给率迅速变化以防止回转轴过载，避免X0/Y0极点和刀具中心点位移相交。

针对极点附近C轴过载的问题，主要有两种处理方法。方法一是通过基于进给速度F和C轴最大速度设定禁止区域，在进给速度F不变的情况下通过禁止刀具中心点进入该区域来防止C轴的过载。这种方法存在的缺陷就是存在加工盲区，可能造成加工停顿。方法二是在基于进给速度F和C轴最大速度设定极值区域基础上，通过对进入极点区域内的路径进行降速处理，基于C轴最大速度进行进给速度约束。这种方法可以通过极值区域，但是直接降速导致刀具中心点轨迹平滑性差，同时基于进给速度F完成的极值区域划分无法满足实时路径变化，区域定位不准确。

发明内容

针对现有技术的极值区域确定不准确和极值区域内刀具中心点路径处理不平滑的问题，本发明提供一种结合C轴约束系数α和过渡系数β的数控系统用极坐标插补极值区域平滑处理方法，实现极坐标插补区域内路径平滑插补。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种数控系统用极坐标插补极值区域平滑处理方法,包括以下步骤：

步骤1：根据数控系统所控制的具体机床配置情况，得到工件坐标系中编程指令Xw、Yx信息和机床坐标系下轴XM、CM位置信息的转换关系，并通过指令解析确定工件坐标系参数；

步骤2：基于进给率F，完成对刀具中心点路径的速度和路径规划，得到每个周期的Xw、Yw的插补位置信息；

步骤3：通过Xw、Yw的插补位置信息，计算出每个插补周期的插补路径长度Li以及每个路径段与极点的距离r；

步骤4：根据C轴速度约束条件对进给速度F进行实时调整，然后计算目标插补点；

步骤5：将基于进给速度F实时调整后得到的轨迹队列(Xw、Yw)，转换为机床轴运动信息(XM、CM)，经过样条平滑后驱动机床运动。

所述工件坐标系参数包括工件坐标系下刀具中心点的路径信息和编程进给速度，起始点和终点位置信息，C轴最大速度Vcmax，约束系数α以及过渡系数β。

所述转换关系如下：

$\begin{array}{c}(XM,CM)=f(Xw,Yw)\\ =(\sqrt{{\mathrm{Xw}}^2+{\mathrm{Yw}}^2},\arctan Yw/Xw)\end{array}$

其中，(XM,CM)为机床坐标系下XM、CM轴位置信息，(Xw,Yw)为工件坐标系下的轨迹坐标。

所述每个插补周期的插补路径长度Li为：

$Li=\sqrt{{(X_{wi+1}-X_{wi})}^2-{(Y_{wi+1}-Y_{wi})}^2}$

其中，(X_wi,Y_wi)、(X_wi+1,Y_wi+1)分别为刀具中心点路径第i和第i+1个插补点的坐标。

所述每个插补周期的每个路径段与极点的距离r为：

$r=\sqrt{X_{wi\_m}^2+Y_{wi\_m}^2}$

其中，(X_{wi_m},Y_{wi_m})为刀具中心点路径第i和第i+1个插补点中间点的坐标。

所述对进给速度F进行实时调整步骤包括：

如果所处理的第i段路径中

$\frac{Li}{r}\≤\frac{\mathrm{\π}\×\mathrm{\α}\×Vcmax}{180},$

则不对进给速度进行修调，记录目标插补点Xwi+1，Ywi+1；

如果所处理的第i段路径中

$\frac{Li}{r}>\frac{\mathrm{\π}\×\mathrm{\α}\×Vcmax}{180},$

则将该段的编程进给速度F调整为

$F=\frac{\mathrm{\π}\×\mathrm{\β}\×Vcmax}{180}\×r$

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明在极坐标插补时，在实时插补中准确的定位极值区域，结合C轴约束系数α和过渡系数β完成对轨迹进给率的实时调整；

2.应用所提极坐标插补极值区域平滑处理方法，无加工盲区，不会造成加工停顿；

3.应用所提极坐标插补极值区域平滑处理方法，刀具中心点轨迹平滑性高，可满足实时路径变化；

附图说明

图1是本发明所应用的机床示意图；

图2是本发明的数控系统结构图；

图3是本发明的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示为本发明所应用的机床示意图。数控系统所控制车削中心由两个线性轴(X,Z)必须相互垂直。回转轴(C)必须和线性轴Z平行(围绕Z旋转)。线性轴X和回转轴C相交。对于端面加工工件坐标系平面的XwYw路径进行F进给速度的编程，数控系统转换为XM轴和CM轴进行插补运动。本发明数控系统用极坐标插补极值区域平滑处理方法，用于通过控制具有两个线性轴(X,Z)、回转轴(C)的车削中心用的数控系统。

从数据输入装置31通过人机界面(HMI)21输入包含使用CAD/CAM系统或者仿形数据直接进行多轴加工的加工程序。设数控系统10所控制的车削中心各轴为线性轴X轴、Z轴和旋转轴C轴。

图2是本发明的数控系统结构图。基于组件模型，用总线将数控系统结构包含了人机接口组件21、任务控制器组件22、PLC组件24、运动控制器组件23和控制总线25组件连接到数控系统10中。

其中人机接口组件21：负责用户管理、数据采集、发送新数据到控制器以及为各种设备提供一致的用户接口，同时还需要显示用户所需要的各种信息，如加工程序、目前机床状态、正在处理的数据等。

任务控制器组件22：负责解释和执行加工指令序列、加工时工艺顺序控制以及对于错误的检测诊断和处理功能。依据零件加工程序，任务控制器控制运动控制器和I/O控制器完成加工任务。

PLC组件24：负责传感器和执行器的I/O控制，主要包括机床上下电、急停开关、冷却开关等。

运动控制器组件23：负责检测各运动轴当前位置、计算下一个运动位置以及将计算结果以命令形式发送到控制总线组件以控制执行等。

控制总线组件25：负责从运动控制器组件和PLC组件中接收命令，并将命令发送到总线驱动卡中以驱动数字伺服26，同时将伺服状态反馈给运动控制器组件23和PLC组件24。

在本实施方式中，用数控系统10控制多轴机床，具有线性轴的X轴、Z轴、C轴和主轴。各个轴的轴控制结构来自控制总线25的轴运动指令，将各轴指令输出到伺服26。伺服26接收指令，驱动各轴的伺服马达34。同时伺服马达34内置有速度/位置检测器，将来自该速度/位置检测器的速度/位置反馈信号反馈回伺服26中，进行速度/位置的反馈控制。

如图3所示为本发明的方法流程图。具体步骤如下：

1.首先根据数控系统所控制的具体机床配置情况，可以得到工件坐标系中轨迹坐标Xw、Yw和机床坐标系下XM、CM轴位置信息的转换关系(1)有

$\begin{array}{c}(XM,CM)=f(Xw,Yw)\\ =(\sqrt{{\mathrm{Xw}}^2+{\mathrm{Yw}}^2},\arctan Yw/Xw)\end{array}---\left(1\right)$

通过系统指令解析确定工件坐标系下的刀具中心点路径信息，编程进给速度、C轴最大速度Vcmax、约束系数α和过渡系数β；

2.路径插补预处理：根据工件坐标系下的路径信息和编程进给速度F，对刀具中心点路径进行路径(直线、圆弧)规划，得到一系列插补点Xwi，Ywi。

3.基于C轴速度约束：根据路径插补预处理得到的一系列插补点Xwi，Ywi。通过式(2)计算每i点到i+1点的中间点(Xwi_m,Ywi_m)：

(Xwi_m,Ywi_m)＝((Xwi+Xwi+1)/2，(Ywi+Ywi+1)/2) (2)

通过中间点信息，计算每个路径段i距离极点的距离r和路径长度Li。

其中，路径长度为：

$Li=\sqrt{{(X_{wi+1}-X_{wi})}^2-{(Y_{wi+1}-Y_{wi})}^2};$

距离为：

$r=\sqrt{X_{wi\_m}^2+Y_{wi\_m}^2}$

4.进给速度修调处理：

如果所处理的第i段路径中

$\frac{Li}{r}\≤\frac{\mathrm{\π}\×\mathrm{\α}\×Vcmax}{180}$

则不对进给速度F进行修调，记录目标插补点Xwi+1，Ywi+1；

如果所处理的第i段路径中

$\frac{Li}{r}>\frac{\mathrm{\π}\×\mathrm{\α}\×Vcmax}{180}$

则将该段的编程进给速度F调整为

$F=\frac{\mathrm{\π}\×\mathrm{\β}\×Vcmax}{180}\×r$

然后进行基于修调后F重新计算目标插补点Xwi+1，Ywi+1；

在工件坐标内的Xw、Yw路径规划后，将通过式(1)计算出每个插补周期的XMi+1和CMi+1的运动位置信息存入运动队列，再将所求得的各轴控制点信息进行三次样条平滑后发给伺服26。

Claims (6)

1.一种数控系统用极坐标插补极值区域平滑处理方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：根据数控系统所控制的具体机床配置情况，得到工件坐标系中轨迹点位置信息和机床坐标系下轴XM、CM位置信息的转换关系，并通过指令解析确定工件坐标系参数；

步骤2：基于进给速度F，完成对刀具中心点路径的速度和路径规划，得到每个周期的插补点位置信息；

步骤3：通过插补点位置信息，计算出每个插补周期的插补路径长度Li以及每个路径段与极点的距离r；

步骤4：根据C轴速度约束条件对进给速度F进行实时调整，然后计算目标插补点；

步骤5：将基于进给速度F实时调整后得到的轨迹队列，转换为机床轴运动信息，经过样条平滑后驱动机床运动。

2.根据权利要求1所述的一种数控系统用极坐标插补极值区域平滑处理方法，其特征在于：所述工件坐标系参数包括工件坐标系下刀具中心点的路径信息和进给速度F，起始点和终点位置信息，C轴最大速度Vcmax，约束系数α以及过渡系数β。

3.根据权利要求1所述的一种数控系统用极坐标插补极值区域平滑处理方法，其特征在于：所述转换关系如下：

$\begin{array}{c}(XM,CM)=f(Xw,Yw)\\ =(\sqrt{{\mathrm{Xw}}^2+{\mathrm{Yw}}^2},\arctan Yw/Xw)\end{array}$

其中，(XM,CM)为机床坐标系下轴XM、CM位置信息，(Xw,Yw)为工件坐标系下的轨迹点坐标。

4.根据权利要求1所述的一种数控系统用极坐标插补极值区域平滑处理方法，其特征在于：所述每个插补周期的插补路径长度Li为：

$Li=\sqrt{{(X_{wi+1}-X_{wi})}^2-{(Y_{wi+1}-Y_{wi})}^2}$

其中，(X_wi,Y_wi)、(X_wi+1,Y_wi+1)分别为刀具中心点路径第i和第i+1个插补点的坐标。

5.根据权利要求1所述的一种数控系统用极坐标插补极值区域平滑处理方法，其特征在于：所述每个插补周期的每个路径段与极点的距离r为：

$r=\sqrt{X_{wi\_m}^2-+Y_{wi\_m}^2}$

其中，(X_{wi_m},Y_{wi_m})为刀具中心点路径第i和第i+1个插补点中间点的坐标。

6.根据权利要求1所述的一种数控系统用极坐标插补极值区域平滑处理方法，其特征在于：所述对进给速度F进行实时调整步骤包括：

如果所处理的第i段路径中

$\frac{Li}{r}\≤\frac{\mathrm{\π}\×\mathrm{\α}\×Vcmax}{180},$

则不对进给速度F进行修调，记录目标插补点X_wi+1，Y_wi+1；

如果所处理的第i段路径中

$\frac{Li}{r}>\frac{\mathrm{\π}\×\mathrm{\α}\×Vcmax}{180},$

则将该段的进给速度F调整为

$F=\frac{\mathrm{\π}\×\mathrm{\β}\×Vcmax}{180}\×r,$

其中，α为约束系数、β为过渡系数、Vcmax为C轴最大速度、r为每个路径段i距离极点的距离、Li为插补路径长度。