CN113946136A - 数控系统的控制方法、数控系统及具有存储功能的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了数控系统的控制方法、数控系统及具有存储功能的装置，该控制方法包括接收工件的加工程序并进行编译，以获取加工工件的刀具的第一加工路径；判断第一加工路径是否需要进行第一插补；若否，则对第一加工路径进行旋转刀具中心点变换，以得到第二加工路径；根据第二加工路径预测刀具的加工速度，根据预测的加工速度对刀具进行加工速度规划；对第二加工路径进行第二插补，以得到第二加工路径插补点，根据第二加工路径插补点形成第三加工路径并输出。本发明能够减小刀具产生的非线性运动误差，保证加工过程中控制刀具的机床各轴的速度和加速度平滑，并且能够提升加工效率，减少旋转刀具中心点变换的次数，大幅降低计算量，降低系统负荷。

Description

数控系统的控制方法、数控系统及具有存储功能的装置

技术领域

本发明涉及数控加工技术领域，特别涉及数控系统的控制方法、数控系统及具有存储功能的装置。

背景技术

针对航空、船舶、汽车等领域中使用到的螺旋桨、叶轮等核心零部件，具有复杂曲面高速高精加工工艺需求，传统三轴机床因刀具角度限制导致效率低下，且多次装夹易产生定位误差，无法达到加工要求。

本申请的发明人在长期的研发中发现，五轴联动数控系统能够弥补三轴机床的刀具角度限制问题，达到复杂曲面的加工要求。然而目前的五轴联动数控系统多采用与三轴联动数控系统类似的速度规划算法，例如根据用户指定的切削速度去规划刀尖点速度，插补时再用刀尖点坐标经过旋转刀具中心点(rotation tool center point，RTCP)变换得到控制点插补坐标。

但是，由于五轴联动数控系统中刀具旋转运动的影响，机床各轴的线性运动的合成使得刀具中心点在离散段内的运动轨迹偏离理想编程轨迹，从而产生非线性运动误差，这种规划方法没有考虑控制点的速度、加速度平滑，在切削速度较大时，会导致机床抖动，影响加工质量和效率。

发明内容

本发明提供一种数控系统的控制方法、数控系统及具有存储功能的装置，以解决现有技术中五轴联动数控系统中非线性运动误差的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是提供一种数控系统的控制方法，包括：

接收工件的加工程序并对所述加工程序进行编译，以获取加工所述工件的刀具的第一加工路径；

判断所述第一加工路径是否需要进行第一插补；

若不需要对所述第一加工路径进行第一插补，则对所述第一加工路径进行旋转刀具中心点变换，以得到加工所述工件的所述刀具的第二加工路径；

根据所述第二加工路径预测加工所述工件的所述刀具的加工速度，以及根据预测的所述加工速度对加工所述工件的所述刀具进行加工速度规划；

对所述第二加工路径进行第二插补，以得到第二加工路径插补点，根据所述第二加工路径插补点形成第三加工路径并输出。

在一具体实施例中，判断所述第一加工路径是否需要进行第一插补包括：

根据所述第一加工路径设置直线步长L₀及旋转步长R₀；

根据所述直线步长L₀及所述旋转步长R₀将所述第一加工路径进行分段，以得到多个第一子加工路径；

分别计算所述多个第一子加工路径中每个所述第一子加工路径的直线合位移L及旋转合位移R；

判断L和R是否满足第一条件或第二条件；

若L和R满足所述第一条件或第二条件，则不需要进行第一插补；

若L和R不满足所述第一条件和所述第二条件，则对所述多个第一子加工路径进行第一插补；

其中，所述第一条件为：R为零；

所述第二条件为：L小于L₀且R小于R₀。

在一具体实施例中，所述对所述第一加工路径进行第一插补包括：

对所述多个第一子加工路径进行第一插补，以得到第一加工路径插补点；

对所述第一加工路径插补点进行旋转刀具中心点变换；

根据旋转刀具中心点变换后的所述第一加工路径插补点形成所述第二加工路径。

在一具体实施例中，所述对所述多个第一子加工路径进行第一插补包括：

根据所述直线合位移L及旋转合位移R计算插补步数N；

根据所述插补步数N将所述第一子加工路径等分为N段，以形成所述第一加工路径插补点。

在一具体实施例中，计算所述直线合位移L和旋转合位移R包括：

设定所述第一子加工路径P_uP_v两端点在工件坐标下的坐标分别为P_u(x₁，y₁，z₁，a₁，b₁)及P_v(x₂，y₂，z₂，a₂，b₂)，则

在一具体实施例中，所述根据所述直线合位移L及旋转合位移R计算插补步数N包括：

在一具体实施例中，所述形成所述第一加工路径插补点包括设定第一加工路径插补点为P_n，其中，

在一具体实施例中，所述根据所述第二加工路径预测加工所述工件的所述刀具的加工速度，以及根据预测的所述加工速度对所述刀具进行加工速度规划包括：

根据所述第二加工路径预测刀具的加工速度，以得到第二加工路径及所述第二加工路径中多个第二子加工路径的最大速度、所述多个第二子加工路径的始末点的最大速度；

根据所述第二加工路径、所述多个第二子加工路径的最大速度以及所述多个第二子加工路径的始末点的最大速度进行速度规划。

为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是提供一种数控系统，包括：

接收设备，用于接收工件的加工程序；

处理器，与所述接收设备连接，用于对所述加工程序进行编译，以获取加工所述工件的刀具的第一加工路径，所述第一加工路径由坐标表示；判断所述第一加工路径是否需要进行第一插补；若不需要对所述第一加工路径进行第一插补，则对所述第一加工路径进行旋转刀具中心点变换，以得到加工所述工件的所述刀具的第二加工路径；根据所述第二加工路径预测加工所述工件的所述刀具的加工速度，以及根据预测的所述加工速度对加工所述工件的所述刀具进行加工速度规划；

插补设备，与所述处理器连接，用于对所述第二加工路径进行第二插补，以得到第二加工路径插补点，根据所述第二加工路径插补点形成第三加工路径；

驱动器，与所述插补设备连接，用于接收所述第三加工路径并驱动机床运行。

为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是提供一种具有存储功能的装置，存储有程序数据，所述程序数据能够被执行以实现如上述的控制方法。

本发明在对加工程序进行编译后得到刀具的第一加工路径，并在无需进行第一插补时对第一加工路径进行旋转刀具中心点变换以得到第二加工路径，即将工件坐标系下刀具的编程坐标转变成机床坐标系下刀具的实际位移坐标，再对第二加工路径进行后续的加工速度预测、加工速度规划以及第二插补等工序，通过对转换后的机床坐标系下刀具的实际位移坐标进行加工速度规划及插补等，相比目前通过对工件坐标系下刀具的编程坐标进行速度规划及插补后再转换成机床坐标系下的实际位移坐标以控制刀具加工，能够提高刀具的加工路径及加工速度的精度，从而减小刀具在加工过程中产生的非线性运动误差，保证加工过程中控制刀具的机床各轴的速度和加速度平滑，使得机床能以较高速度进行加工同时不易产生晃动，提升加工效率，并且在第二插补前进行旋转刀具中心点变换，能够减少旋转刀具中心点变换的次数，大幅降低计算量，从而降低系统负荷。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，其中：

图1是本发明数控系统的控制方法实施例的流程示意图；

图2是本发明数控系统的控制方法实施例中刀具及工件的结构示意图；

图3是本发明数控系统的控制方法实施例的流程示意图；

图4是本发明数控系统的控制方法实施例中第一加工路径的示意图；

图5是本发明数控系统的控制方法实施例的流程示意图；

图6是本发明数控系统实施例的结构示意图；

图7是本发明具有存储功能的装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护的范围。

本申请中的术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。而术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

参见图1和图2，本发明数控系统的控制方法实施例包括：

S110、接收工件201的加工程序并对加工程序进行编译，以获取加工工件201的刀具202的第一加工路径。

在本实施例中，加工程序为高级语言(例如C语言)编写的源程序，通过编译将源程序转换成目标程序，其中目标程序为计算机可识别的语言(例如二进制语言)。

在本实施例中，加工程序可以为机床的刀具202对工件201进行加工的具体程序，通过对加工程序进行编译后，得到的刀具202的第一加工路径可以为工件坐标系下的刀具202的加工路径。

在本实施例中，可以通过CAM(Computer Aided Manufacturing，计算机辅助制造)软件生成第一加工路径。

在本实施例中，编译后还可以进行刀补、平滑等操作，以进一步减小计算误差。

S120、判断第一加工路径是否需要进行第一插补。

在本实施例中，可以根据刀具202沿第一加工路径进行加工是否会产生较大的误差来判断是否需要进行第一插补，例如若刀具202沿第一加工路径进行加工的过程中，没有产生旋转轴的移动，则其产生的误差较小，无需进行第一插补。

S130、若不需要对第一加工路径进行第一插补，则对第一加工路径进行旋转刀具中心点变换，以得到加工工件201的刀具202的第二加工路径。

在本实施例中，旋转刀具中心点变换即将工件坐标系下刀具的编程坐标转变成机床坐标系下刀具的实际位移坐标，使得刀具的运动轨迹更加接近理想编程轨迹。具体的，根据工作坐标系中原点、X轴、Y轴、Z轴与机床坐标系下的原点、X轴、Y轴、Z轴在空间上的位置关系形成一映射关系，工件坐标系下的刀具的编程坐标根据映射关系即可得到机床坐标系下刀具的实际位移坐标。

S140、根据第二加工路径预测加工工件201的刀具202的加工速度，以及根据预测的加工速度对加工工件201的刀具202进行加工速度规划。

在本实施例中，可以将第二加工路径拆分为多个第二子加工路径，通过对前一段第二子加工路径的路径长度和加工时间计算出加工速度、加工加速度等，从而对下一第二子加工路径的加工速度、加工加速度等进行预测，并且可以根据预测的加工速度、加工加速度等是否满足预设的最大速度、最大加速度等条件对刀具202的加工速度进行规划。

S160、对第二加工路径进行第二插补以形成第三加工路径并输出。

在本实施例中，可以将第二加工路径拆分成多个第二子加工路径，根据第二子加工路径的直线合位移和旋转合位移计算出插补步数，再根据插补步数将第二子加工路径进行分段，以形成第二加工路径插补点，最后根据第二加工路径插补点形成第三加工路径。

本发明实施例在对加工程序进行编译后得到刀具的第一加工路径，并在无需进行第一插补时对第一加工路径进行旋转刀具中心点变换以得到第二加工路径，即将工件坐标系下刀具的的编程坐标转变成机床坐标系下刀具的实际位移坐标，再对第二加工路径进行后续的加工速度预测、加工速度规划以及第二插补等工序，通过对转换后的机床坐标系下刀具的实际位移坐标进行加工速度规划及插补等，相比目前通过对工件坐标系下刀具的编程坐标进行速度规划及插补后再转换成机床坐标系下的实际位移坐标以控制刀具加工，能够提高刀具的加工路径及加工速度的精度，从而减小刀具在加工过程中产生的非线性运动误差，保证加工过程中控制刀具的机床各轴的速度和加速度平滑，使得机床能以较高速度进行加工同时不易产生晃动，提升加工效率，并且在第二插补前进行旋转刀具中心点变换，能够减少旋转刀具中心点变换的次数，大幅降低计算量，从而降低系统负荷。

本实施例以刀具双摆动的五轴机床为例，建立刀具的运动模型。图2中，O_m为刀具202的旋转中心，O_t为刀具坐标系原点，O_w为工件坐标系原点。初始状态时，动轴B与Y轴平行，刀具轴线与Z轴平行，工件坐标系与机床坐标系方向一致，刀具坐标系原点与工件坐标系原点重合。设定回转轴交点O_m到刀具坐标系原点O_t的距离为D，在刀具坐标系中位置矢量为r_m(0,0,D)。在刀具坐标系中，刀位点(即刀具202的端点)的位置矢量和刀轴方向矢量分别为[0 0 0]^T和[0 0 1]^T，记刀具平动轴相对于初始状态的位置为r_s(X,Y,Z)，旋转轴A、B相对于初始状态的角度分别为θ_A和θ_B(本实施例中以逆时针为正)，由此，刀轴和刀位点矢量在工件坐标系的表达分别为u(i,j,k)和r_p(x,y,z)。刀具坐标系O_tX_tY_tZ_t相对于工件坐标系O_wX_wY_wZ_w的运动可由O_tX_tY_tZ_t相对于O_mX_mY_mZ_m的旋转和O_mX_mY_mZ_m相对于O_wX_wY_wZ_w的平移转换得到。

由上述坐标变换关系可得：

[xyz1]^T＝T(r_s+r_m)×R_x(θ_A)×R_y(θ_B)×T(-r_m)×[0001]^T (1)

其中，T和R分别表示刀具平移和旋转运动的齐次坐标变换矩阵，由式(1)可得：

由式(2)可得，随着刀具旋转轴A、B的运动，刀位点与刀具202的旋转中心(即编程点)呈非线性关系，因此刀具202的旋转中心与刀位点的速度和加速度均呈非线性关系。

一并参见图3，本实施例中，判断第一加工路径是否需要进行第一插补包括：

S121、根据第一加工路径设置直线步长L₀及旋转步长R₀；

S122、根据直线步长L₀及旋转步长R₀将第一加工路径进行分段，以得到多个第一子加工路径；

S123、分别计算多个第一子加工路径中每个第一子加工路径的直线合位移L及旋转合位移R；

S124、判断L和R是否满足第一条件或第二条件；

S125、若L和R满足第一条件或第二条件，则不需要进行第一插补，继续步骤S130；

S126、若L和R不满足第一条件和第二条件，则对多个第一子加工路径进行第一插补。

具体的，一并参见图4，在本实施例中，以第一子加工路径P_uP_v为例进行说明，其中，第一子加工路径P_uP_v两端点在工件坐标下的坐标分别为P_u(x₁，y₁，z₁，a₁，b₁)及P_v(x₂，y₂，z₂，a₂，b₂)。

在本实施例中，分别计算第一子加工路径P_uP_v的直线合位移L及旋转合位移R，其中，

在本实施例中，第一条件为：R为零；第二条件为：L小于L₀且R小于R₀。

在本实施例中，进行第一插补包括：

根据直线合位移L及旋转合位移R计算插补步数N：

根据插补步数N将第一子加工路径P_uP_v等分为N段，以形成第一插补点P_n，其中，

在本实施例中，例如N可以为4，则P_uP_v上形成三个第一插补点P₁、P₂和P₃，则：

其他第一子加工路径计算所得的N也可以为其他数量，例如P_vP_w1可等分为3段，P_w1P_w2也可以等分为5段。通过以上计算方式对所有第一子加工路径进行第一插补。

在本实施例中，得到第一加工路径插补点后，对第一加工路径插补点进行旋转刀具中心点变换，根据旋转刀具中心点变换后的第一加工路径插补点形成第二加工路径，以替换步骤S130。

一并参见图5，在本实施例中，进行加工速度规划包括：

S141、根据第二加工路径预测刀具的加工速度，以得到第二加工路径及第二加工路径中多个第二子加工路径的最大速度、多个第二子加工路径的始末点的最大速度；

S142、根据第二加工路径、多个第二子加工路径的最大速度以及多个第二子加工路径的始末点的最大速度进行速度规划。

经过测试，本实施例中刀具最大非线性运动误差位于0.01um至0.2um量级，满足五轴联动数控系统的加工精度需求，详细测试结果参见以下表1所示。

表1非线性运动误差

通过第一插补能够有效减少旋转轴运动的影响，进而减轻刀具中心点的速度波动，使得刀具中心点的运动速度更加平滑。

参见图6，本发明数控系统包括接收设备301、处理器302、插补设备303以及驱动器304，其中，接收设备301用于接收工件201的加工程序；处理器302与输入设备301连接，用于对加工程序进行编译，以获取加工工件201的刀具的第一加工路径，第一加工路径由坐标表示；判断第一加工路径是否需要进行第一插补；若不需要对第一加工路径进行第一插补，则对第一加工路径进行旋转刀具中心点变换，以得到加工工件201的刀具202的第二加工路径；根据第二加工路径预测加工工件201的刀具202的加工速度，以及根据预测的加工速度对加工工件201的刀具202进行加工速度规划；插补设备303与处理器302连接，用于对第二加工路径进行第二插补，以得到第二加工路径插补点，根据第二加工路径插补点以形成第三加工路径；驱动器304与插补设备303连接，用于接收第三加工路径并驱动机床运行。

其中，数控系统的控制方法参见上述五轴联动数控系统的控制方法实施例，在此不再赘述。

本发明实施例在对加工程序进行编译后得到刀具的第一加工路径，并在无需进行第一插补时对第一加工路径进行旋转刀具中心点变换以得到第二加工路径，即将工件坐标系下刀具的编程坐标转变成机床坐标系下刀具的实际位移坐标，再对第二加工路径进行后续的加工速度预测、加工速度规划以及第二插补等工序，通过对转换后的机床坐标系下刀具的实际位移坐标进行加工速度规划及插补等，相比目前通过对工件坐标系下刀具的编程坐标进行速度规划及插补后再转换成机床坐标系下的实际位移坐标以控制刀具加工，能够提高刀具的加工路径及加工速度的精度，从而减小刀具在加工过程中产生的非线性运动误差，保证加工过程中控制刀具的机床各轴的速度和加速度平滑，使得机床能以较高速度进行加工同时不易产生晃动，提升加工效率，并且在第二插补前进行旋转刀具中心点变换，能够减少旋转刀具中心点变换的次数，大幅降低计算量，从而降低系统负荷。

参见图7，本发明具有存储功能的装置40存储有程序数据410，程序数据401能够被执行以实现数控系统的控制方法，其中，数控系统的控制方法参见上述数控系统的控制方法实施例，在此不再赘述。

本发明实施例在对加工程序进行编译后得到刀具的第一加工路径，并在无需进行第一插补时对第一加工路径进行旋转刀具中心点变换以得到第二加工路径，即将工件坐标系下刀具的编程坐标转变成机床坐标系下刀具的实际位移坐标，再对第二加工路径进行后续的加工速度预测、加工速度规划以及第二插补等工序，通过对转换后的机床坐标系下刀具的实际位移坐标进行加工速度规划及插补等，相比目前通过对工件坐标系下刀具的编程坐标进行速度规划及插补后再转换成机床坐标系下的实际位移坐标以控制刀具加工，能够提高刀具的加工路径及加工速度的精度，从而减小刀具在加工过程中产生的非线性运动误差，保证加工过程中控制刀具的机床各轴的速度和加速度平滑，使得机床能以较高速度进行加工同时不易产生晃动，提升加工效率，并且在第二插补前进行旋转刀具中心点变换，能够减少旋转刀具中心点变换的次数，大幅降低计算量，从而降低系统负荷。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种数控系统的控制方法，其特征在于，包括：

接收工件的加工程序并对所述加工程序进行编译，以获取加工所述工件的刀具的第一加工路径；

判断所述第一加工路径是否需要进行第一插补；

若不需要对所述第一加工路径进行第一插补，则对所述第一加工路径进行旋转刀具中心点变换，以得到加工所述工件的所述刀具的第二加工路径；

根据所述第二加工路径预测加工所述工件的所述刀具的加工速度，以及根据预测的所述加工速度对加工所述工件的所述刀具进行加工速度规划；

对所述第二加工路径进行第二插补，以得到第二加工路径插补点，根据所述第二加工路径插补点形成第三加工路径并输出。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，判断所述第一加工路径是否需要进行第一插补包括：

根据所述第一加工路径设置直线步长L₀及旋转步长R₀；

根据所述直线步长L₀及所述旋转步长R₀将所述第一加工路径进行分段，以得到多个第一子加工路径；

分别计算所述多个第一子加工路径中每个所述第一子加工路径的直线合位移L及旋转合位移R；

判断L和R是否满足第一条件或第二条件；

若L和R满足所述第一条件或第二条件，则不需要进行第一插补；

若L和R不满足所述第一条件和所述第二条件，则对所述多个第一子加工路径进行第一插补；

其中，所述第一条件为：R为零；

所述第二条件为：L小于L₀且R小于R₀。

3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述对所述第一加工路径进行第一插补包括：

对所述多个第一子加工路径进行第一插补，以得到第一加工路径插补点；

对所述第一加工路径插补点进行旋转刀具中心点变换；

根据旋转刀具中心点变换后的所述第一加工路径插补点形成所述第二加工路径。

4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述对所述多个第一子加工路径进行第一插补包括：

根据所述直线合位移L及旋转合位移R计算插补步数N；

根据所述插补步数N将所述第一子加工路径等分为N段，以形成所述第一加工路径插补点。

5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，计算所述直线合位移L和旋转合位移R包括：

设定所述第一子加工路径P_uP_v两端点在工件坐标下的坐标分别为P_u(x₁，y₁，z₁，a₁，b₁)及P_v(x₂，y₂，z₂，a₂，b₂)，则

6.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述根据所述直线合位移L及旋转合位移R计算插补步数N包括：

7.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述形成所述第一加工路径插补点包括设定第一加工路径插补点为P_n，其中，

8.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述根据所述第二加工路径预测加工所述工件的所述刀具的加工速度，以及根据预测的所述加工速度对所述刀具进行加工速度规划包括：

根据所述第二加工路径预测刀具的加工速度，以得到第二加工路径及所述第二加工路径中多个第二子加工路径的最大速度、所述多个第二子加工路径的始末点的最大速度；

根据所述第二加工路径、所述多个第二子加工路径的最大速度以及所述多个第二子加工路径的始末点的最大速度进行速度规划。

9.一种数控系统，其特征在于，包括：

接收设备，用于接收工件的加工程序；

处理器，与所述接收设备连接，用于对所述加工程序进行编译，以获取加工所述工件的刀具的第一加工路径，所述第一加工路径由坐标表示；判断所述第一加工路径是否需要进行第一插补；若不需要对所述第一加工路径进行第一插补，则对所述第一加工路径进行旋转刀具中心点变换，以得到加工所述工件的所述刀具的第二加工路径；根据所述第二加工路径预测加工所述工件的所述刀具的加工速度，以及根据预测的所述加工速度对加工所述工件的所述刀具进行加工速度规划；

插补设备，与所述处理器连接，用于对所述第二加工路径进行第二插补，以得到第二加工路径插补点，根据所述第二加工路径插补点形成第三加工路径；

驱动器，与所述插补设备连接，用于接收所述第三加工路径并驱动机床运行。

10.一种具有存储功能的装置，其特征在于，存储有程序数据，所述程序数据能够被执行以实现如权利要求1至8任意一项所述的控制方法。

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