五轴联动数控加工进给率规划方法

文 章 编 号 ：０ １—２ ６ ２ １ ） ７—０ ０ １０ ２ ５（ ０ １ ０ ０ １—０ ４
五 轴 联 动 数 控 加 工 进 给 率 规 划 方 法
郑 焱 ， 庆 贞， 宇 晗 毕 王
（ 上海 交通 大 学 机 械 与 动力工 程 学院 ， 上海 ２ ０ ４ ０ ０ ２０ ）
木
Ｍ ｅ ｈｏ ｆ Ｆｅ ｄ Ｒａ ｅ Ｐｌｎｎｉ ｇ ｉ ｖ － ｘｉ ａ ｈ ｎｉ ｇ ｔ ｄ ｏ ｅ ｔ ａ ｎ ｎ Ｆｉ ｅ ａ ｓ Ｍ ｃ ｉ ｎ
Ｚ ＮＧ Ｙ ｎ，ＢＩＱｉｇｚ ｅ ＨＥ ａ ｎ －ｈ ｎ，ＷＡＮＧ Ｙｕ ｈ ｎ —ａ
（ ｃ ｏ ｌ ｆＭｅ ｈ ｎｃ ｌＥ ｇｎ ｅｉｇ ｈ ｎ ｈ ｉＪａ ｏ ｇ Ｕ ｉｅｓ ｙ，Ｓ ａ ｇ ａ ０ ２ ０，Ｃ ｉａ Ｓ ｈ ｏ ｃ ａ ｉａ ｎ ｉｅ ｒ ，Ｓ ａ ｇ ａ ｉｏ Ｔ ｎ ｎｖ ｒｉ ｏ ｎ ｔ ｈｎｈｉ ０４ ２ ｈｎ ）
Ａｂｓｒ ｃ ：Ｔｈ ｓ ｐａ ｒ ｐｒ ｐｏｓ ｓ ａ ｆ ｅ ａ ｅ ｐｌｎ ｉ ｅ ｈ ｄ ｔ ｏｌｅ ｔ ｅ ｖｅｏｃ ｙ ｌｕ ｔ ｔｏ ｏ ｌｍ ｎ ｔａ ｔ ｉ ｐｅ ｏ ｅ ｅ ｄ ｒ ｔ ａ ｎｎｇ ｍ ｔ ｏ ｏ ｓ ｖ ｈ ｌ ｆ ｆ ｃｕａ ｉｎ ｐｒ ｂｅ ｉ ｂ ｈ ｍ ａ ｈｉ ｏ ｌｃ ｏｒ ｉ ａ ｅｓ ｔ ｍ ｎ ｈ ｏ ｋ ｅ ｅｃ ｒ ｉ ａ ｅ ｓ ｔｍ ． ｅｖｅｏｃｔ ｕ ｔ ａ ｉｎ ｏ ｈ ｏｔ ｃ ｎｅｔ ｏ ｏ ｄ ｎ ｔ ｙｓｅ ａ ｄ ｔ ｅ ｗ ｒ ｐｉｃ ｏｏ ｄ ｎ ｔ ｙｓｅ Ｔｈ ｌ ｉｙ ｆ ｃ ｕ ｔｏ ｆｔ ｅ ｌ ｔ ｏ ｉ ｉ ｔ ｏ ｌｔｐ ｐｏ ｎ ，ｗｈｉｈ ｏ ｃ ｒ ｉ ｃ ｃ ｕ ｓ ｉ ｓｍｕｌａ ｅ ｕｓ ｆ － ｘｓＮ Ｃ ｍ ａ ｈ ｎｎｇｉ ｏ ｓ ａ ｔｆ ｅ ａ ｅ ｉ ｓ ｄ ａ ｅ ｎ ｔ ｎ ｏ ｖｅ ａ ｉ ｉ ｃ ｉ ｉ ｆａ ｃ ｎ ｔ ｎ ｅ ｄ ｒｔ ｓ ｕ ｅ ，ｃ ｎ ｂ ｄ ｃ ｅ ｓ ｄ． ｅ ｋ ｎ ｍ ａ ｉ ｒ ｎ ｆ ｒ ａ ｉｎ ｂ ｔ ｅ ｎ ｔ ｅ ｍ ａ ｈｉｅ ｃ ｏ ｄｎ ｔ ｙｓ ｅ ａ ｄ ｔ ｅ ｗ ｏ ｋ ｃ ｏ ｒ ｅ ｒ ａ ｅ Ｔｈ ｉ ｅ ｔｃ ｔａ ｓ ｏ ｍ ｔｏ ｅ ｗ ｅ ｈ ｃ ｎ ｏ ｒ ｉａ ｅ ｓ ｔｍ ｎ ｈ ｒ ｐｉ ｅ ｃ ｏ － ｅ ｄｉａ ｅ ｓ ｔ ｍ ｓｆ ｓ ｅ ｉ ｄ． ｅ ｆｅ ａ ｅ ｉ ｖ ｒ ｌ ｃ ｆｔ Ｃ ｏｄ ｓｔ ｎ ｇ ｎ ｒ ｔ ｄ ｂ ｏ ｓｄ ｒｎ ｎ ｔ ｙｓ ｅ ｉ ｒ ｔｄ ｒｖｅ Ｔｈ ｅ ｄ ｒｔ ｎ ｅ ｅ ｙ ｂ ｏ ｋ ｏ ｉ ｈｅＮ ｃ ｅｉ ｈｅ ｅ ｅ ａｅ ｙ ｃ ｎ ｉ ｅｉ ｇ ｔ ｅ ｖ ｌｃｔ ｎ ｃ ｅｅａ ｉｎ ｃ ｎｓｒ ｉｔ ｎ ｔ ｅ ｔ ｏ ｃ ｏｒ ｉ ａ ｅ ｓ ｔｍ ｓ ｈ ｅｏ ｉ ａ ｄ ａ ｃ ｌｒ ｔｏ ｏ ｔ ａｎ ｓ ｉ ｈ ｗ ｏ ｄ ｎ ｔ ｙｓ ｅ ．Ｔｈ ｖ ｌ ｐｅ ｅ ｈ ｄ ｈａ ｅ ｙ ｅ ｄｅ ｅｏ ｄ ｍ ｔ ｏ ｓ ｂｅ ｎ ｉ ｔ ｇａ ｅ ｎ ｏ ａｐｏｓ － ｏｃ ｓ ｙｓｅ ．Ｓｍ ｕ ａｉ ｎ ｒ ｓ ｌｓ ｓ ｏ ｔ ａ ｈ ａ ｈｉｉ ｇ ｔｍｅ ｗ ｉｈ ｔ ｅ ｇ ｎｅａ ｅ ｎ ｅ ｒ ｔｄ ｉｔ ｔｐｒ ｅ ｓ ｓ ｔｍ ｉ ｌｔｏ ｅ ｕｔ ｈ ｗ ｈ ｔ ｔ ｅ ｍ ｃ ｎ ｎ ｉ ｔ ｈ ｅ ｒｔ ｄ ｆｅ ａｅｉ ３ ． ｅ ｄ ｒ ｔ ｓ ２ ９％ ｓ ｏｒｅ ｈａ ｈ ｔｏ ｈ ｏ ｔ ｎ ｅ ｄ ｒ ｔ ．ａ ｈｅ ｖ ｌ ｃｔ ｈｅ ｔ ｏｌｔｐ ｐｏ ｎ 。 ｈ ｔ ｒｔ ｎ ｔ ａ ｆｔ ｅ ｃ ｎｓ ａ ｔｆ ｅ ａ ｅ ｎｄ ｔ ｅｏ ｉｙ ｏｆｔ ｏ ｉ ｉ ｔｂｅ
到的 工件坐 标 系下 的 刀位 数 据文 件 转化 为 机 床 坐标
系下各 坐标 轴 的运动 。 以 转 台 曰 摆 头 的 机 床 结 构 为 例 描 述 机 床 的 运
动学 变化 ， 图 １ 示 ， ｌ ｚ为平 动轴 ， 如 所 ，， ， ‘ Ｂ为旋 ４和 转轴 ， 分别 绕 轴 和 ｙ轴旋 转 ， 五个 坐 标组 成 了 机 这 床 坐 标 系 ， Ｃ代 码 中的坐 标 值描 述 的就 是 这五 个 坐 Ｎ 标 的位置 。为 了推导 工 件 坐标 系和 机床 坐 标 系 的运
０
引 言
进 给 速度 分为 工件 坐 标 系 下 和机 床 坐 标 系 下 两
率 下加 工有 诸 多 问 题 ： 尖 点 实 际 速 度 和 加 速 度 变 刀
化 剧烈 ， 使加 工 过程 不 稳 定 ， 致 降低 加 工 质 量 和刀 具
寿命 。若 给进 给率 过 高可 能 超 出机 床 运 动 轴速 度 及 加速 度 限制 造 成 机 床 振 动 ， 给 定 进 给 率 过 低 则 大 若
机 床 结 构 及 工 作 空 间 ， 过 坐 标 变 换 将 前 置 处 理 得 经
去除 率 的分 析来 规 划 进 给率 ， 是现 在商 用 Ｃ Ｍ 软 也 Ａ
件 如 Ｖ ｒ ｕ 的 Ｏ ｔ ａｈ和 Ｍ ｓ ｒ Ａ 的 Ｈｉ ｅ ｅｉ ｔ ｃ ｐｉ ｔ ｐ ａｔ Ｃ Ｍ ｅ ｆ ｄ优 化 ｅ
五 轴 联 动 数 控 加 工 需 要 通 过 前 置 处 理 生 成 刀 位
数 据文 件 ， 参考 坐标 系是 工 件坐 标 系 ， 其 而不 考 虑 机 床 的具 体结 构及 Ｔ 作空 间 ， 过 （ Ｙ ） 述 刀尖 点 通 ， ， 描 位置 ， 通过 （ ，， ） ｉ ｋ 描述 刀轴 方 向 ， 后再 根据 具 体 的 ． 然
种 。＿ 件 坐标 系下 进 给 速 度是 指 加 工 中刀 位 点 （ Ｔ 刀 尖点 或刀 心点 ） 相对 于工件 的速 度 （ 以下 称 为 刀尖 点 速度 ） 机 床坐 标 系下 进 给速 度 是 指 Ｎ ； Ｃ代 码 给 出 的 各平 动 轴 的 合 成 速 度 即 Ｆ值 （ 下 称 为 机 床 进 给 以 率） 。在五 轴数 控加 工 中 ， 机床 各 轴 的运 动 速度 由机 床进 给率 控 制 ， 尖 点 的 速 度 是 平 动 轴 和 旋 转 轴 的 刀 速度 经过 坐标 变 换 后 的结 果 ， 由于 零 件 的 几 何 曲面
大 降低加 工 效 率 。 因此 ， 机 床 坐 标 系 和 工 件 坐 标 对
系 下 的 进 给 速 度 同 时 进 行 规 划 ， 可 以 满 足 机 床 运 既
动学 特性 ， 可 以使 刀尖 点 的 运 动趋 于平 滑 ， 又 而进 行 加速度 的约束 ， 床 的机 械 结 构 的负 荷 不会 过 载 ， 机 刀 具在加 工 中 对 于 工 件 的 冲击 也 将 减 小 ， 而 保 证 了 从 加工 质量 并提 高加 工效 率 。 进 给率 的选择 对 于加 工 效 率 和加 工 精度 有 很 大
摘 要 ： 对五 轴联 动数控加 工 中恒定机 床进 给 率 下加 ３ 刀 尖点速 度 波 动的 问题 ， 出了 同时考虑 机床 针 － ． 提
坐 标 系和 工件 坐 标 系 下 运 动 学性 能 约 束 的 进 给 率规 划 方 法 。 首 先 推 导 了机 床 坐标 系和 工件 坐 标 系之 间 的运动 学变换关 系， 然后 综 合 考 虑 了机 床 各 轴 运 动 速 度 和 加 速 度 约 束 条件 ， 以及 刀 尖 点 与 工件 相 对 运 动 速 度 与 加 速 度 约 束 条 件 ， 各 程 序 段 中 的机 床 进 给 速 度 进 行 规 划 。将 该 方 法 主 要 应 用 于后 置 处 理 ， 真 对 仿 结 果 表 明 ， 划 进 给 率后 ， 工 时 间 比恒 定进 给 速 度 下 缩 短 了 ３． ％ ， 工 速 度 更 为 平 滑 。 规 加 ２９ 加 关 键 词 ： 轴 加 工 ； 床 坐标 系 约 束 ； 件 坐 标 系 约 束 ； 给 率 规 划 五 机 工 进 中 图 分 类 号 ： Ｈ１ ； Ｇ ５ Ｔ ６ Ｔ ６ 文 献标 识码 ： Ａ
不同， 毛坯 各部 位 切 削余 量 也 不 同 ， 恒定 机 床 进 给 在
收 稿 日期 ：０ ０—１ ２ 修 回 日期 ：０ １ ３—２ ２１ ２— ７； ２ １ 一Ｏ １
｝基 金项 目 ： 家 “ ６ ” 点 项 目（ ０ ９ Ａ ４ １ ０ ） 国家 自然 科 学 基 金 项 目 （ ０ ７ １ １ ； 国 博 士 后 科 学 基 金 （ ０ ７ ６ ７ 国 ８３ 重 ２０Ａ ０Ｚ５ ｖ ； ５８５７ ）中 ０４ ０ ８ ）
第 ７期
的影 响 ， 因此 自适 应 进 给 率 规 划 吸 引 了 国 内外 很 多 学 者 的注 意力 。 自适 应 进 给 率规 划 的 目的是 在 机 床
参 数 和工艺 参 数 和 约 束 范 围 内尽 可 能 提 高进 给率 ，
以达 到高效 加工 的 目的 。大 多 的研 究 都是 基 于 材 料
进给 率 的方法 。但 是 这些 商 用 软件 的缺 憾 在 于没 有 考虑 到机 床 本 身 的 运 动 学 性 能 对 于进 给 率 的 约 束 ： 机床 运动 速度 不 能 超 过 某 一 特 定 值 ， 则 会 对 机 床 否 机械 结构 产生 损害 。同样 机 床 运 动速 度 的 突变 值 也 就是 加速 度 不 能 超 过 某 一 特 定 值 ， 则 会 造 成 机 床 否 运动 产生 抖动 ， 响机 床 加工 精 度 ， 影 同时 对 机床 机 械 和伺 服机 构产 生损 害 。 因此 规 划得 到 的 数 控程 序 可 能 因为机 床性 能无 法 达 到 而失 去 可用 性 。 盖荣 丽 等
第 ７期
组 合 机 床 与 自动 化 加 ＿ ＿ ［技 术
Ｍ ｏ ｌ ａ ｈｉ ｏ ｄｕ ａｒ Ｍ ｃ ｎｅ Ｔｏ ｌ＆ Ａｕｔ ｍ ａ ｉ ａ ｆ ｃ ｕｒｎｇ Ｔｅ ｈ ｑｕ ｏ ｔｃ Ｍ ｎｕ ａ ｔ ｉ ｃ ｎｉ ｅ
ＮＯ ７ ．
２１ ０ １年 ７月
Ｊ ｉ ２ １ ｕ． ０ １
作 者简 介 ： 焱 （ ９ ６ ） 男 ， 南 人 ， 海 交 通 大 学 硕 士 研 究 生 ， 究 方 向 为 五 轴 联 动 数 控 机 床 加 工工 艺 ， Ｅ—ｍ ｉ ｚｙｄｙ ｇ ｉ ｅｍ。 郑 １８ 一 ， 济 上 研 （ ａｌ ｈｓｓ＠ ｍａ ．ｏ ） ｌ
・
２・
组 合 机 床 与 自动 化 加 工 技 术 的最 大 速 度 和 加 速 度 。 １ ２ 五 轴 联 动 数 控 机 床 运 动 学 变 换 ．
ｃ ｍ ｅ ｍ ｏ ｔ ｅ ． ｏ ｓｓ ｏ ｈ ｒ
Ｋｅ ｙ ｗｏｒ ：５－ ｘｓＮ Ｃ ｍ ａ ｈｉｉ ｇ ｏ ｔ ａｎ ｆｍ ａ ｈｉｅ ｔ ｏ ｏ ｒ ｉ ａｅ ｓ ｅ ；ｃ ｎｓｒ ｉ ｔｏｆｗ ｏ ｋ ｃ ｄｓ ａ ｉ ｃ ｎ ｎ来自百度文库；ｃ ｎｓｒ ｉｔ ｏ ｃ ｎ ｏ ｌｃ ｏ ｄ ｎ ｔ ｙｓ ｍ ｔ ｏ ｔａｎ ｒ ｐｉ ｅ ｅ ｃ ｏ ｄｉａ ｅ ｓ ｔｍ ； ｅ ｄ ｒ ｔ ｎｎｎｇ ｏ ｒ ｎ ｔ ｙｓｅ ｆ ｅ ａ ｅ ｐｌ ｉ ａ