五轴数控插补技术与后置处理研究.doc

五轴数控系统的插补技术及其仿真 1.1 五轴数控技术发展现状 目前，以德国的SIEMENS和日本的FANUC为代表，世界数控技术发达的国家的数控技术己经实现了五轴甚至五轴以上的多轴联动，向高精度、高速度、柔性化方向发展，能够实现对复杂型面的高速、高精度加工。我国的数控技术和发达国家相比，差距比较大，我国生产的数控机床仍旧以经济型数控机床为主。现在日、德、美、法的数控系统已占领我国的绝大部分市场，尤其是高性能数控系统更是我国的薄弱环节。在少量的国产数控系统的市场份额中，国产高档数控系统销售量仅占2 %以下，可实现2至4轴联动的中档普及型系统，其销售量约占30%一33%。以单板机或单片机作为控制系统的经济型数控系统，其市场销售台数占65%一68%。对于五轴联动这样的高档数控系统，目前我国基本上从国外进口。国内只有少数单位开发出了五轴联动数控机床，如北京市机电研究院、北京第一机床厂、桂林机床股份有限公司和济南二机床集团有限公司等。不过这些数控机床所采用的数控系统大都是进口的。由此可知，我国迫切需要有自主创新的新一代高性能数控系统。要开发高性能的数控系统，好的插补算法是必不可少的，需要我们付诸努力去研究开发新型的高效插补算法。 1.2 五轴数控插补技术的研究现状 插补就是按给定曲线生成相应逼近轨迹的方法其实质是对给定曲线进行数据点的密化。以往插补的功能一般都是由硬件电路来实现的，硬件插补的速度很快，但是灵活性差；现在插补功能多采用软件的方法来实现对插补算法的，一般要求包括插补所需的原始数据较少、算法简单、运算速度快、插补精度高、没有累积误差、能控制进给速度数控加工零件的刀具路径，一般由直线、圆弧、椭圆等简单曲线，或B样条、NURBS 等复杂曲线组成，对于由简单曲线组成的刀具路径，可以由相应的简单插补算法进行插补，如对于直线路径有直线插补算法对于圆弧路径则有圆弧插补算法，而对于由复杂曲线组成的刀具路径目前一般有两种做法：第一种做法，是预先将这些复杂曲线按照给定的精度要求分解成大量的直线或圆弧段，再由数控系统对这些直线或圆弧段进行插补运算；另外一种做法，是直接将这些复杂曲线的参数传递到数控系统中，由数控系统对这些复杂曲线进行实时插补运算。 NURBS (非均匀有理B样条)不仅能精确统一表示标准解析曲线和自由曲线,而且它的形状控制功能也特别强大灵活。鉴于此原因,国际标准化组织( ISO)在其产品数据模型数据交换的国际标准STEP ( Stand for the Exchange of Prod2uctmodel data)中把NURBS作为几何描述的主要方法,将其确定为自由型零件、产品几何表达的唯一形式。相对传统的直线圆弧插补, NURBS直接插补技术具有程序代码少、无需向NC进行高速的程序传输、缩短加工时间、提高加工质量等优点。目前, NURBS在CAD /CAM领域有着较为成功的应用,而在CNC领域目前只有FUNUC、SIEMENS、三菱等少数高档数控系统支持NURBS插补。因此CNC领域对NURBS曲线直接插补的研究具有重要意义, 开发出新的具备NURBS插补的数控系统也是CAD /CAM /CNC一体化中的一项关键技术。 1．3 本课题研究的意义 曲面加工历来是数控加工技术的主要研究和应用对象，而传统的插补算法对此有时显得无能为力，特别是针对复杂的、需要进行高精度和高速度加工的自由曲线曲面的时候。而基于NURBS曲线曲面的直接插补算法无疑是解决这一问题的有效途径。目前国内研究的基于NURBS曲线的插补算法多是三轴插补算法，而基于NuRBS曲面的五轴联动插补算法却非常罕见。而当前在数控加工领域，FANUC、SIEMENS等高档数控系统己能直接进行NURBS插补，UG等高档CAD/CAM软件也能输出NURBS插补代码，NURBS插补方法将逐渐在CNC中占重要地位。由前述可知，CNC系统正朝开放化发展，如果能够趁此机会开发出快速高效的五轴联动曲面实时插补算法，然后将该算法和PC机或者其它高性能微处理器相结合，开发新型的五轴联动曲面数控加工系统，意义非常重大。我们的课题正是在这种背景下进行的，该课题的研究将有助于绕开国外的技术封锁，自主开发新型高效的基于曲面实时插补技术的五轴联动数控系统。 1.4 五轴数控系统的插补技术 1. 传统的 CNC 机床的加工方法 [数控系统中的NURBS曲线插补技术] 如图1-4所示,首先, 用CAD系统软件设计加工零件的几何模型, 然后由CAM系统将刀具接触轨迹转化为刀具位置轨迹,最后分解为一系列直线段或圆弧段(也称为NC代码),可以在指定的精度内逼近给定的曲线。但这种方法存在以下缺点: CAD模型 曲线描述 刀具补偿路径规 划 刀位轨迹 零件程序 直线圆弧实时插 补 控制环路 机 床 直线段圆弧段 G