專(zhuān)利名稱(chēng)：橢圓曲線數(shù)控加工成型方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及數(shù)控加工、擺臂式機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)控制，具體是一種在通用數(shù)控設(shè)備上或擺臂式機(jī)械手運(yùn)動(dòng)軌跡中實(shí)現(xiàn)的橢圓曲線數(shù)控加工成型方法。
在機(jī)械制造業(yè)中，具有橢圓形外型輪廓的工件是二維工件加工中比較常見(jiàn)也是比較難以加工的，目前橢圓形工件的加工方法主要有根據(jù)橢圓的形成定理設(shè)計(jì)專(zhuān)用加工裝置進(jìn)行加工或在數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行數(shù)控加工。由于一般數(shù)控機(jī)床的編程代碼只具有直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)功能，且系統(tǒng)不對(duì)用戶開(kāi)放，因此對(duì)于橢圓這類(lèi)非圓形曲線的數(shù)控加工大多采用小段直線或小段圓弧去逼近輪廓曲線，控制最大偏離度在公差允許范圍內(nèi)，然后計(jì)算出每段直線或圓弧的起點(diǎn)坐標(biāo)、終點(diǎn)坐標(biāo)及圓弧半徑，再編制數(shù)控加工程序進(jìn)行加工。由于必須按照允許的精度要求計(jì)算各小段直線或圓弧的起點(diǎn)和終點(diǎn)，當(dāng)工件輪廓較長(zhǎng)而精度要求很高時(shí)，逼近段直線或圓弧必須分得很細(xì)，因而計(jì)算量大，給編程帶來(lái)很大的不便，同時(shí)這種按逼近曲線或近似畫(huà)法進(jìn)行編程的方法從原理上就已存在誤差，因而無(wú)法加工出高精度的橢圓形工件。
為了克服上述不足，本發(fā)明的目的是提供一種計(jì)算量少、精度高、編程簡(jiǎn)單、能在通用型數(shù)控設(shè)備上實(shí)現(xiàn)的橢圓曲線數(shù)控加工成型方法。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是以裝有加工工件的機(jī)械傳動(dòng)鏈的物理軸為真實(shí)軸，以存在于控制系統(tǒng)中的機(jī)床參數(shù)為虛擬軸，設(shè)圓A、B于以加工工件中心為圓心的真實(shí)軸和虛擬軸上，通過(guò)圓A在真實(shí)軸X方向均勻縮小某一倍數(shù)或通過(guò)圓B在真實(shí)軸Y方向均勻擴(kuò)大某一倍數(shù)形成橢圓曲線；所述圓A在真實(shí)軸X方向均勻縮小某一倍數(shù)或圓B在真實(shí)軸Y方向均勻擴(kuò)大某—倍數(shù)是基于虛擬軸與實(shí)際存在于數(shù)控裝置上的物理軸之間的比例變換關(guān)系SrealSvirtual=ba]]>或SrealSvirtual=ab]]>其中b＞a＞0具體為在具有半閉環(huán)位置伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行橢圓曲線的數(shù)控加工時(shí)，利用半閉環(huán)位置伺服系統(tǒng)將機(jī)床本身的機(jī)械傳動(dòng)鏈排除在位置閉環(huán)之外，伺服系統(tǒng)的電氣控制部分和執(zhí)行機(jī)械相對(duì)獨(dú)立這一特點(diǎn)，首先以機(jī)床參數(shù)形式構(gòu)造一存在于控制系統(tǒng)參數(shù)中的虛擬軸；然后通過(guò)虛擬軸與實(shí)際存在于數(shù)控裝置上的物理軸之間的比例變換關(guān)系，編寫(xiě)圓形曲線的數(shù)控加工代碼，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)軸上的圓A在真實(shí)軸X方向均勻縮小某—倍數(shù)或圓B在真實(shí)軸Y方向均勻擴(kuò)大某—倍數(shù)，從而精確形成橢圓曲線。
所述圓形曲線可以為以橢圓長(zhǎng)軸為直徑的圓，也可以為以橢圓短軸為直徑的圓；所述虛擬軸以機(jī)床參數(shù)形式存在于數(shù)控系統(tǒng)中，與其對(duì)應(yīng)的真實(shí)軸存在與機(jī)床本身的機(jī)械傳動(dòng)鏈中。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)1．本發(fā)明從原理上避免了各種逼近方法編程所造成的加工誤差，具有計(jì)算量小，編程簡(jiǎn)單，精度高等特點(diǎn)；2．應(yīng)用范圍廣。本發(fā)明除適用于半閉環(huán)位置伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的數(shù)控機(jī)床，也適用于以步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行部件的開(kāi)環(huán)位置伺服系統(tǒng)型數(shù)控系統(tǒng)；除數(shù)控加工外，還可以應(yīng)用于擺臂式機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)控制中，實(shí)現(xiàn)平直的水平運(yùn)動(dòng)。


圖1為本發(fā)明原理圖。
圖2為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例原理圖。
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
如圖1所示，其中圓A1為Y向進(jìn)給軸與構(gòu)造的X向虛擬軸的圓形插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)軌跡，其直徑為橢圓曲線2的長(zhǎng)軸，橢圓曲線2為待形成的橢圓形加工曲線，圓B3為X向進(jìn)給軸(即進(jìn)給軸)與構(gòu)造的Y向虛擬軸的圓形插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)軌跡，其直徑為橢圓曲線2的短軸，X向進(jìn)給軸由伺服電機(jī)A4驅(qū)動(dòng)，Y向進(jìn)給軸由伺服電機(jī)B6驅(qū)動(dòng)，設(shè)5為機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)，7為Y向進(jìn)給軸絲杠，8為X向進(jìn)給軸絲杠，9為工件坐標(biāo)系XOY。
待加工工件的外形輪廓曲線如圖1中橢圓曲線2所示，方程表示如下x2a2+y2b2=1]]>(b＞a＞0) (1)令x′=bax,]]>y＇=y則(1)式變?yōu)閤＇2+y′2=b2(2)令x＂=x，y″″=aby]]>則(1)式變?yōu)閤″2+y″2=a2(3)式(1)到式(2)的變換表明圓A1在x軸方向上均勻壓縮b/倍成為橢圓曲線2；式(1)到式(3)的變換表明圓B3在y軸方向上均勻擴(kuò)大b/a倍成為橢圓曲線2。
半閉環(huán)位置伺服系統(tǒng)將機(jī)床本身的機(jī)械傳動(dòng)鏈排除在位置閉環(huán)之外，伺服系統(tǒng)的電氣控制部分和執(zhí)行機(jī)械是相對(duì)獨(dú)立的。機(jī)床機(jī)械傳動(dòng)鏈節(jié)的有關(guān)參數(shù)(如速比、絲杠導(dǎo)程、極限行程及脈沖當(dāng)量等)均以機(jī)床參數(shù)的形式存儲(chǔ)在數(shù)控系統(tǒng)的存儲(chǔ)器中，對(duì)控制系統(tǒng)而言，改變某一進(jìn)給軸機(jī)床參數(shù)的數(shù)值相當(dāng)于改變了機(jī)床機(jī)械傳動(dòng)鏈節(jié)相應(yīng)部分的結(jié)構(gòu)，由于伺服電機(jī)實(shí)際驅(qū)動(dòng)的進(jìn)給軸結(jié)構(gòu)并未改變，即與改動(dòng)后的機(jī)床參數(shù)所對(duì)應(yīng)的進(jìn)給軸實(shí)際上并不存在，故稱(chēng)其為虛擬軸。如果在數(shù)控程序中對(duì)虛擬軸編程，則程序執(zhí)行后伺服電機(jī)所驅(qū)動(dòng)的真實(shí)進(jìn)給軸的實(shí)際進(jìn)給量并非為實(shí)際編程值，兩者之間存在一比例關(guān)系。
若Sreal為機(jī)床實(shí)際連接絲杠導(dǎo)程，Svirtual為虛擬軸絲杠導(dǎo)程，為進(jìn)行橢圓曲線加工可取其比例關(guān)系為SrealSvirtual=ba]]>或SrealSvirtual=ab]]>(b＞a＞0)并修改相關(guān)機(jī)床參數(shù)，則在數(shù)控指令執(zhí)行過(guò)程中執(zhí)行機(jī)構(gòu)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)在某一坐標(biāo)軸方向的放大或壓縮，完成從圓到橢圓的變換，實(shí)現(xiàn)橢圓形曲線的數(shù)控加工。
本發(fā)明加工方法通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)，編程內(nèi)容包括以下2部分1．修改某一進(jìn)給軸的部分機(jī)床參數(shù)，構(gòu)造一個(gè)與其對(duì)應(yīng)的虛擬軸；2．編寫(xiě)圓形曲線數(shù)控加工代碼。
實(shí)施例1橢圓形二維輪廓工件的數(shù)控加工需加工的橢圓如圖1中橢圓曲線2所示，長(zhǎng)、短軸分別為150mm和75mm，構(gòu)造X向虛擬軸，Y向真實(shí)軸與X向虛擬軸之間按圓A1進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，取則刀具處形成的加工曲線即為橢圓曲線2。數(shù)控程序如下SrealSvirtual=ba=15075=2]]>1．修改機(jī)床參數(shù)，構(gòu)造X向虛擬軸，將X軸的以下6組共10個(gè)機(jī)床數(shù)據(jù)擴(kuò)大2倍(1)MD11,MD12 脈沖當(dāng)量(2)MD27,MD28 加速度、減速度(3)MD31 進(jìn)給軸最高速度(4)MD20,MD21 負(fù)、正向軟極限(5)MD6,MD36 回參考點(diǎn)終、初速度(6)MD3 參考點(diǎn)坐標(biāo)
2．編寫(xiě)數(shù)控加工代碼N1 G00 X150000 Y0 M1=6(快速進(jìn)給至加工起點(diǎn))N5 G02 G171150000 F6000 (以工進(jìn)速度進(jìn)行半徑為150mm的全圓加工N10 G00 X200000 Y200000 (加工結(jié)束，返回)N15 M1=30 (程序結(jié)束)實(shí)施例2擺臂式機(jī)械手的水平運(yùn)動(dòng)軌跡控制如圖2所示，為本發(fā)明應(yīng)用在一種2自由度擺臂式機(jī)械手的實(shí)例。其中儲(chǔ)氣罐10位于機(jī)械手的安裝支架11上，機(jī)械手具有垂直軸12和水平軸15，支架11上裝有擺臂14，端拾器13位于擺臂14末端，16為橢圓形運(yùn)動(dòng)軌跡，17為水平直線運(yùn)動(dòng)軌跡。
該機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)決定了當(dāng)水平軸15單獨(dú)驅(qū)動(dòng)時(shí)，與擺臂14連接的端拾器13上任一點(diǎn)C的空間軌跡為一橢圓形運(yùn)動(dòng)軌跡16。為保持C點(diǎn)沿水平直線運(yùn)動(dòng)軌跡17運(yùn)動(dòng)，必須對(duì)水平軸15和垂直軸12進(jìn)行與橢圓形運(yùn)動(dòng)軌跡16垂直對(duì)稱(chēng)的橢圓曲線插補(bǔ)，補(bǔ)償因水平軸15運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的C點(diǎn)在垂直方向上的位移量。
采用本發(fā)明所述的橢圓曲線的形成方法，以機(jī)床參數(shù)形式構(gòu)造一水平虛擬軸，垂直軸12與X向虛擬軸之間按圓形曲線進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，則端拾器13上任一點(diǎn)C的合成空間軌跡即為水平直線運(yùn)動(dòng)軌跡17。程序結(jié)構(gòu)形式與實(shí)施例1相同。
權(quán)利要求
1．一種橢圓曲線數(shù)控加工成型方法，其特征在于以裝有加工零件的機(jī)械傳動(dòng)鏈的物理軸為真實(shí)軸，以存在于控制系統(tǒng)中的機(jī)床參數(shù)為虛擬軸，設(shè)圓A、B(1、3)于以加工工件中心為圓心的真實(shí)軸和虛擬軸上，通過(guò)圓A(1)在真實(shí)軸x方向均勻縮小某一倍數(shù)或通過(guò)圓B(3)在真實(shí)軸Y方向均勻擴(kuò)大某一倍數(shù)形成橢圓曲線(2)。
2．按權(quán)利要求1所述的橢圓曲線數(shù)控加工成型方法，其特征在于所述圓A(1)在真實(shí)軸X方向均勻縮小某一倍數(shù)或圓B(3)在真實(shí)軸Y方向均勻擴(kuò)大某一倍數(shù)是基于虛擬軸與實(shí)際存在于數(shù)控裝置上的物理軸之間的比例變換關(guān)系SrealSvirtual=ba]]>或SrealSvirtual=ab]]>其中b＞a＞0
全文摘要
本發(fā)明涉及一種橢圓曲線的數(shù)控加工成型方法，以裝有加工零件的機(jī)械傳動(dòng)鏈的物理軸為真實(shí)軸，以存在于控制系統(tǒng)中的機(jī)床參數(shù)為虛擬軸，設(shè)圓A、B于以加工工件中心為圓心的真實(shí)軸和虛擬軸上，通過(guò)圓A在真實(shí)軸X方向均勻縮小某一倍數(shù)或通過(guò)圓B在真實(shí)軸Y方向均勻擴(kuò)大某一倍數(shù)形成橢圓曲線；其虛擬軸與實(shí)際存在于數(shù)控裝置上的物理軸之間的比例變換關(guān)系如式I、Ⅱ其中b＞a＞0。本發(fā)明具有計(jì)算量少、編程簡(jiǎn)單、精度高等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)B23Q15/013GK1317392SQ0011031
公開(kāi)日2001年10月17日 申請(qǐng)日期2000年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2000年4月12日
發(fā)明者邱繼紅 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所