五坐标数控系统刀具长度补偿算法的研究与实现

论文摘要

五坐标数控技术是目前数控技术中难度最大,也是应用范围最广的技术。它集计算机控制、高性能伺服驱动和精密加工技术于一体,对于诸如螺旋桨、涡轮叶片、螺旋锥齿轮等质量要求很高的复杂曲面的高效、精密、自动化加工是不可或缺的技术。该技术代表着一个国家装备制造业发展的水平,近年来备受重视。刀具长度补偿功能是数控系统的一个重要功能,它可以简化数控编程,提高工作效率。对于二坐标、三坐标的数控系统而言,刀具长度补偿功能已经很完善,但是对于五坐标数控系统来说,由于旋转轴的旋转作用,对平动轴会产生一定的影响,在加工时产生非线性加工误差,使得刀具长度补偿功能的实现比较复杂。目前在国内的五坐标数控系统中还没有得到很好的实现,有必要对该课题进行研究。本论文首先对五轴联动加工中产生的非线性加工误差进行了理论分析,并用仿真试验验证了分析结果,然后利用理论分析的结果,设计了五坐标数控系统在加工程序解释器中基于机床坐标系实现刀具长度补偿的算法。同时在实际数控系统中对该算法进行了验证并给出了试验结果。接下来分析了基于机床坐标系实现刀具长度补偿功能的不足之处,提出了基于工件坐标系实现刀具长度补偿的方法,然后讨论了描述刀轴姿态的三种方式,给出了工件坐标系下用刀轴方向矢量描述方法实现刀具长度补偿功能的算法,接下来对基于机床坐标系和基于工件坐标系两种实现刀具长度补偿功能的方法进行了仿真试验对比,并且作出了分析,说明了基于工件坐标系下采用刀轴方向矢量的刀具位姿描述方式实现刀具长度补偿克服了基于机床坐标系下存在的不足。最后建立了五坐标数控机床不同结构类型的坐标转换(工件坐标系—机床坐标系)数学模型。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 引言
• 第一章 绪论
• 1.1 项目背景
• 1.1.1 数控系统介绍
• 1.1.2 五轴联动数控加工的特点和难点
• 1.1.3 五坐标数控系统的发展情况
• 1.2 刀具长度补偿介绍及研究现状
• 1.3 本文的工作内容和组织结构
• 第二章 刀具长度补偿介绍
• 2.1 数控系统相关概念
• 2.2 刀具长度补偿
• 2.3 数控系统中刀具长度补偿的实现方法
• 2.4 本章小结
• 第三章 非线性误差分析
• 3.1 五坐标数控机床的结构
• 3.2 非线性误差分析
• 3.3 仿真试验
• 3.3.1 仿真试验环境
• 3.3.2 两个向量之间的夹角公式
• 3.3.3 仿真试验说明及结果
• 3.4 本章小结
• 第四章 五坐标数控系统刀具长度补偿
• 4.1 刀具长度补偿算法思想
• 4.2 三维几何变换矩阵
• 4.2.1 平移变换矩阵
• 4.2.2 旋转变换矩阵
• 4.3 基于机床坐标系的刀具长度补偿算法
• 4.3.1 计算摆心点坐标
• 4.3.2 算法实现步骤
• 4.4 基于机床坐标系刀具长度补偿功能的实现
• 4.4.1 数控程序解释器简介
• 4.4.2 数控程序解释器用到的主要数据结构
• 4.4.3 函数设计
• 4.5 刀具长度补偿算法的测试
• 4.5.1 测试环境
• 4.5.2 试验说明及结果
• 4.6 本章小结
• 第五章 基于工件坐标系的刀具长度补偿研究
• 5.1 基于机床坐标系实现刀具长度补偿功能的不足
• 5.2 仿真试验
• 5.3 基于工件坐标系的刀具长度补偿
• 5.3.1 刀轴姿态描述方式介绍及比较
• 5.3.2 算法设计
• 5.3.3 仿真试验
• 5.4 仿真试验结果比较
• 5.5 数控系统中的坐标变换
• 5.5.1 前置处理与后置处理
• 5.5.2 坐标变换
• 5.5.3 双转台式五坐标数控机床坐标变换
• 5.5.4 双摆头式五坐标数控机床坐标变换
• 5.5.5 摆头转台式五坐标数控机床坐标变换
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 发表文章
• 致谢