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cyqdesign 2006-10-27 12:03

提高数控仿形精度的控制方法

仿形速度对于仿形加工的精度有主要影响,对于曲面过渡变化较大的型面,速度太快,仿形运动稳定性较差,仿形精度就会很低。而对于仿形运动来讲,未来路径上的模型表面是未知的,因此仿形加工也就不可能有前瞻(Look-ahead)的功能。如果仿形加工始终采用一种速度,要想得到理想的精度,就不得不降低仿形速度,这样就严重影响了加工效率。因此,在仿形过程中,针对不同的模型表面情况,采用特殊的控制方法,实时地调整仿形速度,进而得到较高的仿形加工稳定性和精度,就显得极有意义了。

1 仿形运动分析

对于仿形加工,仿形仪压偏量的大小影响加工的稳定性和精度。在仿形加工中总要设定一个预期的压偏量,仿形过程中实际压偏量越接近预期压偏量,仿形稳定性和精度就越高,反之,仿形稳定性和精度就越低。

图1和图2是仿形过程中模型型面、仿形速度及压偏量的关系曲线图,图1a,图2a为沿仿形方向截得的模型表面轮廓曲线图,两轮廓基本相同,图1b、图2b为与之对应的仿形仪压偏量变化图,但速度不同。仿形过程中预期压偏量为400μm。分析图1和图2的实验结果,可以得到如下结论:

·平面仿形精度高于曲面仿形,且仿形精度受仿形速度的影响较小;
·曲面过渡越平缓,实际的压偏量越接近预期压偏量,仿形精度也越高;曲面过渡越剧烈,实际压偏量偏离预期压偏量的值越大,精度就越低;
·曲面仿形速度对仿形精度的影响较大,在同样的曲面上,仿形速度越大,仿形精度越低;
·模型曲面上的形状急剧变化处,如棱角、直壁、边缘等处,仿形仪压偏量变化很大,严重时会造成不正常的离模现象。


图1 仿形压偏量曲线(v=1000mm/min) 图2 仿形压偏量曲线 (v=2000mm/min)

2 仿形控制的改进方法

仿形加工过程中,在模型曲面过渡平缓的位置时,可以采用较高的仿形速度,而当仿形头在接近模型曲面变化剧烈的位置时,通过特殊控制方法使之减速,这时仿形头的速度较低,惯性较小,这样就可以使超调和欠调减小到最低限度,进而提高仿形加工的稳定性和精度。同时也可提高仿形加工的效率。

1)软减速电位线法

在仿形过程中,在模型棱角部分、曲面急剧变化等特殊位置附近设置软减速电位线(图3)。当仿形头在软减速线控制范围中时,以较低的速度进行仿形加工,其余均采用较高的理想仿形速度。以XOZ平面扫描,Y方向周期进给仿形方式为例进行讨论。软减速电位线的节点用Point来表示:

struct Point{
float X;∥节点的X方向坐标
float Y;∥节点的Y方向坐标
}P[n]; ∥N个节点


图3 软减速电位线法

根据模型的特点,输入num≤n个节点坐标,就可以确定软减速电位线的位置。考虑到模型型面的复杂程度,可以最多设置m条软减速电位线。下面讨论中软减速电位线个数取为m,节点个数取为n。软减速电位线用Line表示:

struct Line{
struct P[n]∥软减速电位线的节点
float rg;∥软减速电位线的控制范围
}L[m]; ∥m条软减速电位线

2)自记录控制法

在仿形加工过程中,利用自记录控制法,记录第一次扫描路径中模型表面的形状急剧变化处,如直壁、边缘、折角等的位置。在以后的扫描路径中,遇到这些位置,仿形速度提前降低,进而避免仿形仪压偏量的大幅度波动,提高仿形加工稳定性和精度。该控制方法针对的模型有一定局限性,比较适合图3中的在某方向截面有类似性的模型,但其程序实现较为简单,并且实际中的模型也多为此种情况。

当然,也可以边仿形边记录模型表面的特殊位置,即把新的特殊位置按一定格式(该格式应与仿形方式相对应,以便于查找)插入到记录点的序列中去,并且始终检查本采样周期记录点处压偏量的变化情况,当其实时值与预定压偏量的差值小于某设定值时,便认为该记录点处的模型表面情况已平缓,进而把该记录点剔除。该过程要占用相当的CPU时间,由于该控制模块嵌在伺服控制模块中,为中断执行方式,所以会对控制过程产生一定影响,比如数据采集的速度。程序实现也较复杂。


图4 软减速电位线控制模块程序框图

在此,仍以XOZ平面扫描、Y方向周期进给仿形方式为例。记录采用偏差控制,仅记录第一次仿形路径上的特殊位置。在仿形过程中,当实际仿形压偏量Dact与预期压偏量Ddes的偏差|Dact-Ddes|≥Dlim(其中Dlim是预定的偏差量),则记录该位置点。为了避免记录点记录得过密,而占用过多内存,且在实际应用上不具意义,通过实验人为设定一个最大记录距离,当本采样点与前一记录点的距离小于该最大距离时,该点不作为被记录点。利用链表结构有利于节省内存,且便于记录和查找,可节省时间。记录点用以下Learn表示

struct Learn{
float X;∥记录点的位置
int Dir;∥减速的方向
struct learn*next;
};

该控制方法的程序实现见图5、图6。其中Fdir为仿形方向,Flg为减速标志,Xact为实时的仿形头位置。


图5 “自记录”记录模块程序框图


图6 “自记录”判断模块程序框图

3 实验

对这两种控制方法进行实验,仍采用图1、2中的模型截面进行仿形,理想仿形速度为2000mm/min,低速度为1000mm/min。在“软减速电位线法”中,两条软电位线对应于截面的节点分别在X,Y=10mm和X,Y=75mm处,控制范围为20mm,仿形过程中记录实时压偏量变化情况,得到图7的压偏量与位置关系图。通过分析可以得出,在0~10mm、30~75mm及最终路径上,虽采用较高速度,但由于模型型面变化较为平缓,压偏量波动较小。在10~30mm、75~95mm型面变化较为剧烈的特殊位置上,由于采用了低速度,压偏量波动情况明显好于图2中的情况。在“自记录控制法”中,预定的偏差量为50μm,记录压偏量波动情况,会得到同图7极为类似的图形,在此不再赘述。


图7 软减速电位线法压偏量曲线图

4 结束语

1)实验证明,利用“软减速电位线法”和“自记录控制法”可以较好地解决由于模型表面形状带来的仿形加工不稳定问题,提高了仿形加工精度,同时也提高了仿形加工的效率;

2)由于仿形速度对仿形精度有较大影响,如果要求较高的加工速度,可以利用数字化方法采集数据,处理后进行数字化加工,这样就可以避免仿形加工中高速度带来的问题,进而获得较高的加工精度;

3)同一曲面,同一仿形速度,不同的仿形方式,获得的加工精度存在较大差异,因此应当针对具体模型的表面形状,采用合适的仿形加工方式,以获得理想的加工精度。
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