專(zhuān)利名稱(chēng)：可實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床曲面加工的三坐標(biāo)圓弧插補(bǔ)方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種可實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床曲面加工的三坐標(biāo)圓弧插補(bǔ)方法及裝置。
背景技術(shù)：
數(shù)控機(jī)床是先進(jìn)的自動(dòng)化機(jī)械加工設(shè)備，在機(jī)械工業(yè)中有著廣泛和重要的應(yīng)用。 與普通機(jī)床相比，數(shù)控機(jī)床具備插補(bǔ)功能，能夠控制機(jī)床工作臺(tái)或者刀具按照數(shù)控加工程序編制的軌跡運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種零件的自動(dòng)加工。插補(bǔ)方法直接影響數(shù)控機(jī)床的工作性能、 加工精度、效率和零件的加工質(zhì)量?，F(xiàn)有的機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)具有直線和圓弧插補(bǔ)功能，通過(guò)直線或圓弧插補(bǔ)的組合，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜零件表面輪廓或曲線的加工。但是，現(xiàn)有圓弧插補(bǔ)方法只能進(jìn)行二維或者說(shuō)兩坐標(biāo)平面圓弧插補(bǔ)，不具備三坐標(biāo)空間圓弧插補(bǔ)功能，原因是三坐標(biāo)圓弧插補(bǔ)復(fù)雜，目前的數(shù)控系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)。如著名的德國(guó)SIEMENS A2100系統(tǒng)、日本FANUC 18i、21i系統(tǒng)、德國(guó)Heidenhain TNC 410M、426M系統(tǒng)及其他機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品，具有兩坐標(biāo)、三坐標(biāo)直線插補(bǔ)和兩坐標(biāo)平面圓弧插補(bǔ)，但是不具備三坐標(biāo)空間圓弧插補(bǔ)的功能，影響了數(shù)控機(jī)床功能和效率的充分發(fā)揮，主要表現(xiàn)為在加工復(fù)雜零件的三維空間曲線或曲面時(shí)，數(shù)控機(jī)床只能用直線插補(bǔ)或者平面圓弧插補(bǔ)逼近，從而造成數(shù)控加工程序的極大增加， 大量的程序段的多次調(diào)用、傳輸和加載，使數(shù)控加工過(guò)程的可靠性降低。在進(jìn)行五坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工時(shí)，由于數(shù)控系統(tǒng)只具備直線和平面圓弧插補(bǔ)功能，增加了計(jì)算刀具空間姿態(tài)與加工軌跡的復(fù)雜性，影響零件的加工精度和效率。對(duì)此，有人提出了一種多軸數(shù)控系統(tǒng)及聯(lián)動(dòng)控制方法，該方法提出將待加工曲面分解成小段曲面、每一小段曲面再分解為各運(yùn)動(dòng)軸的單元位移段、計(jì)算各運(yùn)動(dòng)軸在每一位移段相對(duì)于一個(gè)虛擬基準(zhǔn)軸的位移量進(jìn)行線性插補(bǔ)運(yùn)算，由計(jì)算機(jī)根據(jù)運(yùn)算結(jié)果對(duì)運(yùn)動(dòng)軸進(jìn)行操作控制。該方法解決了單片機(jī)控制單元的多軸聯(lián)動(dòng)控制難題，但此法數(shù)控插補(bǔ)程序較為復(fù)雜，在實(shí)際應(yīng)用中制約了數(shù)控機(jī)床加工速度的提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的問(wèn)題是克服現(xiàn)有機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)插補(bǔ)方法的不足，提供一種可實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床曲面加工的三坐標(biāo)圓弧插補(bǔ)方法及裝置。本發(fā)明所要解決的另一問(wèn)題是提供采用這一方法的裝置。本發(fā)明的問(wèn)題是以下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的一種可實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床曲面加工的三坐標(biāo)圓弧插補(bǔ)方法，其步驟如下a.將待加工空間曲線分解成小段圓??；b.將空間圓弧曲線看成球面和過(guò)球面圓心平面丌交線的一部分；在平面η上建立新坐標(biāo)系0-uvw，新坐標(biāo)系的原點(diǎn)與原坐標(biāo)系。一科ζ的原點(diǎn)重合，新坐標(biāo)系的ο κον坐標(biāo)軸在平面丌上，OW坐標(biāo)軸取平面η的法線方向；c.將在原坐標(biāo)系0-uvw的空間圓弧曲線轉(zhuǎn)換成新坐標(biāo)系0-uvw的平面圓弧曲線；d.利用一個(gè)相交多邊形逼近圓弧，采用周期插補(bǔ)遞推計(jì)算方式，對(duì)該平面圓弧曲線進(jìn)行圓弧插補(bǔ)；e.將計(jì)算得到的插補(bǔ)坐標(biāo)值再變換到原空間坐標(biāo)系，求得三坐標(biāo)空間圓弧周期遞推插補(bǔ)的插補(bǔ)點(diǎn)坐標(biāo)值；f.用本次插補(bǔ)點(diǎn)坐標(biāo)值分別減去上次插補(bǔ)點(diǎn)的坐標(biāo)值， 求得本次圓弧插補(bǔ)的各坐標(biāo)增量，所述坐標(biāo)增量即為三坐標(biāo)空間圓弧曲線的周期粗插補(bǔ)計(jì)算控制數(shù)據(jù)。上述用于數(shù)控機(jī)床的三坐標(biāo)圓弧插補(bǔ)方法，在所述周期粗插補(bǔ)計(jì)算步驟之后增設(shè)精插補(bǔ)控制步驟，將三坐標(biāo)周期粗插補(bǔ)計(jì)算控制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)精插補(bǔ)信號(hào)，控制數(shù)控機(jī)床χ、y> ζ坐標(biāo)移動(dòng)。上述用于數(shù)控機(jī)床的三坐標(biāo)圓弧插補(bǔ)方法，所述控制信號(hào)為電平控制信號(hào)或脈沖控制信號(hào)。上述用于數(shù)控機(jī)床的三坐標(biāo)圓弧插補(bǔ)方法，所述多邊形逼近圓弧可以是相交多邊形，也可以是內(nèi)接多邊形。本發(fā)明另一需要解決的問(wèn)題是由以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的
一種可實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床曲面加工的三坐標(biāo)圓弧插補(bǔ)裝置，其構(gòu)成為，它由單片機(jī)、 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、程序存儲(chǔ)器、可編程并行接口電路、D / A轉(zhuǎn)換器組成，所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、程序存儲(chǔ)器與單片機(jī)的相應(yīng)端口相接，插補(bǔ)計(jì)算程序和精插補(bǔ)輸出控制程序存儲(chǔ)在程序存儲(chǔ)器中，單片機(jī)的數(shù)據(jù)輸出端與可編程并行接口電路相接，后者的三個(gè)并行接口分別經(jīng)D / A轉(zhuǎn)換器接至數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng).
上述可實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床曲面加工的三坐標(biāo)圓弧插補(bǔ)裝置，在D / A轉(zhuǎn)換器和數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)之間增設(shè)信號(hào)放大器K。上述可實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床曲面加工的三坐標(biāo)圓弧插補(bǔ)裝置，所述可編程并行接口電路、D / A轉(zhuǎn)換器可采用可編程定時(shí)器代替，所述單片機(jī)的數(shù)據(jù)輸出端與定時(shí)器的相應(yīng)接口相接，后者的三0脈沖輸出接口分別接至數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有的優(yōu)點(diǎn)為1.采用二維平面的插補(bǔ)計(jì)算方法實(shí)現(xiàn)了三維插補(bǔ)；2.采用相交多邊形圓弧插補(bǔ)逼近法，使加工速度得以提高；3.不用層層切面進(jìn)行圓弧插補(bǔ)，可直接圓弧加工，軟件計(jì)算一段，硬件加工一段，周期插補(bǔ)，時(shí)間分割，數(shù)控程序簡(jiǎn)化，加工精度高；4.可根據(jù)需要輸出電平或脈)中兩種信號(hào)，二維、三維插補(bǔ)均可。本發(fā)明可用于現(xiàn)有機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)或者配置相應(yīng)外圍設(shè)備構(gòu)成機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)使用。


圖1是三坐標(biāo)空間圓弧曲線坐標(biāo)變換示意圖； 圖2是相交多邊形圓弧插補(bǔ)示意圖3是內(nèi)接多邊形示意圖(圖中e為多邊形對(duì)圓弧的允許逼近誤差)； 圖4是本發(fā)明裝置的電原理圖； 圖5是本發(fā)明裝置的插補(bǔ)程序框圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明中的可實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床曲面加工的三坐標(biāo)圓弧插補(bǔ)方法具體計(jì)算方法為，設(shè)經(jīng)過(guò)某段曲線球面的圓心在坐標(biāo)原點(diǎn)0，圓弧曲線可以看成球面和過(guò)球面圓心平面η的交線的一部分。在坐標(biāo)系0-uvw中，空間圓弧曲線的起點(diǎn)為p0(x0，y0, zO)，終點(diǎn)為pn(觀， yn, zn)。為了實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)變換，在平面η上建立新坐標(biāo)系0-uvw，新坐標(biāo)系的原點(diǎn)與原坐標(biāo)系0-xyz的原點(diǎn)重合，新坐標(biāo)系的0u、0v坐標(biāo)軸在平面π上，Ow坐標(biāo)軸取平面丌的法線方向。這樣，在坐標(biāo)系Ο-xyz中的空間圓弧曲線在新坐標(biāo)系0-uvw中變換成為平面π上的一條平面圓弧曲線，其起點(diǎn)和終點(diǎn)的坐標(biāo)分別為P0(u0，v0)和pn(im，vn)。根據(jù)空間直角坐標(biāo)變換原理，具有相同原點(diǎn)的兩坐標(biāo)系之間的位置關(guān)系完全由他們的坐標(biāo)軸之間的夾角，也就是坐標(biāo)向量之間的夾角來(lái)決定。設(shè)Ox軸與OU、0v、OW軸的夾角分別為α 、α 2和α 3， 0又、02軸與011、(^、0 軸的夾角分別為β 1、β 2、β 3 和Yl、Υ2、Y 3，則能得到如下坐標(biāo)變換公式
權(quán)利要求
1.一種可實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床曲面加工的三坐標(biāo)圓弧插補(bǔ)方法，其特征在于，它采用如下步驟進(jìn)行a.將待加工空間曲線分解成小段圓??；b.將空間圓弧曲線看成球面和過(guò)球面圓心平面丌交線的一部分，在平面η上建立新坐標(biāo)系0-uvw，新坐標(biāo)系的原點(diǎn)與原坐標(biāo)系Ο-xyz的原點(diǎn)重合，新坐標(biāo)系的0u、0v坐標(biāo)軸在平面丌上，Ow坐標(biāo)軸取平面π的法線方向；c.將原坐標(biāo)系Ο-xyz的空間圓弧曲線轉(zhuǎn)換成新坐標(biāo)系O-Iivw的平面圓弧曲線；d.利用一個(gè)相交多邊形逼近圓弧，采用周期插補(bǔ)遞推計(jì)算方式，對(duì)該平面圓弧曲線進(jìn)行圓弧插補(bǔ)；e.將計(jì)算得到的插補(bǔ)坐標(biāo)值再變換到原空間坐標(biāo)系，求得三坐標(biāo)空間圓弧周期遞推插補(bǔ)的插補(bǔ)點(diǎn)坐標(biāo)值；f.用本次插補(bǔ)點(diǎn)坐標(biāo)值分別減去上次插補(bǔ)點(diǎn)的坐標(biāo)值，求得本次圓弧插補(bǔ)的各坐標(biāo)增量，所述坐標(biāo)增量即為三坐標(biāo)空間圓弧曲線的周期粗插補(bǔ)計(jì)算控制數(shù)據(jù)；可實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床曲面加工的三坐標(biāo)圓弧插補(bǔ)方法在所述周期粗插補(bǔ)計(jì)算步驟之后增設(shè)精插補(bǔ)控制步驟，將三坐標(biāo)周期粗插補(bǔ)計(jì)算控制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)精插補(bǔ)信號(hào)，控制數(shù)控機(jī)床χ、y、ζ坐標(biāo)移動(dòng)；所述控制信號(hào)為電平控制信號(hào)或脈沖控制信號(hào)；所述多邊形逼近圓弧可以是相交多邊形、或內(nèi)接多邊形。
2.一種可實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床曲面加工的三坐標(biāo)圓弧插補(bǔ)裝置，其特征在于，它由單片機(jī)、 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、程序存儲(chǔ)器、可編程并行接口電路、D / A轉(zhuǎn)換器組成，所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、程序存儲(chǔ)器與單片機(jī)的相應(yīng)端口相接，插補(bǔ)計(jì)算程序和精插補(bǔ)輸出控制程序存儲(chǔ)在程序存儲(chǔ)器中，單片機(jī)的數(shù)據(jù)輸出端與可編程并行接口電路相接，后者的三個(gè)并行接口分別經(jīng)D / A轉(zhuǎn)換器接至數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于數(shù)控機(jī)床的三坐標(biāo)圓弧插補(bǔ)裝置，其特征在于，在D/ A 轉(zhuǎn)換器和數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)之間增設(shè)信號(hào)放大器K;所述可編程并行接口電路、D / A轉(zhuǎn)換器采用可編程定時(shí)器代替，所述單片機(jī)的數(shù)據(jù)輸出端與定時(shí)器電路的相應(yīng)接口相接，后者的三個(gè)脈沖輸出接口分別接至數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)。
全文摘要
可實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床曲面加工的三坐標(biāo)圓弧插補(bǔ)方法及裝置，用于解決三坐標(biāo)空間圓弧插補(bǔ)問(wèn)題。其技術(shù)方案是，將空間圓弧曲線看成球面和過(guò)球面圓心平面兀交線的一部分；在該平面π中建立新坐標(biāo)系O-uvw；利用一個(gè)相交多邊形逼近圓弧，采用周期插補(bǔ)遞推計(jì)算方式，對(duì)該圓弧曲線進(jìn)行插補(bǔ)計(jì)算；將計(jì)算結(jié)果變換到原坐標(biāo)系，并最終求得數(shù)控加工的控制數(shù)據(jù)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是1．實(shí)現(xiàn)了三維空間圓弧插補(bǔ)；2．以相交多邊形實(shí)現(xiàn)圓弧插補(bǔ)逼近，使加工精度和速度得以提高?？芍苯涌臻g圓弧加工，周期插補(bǔ)、時(shí)間分割，數(shù)控程序簡(jiǎn)化，加工精度高。本發(fā)明可用于現(xiàn)有機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)或配置相應(yīng)外圍設(shè)備構(gòu)成機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)使用。
文檔編號(hào)G05B19/41GK102478832SQ20101055334
公開(kāi)日2012年5月30日 申請(qǐng)日期2010年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月22日
發(fā)明者孫文秀 申請(qǐng)人:大連創(chuàng)達(dá)技術(shù)交易市場(chǎng)有限公司