五轴联动数控系统RTCP技术的研究与实现

1 引言

　　五轴联动机床可以应用于复杂曲面的加工、具有大的材料去除率及消除加工，干涉等优点，在航空航天、船舶、汽车制造等国家重点行业都有广泛的应用。目前，国产的五轴联动数控机床与国外高端数控机床相比，无论从功能还是精度方面仍存在较大的差距。由于数控系统作为数控机床的核心功能部件对于数控机床的整机功能及性能具有至关重要的作用，因此，进行五轴数控系统关键技术的研究是极其必要的，从而有利于改变我国五轴联动数控机床大多依赖进口的被动局面，提高我国的五轴加工技术水平。

　　五轴联动数控系统由于增加了两个旋转轴，通过进行刀具轴线的控制，有利于刀具保持最佳的切削状态及有效避免加工干涉，实现复合加工等。因此，五轴数控系统增加了许多功能，如三维空间刀具半径补偿功能、三维曲线的样条插补功能、五轴机床刀具旋转中心编程功能(RTCP功能)等。本文针对其中的RTCP技术进行研究。

　　目前，国内许多专家及学者对RTCP算法进行了研究并取得了一定的研究成果。其中，中科院沈阳计算所的赵薇等进行了通用RTCP算法的研究，设计一种集成了RTCP功能的插补算法，实现了非线性误差的实时补偿计算。上海交通大学的吴大中等，建立五轴机床的非线性误差估计模型，提出了一种非线性误差控制策略，并通过仿真对该控制策略进行了验证。虽然，国内在RTCP技术方面取得了一定的研究成果，但大多局限于理论上的研究，没有添加到数控系统中实现并进行加工验证，并且大都针对于某一具体的机床类型进行研究，算法通用性较差。

　　本文利用旋转轴角度细分技术减小了旋转轴旋转引起的非线性加工误差，利用参数配置实现同一加工程序在不同结构形式的五轴机床上进行加工，并且基于在每一插补步长内进行非线性误差的控制，满足RTCP算法的实时性，最后将开发的RTCP算法集成到国内具有自主知识产权的GJ·310数控系统中，并通过切削试验验证了该算法的可行性。

2 五轴RTCP功能及研究必要性

　　在三轴铣削加工时，由于没有旋转轴运动，刀具中心点轨迹与刀控点轨迹是等距线，不存在非线性误差的补偿问题，但在五轴加工时，由于刀具中心点与刀控点存在距离偏移，刀具的旋转运动引起刀具中心的附加移动即产生非线性误差，当刀具中心点进行直线运动时，刀控点以曲线形式的轨迹运动。

　　采用RTCP功能可以直接编程刀具中心点的轨迹，使得数控程序独立于具体的机床结构，数控系统会自动计算并保持刀具中心总始终在编程轨迹上，由旋转轴运动引起的非线性误差都会被位移轴的运动所补偿，从而满足加工要求。

　　目前，国产数控系统不具备RTCP功能，因此只能采用基于机床坐标系编程模式，降低了工件程序的可移植性，如要改变刀具尺寸或更换刀具、改变工件在机床上的加工位置，需要重新编制工件程序，严重制约了数控系统高速、高精性能的充分发挥，因此，有必要进行高效的RTCP功能的开发。

3 实现RTCP功能的主要技术难点

　　由于受到旋转运动的影响，引起五轴联动机床各轴实际运动偏离编程直线，产生非线性误差，如图1所示。其中：刀具姿态由刀位点位置矢量Pw和刀具轴线方向矢量Uw组成；P_wL(t)表示理想的编程曲线，如果采用线性插补进行五轴加工时，其合成运动轨迹如图中P_w(t)所示。实际加工曲线P_w(t)与理想直线P_wL(t)之间的最大偏离量δ_max可近似作为非线性误差的大小。因此如何有效控制该误差以保证刀具中心点在插补过程中始终处在编程轨迹上是实现RTCP功能的关键问题之一。

图1 相邻刀位刀具运动示意图 

　　此外，实现各插补轴的速度控制也是RTCP功能开发的关键技术。由于在加减速规划时，为了提高工件的表面加工质量，需要刀具中心点速度满足连续性要求，同时保证各轴的速度及加速度满足机床的加减速要求，因此有必要进行基于前瞻算法的各轴速度控制算法研究，以减小机床加工的振动，提高机床加工的平稳性

　　再者，由于RTCP算法基于工件坐标系编程，导致其实现与机床结构相关，需要按各种不同机床结构情况分别进行处理，造成数控系统运动学模块复杂、繁琐。为此，基于参数化设计思想，实现基于参数配置的运动学模块，并提供相应接口以便用户根据实际情况进行灵活配置。对于提高工件程序的可移植性，降低数控编程量具有重要的实用价值。