Anvendelsen av flerakset CNC-system i overflatebearbeiding
Denne artikkelen utleder translasjonsmatrisen og rotasjonsmatrisen i form av homogene koordinater, og modellerer matematisk posisjons- og holdningsendringene ved ethvert ledd i et flerakset koblingssystem. En tilbakemeldingsskjema RTPA-algoritme ble konstruert basert på komparatorkomponenter, tellerkomponenter og generatorkomponenter for praktisk kontroll i flerakse koblings-CNC-systembearbeidingsprosesser, og påvirkningen av prøvetakingsfrekvens ble analysert. Til slutt, ved å ta overflatesimuleringsmaskinering som et eksempel for eksperimentell forskning, viser resultatene at under kontroll av RTPA-algoritmen, kan CNC-systemet med flere akser effektivt fullføre overflatebearbeiding.
Nøkkelord: Multi-akse kobling; CNC-systemet; Overflate maskinering; RTPA-algoritme
Nivået på integrering og automatisering i produksjonsindustrien har blitt et viktig kriterium for å måle et lands vitenskapelige og teknologiske styrke. Kina er et stort produksjonsland, som dekker det store flertallet av mekaniske prosesseringskategorier i verden [1], der CNC-teknologi og CNC-systemer spiller en svært viktig rolle. For ulike komplekse typer maskineringsoppgaver er det kun CNC-maskinteknikker og -metoder med mer aksekobling som kan fullføres mer effektivt. Derfor har utformingen av CNC-systemer med flere akser og CNC-bearbeidingsmetoder med flere akser blitt kjerneinnholdet for å bedømme konkurranseevnen til den mekaniske prosess- og produksjonsindustrien [3]. For tiden er det et visst gap mellom Kina og verdens avanserte nivå i utviklingen av 5-akse og over koblings CNC-systemer og CNC-maskineringsmetoder, som har blitt et flaskehalsproblem som begrenser den dype utviklingen av Kinas mekaniske prosessering industri. Derfor tar denne artikkelen et 5-aksekoblings-CNC-system som forskningsobjekt, og gjennom matematisk modellanalyse og kontrollprosessforskning gir den sin spesifikke anvendelse i overflatebearbeiding.
1. En matematisk modell for posituren til flerakse CNC-systemer
Nøkkelen til kontrollfunksjonen og maskineringseffekten til et CNC-system med flere akser ligger i nøyaktig karakterisering av posisjon og holdning, samt rimelig dynamisk tilkobling. Derfor modellerer denne artikkelen først matematisk posisjonen og holdningen til et CNC-system med flere akser i form av homogene koordinater.
Fullføringen av en rekke handlinger i et CNC-bearbeidingssystem med flere akser manifesteres som den kumulative effekten av rotasjons- og translasjonsbevegelser av forskjellige ledd og akser i tredimensjonalt rom. Derfor, for å beskrive et CNC-system med flere akser fra et matematisk perspektiv, avhenger det av karakteriseringen av rotasjonsmatrisen og translasjonsmatrisen.
Hvis et punkt A i rommet blir transformert til posisjonen til punktet A 'gjennom translasjon, og det blir oversatt a, b og c-enheter på x-, y- og z-koordinataksene, så eksisterer det et translasjonsforhold som vist i formelen (1).
Hvis et punkt A i rommet blir transformert til posisjonen til punktet A 'gjennom rotasjon, og dets rotasjonsvinkel rundt z er θ, så eksisterer det et rotasjonsforhold som vist i formel (2).
På samme måte kan rotasjonsmatrisene rundt y-aksen og x-aksen på et hvilket som helst punkt også oppnås, samt de homogene uttrykkene til disse to matrisene. Ved å fremme denne tilnærmingen ytterligere, kan en rotasjonsmatrise oppnås for ethvert punkt rundt en hvilken som helst akse i rommet, som også vil manifesteres som en kombinasjon av rotasjonsbevegelse rundt x-, y- og z-aksene. Ved å oppnå translasjonsmatrisen og rotasjonsmatrisen for posisjonsendringen på et hvilket som helst punkt i rommet, kan en matematisk modell av posisjonsendringen på det punktet etableres. Denne tilnærmingen gjelder også for ethvert koordinatsystem i rommet og ethvert objekt i rommet. CNC-bearbeidingsprosessen med flere akser er kombinasjonseffekten av flere translasjonsbevegelser og rotasjonsbevegelser rundt flere akser ved driftsenden som utfører maskineringsoppgaven.
Forutsatt at posisjonstransformasjonen av endeeffektoren til et flerakset koblingssystem er vist i figur 1. Som vist i figur 1, gjennomgikk endeeffektoren til flerakse koblingssystemet to transformasjoner, hvorav den ene var en translasjonsbevegelse langs x og y-akser, og den andre var en 90 graders rotasjon rundt z-aksen.
Figur 1 Posisjonstransformasjon av endeeffektoren til et flerakset koblingssystem
Det kan sees at med ovennevnte modelleringsmetode kan en kombinasjon av translasjons- og rotasjonsbevegelse beskrives for ethvert ledd og handling i et flerakset koblingssystem.
2. Prosesskontroll av flerakset CNC-system
Etter å ha vært i stand til å beskrive et CNC-system med flere akser gjennom matematiske modeller, er vanskeligheten med hele CNC-prosessen hvordan man setter opp CNC-programmet og gjør det mulig for systemet å fullføre maskineringsoppgaver i henhold til den etablerte ruten. Denne artikkelen designer en pulsstyringsalgoritme med god sanntidsytelse for maskineringsprosessen til fleraksede koblings-CNC-systemer, forkortet til RTPA (Real time pulse algorithm) algoritme.
Prosessen med CNC-maskinering oppnås og fullføres generelt gjennom interpolasjonsalgoritmer, og kontrollen av hver akse i CNC-maskinering er basert på pulsen til trinnmotoren, som krever dannelse av et tilsvarende forhold mellom interpolasjonsprosessen og pulsgenereringstidspunktet . Sanntidsytelsen til tradisjonelle interpolasjonsprosesser basert på pulsfrekvens er imidlertid ikke ideell. Derfor designer denne artikkelen en ny pulsgenereringsalgoritme med bedre sanntidsytelse fra VF-transformasjonsalgoritmens perspektiv (spenningsfrekvens). Pulssekvensen generert av denne algoritmen kan oppnå mer effektiv kontroll av CNC-systemer med flere akser.
Denne algoritmen bruker komparatorkomponenter, tellerkomponenter og generatorkomponenter for i fellesskap å generere pulssekvenser med god sanntidsytelse. Det skjematiske diagrammet av algoritmen er vist i figur 2.
Figur 2 Prinsippblokkdiagram for RTPA-kontrollalgoritme for fleraksekoblingssystem
I henhold til figur 2 kan det sees at forskyvningen av en skjøt eller endeanordning i et flerakset koblingssystem samples og brukes som input for RTPA-algoritmen, med en samplingsfrekvens på f. Etter å ha lagt inn den samplede forskyvningsverdien, sammenlignes den med pulsekvivalenten dannet av pulstelleren på tilbakemeldingsgrenen, og forskjellen mellom de to legges inn i pulsgeneratoren som vurderingsgrunnlag for genereringen av pulssekvensen. Pulsgeneratoren vil generere to utganger, nemlig foroverpuls og reverspuls, som også tilsvarer forover- og bakoverrotasjonen av trinnmotoren.
Bestemmelsen av om en pulsgenerator genererer forover- eller reverspulser avhenger av sammenligningen mellom den akkumulerte feilen mellom inngangs- og tilbakemeldingsgrenene og den innstilte terskelverdien. Reglene for sammenligning er som følger. Regel 1: Hvis summen av akkumulerte feil mellom inngangs- og tilbakemeldingsgrenene er større enn den innstilte terskelverdien, genererer pulsgeneratoren en foroverpuls og sender den ut. Regel 2: Hvis summen av akkumulerte feil mellom inngangs- og tilbakemeldingsgrenene er mindre enn det motsatte av den innstilte terskelverdien, genererer pulsgeneratoren en reverspuls og sender den ut.
Nøkkelparameteren som bestemmer algoritmen i denne artikkelen er samplingsfrekvensen f før du bruker forskyvning som input. For å bestemme innvirkningen av samplingsfrekvens f på ytelsen til RTPA-algoritmen, setter denne artikkelen samplingsfrekvensene til henholdsvis 5 kHz og 20 kHz, og plotter deres forskyvningsresponskurver og hastighetsresponskurver. Resultatene er vist i figur 3.
Figur 3 Innvirkning av samplingsfrekvens på algoritmeytelsen til flerakse koblingssystem
Den venstre siden av figur 3 (a) representerer forskyvningsresponskurven til RTPA-algoritmen ved en samplingsfrekvens på 5 kHz, mens den høyre siden representerer forskyvningsresponskurven til RTPA-algoritmen ved en samplingsfrekvens på 20 kHz; Den venstre siden av figur 3 (b) representerer hastighetsresponskurven til RTPA-algoritmen ved en samplingsfrekvens på 20 kHz, mens den høyre siden representerer hastighetsresponskurven til RTPA-algoritmen ved en samplingsfrekvens på 20 kHz.
Fra figur 3 (a) kan det sees at jo større samplingsfrekvensen er og jo mindre samplingsperioden er, desto raskere er forskyvningsresponshastigheten til RTPA-algoritmen. Fra sammenligningen av de venstre og høyre figurene kan det sees at når samplingsfrekvensen er 5kHz, tar forskyvningsresponsen til RTPA-algoritmen 0.58s, og den faktiske forskyvningen av fleraksekoblingssystemet kan bare matche den ideelle forskyvningen; Når samplingsfrekvensen er 20kHz, er forskyvningsresponsen til RTPA-algoritmen 0.16s, og den faktiske forskyvningen av fleraksekoblingssystemet samsvarer med den ideelle forskyvningen. Dette indikerer at forskyvningsresponsen ved en samplingsfrekvens på 20kHz er 0,42s raskere enn ved en samplingsfrekvens på 5kHz.
Fra figur 3 (b) kan man se at jo større samplingsfrekvens og jo mindre samplingsperiode, desto raskere er hastighetskurveresponsen til RTPA-algoritmen. Fra sammenligningen av venstre og høyre grafer kan det sees at når samplingsfrekvensen er 5 kHz, tar hastighetsresponsen til RTPA-algoritmen 0,5 sekunder før den faktiske hastigheten til fleraksekoblingssystemet match den ideelle hastigheten; Når samplingsfrekvensen er 20 kHz, er hastighetsresponsen til RTPA-algoritmen 0.13 sekunder, og den faktiske hastigheten til fleraksekoblingssystemet samsvarer med den ideelle hastigheten. Dette indikerer at hastighetsresponsen ved en samplingsfrekvens på 20 kHz er 0,37 sekunder raskere enn ved en samplingsfrekvens på 5 kHz.
3. Simuleringseksperiment av overflatebearbeiding i flerakset CNC-system
I det forrige arbeidet ble posisjons- og holdningsmodellering og RTPA-kontrollalgoritmedesign utført for CNC-systemet med flere akser, og den effektive kontrollstrategien til CNC-systemet med flere akser ble bestemt gjennom analysen av påvirkningen av nøkkelparametere. Deretter vil simuleringseksperimenter bli utført for å verifisere RTPA-algoritmekontrollytelsen til fleraksekoblingssystemet foreslått i denne artikkelen. Simuleringseksperimentet velger overflatebearbeiding som maskineringsobjektet til CNC-systemet med flere akser. Buede overflater har en viss grad av kompleksitet i ulike maskineringsenheter og krever presise kontrollalgoritmer. Maskineringen av hele overflaten fullføres gjennom kontinuerlige kurvebearbeidingsbaner. Simuleringsresultatene av overflaten som skal behandles i denne artikkelen er vist i figur 4.
Figur 4 Simuleringsresultater av overflaten som skal bearbeides i denne artikkelen
Fra figur 4 kan man se at overflaten som skal behandles i denne artikkelen er et overflatesegment som danner en aksial bredde i x-retningen og en radiell bredde i y-retningen, med krumningsradiusen til overflaten plassert i z-aksens retning. Figur 4 viser også startposisjonen til verktøyet, som er utgangspunktet, og den parallelle kurven på overflaten indikerer maskineringsbanen under kontroll av RTPA-algoritmen.
Det er mange CNC-bearbeidingsmetoder for overflater, for eksempel banebasert parametergenereringsrutemetode, CC-banebasert rutemetode for bearbeiding av tverrsnittsdata og banebasert rutemetode for tverrsnittsmaskinering. Denne artikkelen velger rutemetoden for seksjonsdatabehandling basert på CC-bane, og kombinerer den med Z-formet skjæring for å fullføre behandlingen. Under bearbeidingsprosessen er kontrolleffekten av forskyvnings- og hastighetskurvene oppnådd av RTPA-algoritmen i x-aksen, y-aksen og z-aksen vist i figur 5.
Figur 5 Kontrolleffekt av RTPA-algoritme på forskyvnings- og hastighetskurver i tre retninger
Fra figur 5 (a) kan man se at RTPA-algoritmen danner en trekantet bølgekurve for å kontrollere forskyvning i x-aksens retning. På grunn av begrensningene til behandlingsoppgaver, er den maksimale forskyvningen av RTPA-algoritmen i x-aksens retning 0 mm, og minimumsverdien er nær -150 mm. Den trekantede bølgeperioden til forskyvningskurven er 4,17 sekunder. RTPA-algoritmen danner en rektangulær firkantbølgekurve for hastighetskontroll i x-aksens retning, men det er noe jitter på grunn av påvirkningen fra maskineringsprosessen. Den maksimale hastigheten til RTPA-algoritmen i x-aksens retning er nær 80 mm/s, og minimumsverdien er nær {{10}} mm/s. Den rektangulære firkantbølgeperioden til hastighetskurven er 4,17 sekunder. Fra figur 5 (b) kan det sees at RTPA-algoritmen danner en buet form av trinnbølger for å kontrollere forskyvning i y-aksens retning. På grunn av begrensningene til behandlingsoppgaver, er den maksimale forskyvningen av RTPA-algoritmen i y-aksens retning 0 mm, og minimumsverdien er nær posisjonen på -6 mm. Trinnbølgeperioden til forskyvningskurven er 4,17 sekunder. RTPA-algoritmen styrer hastigheten i y-aksens retning i form av pulsbølger. Den maksimale hastigheten til RTPA-algoritmen i y-aksens retning er 0 mm/s, og minimumsverdien er -10 mm/s. Den rektangulære firkantbølgeperioden til hastighetskurven er 4,17 sekunder.
Fra figur 5 (c) kan man se at RTPA-algoritmen danner en sinusformet halvbølgekurve for forskyvningskontroll i z-aksens retning. På grunn av begrensningene til behandlingsoppgaver har RTPA-algoritmen en maksimal forskyvning på 6,2 mm og en minimumsforskyvning på 0 mm i z-aksens retning. Sinushalvbølgeperioden til forskyvningskurven er 2,08 sekunder. RTPA-algoritmen danner en sagtannbølgekurve for å kontrollere hastigheten i z-aksens retning. Den maksimale hastigheten til RTPA-algoritmen i z-aksens retning er nær 15 mm/s, og minimumsverdien er nær -15 mm/s. Sagtannbølgeperioden til hastighetskurven er 2,08 sekunder.
4. Konklusjon
Denne artikkelen undersøker et CNC-system med flere akser. For det første, i form av homogene koordinater, utføres matematisk modellering av posisjons- og holdningsendringer ved et hvilket som helst ledd i et flerakset koblingssystem, og genereringsprosessen av translasjonsmatrise og rotasjonsmatrise utledes. For det andre ble en tilbakemeldingsskjema RTPA-algoritme konstruert basert på komparatorkomponenter, tellerkomponenter og generatorkomponenter for praktisk kontroll i flerakset koblings-CNC-systems maskineringsprosesser, og påvirkningen av prøvetakingsfrekvensen ble analysert. Til slutt ble et valideringseksperiment utført ved bruk av overflatesimuleringsbearbeiding som eksempel, og de eksperimentelle resultatene viste at rutemetoden for seksjonsdatabearbeiding basert på CC-bane vedtatt i denne artikkelen, kombinert med Z-formet verktøyvandring, kan fullføre bearbeidingen. I mellomtiden kontrollerer RTPA-algoritmen effektivt forskyvning og hastighet i alle tre koordinatakseretningene.
