五軸數控系統RTCP和RPCP技術應用

發(fā)布日期：2015-11-20 蘭生客服中心瀏覽：7164

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　　摘要:文章在參考了多種當前流行的五軸數控系統功能的前提下,著重分析了五軸數控系統中的RTCP功能,同時聯帶分析了文獻中介紹較少的RPCP功能。在分析的基礎上,推導了五軸數控系統的RTCP功能和RPCP功能的數學公式。為了驗證推導的數學模型的正確性,開發(fā)了基于OpenGL技術的仿真軟件,用來進行仿真試驗。算法推導和仿真試驗的成功,為后續(xù)開放式數控系統添加相應功能提供了理論依據。

　　前言

　　隨著數控技術的日益成熟,近年來五軸聯動數控加工中心得到越來越廣泛的應用。眾所周知,五軸聯動加工中心是實現異形復雜零件高效、高質量加工的重要手段。五軸聯動機床在航空航天工業(yè)、軍事工業(yè)和模具制造行業(yè)等都有特別廣泛的應用。過去,五軸聯動加工技術掌握在歐美日等少數發(fā)達國家的手中,這些國家對我國實行禁運,致使我國五軸加工技術水平一直相對落后。這些年雖然上述情況有所改觀,但是仍然沒有發(fā)生根本的改變。五軸聯動加工中的許多關鍵技術仍然處在研究階段,因此,深入研究五軸聯動的數學模型,對開發(fā)擁有自主知識產權的五軸數控系統,具有十分現實的意義。

　　五軸聯動數控系統相對三軸數控系統增加了兩個回轉坐標,使得刀具軸線的控制更加靈活,從而保持最佳的切削狀態(tài),有效避免刀具干涉。五軸加工中心的功能更加強大,一次裝卡就可以完成復雜箱體、異形曲面的加工。但是由于增加了兩個回轉坐標,使五軸聯動的數學模型相對三軸聯動的數學模型要復雜許多。因此,相對三軸數控系統,五軸數控系統也增加了許多功能,比較典型的功能是:三維空間刀具半徑補償、三維曲線的樣條插補功能、RTCP功能等。

　　本文主要研究五軸數控系統的RTCP功能,建立實現該功能的數學模型,最后對該功能的數學模型進行了仿真驗證。

1 RTCP功能和RPCP功能簡介

　　五軸聯動加工中心的機械機構形式多種多樣,但是大致可以分成下面三種形式(如圖1所示):一是兩個轉動坐標直接控制刀具軸線的方向(雙擺頭結構);二是兩個轉動坐標直接控制工件的旋轉(雙轉臺結構);三是兩個轉動坐標一個作用在刀具上,一個作用在工件上(擺頭、轉臺結構)。無論何種結構形式的五軸機床,都有一個共同的特點,就是刀具中心和旋轉主軸頭的中心都有一個距離(參考圖2),這個距離稱為樞軸中心距(piv-ot),由于這個距離的存在,使得五軸數控系統零件程序的編制存在其特殊性,那就是如果對刀具中心編程的話,轉動坐標的運動將導致平動坐標的變化,產生了一個位移。通常消除這個位移有兩種辦法,一種是在后置處理中添加這個樞軸中心距(這不是本文討論的范圍);另一種就是本文將要討論的RTCP和RPCP功能。

111 RTCP功能

　　按照FIDIA數控系統手冊介紹,RTCP是五軸機床刀具旋轉中心編程(RotationAroundToolCenterPoint)的簡稱。該數控系統可以在非RTCP模式和RTCP模式下進行編程。在非RTCP模式下編程,要求機床的轉軸中心長度正好等于書寫程序時所考慮的數值,任何修改都要求重新書寫程序。而如果啟用RTCP功能后,控制系統會自動計算并保持刀具中心始終在編程的XYZ位置上,轉動坐標的每一個運動都會被XYZ坐標的一個直線位移所補償。相對傳統的數控系統而言,一個或多個轉動坐標的運動會引起刀具中心的位移,而對帶有RTCP功能的數控系統而言,可以直接編程刀具中心的軌跡,而不用考慮樞軸的中心距,這個樞軸中心距是獨立于編程的,是在執(zhí)行程序前由顯示終端輸入的,與程序無關。在FIDIA數控系統中[2],G96激活RTCP功能,G97禁止RTCP功能。NUM數控系統中也帶有RTCP功能。112RPCP功能RPCP功能的定義與上面類似,是五軸機床工件旋轉中心編程（RotationAroundPartCenterPoint）的簡稱。其意義同RTCP功能類似,不同的是該功能是補償工件旋轉所造成的平動坐標的變化。

　　從上面的分析可以看出,RTCP功能主要是應用在雙擺頭結構形式的機床上,而RPCP功能主要是應用在雙轉臺形式的機床上,而對于一擺頭、一轉臺形式的機床是上述兩種情況的綜合應用,所以本文主要對前兩者進行研究。

從運行方式上看,數控系統在啟動RTCP功能的情況下,每插補一次都進行一次補償計算,將補償后的計算值作為插補結果輸出到數控系統中。本文仿真軟件也是按照上述模型進行開發(fā)的。

2 數學模型的建立

　　如圖2所示是RTCP和RPCP功能的原理圖。左邊是雙擺頭結構機床的主軸頭,右邊是雙轉臺形式的機床原理圖。圖中的M代表主軸端到旋轉中心的距離,L代表刀具的長度。