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基于STEP-NC的NURBS曲面插补五轴数控系统
来源:一起赢论文网     日期:2017-12-21     浏览数:469     【 字体:

  2五轴数控技术的核心是插补方法。缘于技术进步,目前工业用的五轴数控系统已不局限于仅仅具有传统的直线和圆弧插补,有一些高端系统还具有样条曲线插补功能。随着研究的深入,越来越多的研究人员意识到 NURBS 曲面直接插补比样条曲线插补更具优势。很多研究者,如北卡罗莱纳州立大学 Lee[1]、加利福尼亚大学戴维斯分校 Nittler[2]、巴黎第十一大学 Beudaert[3]、华中理工大学陈涛[4]和哈尔滨工业大学王永章等[5]都在 CNC 范畴内探讨了五轴曲面直接插补。这些研究虽然都卓有成效且各具特点,但都没有解决将 NURBS 曲面信息完整地输入到 CNC 系统的问题。 实际上,STEP-NC 可以很好地解决这个问题:STEP-NC 是近年来业界制订的一种新的数控编程接口标准,用以取代沿用已久的 ISO  6983  (G 代码)。遵循 STEP-NC 标准的 NC 加工程序能够将CAD 系统的零件造型和公差信息,以及 CAM 系统的工艺规划信息都完整无损失地传递给 CNC 系统。其包含的数据信息量是仅能传递刀具轨迹及简单工艺信息的 G 代码加工程序所无法比拟的[6-8]。 正是由于 STEP-NC 标准具有这些优点,近年来关于将 STEP-NC 应用于制造领域的研究工作逐渐展开。Hardwick[9,10]致力于开发产品和工艺数据模型、制造资源数据模型以及制造控制数据模型,并进行了 STEP-NC 程序设备无关性的展示。Suh[11]开发了 Korean  STEP-NC 系统,实现了对 2.5 轴制造特征的铣削加工。随后,他们重点开展车削 STEP-NC 中从数据模型到智能化加工相关技术的研究,并与德国 Stuggart 大学紧密合作,为车削数据模型 ISO14649 Part12 的建立做了大量研究工作[12,13]Brecher[14]展示了集成有检测操作的闭环加工过程的实验。实验中将一个叶轮的数据反馈给产品模型,分析了工件精度与加工操作的相关性,并进行工艺优化。Rauch[15]构建了一个用STEP-NC 文件直接控制当前工业用 CNC 机床的平台,这个平台包括人机接口模块、路径生成模块、CAD 重构模块、仿真模块及编程模块等。Ferreira[16]开发了一个基于网络且遵循 STEP-NC 标准的 CAD/CAPP/CAM 系统,远程用户可以通过互联网利用这个系统完成零件三维造型、工艺规划等工作,并最终得到符合 STEP-NC 标准的零件加工程序。Cha[17]对以前的研究工作进行了归纳和总结,阐明了制造领域应该尽快落实 STEP-NC 标准的必要性,并给出了实现 STEP-NC 在工业领域应用的路线图。 此外还有很多学者在这一领域进行了深入的研究,并取得了大量成果[18-21]。 国内高校也积极地开展了对 STEP-NC 技术的研究。山东大学较早地指出了 STEP-NC 标准在数控领域的应用前景[22],研究了基于 STEP-NC 的在线工艺规划方法[23,24]。哈尔滨工业大学开发了以开放式的 STEP-NC 控制器为核心的闭环加工系统[25],并在此平台上以切削力为控制对象利用模糊控制 1基于 STEP-NC NURBS 曲面插补五轴数控系统 梁宏斌1,李  霞2 (1.辽宁科技大学 机械工程与自动化学院,辽宁 鞍山  1140512.哈尔滨工程大学 机电工程学院,黑龙江 哈尔滨  150001) 摘要:定义产品模型数据交换标准(STEP-数控(NC)中的自由曲面五轴加工指令,研究非均匀有理 B 样条曲线(NURBS)曲面实时五轴插补技术,建立 CNC 系统的运动学模型;并在上述理论研究的基础上完成数控系统的软件设计;最终建立五轴数控试验样机并进行 NURBS 曲面零件的切削实验。实验结果表明:提出的基于 STEP-NC NURBS 曲面五轴加工指令及 NURBS 曲面五轴加工的运动学模型是正确的;给出的 NURBS 曲面插补算法对凸凹曲面加工均可适应;构建的五轴铣床样机具有很好曲面加工性能。 关键词:STEP-NCNURBS 曲面;插补;五轴加工 中图分类号:TP319                        文献标识码:A 5-axis CNC systems with the interpolator for NURBS surface based on STEP-NC LIANG Hongbin1LI Xia2 (1. School of Mechanical Engineering and AutomationUniversity of Science and Technology LiaoningAnshan 114051China2. School of Mechanical and EngineeringHarbin Engineering UniversityHarbin 150001China) Abstract:The instruction for 5-axis machining of freeform surface is defined in STEP-NC data model for the first time5-axis real-time interpolation for NURBS surface is researchedkinematics model of CNC system  (including  path  planning tool  offset real-time  interpolation  and  inverse  of  Kinematics transformation) is built upand software of CNC system is implemented. Based on the above research5-axis prototype milling machine has been developedand the experiment for cutting NURBS surface part has  been  finished.  Experimental  results  show  that  the  definition  of  instruction  in  STEP-NC  and  the proposed kinematics  model for 5-axis NURBS surfaces machining are correctinterpolation algorithm is applicable  for  the  machining  of  convex  and  concave  surfacesand  the  prototype  for  5-axis  milling  has good performance of cutting free-form surfaces. Keywords:STandard  for  the  Exchange  of  Product  model  data-NCnon-uniform  rational  B-spline  curve surfaceinterpolation5-axis machining 0 引言 在自由曲面零件制造过程中,五轴数控加工正逐渐取代传统的三轴数控加工;数控(Numerical ControlNC)编程接口标准——产品模型数据交换标准(STandard for the Exchange of Product model dataSTEP-NCISO14649)取代 G 代码(ISO6983),以实现信息的双向流动,提高计算机数字控制(Computer Numerical ControlCNC)的智能化水平也已成为业界共识。                                                         收稿日期:2016-11-16;修订日期:2017-03-23Received 16 Nov.2016accepted 23 Mar.2017. 基金项目:国家自然科学基金资助项目(5067500251075078);辽宁省自然科学基金资助项目(2015020128)。Foundation items:Project supported by the National Natural Science FoundationChina(No.5067500251075078)and the Natural Science Foundation of Liaoning ProvinceChina(No.2015020128).  6切削深度(axis_cutting_depth),前倾角变化裕度(safty_inclination)和侧摆角变化裕度(safty_tilt),即 5 UV 加工策略(5ax_uv_milling),如图 4 所示。 经扩充之后,NURBS 曲面五轴加工所涉及的工艺信息(如刀具、进退刀方式、加工精度要求、加工策略等)可以通过 STEP-NC 标准中“操作”实体加以描述。 (ABS)制造特征manufacturing_feature2.5轴制造特征Two5D Manufacturing_feature(ABS) region加工特征machining_feature平面型腔槽台阶凸台球冠螺纹拱形有界曲线bounded_curve有界曲面bounded_Surface拓扑域topological_region面域链表region_surface_list域投影region_Projection开式壳open_shell过渡特征transition_feature组合特征compound_feature重复特征replicate_featureB样条曲面b_spline_surfaceNURBS曲面b_spline_surface_with_knots_and_ rational_b_spline_surface带节点的B样条曲面b_spline_surface_with_knots有理B样条曲面rational_b_spline_surfaceBezier曲面bezier_surface 3 STEP-NC 中的制造特征简图  5基函数的幂次控制顶点链表权因子链表节点矢量链表IntegerInteger17,187,cartesian_pointb_spline_surface_formLogicalLogicalLogicalIntegerInteger17,187,cartesian_pointu_degreev_degreecontrol_point_list L[2:?] L[2:?]B样条曲面b_spline_surface带节点的B样条曲面b_spline_surface_with_knotsRealRealIntegerIntegerIntegerIntegersurface_formu_closedv_closedself_intersect(DER)u_upper(DER)v_upper(DER)control_points A[0:?] A[0:?]有理B样条曲面rational_b_spline_surfaceweights_date L[2:?] L[2:?](DER)weights A[2:?] A[2:?]quasi_uniform_surfaceuniform_surface bezier_surface37,145,parameter_value37,145,parameter_value29,204,knot_typeu_multiplicities L[2:?]v_multiplicities L[2:?]u_knots L[2:?]v_knots L[2:?]knot_spec(DER)knot_u_upper(DER)knot_v_upper 2  STEP-NC 中的 NURBS 实体定义 包含 NURBS 曲面的制造特征在 STEP-NC 标准的描述如图 3 所示。 因此在 STEP-NC 程序中,NURBS 曲面形状零件的几何信息就以“制造特征”的形式来准确描述,并作为加工工步的一部分被完整地输入到数控系统中。 1.2  五轴加工工艺信息的扩展与描述 目前,STEP-NC 标准中的铣削操作包含两轴半铣削操作 2.5D_milling_operation 和自由曲面加工操 作 Freeform_operation 。 在 自 由 曲 面 加 工 操 作 中 , 其 加 工 策 略 属 性 条 目 自 由 加 工 策 略Freeform_strategy 除规定了众多加工操作参数(例如,允许残留高度、弦高误差、进刀方式)外,还以子类的形式定义了四种切削方式—UV 策略(uv_strategy)、平面刀具接触策略(plane_cc_strategy)、平面刀具中心策略(plane_cl_strategy)和引导线策略(leading_line_strategy)。其中 UV 策略属于等参数法,鉴于目前等参数法的计算相对简单,其研究较为成熟,所以本文采用 UV 策略作为 NURBS曲面的切削方式,并对其进行了扩充。 五轴加工与三轴加工相比,增加了两个旋转自由度,本文对 UV 策略进行了扩充,增加了轴向 4( )( ) ( )åå( ) ( )åå=====mjjiqjpinimjjijiqjpiniuWv NNuCWv NNvu S0,,,00,,,,0, 。                          (1) 式中:jiC,为控制点,jiW,为相应的权因子,(u N)pi,和(v N)qj ,分别为关于沿 u 向的第 i p 次和沿 v 向的第 j q B 样条基函数,由式(2)和式(3)递推计算: ( )( ) ( ) )()(1)其它(01,111,1,11,{u Nuuuuu Nuuuuu Nuuuu Npiipipikiipiipiiii-++++--++--+--=<£=            (2) )()()(01)(1,111,1,11,v Nvvvvv Nvvvvv Nvvvv Nqjjqjqjqjjqjjqjjjj-++++--++--+--=îíì <£=(其它))(                    (3) 其中:U=1 1{110, , 0 , , , ,1, ,1p r pppu u+ - -++L L L123个个{ },V=1 1{110, , 0 , , , ,1, ,1q s qqqv v+ - -++L L L123个个{ },分别表示 u向和 v 向节点矢量。 据此可知,NURBS 曲面由下列参数确定:基函数的幂次、控制点、节点矢量和权因子。 STEP-NC 标准给出了 B 样条曲面及其若干子类的描述,但并未直接给出 NURBS 曲面定义。本文遵循标准中针对运算符及新增实体命名的规定,利用标准中已有的有理 B 样条曲面和带节点 B 样条曲面派生了 NURBS 曲面(如图 2),其 EXPRESS 语言表达如下:   3方法实现了实时加工过程控制[26]。北京航空航天大学针对闭环制造对测量任务执行及时性和测量结果集成性的要求,提出了兼容 STEP-NC 的在机测量系统,并通过一个飞机零件验证了该系统的有效性[27,28]。西北工业大学开发了基于 STEP-NC 并具有 NURBS 曲线插补功能的数控系统[29]。 从上述研究可以看出,STEP-NC领域的研究重点已经从早期的数据模型的完善与修订工作转移到编程、CNC、检测等方面,旨在推动 STEP-NC 技术的实施。但目前大多数的研究都是针对基本制造特征(如轴、孔、平面等)进行的,基于 STEP-NC 的多轴曲面加工的研究相对较少。本文开展了这方面的研究工作,建议的 NURBS 曲面五轴实时插补方法如图 1 所示。 路径规划 刀位运算逆运动学变换STEP-NC译码器伺服驱动器NURBS曲面插补器机 床CNC反馈值指令值曲线NURBS 曲面离散点STEP-NC 程序NURBS曲面五轴加工指令各轴位置坐标 图 1 建议的 NURBS 曲面插补五轴数控系统结构 1 STEP-NC 中扩充 NURBS 曲面五轴加工指令 在 STEP-NC 程序中,加工任务通过一系列加工工步 Machining_workingstep 来描述,所谓加工工步就是将某一制造特征 Manufacturing_feature 与特定的操作 Operation 相关联的对象。制造特征包含了零件的几何信息,如平面、孔、型腔等,操作包括了工艺方法(铣削或钻削等)、刀具、进刀策略(进退刀方式、行切或环切)、工艺参数(进给速度、主轴转速等)及公差等高层次的工艺信息。 基于 STEP-NC 标准定义 NURBS 曲面五轴加工指令,主要包括以下两方面内容:①确定NURBS 曲面作为一种制造特征的描述形式;②根据 NURBS 曲面五轴加工操作的特点,扩充相关工艺信息描述。 1.1 STEP-NC 中确定 NURBS 曲面制造特征 NURBS 曲面可以被定义为  9CNurbs Trajectory GeneratorInput Surface Data(CNurbs Surf Segment* temp Surf);Cal Next Mu_Surface();//calculate next u in surfaceCal Next Mv_Surface(); //calculate next v in surfaceint      surface_n,  //surface_n+1=the # of CP in u directionsurface_m, //surface_m+1=the # of CP in v directionsurface_p,  //degree in u direction surface_q,  //degree in v direction 7  NURBS 曲面路径生成器 2.2 STEP-NC 数控加工程序的信息提取 STEP-NC 工件加工数控程序分为程序头段和数据段两部分,数据段是整个程序的核心,它包含了加工零件所需的全部信息。加工程序的主要组成结构如图 8 所示,每个 STEP-NC 文件在数据段中必须含有一个唯一的“PROJECT(工程)”语句,其工作方案由一系列工步组成,每个工步负责将部分几何信息和与之相关工艺信息关联起来。可以认为“工程”是整个程序的根,相应的信息提取流程如图 9 所示。译码器从程序中读取所有与加工零件相关的工作方案、可执行对象、工步、制造特征以及技术参数等,进而提取出几何参数、坐标、加工策略、刀具等数据信息并存储到相应的数据结构中。经过信息提取与处理后,STEP-NC 程序由文本文件转变成由一系列工步对象所构成的工步单元链表。该工步链表中的每一个成员都包含与其关联的特征和操作。工步链表可以向刀具路径规划模块提供其所需要的信息以生成刀具轨迹信息。  图 8  STEP-NC 数控程序结构 …工程 标识符 …工作方案 标识符加工工步 标识符安全平面加工特征 标识符 加工操作 标识符 加工效果刀 具 工艺参数 机床功能 进退刀策略 加工策略加工工步 标识符……工 件… 图 9 数控信息提取流程 3 NURBS 曲面五轴插补算法及程序实现 本文采用 C++语言编制了 NURBS 曲面五轴插补程序。它能完成刀具路径规划、刀位点及刀具姿态角的计算、机床的逆运动学变换等工作,最终生成指令值控制机床的运动,完成复杂曲面零件的加工。 程序框图如图 10 所示。  8和函数,建立 STEP-NC 译码器类库。 Rate Path Node原始数据类型 int double   bool char    Matrix     Listline arcNurbs Surfmeasure Unit Direction Cartesian Point Coordinate Frame通用集成资源类workingstep workpiece planetoolpathcutter operation tolerance应用集成资源类…... 5  STEP-NC 控制器类库 与几何和工艺信息有关的类是曲面类 CNurbs Surf Segment(如图 6)。它与 STEP-NC 标准中的加工工步相对应,一方面包含 NURBS 曲面数学描述的基本参数,如基函数的幂次和控制顶点、节点矢量、权因子等成员变量,另一方面包含刀具、UV 加工策略、进退刀策略等的加工工艺信息由自由加工操作类成员变量来表示;上述成员变量均与 STEP-NC 标准中描述的信息相对应。为了完成曲面插补功能,本文还设计了曲面轨迹规划的路径生成器 CNurbs Trajectory Generator(如图 7)。CNurbs Trajectory Generator 根据曲面几何信息及工艺信息负责 NURBS 曲面实时插补,其成员函数提供插补点的计算功能。 CNurbs Surf Segmentint m_u Degree, m_v Degree;int m_u Multip[], m_v Multip[];double   m_u Knots[],  m_v Knots[];double   m_weights[][];double   m_contrl Pt[][][]; CNurbs Trajectory Generator m_trajct Gerator;CFreeform Oper m_oper;get_u_parameter();set_u_parameter();… 图 6  NURBS 曲面类  7chordal_tolerance(ABS)freefrom_strategypathmodePathmode typecutmodestepoverits_milling_tolerancestolerancesplane_d_strategyplane_cc_strategyleading_line_strategyuv_strategyscallop_heightforward_directionsideward_direction1cutmode_typelength_measurelength_measurelength_measuredirectiondirection五轴UV加工策略5ax_uv_stratergyLength_meaturePlane_angle_meaturePlane_angle_meatureaxis_cutting_depthsafty_inclinationsafty_tilt 4 扩展后的自由曲面加工策略 2 STEP-NC 译码器 2.1 STEP-NC 类库的建立 与 G 代码相比,STEP-NC 为数控加工提供一个信息极为完备的数据模型,要实现 STEP-NC 译码,首先要建立一个与该模型结构、逻辑关系都相适应的、计算机可处理的数据库。因此,本文采用 C++语言进行面向对象类库的设计。 由于 STEP-NC 程序是采用 EXPRESS 语言遵循 ISO10303-21 的文本文件,因此要确定 EXPRESS语言与 C++语言的映射规则;按照映射规则,建立与 STEP-NC 标准中所描述概念相对应的数据结构。其目的是将采用 EXPRESS 语言描述的 CNC 应用对象转变为 C++语言描述的系统内部的数据对象。 根据 ISO14649 对于 STEP-NC 数据模型的描述,本文建立了如图 5 所示的 STEP-NC 译码器类库。该类库主要有三层结构,最底层是原始数据类型的定义,包括整型、布尔型、字符型、矩阵等基本数据类型;中间是通用集成资源对象类的定义,包括测量单位、方向、坐标点、坐标系、直线、圆弧、刀具轨迹等对象;最高层是应用集成资源对象类的定义,包括制造特征(平面、孔、型腔、NURBS 曲面)、加工工步、工件、刀具、公差等对象。总之,按照 STEP-NC 标准中对特征(描述几何信息)、操作(描述工艺信息)等实体的规定,并加以一定的简化,转化为由 C++描述的数据成员

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