Moniakselisen CNC-järjestelmän soveltaminen pintatyöstöön

Tämä artikkeli johtaa translaatiomatriisin ja rotaatiomatriisin homogeenisten koordinaattien muodossa ja mallintaa matemaattisesti sijainnin ja asennon muutokset missä tahansa moniakselisen kytkentäjärjestelmän liitoksessa. Komparaattorikomponenttien, laskurin komponenttien ja generaattorikomponenttien pohjalta rakennettiin palautemuotoinen RTPA-algoritmi moniakselisten linkitysten CNC-järjestelmän työstöprosessien käytännön ohjaamiseksi ja analysoitiin näytteenottotaajuuden vaikutus. Lopuksi, kun otetaan pintasimulaatiokoneistus esimerkkinä kokeellisessa tutkimuksessa, tulokset osoittavat, että RTPA-algoritmin ohjauksessa moniakselinen linkitys-CNC-järjestelmä voi tehokkaasti viimeistellä pintatyöstön.
Avainsanat: Moniakselinen kytkentä; CNC-järjestelmä; Pintatyöstö; RTPA-algoritmi
Teollisuuden integraation ja automaation tasosta on tullut tärkeä kriteeri maan tieteellisen ja teknologisen vahvuuden mittaamisessa. Kiina on merkittävä valmistusmaa, joka kattaa suurimman osan mekaanisen käsittelyn luokista maailmassa [1], jossa CNC-teknologialla ja CNC-järjestelmillä on erittäin tärkeä rooli. Erityyppisissä monimutkaisissa koneistustehtävissä vain CNC-koneistustekniikat ja -menetelmät, joissa on enemmän akseleita, voidaan suorittaa tehokkaammin. Siksi moniakseliliitosten CNC-järjestelmien suunnittelusta ja moniakselisista CNC-työstömenetelmistä on tullut keskeinen sisältö mekaanisen jalostus- ja valmistusteollisuuden kilpailukyvyn arvioinnissa [3]. Tällä hetkellä Kiinan ja maailman edistyneen tason välillä vallitsee tietty kuilu 5-akselien ja yläpuolella olevien CNC-järjestelmien ja CNC-työstömenetelmien kehittämisessä, mikä on muodostunut pullonkaulaongelmaksi, joka rajoittaa Kiinan mekaanisen käsittelyn syvällistä kehitystä. ala. Siksi tässä artikkelissa käytetään 5-akselikytkentäistä CNC-järjestelmää tutkimuskohteena, ja matemaattisen mallianalyysin ja ohjausprosessitutkimuksen avulla tarjotaan sen erityissovellus pintatyöstössä.
1. Matemaattinen malli moniakselisten CNC-järjestelmien asennosta
Avain moniakselisen vivuston CNC-järjestelmän ohjaustoimintoon ja työstövaikutukseen on sijainnin ja asennon tarkka karakterisointi sekä järkevä dynaaminen yhteys. Siksi tässä artikkelissa mallinnetaan ensin matemaattisesti moniakselisen linkitys-CNC-järjestelmän sijainti ja asento homogeenisten koordinaattien muodossa.
Moniakselisen linkitys-CNC-työstöjärjestelmän toimintosarjan loppuun saattaminen ilmenee eri nivelten ja akselien pyörimis- ja translaatioliikkeiden kumulatiivisena vaikutuksena kolmiulotteisessa tilassa. Siksi moniakselisen linkitys-CNC-järjestelmän kuvaaminen matemaattisesta näkökulmasta riippuu rotaatiomatriisin ja translaatiomatriisin karakterisoinnista.
Jos mikä tahansa avaruuden piste A muunnetaan pisteen A asemaksi käännöksen kautta ja se muunnetaan a-, b- ja c-yksiköiksi x-, y- ja z-koordinaattiakseleilla, on olemassa kaavan mukainen käännössuhde. (1).

Jos mikä tahansa avaruuden piste A muunnetaan pisteen A asemaksi 'kierron kautta, ja sen kiertokulma z:n ympärillä on θ, on siis olemassa kaavan (2) mukainen kiertosuhde.

Vastaavasti voidaan saada myös rotaatiomatriisit y-akselin ja x-akselin ympäri missä tahansa pisteessä sekä näiden kahden matriisin homogeeniset lausekkeet. Edistämällä tätä lähestymistapaa edelleen voidaan saada pyörimismatriisi mille tahansa pisteelle minkä tahansa avaruuden akselin ympärillä, mikä ilmenee myös kiertoliikkeen yhdistelmänä x-, y- ja z-akselien ympäri. Hankimalla paikanmuutoksen translaatiomatriisi ja rotaatiomatriisi missä tahansa avaruuden pisteessä voidaan muodostaa matemaattinen malli paikanmuutoksesta kyseisessä pisteessä. Tämä lähestymistapa pätee myös mihin tahansa avaruuden koordinaattijärjestelmään ja mihin tahansa avaruuden esineeseen. Moniakselinen linkitys CNC-työstöprosessi on useiden translaatioliikkeiden ja pyörivien liikkeiden yhdistelmävaikutus useiden akselien ympärillä työstöpäässä, joka suorittaa koneistustehtävän.
Olettaen, että moniakselisen kytkentäjärjestelmän pääteefektorin asemamuunnos on esitetty kuvassa 1. Kuten kuvassa 1 näkyy, moniakselisen kytkentäjärjestelmän pääteefektorissa tehtiin kaksi muunnosa, joista toinen oli translaatioliike pitkin x:tä ja y-akselit, ja toinen oli 90 asteen kierto z-akselin ympäri.

Kuva 1 Moniakselisen kytkentäjärjestelmän pääteefektorin asemamuunnos
Voidaan nähdä, että yllä olevalla mallinnusmenetelmällä voidaan kuvata translaatio- ja pyörimisliikkeen yhdistelmä mille tahansa nivelelle ja toiminnalle moniakselisessa kytkentäjärjestelmässä.
2. Moniakselisen CNC-järjestelmän prosessinohjaus
Sen jälkeen, kun moniakselinen linkitys CNC-järjestelmä on pystytty kuvaamaan matemaattisten mallien avulla, koko CNC-prosessin vaikeus on, kuinka CNC-ohjelma asetetaan ja järjestelmä pystyy suorittamaan koneistustehtävät määritellyn reitin mukaan. Tässä artikkelissa suunnitellaan pulssiohjausalgoritmi, jolla on hyvä reaaliaikainen suorituskyky moniakselisten CNC-järjestelmien koneistusprosessiin, lyhennettynä RTPA (Real time pulse Algorithm) -algoritmi.
CNC-työstöprosessi saavutetaan ja suoritetaan yleensä interpolointialgoritmeilla, ja kunkin akselin ohjaus CNC-työstössä perustuu askelmoottorin pulssiin, mikä edellyttää vastaavan suhteen muodostamista interpolointiprosessin ja pulssin generointiajoituksen välille. . Perinteisten pulssitaajuuteen perustuvien interpolointiprosessien reaaliaikainen suorituskyky ei kuitenkaan ole ihanteellinen. Siksi tässä artikkelissa suunnitellaan uusi pulssin generointialgoritmi, jolla on parempi reaaliaikainen suorituskyky VF-muunnosalgoritmin (jännitetaajuus) näkökulmasta. Tämän algoritmin luomalla pulssisekvenssillä voidaan saavuttaa tehokkaampi moniakselikytkentäisten CNC-järjestelmien ohjaus.
Tämä algoritmi käyttää vertailukomponentteja, laskurikomponentteja ja generaattorikomponentteja luodakseen yhdessä pulssisekvenssejä, joilla on hyvä reaaliaikainen suorituskyky. Algoritmin kaaviokuva on esitetty kuvassa 2.

Kuva 2 Moniakselisen kytkentäjärjestelmän RTPA-ohjausalgoritmin periaatelohkokaavio
Kuvan 2 mukaan voidaan nähdä, että nivelen tai päätylaitteen siirtymä moniakselisessa kytkentäjärjestelmässä näytteistetään ja sitä käytetään RTPA-algoritmin tulona näytteenottotaajuudella f. Kun näytteistetty siirtymäarvo on syötetty, sitä verrataan takaisinkytkentähaaran pulssilaskurin muodostamaan pulssiekvivalenttiin ja näiden kahden välinen ero syötetään pulssigeneraattoriin pulssisekvenssin generoinnin perusteeksi. Pulssigeneraattori generoi kaksi lähtöä, nimittäin eteenpäin pulssin ja taaksepäin pulssin, jotka vastaavat myös askelmoottorin pyörimistä eteen- ja taaksepäin.
Sen määrittäminen, tuottaako pulssigeneraattori myötä- vai taaksepäin pulsseja, riippuu tulo- ja takaisinkytkentähaarojen välisen kumuloituneen virheen ja asetetun kynnysarvon vertailusta. Vertailusäännöt ovat seuraavat. Sääntö 1: Jos tulo- ja takaisinkytkentähaarojen kertyneiden virheiden summa on suurempi kuin asetettu kynnysarvo, pulssigeneraattori generoi myötäpulssin ja lähettää sen. Sääntö 2: Jos kertyneiden virheiden summa tulo- ja takaisinkytkentähaarojen välillä on pienempi kuin asetetun kynnysarvon vastakohta, pulssigeneraattori generoi käänteisen pulssin ja lähettää sen.
Avainparametri, joka määrittää algoritmin tässä artikkelissa, on näytteenottotaajuus f ennen siirtymän käyttöä syötteenä. Näytteenottotaajuuden f vaikutuksen määrittämiseksi RTPA-algoritmin suorituskykyyn tässä artikkelissa asetetaan näytteenottotaajuudet 5 kHz:iin ja 20 kHz:iin ja piirretään niiden siirtymävastekäyrät ja nopeusvastekäyrät. Tulokset näkyvät kuvassa 3.

Kuva 3 Näytteenottotaajuuden vaikutus moniakselisen kytkentäjärjestelmän algoritmin suorituskykyyn
Kuvan 3 (a) vasen puoli edustaa RTPA-algoritmin siirtymävastekäyrää näytteenottotaajuudella 5 kHz, kun taas oikea puoli edustaa RTPA-algoritmin siirtymävastekäyrää näytteenottotaajuudella 20 kHz; Kuvan 3 (b) vasen puoli edustaa RTPA-algoritmin nopeusvastekäyrää näytteenottotaajuudella 20 kHz, kun taas oikea puoli edustaa RTPA-algoritmin nopeusvastekäyrää 20 kHz:n näytteenottotaajuudella.
Kuvasta 3 (a) voidaan nähdä, että mitä suurempi näytteenottotaajuus ja pienempi näytteenottojakso, sitä nopeampi on RTPA-algoritmin siirtymävastenopeus. Vasemman ja oikean kuvan vertailusta voidaan nähdä, että kun näytteenottotaajuus on 5 kHz, RTPA-algoritmin siirtymävaste kestää 0,58 s, ja moniakselisen kytkentäjärjestelmän todellinen siirtymä voi olla vain vastaa ihanteellista siirtymää; Kun näytteenottotaajuus on 20kHz, RTPA-algoritmin siirtymävaste on 0.16s, ja moniakselisen kytkentäjärjestelmän todellinen siirtymä vastaa ihanteellista siirtymää. Tämä osoittaa, että siirtymävaste 20 kHz:n näytteenottotaajuudella on 0,42 s nopeampi kuin 5 kHz:n näytteenottotaajuudella.
Kuvasta 3 (b) voidaan nähdä, että mitä suurempi näytteenottotaajuus ja pienempi näytteenottojakso, sitä nopeampi on RTPA-algoritmin nopeuskäyrävaste. Vasemman ja oikean kaavion vertailusta voidaan nähdä, että kun näytteenottotaajuus on 5 kHz, RTPA-algoritmin nopeusvaste kestää 0,5 sekuntia moniakselisen kytkentäjärjestelmän todellisesta nopeudesta vastaa ihanteellista nopeutta; Kun näytteenottotaajuus on 20 kHz, RTPA-algoritmin nopeusvaste on 0,13 sekuntia ja moniakselisen kytkentäjärjestelmän todellinen nopeus vastaa ihanteellista nopeutta. Tämä osoittaa, että nopeusvaste 20 kHz:n näytteenottotaajuudella on 0,37 sekuntia nopeampi kuin 5 kHz:n näytteenottotaajuudella.
3. Simulaatiokoe pintatyöstöstä moniakselisessa CNC-järjestelmässä
Edellisessä työssä asento- ja asentomallinnus ja RTPA-ohjausalgoritmien suunnittelu suoritettiin vastaavasti moniakselisella kytkentäisellä CNC-järjestelmällä, ja moniakselikytkentäisen CNC-järjestelmän tehokas ohjausstrategia määritettiin analysoimalla keskeisten parametrien vaikutusta. Seuraavaksi suoritetaan simulaatiokokeet tässä artikkelissa ehdotetun moniakselisen kytkentäjärjestelmän RTPA-algoritmin ohjaussuorituskyvyn tarkistamiseksi. Simulaatiokokeessa valitaan pintatyöstö moniakselisen linkitys-CNC-järjestelmän työstökohteeksi. Kaarevat pinnat ovat tietyn monimutkaisia ​​eri koneistusyksiköissä ja vaativat tarkkoja ohjausalgoritmeja. Koko pinnan työstö suoritetaan jatkuvilla kaarevilla koneistusradoilla. Tässä artikkelissa käsiteltävän pinnan simulaatiotulokset on esitetty kuvassa 4.

Kuva 4 Tässä artikkelissa koneistettavan pinnan simulaatiotulokset
Kuvasta 4 voidaan nähdä, että tässä artikkelissa käsiteltävä pinta on pintasegmentti, joka muodostaa aksiaalisen leveyden x-suunnassa ja säteittäisen leveyden y-suunnassa, jolloin pinnan kaarevuussäde sijaitsee z-akselin suunnassa. Kuvassa 4 näkyy myös työkalun alkuasema, joka on aloituspiste, ja pinnalla oleva yhdensuuntainen käyrä osoittaa koneistusradan RTPA-algoritmin ohjauksessa.
Pinnoille on olemassa monia CNC-työstömenetelmiä, kuten ratapohjainen parametrien generointireittimenetelmä, CC-polkupohjainen poikkileikkaustietojen työstöreittimenetelmä ja polkupohjainen poikkileikkaustyöstöreittimenetelmä. Tässä artikkelissa valitaan osion tietojenkäsittelyreittimenetelmä CC-polkuun perustuen ja yhdistetään se Z-muotoiseen leikkaukseen käsittelyn viimeistelemiseksi. Koneistusprosessin aikana RTPA-algoritmilla saatujen siirtymä- ja nopeuskäyrien ohjausvaikutus x-akselin, y-akselin ja z-akselin suunnassa on esitetty kuvassa 5.

Kuva 5 RTPA-algoritmin ohjausvaikutus siirtymä- ja nopeuskäyriin kolmeen suuntaan
Kuvasta 5 (a) voidaan nähdä, että RTPA-algoritmi muodostaa kolmiomaisen aaltokäyrän siirtymän ohjaamiseksi x-akselin suunnassa. Käsittelytehtävien rajoituksista johtuen RTPA-algoritmin suurin siirtymä x-akselin suunnassa on 0 mm ja pienin arvo on lähellä -150 mm. Siirtymäkäyrän kolmioaaltojakso on 4,17 sekuntia. RTPA-algoritmi muodostaa suorakaiteen muotoisen neliöaaltokäyrän nopeuden säätämiseksi x-akselin suunnassa, mutta koneistusprosessin vaikutuksesta johtuen värinää esiintyy. RTPA-algoritmin maksiminopeus x-akselin suunnassa on lähellä 80 mm/s ja pienin arvo on lähellä {{10}} mm/s. Nopeuskäyrän suorakulmainen neliöaaltojakso on 4,17 sekuntia. Kuvasta 5 (b) voidaan nähdä, että RTPA-algoritmi muodostaa kaarevan muodon askelaalloista ohjattaessa siirtymää y-akselin suunnassa. Käsittelytehtävien rajoituksista johtuen RTPA-algoritmin suurin siirtymä y-akselin suunnassa on 0 mm ja pienin arvo on lähellä sijaintia -6 mm. Siirtymäkäyrän askelaaltojakso on 4,17 sekuntia. RTPA-algoritmi ohjaa nopeutta y-akselin suunnassa pulssiaaltojen muodossa. RTPA-algoritmin maksiminopeus y-akselin suunnassa on 0 mm/s ja pienin arvo on -10 mm/s. Nopeuskäyrän suorakulmainen neliöaaltojakso on 4,17 sekuntia.
Kuvasta 5 (c) voidaan nähdä, että RTPA-algoritmi muodostaa sinimuotoisen puoliaaltokäyrän siirtymän ohjaamiseksi z-akselin suunnassa. Käsittelytehtävien rajoituksista johtuen RTPA-algoritmin enimmäissiirtymä on 6,2 mm ja pienin siirtymä 0 mm z-akselin suunnassa. Siirtymäkäyrän sinipuoliaaltojakso on 2,08 sekuntia. RTPA-algoritmi muodostaa sahanhammasaaltokäyrän nopeuden ohjaamiseksi z-akselin suunnassa. RTPA-algoritmin maksiminopeus z-akselin suunnassa on lähellä 15 mm/s ja pienin arvo on lähellä -15 mm/s. Nopeuskäyrän saha-aaltojakso on 2,08 sekuntia.
4. Johtopäätös
Tämä artikkeli tutkii moniakselisen linkitysjärjestelmän CNC-järjestelmää. Ensinnäkin homogeenisten koordinaattien muodossa suoritetaan matemaattinen mallinnus sijainnin ja asennon muutoksille missä tahansa moniakselisen kytkentäjärjestelmän liitoksessa, ja johdetaan translaatiomatriisin ja rotaatiomatriisin generointiprosessi. Toiseksi komparaattorikomponentteihin, laskurikomponentteihin ja generaattorikomponentteihin perustuen muodostettiin palautemuotoinen RTPA-algoritmi käytännön ohjaukseen moniakselisilla linkityksillä CNC-järjestelmän koneistusprosesseissa ja analysoitiin näytteenottotaajuuden vaikutus. Lopuksi suoritettiin validointikoe käyttämällä esimerkkinä pintasimulaatiotyöstöä, ja koetulokset osoittivat, että tässä artikkelissa omaksuttu CC-polkuun perustuva leikkausdatan työstöreittimenetelmä yhdistettynä Z-muotoiseen työkalukävelyyn voi suorittaa koneistuksen onnistuneesti loppuun. Samaan aikaan RTPA-algoritmi ohjaa tehokkaasti siirtymää ja nopeutta kaikissa kolmessa koordinaattiakselin suunnassa.