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在开放式 CNC 系统中实现五轴齿条插补法. 摘要：通过利用非标准的合理 B 齿条曲线图（ NURBS ）的优势去表现空间曲线，出现了一个适用于五轴协同实时的带有双 NURBS 的指令格式的校对机，它代替了当前存在的在刻纹加工中低速、低精度、和 NC 文件数量庞大等缺陷的五轴协同线性校对机。本文阐述了用当前格式产生 NC 文件的过程，并且，我们发明了一种在开放的 CNC 系统中实现校对机的方法。本文描述了我们提出的方法的可行性和其能避免当前五轴线性分类机所有缺陷的能力。 关键词：开放式ＣＮＣ系统；刻纹表面；五轴加工；ＮＵＲＢＳ；插补法. 简介
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摘要：通过利用非标准的合理B齿条曲线图（NURBS）的优势去表现空间曲线，出现了一个适用于五轴协同实时的带有双NURBS的指令格式的校对机，它代替了当前存在的在刻纹加工中低速、低精度、和NC文件数量庞大等缺陷的五轴协同线性校对机。本文阐述了用当前格式产生NC文件的过程，并且，我们发明了一种在开放的CNC系统中实现校对机的方法。本文描述了我们提出的方法的可行性和其能避免当前五轴线性分类机所有缺陷的能力。摘要：通过利用非标准的合理B齿条曲线图（NURBS）的优势去表现空间曲线，出现了一个适用于五轴协同实时的带有双NURBS的指令格式的校对机，它代替了当前存在的在刻纹加工中低速、低精度、和NC文件数量庞大等缺陷的五轴协同线性校对机。本文阐述了用当前格式产生NC文件的过程，并且，我们发明了一种在开放的CNC系统中实现校对机的方法。本文描述了我们提出的方法的可行性和其能避免当前五轴线性分类机所有缺陷的能力。 • 关键词：开放式ＣＮＣ系统；刻纹表面；五轴加工；ＮＵＲＢＳ；插补法
简介 • 当前，在工件上生产刻纹表面的方法是在航空业、自动化、轮船，切割机和制锻业等工业上非常重要的方法。可控的高速和高精度加工过程通常是用五轴协同的CNC机器工具完成的。在CAD/CAM软件里，工件的表面刻纹设计通常用非统一合理的B齿条描述的。因此，CNC系统应该能够实时地直接产生五轴协同的NURBS刻纹。如今，尽管NURBS技术已经在CAD/CAM中广泛应用，然而在CNC系统中的应用还算落后。到目前为止，只有少数几个顶级的CNC系统比如FANUC和SIEMENS支持NURBS齿条曲线校对。如Ref[3]所示，NURBS校对和线性校对相比有很多优势，所以很值得去研究。然而，当前对NURBS的研究大多数集中在三轴协同运动上。尽管有一些论文和五轴协同NURBS校对机相关，一些国外的CNC系统制造商已经声称他们的CNC系统拥有五轴NURBS校对功能，但令我们失望的是，这些技术是禁止出口给中国的。为填补这项空白，本文试图在开发五轴协同CNC系统时实现NURBS校对机。这里有一个适合五轴协同双NURBS曲线校对机的格式以及其一般化和校对过程的计划。
双NURBS曲线校对机的格式 • 在CNC系统中实现NURBS有两种途径：(1)首先让CAM软件中的线性加工轨道在容许的误差内适应NURBS校对机的切割轨道，其次，让CNC系统执行实时NURBS校对。这种方法叫做通过GE-FANUC系统的“Fairing Interpolation”。（2）在对CAM编程的时候直接将带NURBS曲线的CAD系统中定义的几何模型转换为数控（NC）文件。CNC系统读取这部分程序并执行NURBS校对。相对于方法1，方法2更精确，因为在转换切割轨道时没有错误发生。因此，本文将讨论方法2。
典型的编程格式如图1所示，直到现在，在3轴NURBS命令中还没有标准的统一格式。程序段开始于G06.2，这也是NURBS校对的起始标志。CNC系统读取这三组数据并跟随执行相关的NURBS校对指令，但是这部分程序格式提供的信息对于5轴协同校正来说远远不够。工具轴方向的确定是不需要考虑3轴CNC校对机的工具轴方向的。五轴的轴方位必须在每个实时校对中给出。因此，工具轴方向的数据信息必须包括NURBS部分程序。在产生工具路径方法和基于给定偏向的CAM编程的过程中，切割中心点的协调者和工具轴方向矢量能够在冲突检测和修改中计算出来。双NURBS曲线校对方法的计划是在3轴NURBS命令基础上加上NURBS齿条表现方向上提出来的。五轴双NURBS曲线校对命令格式如图2所示。典型的编程格式如图1所示，直到现在，在3轴NURBS命令中还没有标准的统一格式。程序段开始于G06.2，这也是NURBS校对的起始标志。CNC系统读取这三组数据并跟随执行相关的NURBS校对指令，但是这部分程序格式提供的信息对于5轴协同校正来说远远不够。工具轴方向的确定是不需要考虑3轴CNC校对机的工具轴方向的。五轴的轴方位必须在每个实时校对中给出。因此，工具轴方向的数据信息必须包括NURBS部分程序。在产生工具路径方法和基于给定偏向的CAM编程的过程中，切割中心点的协调者和工具轴方向矢量能够在冲突检测和修改中计算出来。双NURBS曲线校对方法的计划是在3轴NURBS命令基础上加上NURBS齿条表现方向上提出来的。五轴双NURBS曲线校对命令格式如图2所示。
以G06.5开始，计划的格式的协调由切割中心点齿条控制点X_Y_Z指示，并且方向齿条的协调控制点是由关键字U，V，W表示的，它相应的权重和结矢量定义的齿条和切割中心点齿条一样。以G06.5开始，计划的格式的协调由切割中心点齿条控制点X_Y_Z指示，并且方向齿条的协调控制点是由关键字U，V，W表示的，它相应的权重和结矢量定义的齿条和切割中心点齿条一样。
工具路径装配和NC代码的产生 • 作为通用的CAD/CAM软件，Unigraphics是不能产生由五轴协同双NURBS齿条校对格式NC代码的，需要自己开发一种CAD/CAM模型。在已开发的CAD/CAM模型帮助下开NC代码的流程图如图3所示：
在开放式CNC系统中布置双NURBS曲线数据流 • 模块化结构的开放式软件CNC系统如图4所示，图中，任务产生器模块用于转换部分程序是用微软的COM技术实现的，Axis Group 模块用于实时校对和其他实时任务是用Ventur Com’s RTDLL技术实现的。
数据流 • 提出的格式的双NURBS NC代码是在我们的CAD/CAM部分首先产生的，然后被转换器分配。获得的数据被送到校正机，在这里数据根据给定的校正周期和计算的跟随控制规则的目标位置分配的。因为SoftSERCANs技术被采用，最终数据被输入到一个内部电报缓存，并且SoftSERCANs插卡和它交换数据。此时，数据报文包括移动指令通过SoftSERCANs被送到驱动通过光纤驱动电机。整个流程如图6所示：
6 例证 • 6.1 工具轴方向的鉴别 • 工具路径在CAM预处理阶段被计算，它由20线段组成，并且每个工具轴方向结束点如图7所示，是和切割中点齿条和方向齿条向吻合的。 • 通过校正C（u）和Ct（u）使用校正方法如上所述，校正点和它的相关工具轴方向能周从图7看出，我们可以看到在双NURBS校正后，工具轴方向（根据线段终点工具轴方向）确认了双NURBS校正方法的能力，保证校正在CAM计算下的工具轴方向的协议。
实时测试 • 提出的方法的实时属性在一台计算机（奔腾IV2.4GHz，512MRAM）上，并且结果如图8所示。五轴协调第二序列临界双NURBS校正算法在开始端计算每个轴。我们可以发现在双NURBS校正中平均运行时间周期将近28us，这在CNC系统占用了俄很小比例，校正周期达到2ms或者500us。
6.4 加工错误分析和试验 • 校正精度是一个评估校正方法的重要的标准。传统的线性校正段时被在CAM中分散一个曲线获得的。当提出的双NURBS校正方法直接遗传曲线校正。尽管他们都临近玄中的曲线和相关玄错误，提出的方法会导致在线性方法中一个更精确的机器表面因为它接近一个校正曲线步长。工具轨道的曲线变形点如图7，是和参数u接近的，表现了和其他所有的最小的曲率。工具轨道是用双NURBS和传统的线性校正方法，用计算的在任何校正点的曲率弦错误。数据被收集用来形成一个错误图如图9所示，从图中我们可看出，和传统的线性校正相比，提出的方法能够极大地增强加工性能，改善加工精度，并且不会被曲率的改变所影响。
