擺頭轉臺五軸數控機床RTCP算法的研究

李憲輝

摘 要：數控機床，特別是五軸數控機場的加工技術，一直是我國研究的重點，五軸數控機床，由于受到旋轉運動影響，使得機床進行軸線性，的插補合成運動的時候，經常會造成刀位偏移，不按照原本編程的直線進行運動，使得實際機床的運動，和機床的變成之間出現誤差，而出現的這種誤差在，通常情況下，被稱之為非線性誤差，為了減少非線性誤差，讓機床更加精準，本文就擺頭轉臺五軸數控機床，RTCP算法進行研究，希望對于數控機床精準度有所幫助。

關鍵詞：非線性誤差；運動求解；RTCP

轉頭擺動五軸數控機床其本身，在實際的應用中，由于對于復雜曲面的加工。具有非常大的去除率，以及干涉、消除加工等特點，使得其在船舶、航空航天以及汽車的制造方面，都有著非常廣泛的應用，而現在我國的轉頭擺動五軸數控機床，無論是在機床性能，還是在精準度上都不能跟進口機器相比。轉頭擺動五軸數控機床在實際的運行過程中，經常會出現，機床運動軌跡出現偏差的現象，為了減少這種非線性誤差，就必須對機床進行RTCP算法的研究。

1 轉頭擺動五軸數控機床背景

相比較于國外的，轉頭擺動五軸數控機床研究技術，我國的RTCP算法研究，已經非常的落后了，現在國外的很多高檔的，數控系統已經具備了RTCP功能，而在數控梓潼的核心技術方面，RTCP的核心技術仍舊是保密的，雖然國內對于RTCP功能，也進行了很多的研究，像是趙薇等設計的，RTCP功能集成插補算法，并給出了算法的理論，進行了算法的仿真實驗和誤差分析，實驗的結果很好的表明了，RTCP功能插補算法，可以很好的減少，非線性的誤差，針對實時性要求也能很好的滿足，并且簡單易行，可以廣泛的應用于CNC系統之中。

而董超杰等，對雙擺頭五坐標機床進行的，非常線性誤差昌盛的機理，以及機床運動的原理的研究，也介紹了一種RTCP功能集成的插補算法，RTCP功能可以非常有效的，讓數控系統自動的，對非線性誤差進行補償，通過旋轉軸進行實時補償，來保證機床隨時都處于，正確的編程軌跡上，并通過MATLAB仿真計算，來對該算法進行驗證，證實了該系統能夠有效的減少非線性誤差。

2 五軸RTCP功能及研究必要性

在三軸銑削加工時，由于沒有旋轉軸運動，刀具中心點軌跡與刀控點軌跡是等距線，不存在非線性誤差的補償問題，但在五軸加工時，由于刀具中心點與刀控點存在距離偏移，刀具的旋轉運動引起刀具中心的附加移動即產生非線性誤差，當刀具中心點進行直線運動時，刀控點以曲線形式的軌跡運動.采用RTCP功能可以直接編程刀具中心點的軌跡，使得數控程序獨立于具體的機床結構，數控系統會自動計算，并保持刀具中心總始終在編程軌跡上，由旋轉軸運動引起的非線性誤差，都會被位移軸的運動所補償，從而滿足加工要求。

非線性誤差的產生，跟機床整體的結構，有著非常大的影響，前置刀位的計算通用化也非常難以考慮，而在后置的處理過程中，也會對機床的結構進行校驗，保證誤差不會超出許用值，而一旦超出許用值，就必須對相應的到位進行調整，進行修整處理，直到達到標準誤差之內，同時在刀位數據進行后置處理中，也不能再對刀具，以及零件的型面信息，進行信息的接觸，因此對于非線性誤差不能完全的解決，只能變成近似標準值。

3 RTCP算法的研究

RTCP功能：

RTCP功能主要是為了，解決轉頭擺動五軸數控機床的，非常線性誤差的問題，目前只能對非線性誤差進行補償，不能對其進行徹底的解決，而補償也只能讓誤差變為，近似編程數據，而不能完全消除，因此需要用轉頭擺動五軸數控機床，對工件進行長度的補償時，或者是需要用到兩個旋轉的刀頭時，就需要用到RTCP功能，來對執刀的工具進行，中心點的路徑的調整和移動，來增加零件加工的精準度，來減少非線性的誤差。

4 實現RTCP功能的主要技術難點

由于受到旋轉運動的影響，引起五軸聯動機床各軸實際運動偏離編程直線，產生非線性誤差，實現各插補軸的速度控制也是RTCP功能開發的關鍵技術。由于在加減速規劃時，為了提高工件的表面加工質量，需要刀具中心點速度滿足連續性要求，同時保證各軸的速度及加速度滿足機床的加減速要求。

5 RTCP算法的實現

基于以上分析，本文從五軸加工中的非線性誤差的控制、各軸速度控制及基于參數化配置的運動學模型的建立等方面對RTCP算法進行研究。

5.1 非線性誤差的控制

非線性誤差控制是實現RTCP技術的關鍵問題之一。由于補償算法與選用的機床類型相關，不失一般性，以下以雙轉臺結構的數控機床為例進行分析。對于其它類型的五軸機床的數學模型與此類似，只是坐標系的選取、旋轉軸的代號及旋轉變換矩陣有所變化。

5.2 基于前瞻算法的速度控制

為了提高工件表面的加工質量，本文采用基于刀觸點進行加減速規劃，但可能造成各軸的速度超出機床的最大加減速能力.為此，本文在加減速控制模塊中增加了加工運動誤差控制及各軸速度約束，通過對各軸運動速度的調整來保證加工速度的平穩性、使加速度大小不超出機床加減速能力.速度控制算法的流程圖.基于二分法實現軌跡細分，保證各軌跡點問的誤差滿足加工誤差的要求；通過運動學變換實現由工件坐標系中的坐標點到軸坐標系坐標點之間的映射；最后，根據加減速特性，通過各軸速度的前瞻控制算法實現各軌跡點處的最優速度，從而提高加工效率。

5.3 基于參數配置的運動學模型

由于RTCP技術采用工件坐標系編程，不同的機床結構對應于不同的運動學變換，使得加工代碼對于機床結構的依賴性較大，造成同一加工程序不能在不同結構機床上運行，因此需要建立基于參數配置的運動學模型。五軸機床的結構形式種類繁多，但是按照旋轉軸的分布可以將其分為3種類型：雙擺頭結構、雙轉臺結構、擺頭轉臺結構.根據機床不同的結構類型及各種機床的結構尺寸，如樞軸中心距及刀具尺寸等，實現五軸機床結構的參數化描述，由機床廠家或系統操作人員，根據具體機床結構及刀具尺寸進行配置。使系統滿足多種結構機床加工的運動學要求。

6 結論

綜上所述，運用RTCP算法對，轉頭擺動五軸數控機床進行研究，主要是利用線性插補的方式，在旋轉軸之間進行插補，在每個插補步長內，對這種非現行誤差，進行補償，來達到要求的精準度，讓每一段加工的程序，來對非線性誤差進行細分，從而達到提高轉頭擺動五軸數控機床，加工精準度的目的，通過對各軸承之間的速度進行控制，來減少機床振動，讓轉頭擺動五軸數控機床加工，工件的質量得到上升。通過RTCP算法來滿足加工的需求。

參考文獻

[1]唐清春，黎國強，劉謙，等.擺頭轉臺五軸數控機床RTCP算法的研究？[J].組合機床與自動化加工技術，2016（5）：39-42.

[2]顧瀟.五軸聯動機床RTCP控制及其結構參數測量研究[D].華中科技大學，2016.

[3]彭錦群.五軸加工同步精度評價與診斷[D].華中科技大學，2016.

[4]姜忠，丁杰雄，王偉，等.基于RTCP功能的五軸數控機床動態誤差溯源方法[J].機械工程學報，2016，52（7）：187-195.