Primjena višeosnog CNC sustava u površinskoj obradi
Ovaj članak izvodi matricu translacije i matricu rotacije u obliku homogenih koordinata i matematički modelira promjene položaja i stava na bilo kojem spoju višeosnog sustava povezivanja. Konstruiran je RTPA algoritam povratne veze na temelju komponenti komparatora, komponenti brojača i komponenti generatora za praktičnu kontrolu u obradnim procesima CNC sustava s višeosnim povezivanjem, te je analiziran utjecaj frekvencije uzorkovanja. Konačno, uzimajući površinsku simulaciju strojne obrade kao primjer za eksperimentalno istraživanje, rezultati pokazuju da pod kontrolom RTPA algoritma, višeosni CNC sustav može učinkovito dovršiti površinsku obradu.
Ključne riječi: višeosni spoj; CNC sustav; Površinska obrada; RTPA algoritam
Razina integracije i automatizacije u proizvodnoj industriji postala je važan kriterij za mjerenje znanstvene i tehnološke snage zemlje. Kina je glavna proizvodna zemlja koja pokriva veliku većinu kategorija mehaničke obrade u svijetu [1], u kojoj CNC tehnologija i CNC sustavi igraju vrlo važnu ulogu. Za različite složene vrste zadataka strojne obrade samo se tehnike i metode CNC obrade s više osnih veza mogu dovršiti učinkovitije. Stoga su projektiranje CNC sustava s višeosnim povezivanjem i CNC metode obrade s višeosnim povezivanjem postali ključni sadržaj za procjenu konkurentnosti industrije mehaničke obrade i proizvodnje [3]. Trenutačno postoji određeni jaz između Kine i svjetske napredne razine u razvoju 5-osnih i gornjih CNC sustava i CNC obradnih metoda, što je postalo problem uskog grla koji ograničava duboki razvoj kineske mehaničke obrade industrija. Stoga ovaj članak kao predmet istraživanja uzima 5-osnopovezani CNC sustav, te kroz analizu matematičkog modela i istraživanje procesa upravljanja daje njegovu specifičnu primjenu u površinskoj strojnoj obradi.
1. Matematički model za postavljanje višeosnih CNC sustava
Ključ kontrolne funkcije i učinka obrade višeosnog CNC sustava leži u preciznoj karakterizaciji položaja i položaja, kao i razumnoj dinamičkoj vezi. Stoga ovaj članak prvo matematički modelira položaj i položaj CNC sustava s višeosnim povezivanjem u obliku homogenih koordinata.
Završetak niza radnji u višeosnom spojnom CNC obradnom sustavu očituje se kao kumulativni učinak rotacijskih i translacijskih gibanja različitih zglobova i osi u trodimenzionalnom prostoru. Stoga, opis CNC sustava s višeosnim povezivanjem iz matematičke perspektive ovisi o karakterizaciji matrice rotacije i matrice translacije.
Ako se bilo koja točka A u prostoru transformira u položaj točke A 'kroz translaciju, i translira a, b i c jedinice na koordinatnim osima x, y i z, tada postoji translacijski odnos kao što je prikazano u formuli (1).
Ako se bilo koja točka A u prostoru transformira u položaj točke A 'kroz rotaciju, a njezin kut rotacije oko z je θ, dakle postoji odnos rotacije kao što je prikazano u formuli (2).
Slično se mogu dobiti i rotacijske matrice oko y-osi i x-osi u bilo kojoj točki, kao i homogeni izrazi ovih dviju matrica. Daljnjim promicanjem ovog pristupa može se dobiti rotacijska matrica za bilo koju točku oko bilo koje osi u prostoru, što će se također manifestirati kao kombinacija rotacijskog gibanja oko x, y i z osi. Dobivanjem matrice translacije i matrice rotacije promjene položaja u bilo kojoj točki prostora može se uspostaviti matematički model promjene položaja u toj točki. Ovaj pristup se također odnosi na bilo koji koordinatni sustav u prostoru i bilo koji objekt u prostoru. Proces CNC obrade s višeosnim povezivanjem kombinirani je učinak višestrukih translacijskih pokreta i rotacijskih kretanja oko više osi na radnom kraju koji preuzima zadatak strojne obrade.
Pretpostavljajući da je transformacija položaja krajnjeg efektora sustava povezivanja s više osi prikazana na slici 1. Kao što je prikazano na slici 1, krajnji efektor sustava povezivanja s više osi prošao je dvije transformacije, od kojih je jedna bila translacijsko gibanje duž x i y osi, a drugi je bio rotacija od 90 stupnjeva oko z osi.
Slika 1. Transformacija položaja krajnjeg efektora višeosnog spojnog sustava
Može se vidjeti da se gornjom metodom modeliranja može opisati kombinacija translatornog i rotacijskog gibanja za bilo koji zglob i radnju u sustavu povezivanja s više osi.
2. Upravljanje procesom višeosnog CNC sustava
Nakon što smo mogli opisati višeosni spojni CNC sustav putem matematičkih modela, poteškoća cijelog CNC procesa je kako postaviti CNC program i omogućiti sustavu da dovrši zadatke strojne obrade prema utvrđenoj ruti. Ovaj članak dizajnira algoritam pulsnog upravljanja s dobrim performansama u stvarnom vremenu za proces obrade višeosnih CNC sustava, skraćeno RTPA (Algoritam pulsa u stvarnom vremenu).
Proces CNC obrade općenito se postiže i dovršava algoritmima interpolacije, a upravljanje svakom osi u CNC obradi temelji se na impulsu koračnog motora, što zahtijeva formiranje odgovarajućeg odnosa između procesa interpolacije i vremena generiranja impulsa. . Međutim, izvedba tradicionalnih procesa interpolacije temeljena na frekvenciji impulsa u stvarnom vremenu nije idealna. Stoga ovaj članak dizajnira novi algoritam za generiranje impulsa s boljim performansama u stvarnom vremenu iz perspektive algoritma VF transformacije (frekvencija napona). Slijed impulsa generiran ovim algoritmom može postići učinkovitiju kontrolu višeosnih CNC sustava.
Ovaj algoritam koristi komponente komparatora, komponente brojača i komponente generatora za zajedničko generiranje sekvenci impulsa s dobrim performansama u stvarnom vremenu. Shematski dijagram algoritma prikazan je na slici 2.
Slika 2. Principijelni blok dijagram RTPA upravljačkog algoritma za višeosni sustav povezivanja
Prema slici 2, može se vidjeti da se pomak zgloba ili krajnjeg uređaja u sustavu povezivanja s više osi uzorkuje i koristi kao ulaz za RTPA algoritam, s frekvencijom uzorkovanja od f. Nakon unosa uzorkovane vrijednosti pomaka, ona se uspoređuje s ekvivalentom impulsa koji formira brojač impulsa na grani povratne sprege, a razlika između ta dva se unosi u generator impulsa kao osnova prosudbe za generiranje sekvence impulsa. Generator impulsa će generirati dva izlaza, naime impuls naprijed i povratni impuls, koji također odgovaraju rotaciji koračnog motora naprijed i natrag.
Određivanje hoće li generator impulsa generirati impulse naprijed ili natrag ovisi o usporedbi između akumulirane pogreške između ulazne i povratne grane i postavljene vrijednosti praga. Pravila usporedbe su sljedeća. Pravilo 1: Ako je zbroj akumuliranih pogrešaka između grana ulaza i povratne veze veći od postavljene vrijednosti praga, generator impulsa generira impuls naprijed i šalje ga. Pravilo 2: Ako je zbroj akumuliranih pogrešaka između ulazne i povratne grane manji od suprotnog od postavljene vrijednosti praga, generator impulsa generira povratni impuls i šalje ga.
Ključni parametar koji određuje algoritam u ovom članku je frekvencija uzorkovanja f prije korištenja pomaka kao ulaza. Kako bi se odredio utjecaj frekvencije uzorkovanja f na izvedbu RTPA algoritma, ovaj članak postavlja frekvencije uzorkovanja na 5 kHz odnosno 20 kHz i iscrtava njihove krivulje odziva pomaka i krivulje odziva brzine. Rezultati su prikazani na slici 3.
Slika 3 Utjecaj učestalosti uzorkovanja na izvedbu algoritma višeosnog sustava povezivanja
Lijeva strana slike 3 (a) predstavlja krivulju odziva pomaka RTPA algoritma na frekvenciji uzorkovanja od 5 kHz, dok desna strana predstavlja krivulju odziva pomaka RTPA algoritma na frekvenciji uzorkovanja od 20 kHz; Lijeva strana slike 3 (b) predstavlja krivulju brzine odziva RTPA algoritma na frekvenciji uzorkovanja od 20 kHz, dok desna strana predstavlja krivulju brzine odziva RTPA algoritma na frekvenciji uzorkovanja od 20 kHz.
Na slici 3 (a) može se vidjeti da što je veća frekvencija uzorkovanja i kraći period uzorkovanja, to je veća brzina odziva pomaka RTPA algoritma. Iz usporedbe lijeve i desne slike, može se vidjeti da kada je frekvencija uzorkovanja 5kHz, odziv pomaka RTPA algoritma traje 0.58 s, a stvarni pomak višeosnog sustava povezivanja može samo odgovaraju idealnom pomaku; Kada je frekvencija uzorkovanja 20kHz, odziv pomaka RTPA algoritma je 0.16s, a stvarni pomak višeosnog sustava povezivanja odgovara idealnom pomaku. Ovo ukazuje da je odziv pomaka pri frekvenciji uzorkovanja od 20 kHz 0,42 s brži od onog pri frekvenciji uzorkovanja od 5 kHz.
Na slici 3 (b) može se vidjeti da što je veća frekvencija uzorkovanja i kraći period uzorkovanja, brži je odgovor krivulje brzine RTPA algoritma. Iz usporedbe lijevog i desnog grafikona, može se vidjeti da kada je frekvencija uzorkovanja 5 kHz, odziv brzine RTPA algoritma traje 0.5 sekundi za stvarnu brzinu višeosnog sustava povezivanja do odgovaraju idealnoj brzini; Kada je frekvencija uzorkovanja 20 kHz, brzina odziva RTPA algoritma je 0.13 sekundi, a stvarna brzina višeosnog sustava povezivanja odgovara idealnoj brzini. To znači da je odziv brzine pri frekvenciji uzorkovanja od 20 kHz 0,37 sekundi brži od onog pri frekvenciji uzorkovanja od 5 kHz.
3. Simulacijski eksperiment površinske obrade u višeosnom CNC sustavu
U prethodnom radu, modeliranje položaja i položaja i dizajn algoritma upravljanja RTPA su redom provedeni za višeosni spojni CNC sustav, a učinkovita strategija upravljanja višeosnim spojnim CNC sustavom određena je analizom utjecaja ključnih parametara. Zatim će se provesti simulacijski eksperimenti kako bi se potvrdila izvedba kontrole RTPA algoritma višeosnog sustava povezivanja predloženog u ovom radu. Simulacijski eksperiment odabire površinsku strojnu obradu kao objekt strojne obrade višeosnog CNC sustava. Zakrivljene površine imaju određeni stupanj složenosti u različitim obradnim jedinicama i zahtijevaju precizne algoritme upravljanja. Strojna obrada cijele površine dovršena je kontinuiranim krivuljama obrade. Rezultati simulacije površine koja se obrađuje u ovom članku prikazani su na slici 4.
Slika 4 Rezultati simulacije površine koja se obrađuje u ovom članku
Na slici 4 se može vidjeti da je površina koja se obrađuje u ovom članku segment površine koji čini aksijalnu širinu u x-smjeru i radijalnu širinu u y-smjeru, s radijusom zakrivljenosti površine koji se nalazi u smjeru z-osi. Slika 4 također prikazuje početni položaj alata koji je početna točka, a paralelna krivulja na površini označava putanju obrade pod kontrolom RTPA algoritma.
Postoje mnoge CNC metode obrade površina, kao što je metoda obrade rute generiranja parametara na temelju putanje, metoda rute obrade podataka poprečnog presjeka na temelju CC putanje i metoda rute obrade poprečnog presjeka na temelju putanje. Ovaj članak odabire metodu rute obrade podataka sekcije na temelju CC putanje i kombinira je s rezanjem u obliku slova Z kako bi se dovršila obrada. Tijekom procesa strojne obrade, kontrolni učinak krivulja pomaka i brzine dobivenih RTPA algoritmom u smjerovima x-osi, y-osi i z-osi prikazan je na slici 5.
Slika 5 Kontrolni učinak RTPA algoritma na krivulje pomaka i brzine u tri smjera
Sa slike 5 (a) može se vidjeti da RTPA algoritam formira trokutastu valnu krivulju za kontrolu pomaka u smjeru x-osi. Zbog ograničenja zadataka obrade, najveći pomak RTPA algoritma u smjeru x-osi je 0 mm, a minimalna vrijednost je blizu -150 mm. Trokutasti valni period krivulje pomaka iznosi 4,17 sekundi. RTPA algoritam oblikuje pravokutnu pravokutnu valnu krivulju za kontrolu brzine u smjeru x-osi, ali postoji nešto podrhtavanja zbog utjecaja procesa obrade. Maksimalna brzina RTPA algoritma u smjeru x-osi je blizu 80 mm/s, a minimalna vrijednost je blizu {{10}} mm/s. Period pravokutnog kvadratnog vala krivulje brzine iznosi 4,17 sekundi. Sa slike 5 (b) može se vidjeti da RTPA algoritam formira zakrivljeni oblik koračnih valova u kontroli pomaka u smjeru osi y. Zbog ograničenja zadataka obrade, maksimalni pomak RTPA algoritma u smjeru y-osi je 0 mm, a minimalna vrijednost je blizu položaja od -6 mm. Period koraka vala krivulje pomaka je 4,17 sekundi. RTPA algoritam kontrolira brzinu u smjeru y-osi u obliku pulsnih valova. Najveća brzina RTPA algoritma u smjeru y-osi je 0 mm/s, a minimalna vrijednost je -10 mm/s. Period pravokutnog kvadratnog vala krivulje brzine iznosi 4,17 sekundi.
Sa slike 5 (c) može se vidjeti da RTPA algoritam formira sinusoidnu poluvalnu krivulju za kontrolu pomaka u smjeru z-osi. Zbog ograničenja zadataka obrade, RTPA algoritam ima najveći pomak od 6,2 mm i minimalni pomak od 0 mm u smjeru z-osi. Period sinusnog poluvala krivulje pomaka iznosi 2,08 sekundi. RTPA algoritam oblikuje pilastu valnu krivulju za kontrolu brzine u smjeru z-osi. Maksimalna brzina RTPA algoritma u smjeru z-osi je blizu 15 mm/s, a minimalna vrijednost je blizu -15 mm/s. Period pilastog vala krivulje brzine je 2,08 sekundi.
4. Zaključak
Ovaj članak istražuje višeosni CNC sustav povezivanja. Prvo, u obliku homogenih koordinata, izvodi se matematičko modeliranje na promjenama položaja i položaja na bilo kojem spoju višeosnog spojnog sustava, te se izvodi proces generiranja matrice translacije i matrice rotacije. Drugo, konstruiran je RTPA algoritam s povratnom vezom na temelju komponenti komparatora, komponenti brojača i komponenti generatora za praktičnu kontrolu u obradnim procesima višeosnog CNC sustava, te je analiziran utjecaj frekvencije uzorkovanja. Naposljetku, proveden je validacijski eksperiment korištenjem strojne simulacije površine kao primjera, a eksperimentalni rezultati su pokazali da metoda obrade podataka o presjeku temeljena na CC putanji usvojenoj u ovom radu, u kombinaciji s hodanjem alata u obliku slova Z, može uspješno dovršiti strojnu obradu. U međuvremenu, RTPA algoritam učinkovito kontrolira pomak i brzinu u sva tri smjera koordinatne osi.
