吳繼春,周滅旨,許 可,胡 柱,周會(huì)成,范大鵬

(1.湘潭大學(xué) 復(fù)雜軌跡加工工藝及裝備教育部工程研究中心,湖南 湘潭 411105;2.華中科技大學(xué) 國(guó)家數(shù)控系統(tǒng)工程研究中心,湖北 武漢 430074;3.國(guó)防科技大學(xué) 智能科學(xué)學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410073)

1 問(wèn)題的描述

不斷地提高加工的質(zhì)量和效率是數(shù)控技術(shù)研究學(xué)者一直以來(lái)的追求,插補(bǔ)技術(shù)是數(shù)控技術(shù)的核心技術(shù),而速度規(guī)劃是插補(bǔ)技術(shù)的重要組成部分,保證加工過(guò)程中速度、加速度等運(yùn)動(dòng)參數(shù)的連續(xù)性,是促進(jìn)零件加工質(zhì)量和效率提升的關(guān)鍵因素之一。

表面質(zhì)量主要通過(guò)切削力、工藝參數(shù)優(yōu)化來(lái)預(yù)估,通過(guò)計(jì)算表面粗糙度來(lái)衡量[1-2]。而對(duì)另類表面損傷性缺陷,在尺度上比表面粗糙度大很多,工程師和科研人員往往重視不夠而未進(jìn)行深入研究。引起表面損傷性缺陷原因很多,運(yùn)動(dòng)參數(shù)是引起表面損傷性缺陷因素之一。三菱數(shù)控系統(tǒng)[3]提出SSS(super smooth surface)控制來(lái)減少過(guò)渡面的缺陷,主要通過(guò)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃來(lái)減少過(guò)渡面的表面缺陷,如圖1所示,通過(guò)設(shè)置合適的運(yùn)動(dòng)參數(shù),表面缺陷有明顯改善。這種缺陷確實(shí)比表面粗糙度要大很多,可以直接觀察得到,但這種缺陷在過(guò)渡面又很難完全避免,只能盡量減少。

a 表面缺陷明顯 b 表面缺陷改善圖1 過(guò)渡面加工

已有很多研究者對(duì)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃進(jìn)行了廣泛的研究。近年來(lái)研究的重點(diǎn)是如何在滿足實(shí)際機(jī)床的加速度約束和捷度約束下,使速度曲線在時(shí)間軸上具有連續(xù)的加速度和捷度,同時(shí)控制速度波動(dòng)。ERKORKMAZ等[4]提出捷度約束的加減速控制方法,即S型加減速方法,捷度作為時(shí)間的常數(shù),加速度、速度、位移分別是關(guān)于時(shí)間的一次、二次、三次函數(shù),這種方法應(yīng)用非常廣泛。LIN等[5]首先根據(jù)刀具軌跡的幾何性質(zhì)對(duì)其分段,預(yù)估首末點(diǎn)進(jìn)給速度和對(duì)應(yīng)段近似距離,將要規(guī)劃的軌跡分成7種情形,對(duì)每一段進(jìn)行S型速度規(guī)劃,但是這種方法沒(méi)有考慮勻加速情況。進(jìn)一步,有潘海鴻等[6]考慮一般情形,將可能出現(xiàn)的情況分為17種情形。石川等[7]也研究了S曲線加減速方式,采用解析式方法或者迭代法給出了詳細(xì)的數(shù)學(xué)描述,并進(jìn)行仿真求解。

LEE等[8]提出一種離線的速度規(guī)劃方法,在NURBS曲線插補(bǔ)器中實(shí)現(xiàn)了速度曲線在加速度上的連續(xù)。BEUDAERT等[9]和DU等[10]提出一種實(shí)時(shí)柔性加減速控制的NURBS曲線插補(bǔ)器,實(shí)現(xiàn)了速度曲線的加速度連續(xù),并將捷度波動(dòng)控制在很小的范圍內(nèi)。富宏亞等[11]針對(duì)樣條段間轉(zhuǎn)接時(shí)對(duì)機(jī)床的機(jī)械沖擊,提出一種基于曲率特性的柔性加減速控制方法,使數(shù)控機(jī)床的速度變化更加平穩(wěn),并具有良好的實(shí)時(shí)性。SUN等[12]根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)與幾何學(xué)的驅(qū)動(dòng)約束,在敏感區(qū)域調(diào)整加速度與捷度,提出曲線演變策略保證加減速性能要求。羅福源等[13]提出在運(yùn)動(dòng)路程未知的情況下不依賴于弧長(zhǎng)精確計(jì)算的正向和反向同步加速的插補(bǔ)新算法,其本質(zhì)仍是關(guān)于時(shí)間軸的速度、加速度連續(xù)性能的插補(bǔ)方法。田軍鋒等[14]提出了改進(jìn)的S型曲線加減速算法,根據(jù)S型曲線對(duì)稱性和初、末速度不同的特點(diǎn),重新推導(dǎo)了公式并簡(jiǎn)化了算法,可快速規(guī)劃各個(gè)階段的運(yùn)行時(shí)間。PAOLO等[15]提出一種算法利用最優(yōu)控制問(wèn)題解決軸插補(bǔ)問(wèn)題,假設(shè)一個(gè)路徑跟蹤誤差的約束以此計(jì)算整個(gè)軌跡的最優(yōu)速度曲線。GUO等[16]針對(duì)約束條件多,數(shù)控系統(tǒng)難以滿足實(shí)時(shí)計(jì)算的挑戰(zhàn),提出了凸優(yōu)化問(wèn)題,能夠很好地逼近近似計(jì)算來(lái)滿足實(shí)時(shí)性要求。ZHANG等[17]也提出了參數(shù)曲線的解析約束解生成速度最優(yōu)曲線,滿足了實(shí)時(shí)加工的運(yùn)動(dòng)性能。DONG等[18]提出目標(biāo)進(jìn)給速度過(guò)濾器(Target Feedrate Filter,TFF)和單元共同技術(shù)來(lái)提高進(jìn)給速度曲線的平滑度并減少對(duì)前瞻的負(fù)荷。JAHANPOUR等[19]通過(guò)建立速度斜率糾正系數(shù),修正五次速度多項(xiàng)式,從而達(dá)到速度平滑目的。CHEN等[20]提出用解析方法建模來(lái)獲得最小的速度波動(dòng)和輪廓誤差。在五軸雙轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)床上,提出基于時(shí)間最優(yōu)的速度規(guī)劃并開(kāi)發(fā)出速度波動(dòng)小的插補(bǔ)算法。JAHANPOUR等[21]考慮在拐角處用修調(diào)的五次速度樣條曲線過(guò)渡,然后考慮在終點(diǎn)和捷度約束拐角利用速度斜率糾正系數(shù)來(lái)平滑速度,提出了在拐角處重新規(guī)劃加減速時(shí)間。JIN等[22]提出基于G2連續(xù)的Bezier曲線的最優(yōu)速度插補(bǔ)方法。SU等[23]采用滑行弧長(zhǎng)管(Sliding Arc Tube,SAT)來(lái)劃分速度區(qū)間,在劃分區(qū)間內(nèi)采用單一進(jìn)給規(guī)劃速度,減少速度波動(dòng)。WANG等[24]提出了分兩階段的速度規(guī)劃,在離線階段首先根據(jù)幾何和動(dòng)力學(xué)約束對(duì)加工軌跡進(jìn)行劃分,然后進(jìn)行速度規(guī)劃。在實(shí)時(shí)階段,預(yù)估每段的平均速度獲取最小的速度波動(dòng)。XU等[25]考慮主軸切削力、代碼行號(hào)及軸的進(jìn)給速度等因素,采用多目標(biāo)方法來(lái)優(yōu)化進(jìn)給速度。海德漢公司針對(duì)這種往復(fù)刀具軌跡的曲面提出相鄰軌跡一致性控制方法[26],如圖2所示,通過(guò)設(shè)置合理的速度、加速度及捷度等運(yùn)動(dòng)參數(shù),使得往返軌跡具有一致性,減少表面由于軌跡不一致引起的凸凹等明顯的損傷性缺陷。

a 優(yōu)化前 b 優(yōu)化后圖2 相鄰軌跡控制

不管是在刀具軌跡生成階段提高幾何連續(xù)的階次,還是在速度規(guī)劃階段提高速度曲線的連續(xù)階次,都是為了降低曲面加工時(shí)由于曲率急劇變化而產(chǎn)生加速度和捷度沖擊,以便機(jī)床能夠快速響應(yīng)。但幾何屬性和運(yùn)動(dòng)指令不連續(xù)依然會(huì)導(dǎo)致曲面形貌的凹坑與不平滑。實(shí)際的速度、加速度等運(yùn)動(dòng)參數(shù)在加工過(guò)程中動(dòng)態(tài)產(chǎn)生的量,其連續(xù)性需要有加工過(guò)程中記錄的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)才能分析出來(lái)。通常采用試加工的方法來(lái)測(cè)試零件表面質(zhì)量,若不符合要求,則直接修改加工工藝參數(shù),而加工過(guò)程中運(yùn)動(dòng)參數(shù)沒(méi)有保存而浪費(fèi)了。在同一加工條件下,即具有相同動(dòng)力學(xué)機(jī)床、相同刀具條件下,本文通過(guò)保存運(yùn)動(dòng)參數(shù),將運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行可視化來(lái)直接預(yù)測(cè)表面質(zhì)量,且進(jìn)行局部加工工藝參數(shù)優(yōu)化。通過(guò)運(yùn)行G代碼,生成二進(jìn)制Biip.dat文件,建立插補(bǔ)點(diǎn)以及完成映射插補(bǔ)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)著色,即完成重構(gòu)曲面,如圖3所示。將二進(jìn)制Biip.dat文件導(dǎo)入可視化軟件Iscope建立行號(hào)與零件空間點(diǎn)映射,評(píng)估表面質(zhì)量及鄰軌跡運(yùn)動(dòng)參數(shù)的合理性。因此,本文提出一種運(yùn)動(dòng)參數(shù)可視化的零件表面質(zhì)量預(yù)估方法,包括：①通過(guò)插補(bǔ)點(diǎn)重構(gòu)零件曲面方法;②基于生成的刀位曲面,進(jìn)行運(yùn)動(dòng)參數(shù)顏色漸變處理,生成可視化圖的方法;③基于可視化圖預(yù)估零件表面質(zhì)量的方法。

圖3 數(shù)控模擬裝置

1 零件形狀的刀位曲面重構(gòu)

以插補(bǔ)周期或更短的位置環(huán)、電流環(huán)控制周期為采樣單位,在數(shù)控系統(tǒng)中記錄各軸的控制位置這類幾何信息。進(jìn)一步從各軸的控制位置重構(gòu)出刀位點(diǎn)在工件坐標(biāo)系下的位置,將全部刀位點(diǎn)位置張成的曲面稱為刀位曲面。在加工控制的不同階段,會(huì)有不同的刀位點(diǎn)位置記錄,包括插補(bǔ)之后的指令刀位點(diǎn)位置、電機(jī)編碼器測(cè)量的半閉環(huán)反饋刀位點(diǎn)位置、光柵尺測(cè)量的全閉環(huán)反饋刀位點(diǎn)位置。根據(jù)不同采樣環(huán)節(jié)的刀位點(diǎn)數(shù)據(jù)可重構(gòu)出不同的刀位點(diǎn)曲面。如圖4所示,每一個(gè)控制周期都可記錄一個(gè)指令刀位點(diǎn)坐標(biāo)p1、一個(gè)反饋刀位點(diǎn)坐標(biāo)p2,都存在一個(gè)實(shí)際刀位點(diǎn)坐標(biāo)p3和一個(gè)刀具切觸點(diǎn)坐標(biāo)p4。其中：p1集合構(gòu)成指令刀位點(diǎn)曲面、p2集合構(gòu)成反饋刀位點(diǎn)曲面、p3集合構(gòu)成實(shí)際刀位點(diǎn)曲面、p4集合構(gòu)成實(shí)際成形曲面。

圖4 加工過(guò)程中幾種刀位點(diǎn)的位置關(guān)系

2 運(yùn)動(dòng)參數(shù)在刀位曲面的可視化

表面損傷性缺陷是指在曲面形貌上較為明顯的凸起或凹坑。如圖5所示的零件表面上紅色線條圈出的部分都是較為明顯的表面缺陷。這種表面損傷性缺陷在尺度上比表面粗糙度要大很多,可以很容易觀察出來(lái)。雖然損傷性缺陷外觀很明顯,但其成因也較為復(fù)雜。運(yùn)動(dòng)參數(shù)的不連續(xù)是導(dǎo)致表面凸起或凹坑的必要條件,因此在文中僅考慮運(yùn)動(dòng)參數(shù)可視化來(lái)預(yù)測(cè)表面質(zhì)量,進(jìn)一步通過(guò)加工參數(shù)優(yōu)化,得到新的一組運(yùn)動(dòng)參數(shù),通過(guò)其可視化效果來(lái)驗(yàn)證與表面質(zhì)量改善的一致性。

圖5 曲面形貌的表面缺陷

刀位點(diǎn)在空間張成的形狀是一張曲面,需要研究的是速度等運(yùn)動(dòng)參數(shù)在曲面上的不連續(xù)特征,從而評(píng)價(jià)運(yùn)動(dòng)參數(shù)在曲面上的性能,通過(guò)其在刀位曲面上的表達(dá),獲得運(yùn)動(dòng)參數(shù)可視化圖。將運(yùn)動(dòng)量進(jìn)行灰值化或彩色化,每一個(gè)運(yùn)動(dòng)量對(duì)應(yīng)一個(gè)顏色值,不同值有不同的顏色,在最大最小值之間采用漸變算法,這樣就可以獲得運(yùn)動(dòng)參數(shù)的可視化圖形,其本質(zhì)是一個(gè)有顏色的刀位曲面圖?？梢暬瘓D形可以表示為：

CMap={(x,y,z,VF)|Ui?Vj,(x,y,z)∈Ui,VF∈Vj},i=1,…,n,j=1,…,m。

(1)

其中：x,y,z為刀位點(diǎn)的空間坐標(biāo),可以有3種刀位點(diǎn)選擇,分別是指令刀位點(diǎn)、電機(jī)編碼器反饋刀位點(diǎn)、光柵尺反饋刀位點(diǎn)。VF為運(yùn)動(dòng)量,包括速度、加速度和捷度,可以是某一個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)量,也可以是三軸的合成運(yùn)動(dòng)量。運(yùn)動(dòng)參數(shù)可視化流程如下：

(1)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集 開(kāi)放和采集數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)包含加工對(duì)象和工藝條件,采集的插補(bǔ)數(shù)據(jù)對(duì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)可視化圖的形成提供數(shù)據(jù)源。數(shù)控系統(tǒng)在插補(bǔ)控制的周期中將定制的數(shù)據(jù)項(xiàng)復(fù)制到循環(huán)緩沖區(qū)中,通過(guò)另外一個(gè)線程將緩沖中的數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)脚c數(shù)控系統(tǒng)相連接的計(jì)算機(jī)上或存儲(chǔ)到本地的存儲(chǔ)卡中。數(shù)據(jù)采集的周期為1 ms,同時(shí)記錄數(shù)據(jù)項(xiàng)數(shù)可達(dá)32項(xiàng),最長(zhǎng)連續(xù)記錄時(shí)間只受與數(shù)控系統(tǒng)相連接的計(jì)算機(jī)硬盤空間限制。插補(bǔ)周期是采集插補(bǔ)數(shù)據(jù)等重要參數(shù),插補(bǔ)周期越小采集的插補(bǔ)點(diǎn)越多,對(duì)零件表面重構(gòu)和在微觀尺寸下對(duì)表面的描述越準(zhǔn)確,更有利于評(píng)估方法的準(zhǔn)確性。將插補(bǔ)周期大小可以看作為一個(gè)參數(shù),參數(shù)設(shè)置越合理,越有利于表面質(zhì)量的評(píng)估。

(2)刀位曲面生成 在加工控制的不同階段,會(huì)有不同的刀位點(diǎn)位置記錄。不同采樣環(huán)節(jié)的刀位點(diǎn)數(shù)據(jù)可重構(gòu)出不同的刀位點(diǎn)曲面。

(3)運(yùn)動(dòng)量析取 從實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)中析取出運(yùn)動(dòng)參數(shù),將原本在時(shí)域上順序記錄的運(yùn)動(dòng)量映射到實(shí)時(shí)刀位點(diǎn)張成的空間幾何模型上。

(4)可視化圖生成 通過(guò)運(yùn)動(dòng)量在刀位曲面的表達(dá)生成運(yùn)動(dòng)參數(shù)可視化圖,可以選擇一個(gè)運(yùn)動(dòng)量在不同刀位曲面生成評(píng)價(jià)圖,也可以選擇不同運(yùn)動(dòng)量在同一刀位曲面生成評(píng)價(jià)圖。通過(guò)評(píng)價(jià)圖與實(shí)際曲面的微觀形貌進(jìn)行特征匹配分析,可以為表面的形成和算法的改進(jìn)提供依據(jù)。

3 基于運(yùn)動(dòng)參數(shù)可視化質(zhì)量預(yù)測(cè)算法流程

基于運(yùn)動(dòng)參數(shù)可視化質(zhì)量預(yù)測(cè)算法流程如下：

步驟1獲取零件的加工工藝參數(shù),將加工代碼裝載到數(shù)控裝置或者機(jī)床上空載運(yùn)行,采集運(yùn)動(dòng)參數(shù)。

步驟2對(duì)獲取的運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行灰值化或彩色化,每一個(gè)運(yùn)動(dòng)量對(duì)應(yīng)一個(gè)顏色值,不同的值有不同的顏色,在最大最小值之間采用漸變算法,將各個(gè)值映射到實(shí)時(shí)刀位點(diǎn)張成的空間幾何模型上,形成運(yùn)動(dòng)參數(shù)的可視化圖形。采集刀位點(diǎn)Pi(i=1,…,n)的速度為Vi(i=1,…,n),

Vi→RGB(x,y,z),x∈(0,255),y∈(0,255),z∈(0,255)。

通過(guò)將每個(gè)刀位點(diǎn)映射到RGB著色,運(yùn)動(dòng)參數(shù)的大小對(duì)應(yīng)顏色的深淺,對(duì)整個(gè)空間曲面進(jìn)行著色,刀位點(diǎn)的顏色不僅可以對(duì)前后刀位點(diǎn)顏色進(jìn)行比較,還可以對(duì)相鄰刀位點(diǎn)顏色進(jìn)行比較,可以考察相鄰刀位點(diǎn)運(yùn)動(dòng)參數(shù)合理性問(wèn)題。

步驟3可視化圖形預(yù)測(cè)加工表面質(zhì)量。在變曲率曲面或者過(guò)渡面,往往是相鄰運(yùn)動(dòng)參數(shù)不一致導(dǎo)致有凹坑和凸起,稱為表面損傷性缺陷,在尺度上比表面粗糙度大很多,這種損傷性缺陷在過(guò)渡面比一般的曲面更加普遍存在。若不滿足,則轉(zhuǎn)步驟4,否則轉(zhuǎn)步驟5。

步驟4通過(guò)可視化軟件Iscope,建立運(yùn)動(dòng)參數(shù)與代碼序號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系,對(duì)加工代碼進(jìn)行局部進(jìn)給速度優(yōu)化,點(diǎn)擊“序號(hào)定位插補(bǔ)軌跡”,彈出對(duì)話框后,輸入G代碼行號(hào),圖形界面會(huì)高亮顯示第一個(gè)行號(hào)為所搜索G代碼行號(hào)的插補(bǔ)點(diǎn),數(shù)據(jù)欄及底部視圖也將刷新至對(duì)應(yīng)位置。建立插補(bǔ)數(shù)據(jù)與行號(hào)的映射關(guān)系,當(dāng)可視化圖形某些位置或者區(qū)域需要優(yōu)化,就可以很快查詢相應(yīng)的G代碼行號(hào)。進(jìn)行局部?jī)?yōu)化,而不需要全局優(yōu)化整個(gè)G代碼。獲得新的加工工藝參數(shù),返回步驟1。

步驟5輸出優(yōu)化的加工工藝參數(shù)和加工代碼裝載機(jī)床上進(jìn)行實(shí)際加工。

通過(guò)運(yùn)動(dòng)參數(shù)可視化質(zhì)量預(yù)測(cè)算法,無(wú)需試加工就能對(duì)零件表面質(zhì)量進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)估,同時(shí)也不需要外圍設(shè)備,只需要網(wǎng)線采集數(shù)控系統(tǒng)中的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。具體的算法流程如圖6所示。

圖6 表面質(zhì)量預(yù)測(cè)算法流程

4 實(shí)例驗(yàn)證與分析

獲取數(shù)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),開(kāi)發(fā)了一套基于數(shù)據(jù)分析軟件,具備了對(duì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)可視化及加工表面質(zhì)量預(yù)估的基本功能。其軟件界面如圖7所示,主界面由5個(gè)部分組成,包括：①軟件的工具菜單欄,包含各種操作工具按鈕;②方案樹(shù),用于管理編程軌跡節(jié)點(diǎn)與插補(bǔ)軌跡節(jié)點(diǎn);③數(shù)據(jù)顯示欄,用于顯示編程軌跡與插補(bǔ)軌跡的文本數(shù)據(jù);④信號(hào)曲線視圖,用于顯示插補(bǔ)軌跡的信號(hào)曲線及編程軌跡小線段的信息;⑤圖形窗口,運(yùn)動(dòng)參數(shù)可視化圖形顯示區(qū),目前已經(jīng)可以分別按合成速度、合成加速度、各分軸速度、各分軸加速度,各分軸捷度等運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)刀位點(diǎn)曲面進(jìn)行著色。同時(shí)主窗口圖形區(qū)與右側(cè)文本窗口建立對(duì)應(yīng)關(guān)系,便于可視化圖形凸起或者凹坑區(qū)域快速查找到對(duì)應(yīng)加工代碼行號(hào),可以對(duì)進(jìn)給速度進(jìn)行局部?jī)?yōu)化,從而改善表面質(zhì)量。同時(shí),通過(guò)在圖形顯示區(qū)將運(yùn)動(dòng)參數(shù)在刀位點(diǎn)曲面上著色,得到運(yùn)動(dòng)參數(shù)可視化圖形,可以直觀地預(yù)估零件加工表面質(zhì)量。

圖7 數(shù)據(jù)采集分析軟件界面

以變曲率零件為例,將G代碼導(dǎo)入數(shù)控模擬軟件,生成二進(jìn)制Biip.dat插補(bǔ)文件,并將該文件導(dǎo)入至可視化軟件中,在插補(bǔ)刀位點(diǎn)曲面上進(jìn)行速度著色,得到速度可視化圖,如圖8所示。右欄是插補(bǔ)數(shù)據(jù),底部對(duì)應(yīng)的是速度軌跡。主窗口顯示可視化圖,同時(shí)建立了刀位點(diǎn)與刀具軌跡的對(duì)應(yīng)關(guān)系。曲面中矩形框中紅色點(diǎn)插補(bǔ)信息可以從右邊數(shù)據(jù)欄中獲取。當(dāng)前點(diǎn)為60 603個(gè)插補(bǔ)點(diǎn),所在的G代碼行號(hào)為3 009行,曲面中的刀位點(diǎn)與行號(hào)建立映射關(guān)系,能為后續(xù)單個(gè)或者局部的代碼優(yōu)化奠定良好基礎(chǔ),當(dāng)可視化圖局部區(qū)域需要優(yōu)化,可以快速查詢到對(duì)應(yīng)行號(hào)和G代碼,通過(guò)對(duì)進(jìn)給速度進(jìn)行修調(diào)來(lái)優(yōu)化加工代碼。

圖8 變曲率零件的刀位點(diǎn)曲面

圖9給出了速度可視化圖與零件實(shí)際加工質(zhì)量。圖9a所示為速度運(yùn)動(dòng)量的可視化圖,圖中過(guò)渡面中速度不連續(xù),呈毛刺狀,預(yù)估在過(guò)渡面加工會(huì)不平滑;圖9b所示為實(shí)際加工零件表面,在過(guò)渡面有凸起和凹坑等加工缺陷。因此,可視化圖中顏色不連續(xù)帶與實(shí)際加工缺陷區(qū)域形成了一一對(duì)應(yīng)關(guān)系,通過(guò)可視化圖可以較好地預(yù)估加工表面質(zhì)量。圖10是根據(jù)圖9中的不理想?yún)^(qū)域,通過(guò)定位加工代碼區(qū)域行號(hào),優(yōu)化進(jìn)給速度和相應(yīng)工藝參數(shù),圖10a所示為優(yōu)化代碼后得到新的可視化圖,過(guò)渡面平滑;圖10b所示為實(shí)際的加工表面光滑,加工質(zhì)量有很大提高。當(dāng)生成的可視化圖形效果較差,其最終加工的表面質(zhì)量也不理想;當(dāng)可視化圖形效果較好,最終加工零件表面質(zhì)量也理想。通過(guò)對(duì)比圖9和圖10可知,在同一加工條件下,可視化圖生成效果提高意味著實(shí)際加工表面質(zhì)量的提高,因此通過(guò)可視化圖預(yù)估表面質(zhì)量,不需要實(shí)際加工就能較好預(yù)估表面質(zhì)量。

圖9 加工代碼優(yōu)化前的可視化圖及實(shí)際加工零件

圖10 加工代碼優(yōu)化后的可視化圖及實(shí)際加工零件

圖11給出了五指山圖形的可視化圖形以及實(shí)際加工表面質(zhì)量,圖中：左側(cè)是優(yōu)化前的可視化圖形及零件的實(shí)際加工圖,右側(cè)是優(yōu)化后的可視化圖形及零件的實(shí)際加工圖。從圖中可以看出,可視化圖形質(zhì)量好壞能直接反映出最終零件的加工質(zhì)量。可視化圖中速度運(yùn)動(dòng)量的不連續(xù)帶與實(shí)際零件表面的缺陷形成了明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系。其形成的原因是：加工的G代碼是小線段,在缺陷產(chǎn)生的區(qū)域,速度等運(yùn)動(dòng)參數(shù)的不連續(xù)變化,導(dǎo)致插補(bǔ)出的速度的區(qū)域中與其他區(qū)域不一致,使得跟隨誤差不一致。跟隨誤差引起的輪廓誤差過(guò)大,出現(xiàn)顯著的表面缺陷。

圖11 五指山的可視化圖及實(shí)際加工表面質(zhì)量

5 結(jié)束語(yǔ)

受益于近年來(lái)計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速進(jìn)步,當(dāng)前數(shù)控系統(tǒng)已經(jīng)具備在插補(bǔ)或位置控制的周期中同步采集多項(xiàng)指令數(shù)據(jù)和反饋信號(hào),并可連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間地把這些珍貴的過(guò)程數(shù)據(jù)記錄并保存下來(lái)。對(duì)數(shù)控系統(tǒng)中信息含量豐富的運(yùn)動(dòng)量數(shù)據(jù),需要有合適的方法進(jìn)行可視化處理和量化分析,從中析取出有價(jià)值的信息,為研究者所用。

不同采樣環(huán)節(jié)的刀位點(diǎn)數(shù)據(jù)可重構(gòu)出不同的刀位點(diǎn)曲面。刀位點(diǎn)在空間張成的形狀是一張曲面,將運(yùn)動(dòng)量進(jìn)行灰值化或彩色化,每一個(gè)運(yùn)動(dòng)量對(duì)應(yīng)一個(gè)顏色值,不同的值有不同的顏色,在最大最小值之間采用漸變算法在刀位點(diǎn)曲面著色,獲取運(yùn)動(dòng)參數(shù)的可視化圖,從而評(píng)價(jià)運(yùn)動(dòng)參數(shù)在曲面上的性能。

通過(guò)運(yùn)動(dòng)參數(shù)可視化質(zhì)量預(yù)測(cè)算法,無(wú)需試加工就能對(duì)零件表面質(zhì)量進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)估?？梢暬瘓D形中顏色不連續(xù)帶與實(shí)際加工缺陷區(qū)域形成了一一對(duì)應(yīng)關(guān)系,因此,可視化圖形效果直接反映加工的零件表面質(zhì)量,通過(guò)可視圖可以較好地預(yù)估加工表面質(zhì)量。未來(lái)將進(jìn)一步研究運(yùn)動(dòng)參數(shù)可視化與表面質(zhì)量的實(shí)時(shí)預(yù)估,以及相鄰軌跡加工的評(píng)估與優(yōu)化方法。