五軸刀具路徑插補及動態之研究與分析

Path Interpolation and Dynamics Analysis for Five-Axis Machining

黃琨益(Kuen-Yi Huang)

指導教授 ： 林明宗

國立虎尾科技大學/工程學院/機械設計工程研究所/碩士(2013年)

https://doi.org/10.6827/NFU.2013.00012

摘要

本論文針對五軸工具機提出一刀具路徑規劃、插補以及動態匹配之方法來達到高速高精度之加工應用。相關研究重點包含PC-based系統架構、運動控制器設計、順逆向運動方程式之推導、加工路徑規劃與插補、後處理設定與五軸動態匹配。為了提升五軸運動控制之精度，首先須針對五軸伺服系統進行系統鑑別並求得動態模型，給定之系統規格設計運動控制器，並使用ISO五軸檢測程序調整伺服增益以達成五軸動態匹配。接著透過齊次座標轉換矩陣推導五軸順逆向運動方程式，利用CAM軟體以及其後處理器規劃刀具路徑並產生NC加工程式，使用HEIDENHAIN控制器產生五軸同動之高速平滑插補命令。最後，在搭配PC-based控制器的擺頭-搖籃型的五軸雕刻機上進行實驗，實驗結果顯示本文所提出之刀具路徑規劃、插補以及動態匹配方法可提升刀具中心點之加工精度。

關鍵字

五軸雕刻機 ； 路徑插補 ； 路徑規劃 ； 動態匹配

並列摘要

The paper presents an approach including tool path planning, trajectory interpolation and dynamic matching for five-axis machine tools to achieve high-speed and high-precision machining. The studies consist of the issues on PC-based control architecture, motion controller, forward and inverse kinematics, tool path planning and interpolation, postprocessor and dynamic analysis. To improve the accuracy of five-axis motion control, a system identification method is utilized to obtain the dynamics models. Motion controller is designed by means of the given specification of the servo dynamics systems. Five-axis dynamics are matched according to the ISO inspection process. Forward and inverse kinematics equations are derived based on the kinematic configuration of five-axis machine tools. Tool paths and NC codes of the parts are acquired by means of CAM software such as UG/NX and its postprocessor, respectively. Smooth five-axis motion commands are generated through HEIDENHAIN controller. Finally, experiments are carried out on a C-type five-axis engraving machine with a PC-based controller. The experiment results demonstrate that the proposed approach can be utilized to improve the machining accuracy of the tool center point (TCP) for five-axis machine tools.

並列關鍵字

Five-axis machining tool ； Path interpolation ； Path planning ； Dynamic matching

參考文獻

[23]許鈞宇，人性化PC-based控制器教學系統開發，國立虎尾科技大學機械與機電研究所，碩士論文，2007。

[19]蔡岳勳，五軸加工斜面特徵路徑規劃及運動模擬之研究，國立虎尾科技大學創意工程與精密科技研究所，碩士論文，2010。

[2]張凱迪，“PC-Based工具機機電整合教學系統之建構”，國立虎尾科技大學機械與機電工程研究所，碩士論文，2009年12月。

[20]楊文山，多軸同動之光學量測路徑設計與實作，國立虎尾科技大學機械與機電工程研究所，碩士論文，2009。

[3]B. Sencer, Y. Altintas, and Elizabeth Croft, “Modeling and control of contouring errors for five-axis machine tools-Part I: Modeling,” ASME Journal of Manufacturing Science and Engineering, vol. 131, no. 3, 2009.