[科普中国]-仿形控制

概述

在机械加工特别是模具制造、汽车和航空航天工业常遇到的复杂表面加工过程中， 常用实物模型代替工程图纸决定工件的几何形状尺寸， 如轿车车身复杂表面的三维几何造型设计常常通过实物模型来表达。仿形加工就是以实物模型为样件， 在仿形机床上复制出形状尺寸相同的工件。随着计算机数控技术的发展， 20 世纪70 年代以来出现了将数控技术和仿形加工技术相结合的新型数控仿形机床， 它在计算机数控的基础上采用三维仿形仪的反馈数据来实现数控机床的插补运动。和其它形式的仿形加工方式相比， 数控仿形加工具有精度高、功能齐全、使用灵活、控制系统紧凑可靠、体积小及噪声低等特点， 它是模具和复杂曲面加工的重要方式之一。对数控仿形加工而言， 由于仿形指的变形， 在进行复杂曲面仿形加工中易产生的过切和颤震。

仿形加工是一门古老的技术，它是指人们用易于造型的材料( 诸如木质、易熔合金、石膏、塑料等) 做出一个模型，再在仿形加工机床上加工出尽可能与模型一样的零件。事实上,无论是纯机械仿形、机械液压仿形，还是后来的电液仿形，其走刀速度一般很难高于0.5m/min，加工出的零件尺寸精度和表面状况也都很不理想，需要较大的手工整修工作量。50年代, 数控机床开始出现，由于其不再需要模型和仿形仪(Tracer )，加上坐标驱动技术的改进，使得仿形加工机床黯然失色，特别是计算机数字控制技术(CNC)的发展,提高了加工速度和加工准确度，在平面类零件的加工中，儿乎完全取代仿形加工1。

但是， 曲面特别是复杂的雕塑曲面的加工仍有很多困难，于是人们开始利用70年代发展起来的计算机技术从两个方面努力开拓：方面是计算机辅助设计/ 辅助制造技术(CAD / CAM )，另一方面是计算机仿形控制技术（CTC）2。

仿形控制原理及算法仿形加工的控制算法与数控机床的插补算法有较大区别。数控仿形加工控制算法是根据测量数据实现数控系统的各轴速度控制， 使得系统沿着位置曲面运动。数控仿形机床的仿形仪可以看成一个触觉传感器。在仿形过程中，仿形指和实物模型相接触， 在接触点反力的作用下仿形指产生空间偏移， 偏移量和作用力的大小成正比计算机通过对仿形仪在三个坐标上偏移分量的检测， 获得接触点处表面法线的信息， 通过一定的控制算法， 控制机床运动， 在保持仿形仪空间偏移量不变的前提下使其不断沿实物模型接触点处切线方向运动来完成工件的加工， 这就是数控仿形运动的控制过程。仿形控制是根据给定的实物模型， 利用仿形仪作检测和反馈元件， 控制机床沿模型表面作扫描运动。仿形控制过程中不进行位置控制， 而是根据仿形指在三个方向的偏移量以及给定的仿形速度参数进行计算， 直接得出每个坐标的速度命令去控制伺服电机运动。

在仿形控制过程中， 计算机检测仿形仪内设的三个位移传感器在X、Y、Z 坐标轴上的偏移分量 、 、 ， 从而得到仿形指的空间偏移量ε。

若接触点处的偏移量 、 、 已知， 则空间偏移量ε和接触点处的法线方向可求， 进而可求其切线方向， 因此即可确定仿形运动的速度方向。在进行仿形运动控制时，还需先确定一个仿形仪的基准变形量 ， 该值的大小由仿形仪的特性来确定。如果该值太大， 不但会造成仿形指和实物模型间的接触作用力过大而使实物模型损伤， 同时也会使局部区域的仿形加工精度降低； 如果该值太小而仿形速度过快时， 则容易造成仿形指和实物模型不能保持接触而导致仿形加工不能正常进行， 甚至会造成仿形控制系统的振荡。仿形控制的控制目标， 就是在控制机床的坐标运动过程中始终保持仿形指和实物模型相接触， 且使仿形指的空间偏移量基本维持在附近。仿形指的实际空间偏移量ε 的误差为：

如右图所示是仿形控制过程的速度矢量图， 为保持仿形指和实物模型相接触而给仿形仪施加的在接触点的法向速度。 为保持仿形指和实物模型相对运动完成仿形仪对实物模型的扫描而给仿形仪施加的在接触点的切向速度。V 为和的合成速度， 也是仿形仪实物模型的扫描速度， 同时它也是机床仿形加工的实际进给速度。和的计算式分别为：

式中和分别为法向速度和切向速度的增益， 是数控仿形系统预先设定的指令仿形速度。

数字仿行控制数字仿形控制( Numerical Tracer Control,简称NTC)按照其数控插补出来的轨迹的不同可划分为直线NTC、圆弧NTC和其它曲线NTC。本文所介绍的数字仿形包括直线NTC和圆弧NTC两大类。因为从控制原理上看两者的区别仅在于：一个进行直线插补，另一个进行圆弧插补，而基本的仿形原理是相同的，所以在此就把两者统一起来，以直线数字仿形控制为例论述它们的仿形原理。数字仿形就是在三维空间中任意两维所形成的平面内按数字控制的方式走出任意角度直线、圆弧乃至任意曲线，而在另一维方向上按随动控制的方式进行调节，使得仿形仪的合成压偏量尽量保持在事先规定好的固定数值上1。

主要特点

1 .仿形的准确度已大大提高，误差可望控制在士0.03mm以内,仿形加工速度提高到2m/min以上，仿形扫描速度已达10m/min以上。

2.仿形和加工可分开进行，先用仿形仪对模型表面进行扫描，记录坐标数据，生成可执行文件(Executable File)。此文件就是零件加工程序，也叫数字化文件。然后用CNC功能执行此数字化文件，加工零件。这种扫描、记录并生成可执行文件的功能被称为仿形一数字化或间接仿形或延迟仿形。

3.记录坐标数据时，仿形仪触指(Stylus) 的偏倾(Deflection) 值能被自动补偿，被记录点的密度能根据模型表面曲率自动调整。

4. 仿形数字化功能还能记录模型表面的法向矢量，使得CNC功能中的空间刀补(G43,G44 ) 成为可能。