發(fā)布時(shí)間：2018-04-20 01:20

  本文選題：自由曲面加工 + 速度規(guī)劃��； 參考：《吉林大學(xué)》2016年博士論文

【摘要】：隨著航空、航天、船舶、生物醫(yī)療領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展,對(duì)于曲面零件如曲面模具、航空鏡頭、生物骨骼以及航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等的加工要求越來(lái)越高。如何在滿足加工設(shè)備加工能力的前提下實(shí)現(xiàn)高速高精的曲面加工引起了國(guó)內(nèi)外大量學(xué)者的深入研究。在傳統(tǒng)的曲面加工中,曲線加工軌跡往往被離散成微小的直線段或圓弧,然后采用CNC系統(tǒng)中的直線插補(bǔ)或圓弧插補(bǔ)實(shí)現(xiàn)加工。由于離散曲線方法存在原理誤差,并且連接點(diǎn)處存在曲率不連續(xù)的情況,這大大降低了加工效率與加工精度。因此在曲面加工中,參數(shù)曲線插補(bǔ)技術(shù)被越來(lái)越多的應(yīng)用于實(shí)際加工中。然而參數(shù)曲線插補(bǔ)技術(shù)依然很不成熟,還有很多問(wèn)題需要解決。本文在國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目“光學(xué)自由曲面制造的基礎(chǔ)研究”的課題二“光學(xué)自由曲面成形過(guò)程的物理解析與精度控制”(課題編號(hào):2011CB706702)與高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)課題“整體葉盤智能精密制造關(guān)鍵問(wèn)題研究”(課題編號(hào):2012AA041304)的資助下對(duì)自由曲面加工過(guò)程中采用參數(shù)曲線加工軌跡的運(yùn)動(dòng)速度規(guī)劃與快速插補(bǔ)算法進(jìn)行了研究。對(duì)于給定的CNC加工機(jī)床,各驅(qū)動(dòng)單元的驅(qū)動(dòng)能力與運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性要求限制了各運(yùn)動(dòng)軸的速度、加速度及加加速度,構(gòu)成了軸空間的運(yùn)動(dòng)學(xué)約束;而加工過(guò)程的加工工藝與加工軌跡的曲線特征對(duì)工件坐標(biāo)系下刀具的速度、加速度及加加速度提出了限制,即構(gòu)成了軌跡空間的運(yùn)動(dòng)學(xué)約束。在曲面加工中,由于曲線曲率的存在及機(jī)床運(yùn)動(dòng)構(gòu)型不同,使軸空間的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)與軌跡空間運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)存在非線性。這大大增加了速度規(guī)劃的復(fù)雜性�；诖吮疚奶岢隽祟A(yù)測(cè)速度規(guī)劃算法,該算法通過(guò)離線數(shù)值積分的方法求得既滿足工件坐標(biāo)系下的運(yùn)動(dòng)學(xué)約束又滿足軸空間的運(yùn)動(dòng)學(xué)約束的加工速度。為了降低速度規(guī)劃的復(fù)雜性,首先多維軸空間的運(yùn)動(dòng)學(xué)約束通過(guò)一比例系數(shù)轉(zhuǎn)換到一維軌跡空間,這大大降低了速度規(guī)劃的維度。在一維軌跡空間中,根據(jù)最優(yōu)控制中最小時(shí)間控制問(wèn)題,最優(yōu)速度軌跡曲線為加速時(shí)軌跡以最大加速能力進(jìn)行加速,而減速時(shí)軌跡以最大減速能力進(jìn)行減速。由于加加速度在其最大最小值之間來(lái)回震蕩而形成bang-bang控制。加加速度的轉(zhuǎn)接點(diǎn)主要是通過(guò)預(yù)測(cè)算法來(lái)尋找。最終規(guī)劃出滿足各個(gè)約束下的最優(yōu)速度軌跡。通過(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了速度規(guī)劃算法有效性。由于多軸曲面加工速度規(guī)劃的復(fù)雜性,大部分的高精度高速曲面加工過(guò)程是通過(guò)離線數(shù)值計(jì)算的方法規(guī)劃。由于通過(guò)數(shù)值計(jì)算得到的離散數(shù)據(jù)點(diǎn)不便于參數(shù)曲線的插補(bǔ),本文提出了分段B-spline的方法對(duì)速度曲線進(jìn)行擬合。相對(duì)常規(guī)曲線擬合過(guò)程,速度曲線擬合不僅需要速度值滿足擬合誤差要求,而由速度曲線計(jì)算出來(lái)的加速度及加加速度也要滿足誤差要求。本文根據(jù)三次B-spline的特性及速度數(shù)據(jù)的特點(diǎn),將原速度數(shù)據(jù)點(diǎn)在加加速度不連續(xù)處進(jìn)行分段。對(duì)每一段速度原始數(shù)據(jù)采用最小二乘法得到該段速度數(shù)據(jù)的三次B-spline曲線。最后采用B-spline拼接技術(shù)將各段速度B-spline拼接在一起得到整段加工軌跡的速度曲線。最后將加工軌跡曲線與相應(yīng)的速度軌跡曲線輸入到參數(shù)插補(bǔ)器中控制機(jī)床各軸聯(lián)動(dòng)加工。由于參數(shù)插補(bǔ)器運(yùn)算實(shí)時(shí)性的要求,參數(shù)插補(bǔ)的運(yùn)算量受到限制。為了提高插補(bǔ)運(yùn)算的計(jì)算效率,將基于二階泰勒展開的插補(bǔ)運(yùn)算過(guò)程分為弧長(zhǎng)計(jì)算過(guò)程與曲線參數(shù)計(jì)算過(guò)程,然后采用并行計(jì)算的方法提高計(jì)算效率。實(shí)驗(yàn)與仿真驗(yàn)證了B-spline擬合速度算法與并行插補(bǔ)算法的可行性。針對(duì)常規(guī)插補(bǔ)算法計(jì)算效率、計(jì)算精度以及計(jì)算魯棒性的不足,本文提出了一基于NURBS擬合的快算插補(bǔ)算法。首先采用自適應(yīng)高斯數(shù)值積分計(jì)算方法,得到一系列曲線參數(shù)與弧長(zhǎng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)。然后采用NURBS對(duì)該弧長(zhǎng)與參數(shù)關(guān)系進(jìn)行擬合。為了提高擬合精度與降低擬合所用數(shù)據(jù)參數(shù),對(duì)原弧長(zhǎng)-參數(shù)數(shù)據(jù)根據(jù)參數(shù)對(duì)弧長(zhǎng)的三階導(dǎo)數(shù)進(jìn)行了分段,并根據(jù)曲線參數(shù)對(duì)弧長(zhǎng)二階導(dǎo)數(shù)關(guān)系對(duì)節(jié)點(diǎn)矢量進(jìn)行了分布,最后采用優(yōu)化算法求得擬合NURBS曲線的控制點(diǎn)與權(quán)因子。相對(duì)于采用多項(xiàng)式擬合方法,由于NURBS曲線控制點(diǎn)影響的局部性以及插入刪除節(jié)點(diǎn)的便利性,在相同精度下,采用NURBS曲線方法需要更少的數(shù)據(jù)點(diǎn)且擬合過(guò)程更加方便。相對(duì)于采用在線二階泰勒估計(jì)的方法,采用NURBS離線擬合方法提高了實(shí)時(shí)計(jì)算的效率和計(jì)算精度魯棒性,降低了速度波動(dòng)。該NURBS離線擬合插補(bǔ)算法應(yīng)用于開放式控制器中加工復(fù)雜曲面,證明了該方法的有效性與計(jì)算精度魯棒性。在五軸數(shù)控加工中,由于旋轉(zhuǎn)軸的存在,使得軌跡空間的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)與軸空間的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)存在耦合非線性,使得最小時(shí)間速度規(guī)劃問(wèn)題成為一多維非線性耦合高階約束最優(yōu)時(shí)間控制問(wèn)題。這大大增加了運(yùn)動(dòng)速度規(guī)劃的難度。雖然很多高檔數(shù)控系統(tǒng)提供了簡(jiǎn)單的實(shí)時(shí)加減速控制,以及針對(duì)五軸的RTCP功能。但是這些功能只能在初始與結(jié)束階段,根據(jù)軌跡空間的約束對(duì)刀具運(yùn)行速度進(jìn)行簡(jiǎn)單的規(guī)劃。要想在線實(shí)時(shí)規(guī)劃五軸加工曲線的運(yùn)動(dòng)速度,將大大耗費(fèi)珍貴的實(shí)時(shí)計(jì)算資源與加工可靠性。因此本文提出的基于刀觸點(diǎn)弧長(zhǎng)的離線解耦五軸加工軌跡算法,對(duì)五軸加工過(guò)程加工軌跡進(jìn)行重構(gòu)。首先將工件坐標(biāo)系下的離散刀位軌跡點(diǎn)根據(jù)機(jī)床結(jié)構(gòu)計(jì)算出各軸運(yùn)動(dòng)量,采用精度可控的B-spline擬合技術(shù)以刀觸點(diǎn)弧長(zhǎng)為參數(shù),擬合出解耦的偽五軸軌跡。然后采用本文提出的速度規(guī)劃方法對(duì)加工過(guò)程進(jìn)行規(guī)劃。仿真表明本文提出的基于刀觸點(diǎn)弧長(zhǎng)的五軸樣條加工軌跡能夠?qū)崿F(xiàn)更平穩(wěn)的五軸加工。
[Abstract]:In order to reduce the complexity of speed planning , this paper proposes a method to predict the speed , acceleration and acceleration of the tool under the workpiece coordinate system . In order to reduce the complexity of the speed planning , this paper proposes a method to predict the speed , acceleration and acceleration of the tool under the workpiece coordinate system . This paper presents a method of fitting NURBS curve method to solve the problem of machining complicated curved surface in open controller .

【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TG659

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