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)動機葉片等的加工要求越來越高。如何在滿足加工設(shè)備加工能力的前提下實現(xiàn)高速高精的曲面加工引起了國內(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)中的直線插補或圓弧插補實現(xiàn)加工。由于離散曲線方法存在原理誤差,并且連接點處存在曲率不連續(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)曲線插補技術(shù)被越來越多的應(yīng)用于實際加工中。然而參數(shù)曲線插補技術(shù)依然很不成熟,還有很多問題需要解決。本文在國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)項目“光學(xué)自由曲面制造的基礎(chǔ)研究”的課題二“光學(xué)自由曲面成形過程的物理解析與精度控制”(課題編號:2011CB706702)與高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)課題“整體葉盤智能精密制造關(guān)鍵問題研究”(課題編號:2012AA041304)的資助下對自由曲面加工過程中采用參數(shù)曲線加工軌跡的運動速度規(guī)劃與快速插補算法進行了研究。對于給定的CNC加工機床,各驅(qū)動單元的驅(qū)動能力與運動平穩(wěn)性要求限制了各運動軸的速度、加速度及加加速度,構(gòu)成了軸空間的運動學(xué)約束;而加工過程的加工工藝與加工軌跡的曲線特征對工件坐標(biāo)系下刀具的速度、加速度及加加速度提出了限制,即構(gòu)成了軌跡空間的運動學(xué)約束。在曲面加工中,由于曲線曲率的存在及機床運動構(gòu)型不同,使軸空間的運動學(xué)參數(shù)與軌跡空間運動學(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)測速度規(guī)劃算法,該算法通過離線數(shù)值積分的方法求得既滿足工件坐標(biāo)系下的運動學(xué)約束又滿足軸空間的運動學(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動學(xué)約束通過一比例系數(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)控制中最小時間控制問題,最優(yōu)速度軌跡曲線為加速時軌跡以最大加速能力進行加速,而減速時軌跡以最大減速能力進行減速。由于加加速度在其最大最小值之間來回震蕩而形成bang-bang控制。加加速度的轉(zhuǎn)接點主要是通過預(yù)測算法來尋找。最終規(guī)劃出滿足各個約束下的最優(yōu)速度軌跡。通過仿真與實驗驗證了速度規(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程是通過離線數(shù)值計算的方法規(guī)劃。由于通過數(shù)值計算得到的離散數(shù)據(jù)點不便于參數(shù)曲線的插補,本文提出了分段B-spline的方法對速度曲線進行擬合。相對常規(guī)曲線擬合過程,速度曲線擬合不僅需要速度值滿足擬合誤差要求,而由速度曲線計算出來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,將原速度數(shù)據(jù)點在加加速度不連續(xù)處進行分段。對每一段速度原始數(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)插補器中控制機床各軸聯(lián)動加工。由于參數(shù)插補器運算實時性的要求,參數(shù)插補的運算量受到限制。為了提高插補運算的計算效率,將基于二階泰勒展開的插補運算過程分為弧長計算過程與曲線參數(shù)計算過程,然后采用并行計算的方法提高計算效率。實驗與仿真驗證了B-spline擬合速度算法與并行插補算法的可行性。針對常規(guī)插補算法計算效率、計算精度以及計算魯棒性的不足,本文提出了一基于NURBS擬合的快算插補算法。首先采用自適應(yīng)高斯數(shù)值積分計算方法,得到一系列曲線參數(shù)與弧長的數(shù)據(jù)點。然后采用NURBS對該弧長與參數(shù)關(guān)系進行擬合。為了提高擬合精度與降低擬合所用數(shù)據(jù)參數(shù),對原弧長-參數(shù)數(shù)據(jù)根據(jù)參數(shù)對弧長的三階導(dǎo)數(shù)進行了分段,并根據(jù)曲線參數(shù)對弧長二階導(dǎo)數(shù)關(guān)系對節(jié)點矢量進行了分布,最后采用優(yōu)化算法求得擬合NURBS曲線的控制點與權(quán)因子。相對于采用多項式擬合方法,由于NURBS曲線控制點影響的局部性以及插入刪除節(jié)點的便利性,在相同精度下,采用NURBS曲線方法需要更少的數(shù)據(jù)點且擬合過程更加方便。相對于采用在線二階泰勒估計的方法,采用NURBS離線擬合方法提高了實時計算的效率和計算精度魯棒性,降低了速度波動。該NURBS離線擬合插補算法應(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,使得軌跡空間的運動學(xué)參數(shù)與軸空間的運動學(xué)參數(shù)存在耦合非線性,使得最小時間速度規(guī)劃問題成為一多維非線性耦合高階約束最優(yōu)時間控制問題。這大大增加了運動速度規(guī)劃的難度。雖然很多高檔數(shù)控系統(tǒng)提供了簡單的實時加減速控制,以及針對五軸的RTCP功能。但是這些功能只能在初始與結(jié)束階段,根據(jù)軌跡空間的約束對刀具運行速度進行簡單的規(guī)劃。要想在線實時規(guī)劃五軸加工曲線的運動速度,將大大耗費珍貴的實時計算資源與加工可靠性。因此本文提出的基于刀觸點弧長的離線解耦五軸加工軌跡算法,對五軸加工過程加工軌跡進行重構(gòu)。首先將工件坐標(biāo)系下的離散刀位軌跡點根據(jù)機床結(jié)構(gòu)計算出各軸運動量,采用精度可控的B-spline擬合技術(shù)以刀觸點弧長為參數(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)劃方法對加工過程進行規(guī)劃。仿真表明本文提出的基于刀觸點弧長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)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TG659

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本文編號：1775598