【摘要】：隨著樣條插補(bǔ)在數(shù)控系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用,高速高精加工已經(jīng)成為當(dāng)今制造業(yè)領(lǐng)域的新要求。一些高檔的商用數(shù)控系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了多種樣條曲線的插補(bǔ)功能。相比傳統(tǒng)的微小線段和圓弧段插補(bǔ),樣條插補(bǔ)可以減小CAD/CAM與CNC系統(tǒng)之間的通信負(fù)擔(dān),而且避免高速加工中加速度和加加速度的頻繁變化,提高加工質(zhì)量。但是,西方發(fā)達(dá)國(guó)家一直在高檔數(shù)控系統(tǒng)出口方面,對(duì)我國(guó)進(jìn)行限制。因而,研究基于樣條插補(bǔ)的高質(zhì)量加工的關(guān)鍵技術(shù)對(duì)于我國(guó)自主研發(fā)高檔數(shù)控系統(tǒng)具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。本文根據(jù)樣條曲線插補(bǔ)和速度規(guī)劃的基本理論,針對(duì)復(fù)雜工件的高速、高精、高質(zhì)量加工問(wèn)題,圍繞樣條插補(bǔ)的三個(gè)關(guān)鍵技術(shù):曲線擬合、實(shí)時(shí)插補(bǔ)和速度規(guī)劃,開展了以下的研究工作:(1)樣條曲線擬合條件和擬合方法。為了提高列表曲線的加工速度和加工質(zhì)量,提出了用Akima曲線將連續(xù)數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合成光滑的樣條曲線進(jìn)行加工的方法。課題重點(diǎn)研究了Akima曲線的擬合準(zhǔn)則和擬合方法,即首先用雙弦高誤差準(zhǔn)則和切線誤差準(zhǔn)則來(lái)來(lái)識(shí)別出可以擬合成Akima曲線的連續(xù)加工區(qū)域,然后用五點(diǎn)Akima算法將連續(xù)的微小線段擬合成光滑的樣條曲線進(jìn)行插補(bǔ)。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文提出的Akima曲線插補(bǔ)算法可以平滑加工路徑,提高加工精度。而且Akima曲線的數(shù)學(xué)計(jì)算比較簡(jiǎn)單,所以Akima樣條擬合插補(bǔ)算法可以提高列表曲線的加工效率和質(zhì)量。(2)逼近弦長(zhǎng)的實(shí)時(shí)樣條曲線插補(bǔ)技術(shù)。針對(duì)目前常用的Taylor系列展開法在實(shí)時(shí)樣條曲線插補(bǔ)時(shí),進(jìn)給速度波動(dòng)難以避免的問(wèn)題,提出了用實(shí)際進(jìn)給弦長(zhǎng)逼近理論進(jìn)給弦長(zhǎng)的策略進(jìn)行實(shí)時(shí)插補(bǔ)的方法,并分別采用牛頓迭代法、弦截法和拋物線插值結(jié)合牛頓法來(lái)實(shí)時(shí)計(jì)算插補(bǔ)參數(shù)。實(shí)驗(yàn)證明,本課題提出的實(shí)時(shí)插補(bǔ)算法穩(wěn)定性好,運(yùn)算精度高,能夠滿足實(shí)時(shí)插補(bǔ)的要求,且能夠?qū)?shí)時(shí)插補(bǔ)產(chǎn)生的進(jìn)給速度波動(dòng)控制在理想的水平。(3)柔性加減速控制算法。針對(duì)數(shù)控系統(tǒng)高速加工中,由于速度、加速度和加加速度不平滑引起數(shù)控機(jī)床振動(dòng),影響數(shù)控系統(tǒng)加工速度、加工精度和加工質(zhì)量的問(wèn)題,提出了能夠?qū)崿F(xiàn)加加速度連續(xù)變化的四次多項(xiàng)式速度規(guī)劃算法和線性三角函數(shù)速度規(guī)劃算法,并對(duì)目前常用的五段S曲線加減速算法、三次多項(xiàng)式算法和三角函數(shù)算法進(jìn)行了簡(jiǎn)化。仿真插補(bǔ)和實(shí)驗(yàn)表明了四次多項(xiàng)式速度規(guī)劃算法和線性三角函數(shù)速度規(guī)劃算法能實(shí)現(xiàn)柔性加減速控制,適用于高質(zhì)量加工。(4)基于前瞻的樣條曲線插補(bǔ)方法。為了在速度規(guī)劃時(shí),提高插補(bǔ)的實(shí)時(shí)性,本課題提出兩種基于前瞻的樣條曲線插補(bǔ)方法。針對(duì)列表曲線,提出了基于前瞻的Akima曲線擬合插補(bǔ)算法,通過(guò)前瞻來(lái)保證加工精度;針對(duì)NURBS曲線、B樣條等參數(shù)曲線的加工,則提出了基于兩次前瞻的速度規(guī)劃算法,同時(shí)考慮了加工精度、加速度和加加速度的約束。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了這兩種方法可以減小機(jī)床振動(dòng),提高加工質(zhì)量。本文圍繞基于樣條插補(bǔ)的高質(zhì)量加工關(guān)鍵技術(shù)展開。對(duì)于列表曲線的加工,提出了Akima樣條曲線的擬合準(zhǔn)則和擬合方法,并實(shí)現(xiàn)了基于前瞻的Akima曲線擬合插補(bǔ)算法;獨(dú)立提出了用實(shí)際進(jìn)給弦長(zhǎng)逼近理論進(jìn)給弦長(zhǎng)的策略進(jìn)行實(shí)時(shí)插補(bǔ)的方法,實(shí)現(xiàn)了用牛頓迭代法、弦截法和拋物線插值結(jié)合牛頓法來(lái)實(shí)時(shí)計(jì)算插補(bǔ)參數(shù)的方法,并介紹了應(yīng)用領(lǐng)域;簡(jiǎn)化了常用的加減速控制方法,然后提出了能夠?qū)崿F(xiàn)速度、加速度和加加速度平滑變化的四次多項(xiàng)式加減速控制算法和線性三角函數(shù)速度規(guī)劃算法,實(shí)現(xiàn)了基于兩次前瞻的速度規(guī)劃方法。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了上述算法的有效性。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院研究生院(沈陽(yáng)計(jì)算技術(shù)研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TP391.7
【圖文】：

圖 1-2 SIEMENS 840D 三種樣條曲線比較曲線中，對(duì) NURBS 曲線插補(bǔ)的研究最廣泛。規(guī)定的 CAD/CAM 的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)?N次解析曲面和自由曲線，而且 NURBS 曲線的將 NURBS 插補(bǔ)技術(shù)應(yīng)用在數(shù)控加工領(lǐng)域，會(huì)術(shù)的整體水平。Yeh 和 Su 等[29]采用了最小二NUBRS 曲線，然后進(jìn)行樣條插補(bǔ)。Wang 和 Y測(cè)試識(shí)別出連續(xù)的加工區(qū)域，然后擬合成 N在進(jìn)行實(shí)時(shí)NUBRS曲線插補(bǔ)時(shí)，一般存在三個(gè)需要通過(guò)迭代計(jì)算來(lái)保證加工精度，這個(gè)過(guò)程展開法實(shí)時(shí)樣條插補(bǔ)時(shí)，會(huì)造成速度精度的丟S 曲線的求導(dǎo)運(yùn)算，比較耗時(shí)；(3) 由于 NURB此其擬合條件往往比較復(fù)雜。線的研究方面，Tsai 等[32]提出了一種基于前

圖 3-1Akima 曲線和普通三次樣條曲線對(duì)比kima 樣條曲線方程之前，首先需要對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)五點(diǎn) Akima 算法來(lái)估算數(shù)據(jù)點(diǎn)處的一階導(dǎo)數(shù)，最后才參數(shù)化數(shù)化后，應(yīng)該能夠反映樣條曲線的性質(zhì)。累積弦長(zhǎng)法法。但是這種方法只適用于參數(shù)曲線是直線的情況。曲線插補(bǔ)的需要，本課題采用了 Lee[107]提出的向心參的參數(shù)。這種方法利用累計(jì)弦長(zhǎng)的平方根來(lái)計(jì)算參數(shù)011 1110| |1,2 1| |i ii i ni iiuP Pu u i nP P

圖 3-8Akima 樣條擬合加工的蝴蝶輪廓到的僅有微小線段的插補(bǔ)算法的插補(bǔ)步數(shù)是 3840，而經(jīng)過(guò)插補(bǔ)算法的插補(bǔ)步數(shù)是 3510。這是因?yàn)楫?dāng)加工連續(xù)的 Ak度可以在更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持編程速度 F，從而避免了頻繁的kima 樣條曲線擬合滿足條件的加工區(qū)域后，不僅機(jī)床的以在一定程度上減小機(jī)床振動(dòng)，可以滿足高質(zhì)量加工的需先介紹了列表曲線和 Akima 樣條曲線的特征，然后重點(diǎn)擬合成 A 樣條曲線的條件和方法。Akima 樣條曲線的擬過(guò)雙弦高誤差測(cè)試來(lái)識(shí)別出連續(xù)的加工區(qū)域，通過(guò)切線誤 Akima 樣條的加工段。實(shí)驗(yàn)部分首先對(duì)比了 Akima 樣條曲效果，說(shuō)明了用 Akima 曲線擬合列表曲線的數(shù)據(jù)點(diǎn)能夠廓的實(shí)際狀態(tài)；然后通過(guò)實(shí)際的加工測(cè)試，說(shuō)明用 Akim

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本文編號(hào)：2758805