【摘要】：高端五軸數(shù)控系統(tǒng)是加工國(guó)防和運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)中復(fù)雜曲面類零件的關(guān)鍵裝備,直接影響著加工精度和加工效率。為實(shí)現(xiàn)高精高效加工,數(shù)控系統(tǒng)的首要任務(wù)是實(shí)時(shí)生成光滑高效的刀具運(yùn)動(dòng)。目前,商業(yè)數(shù)控系統(tǒng)中廣泛采用的仍是線性格式的刀具路徑,使用的進(jìn)給速度卻越來(lái)越高。線性路徑在轉(zhuǎn)角處切向不連續(xù),為減小速度波動(dòng)和保證加工精度,數(shù)控系統(tǒng)通常以遠(yuǎn)低于指令值的進(jìn)給速度通過(guò)轉(zhuǎn)角。這會(huì)導(dǎo)致機(jī)床各軸頻繁的加減速運(yùn)動(dòng),因而嚴(yán)重制約了高速加工的效率和質(zhì)量。為提高加工精度和效率,需從刀具路徑光順和進(jìn)給速度規(guī)劃等方面研究如何生成光滑高效的運(yùn)動(dòng)。已有研究主要集中于三軸加工,且存在以下不足:路徑光順?lè)矫?刀軸方向誤差無(wú)法直接控制,刀尖點(diǎn)和刀軸方向路徑的參數(shù)難以解析同步;進(jìn)給速度規(guī)劃方面,常用的低階速度曲線在高速運(yùn)動(dòng)中會(huì)對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)造成沖擊,前瞻進(jìn)給速度規(guī)劃算法需低效地序列掃描規(guī)劃單元,尚缺同時(shí)考慮刀尖點(diǎn)平動(dòng)和刀軸轉(zhuǎn)動(dòng)約束的五軸進(jìn)給速度實(shí)時(shí)規(guī)劃方法。針對(duì)上述問(wèn)題,按照從三軸到五軸、從路徑光順到速度規(guī)劃的思路,本文從參數(shù)曲線軌跡生成、前瞻速度規(guī)劃、五軸路徑轉(zhuǎn)接光順和五軸速度實(shí)時(shí)規(guī)劃四個(gè)方面開(kāi)展了深入研究。提出了一種高階時(shí)間律,使進(jìn)給速度在參數(shù)曲線各路徑單元內(nèi)部高階連續(xù);提出了一種修正的前瞻規(guī)劃算法和一種并行掃描算法,保證了進(jìn)給速度在多條路徑單元的跨段處連續(xù);提出了一種五軸路徑解析轉(zhuǎn)接光順?lè)椒?可得到G~2連續(xù)的參數(shù)曲線路徑;提出了一種五軸速度實(shí)時(shí)規(guī)劃算法,可滿足刀尖點(diǎn)和刀軸的運(yùn)動(dòng)學(xué)約束。本文的主要研究?jī)?nèi)容和成果歸納如下:1.提出了一種使用正弦級(jí)數(shù)表達(dá)躍度函數(shù)的時(shí)間律形式。通過(guò)取級(jí)數(shù)系數(shù)為等比數(shù)列,該時(shí)間律的速度、加速度和躍度函數(shù)均可由單條解析表達(dá)式描述,比分段多項(xiàng)式形式的時(shí)間律表達(dá)便捷;通過(guò)優(yōu)化等比數(shù)列的公比,該時(shí)間律規(guī)劃后的運(yùn)動(dòng)效率相比于三角函數(shù)時(shí)間律有10.9%以上提升,且達(dá)到了多項(xiàng)式時(shí)間律的95.4%以上。同時(shí),提出一種參數(shù)曲線的整體插補(bǔ)方法。通過(guò)在速度、加速度和躍度函數(shù)上整體采樣,所提插補(bǔ)方法避免了各路徑單元內(nèi)部的弧長(zhǎng)誤差補(bǔ)償。使用整體插補(bǔ)后,根據(jù)參考位置差分得到的各軸速度和各軸加速度連續(xù)。曲線跟蹤實(shí)驗(yàn)表明,所提時(shí)間律可在保證輪廓誤差相當(dāng)?shù)臈l件下顯著提高運(yùn)動(dòng)效率。2.揭示了加速過(guò)程中時(shí)間律的兩條性質(zhì):(1)當(dāng)運(yùn)動(dòng)學(xué)約束對(duì)稱時(shí),加速位移為加速時(shí)間和始末速度均值的積;(2)若存在一條加速時(shí)間律,當(dāng)末端速度減小時(shí),一定存在另一條時(shí)間律。在此基礎(chǔ)上,提出了一種可使用高階時(shí)間律的修正前瞻速度規(guī)劃方法和一種并行雙向掃描算法。由于加速過(guò)程中位移并非一定關(guān)于始端速度單調(diào)遞減,傳統(tǒng)的前瞻速度規(guī)劃方法在使用高階時(shí)間律時(shí),得到的速度曲線可能存在跳變;使用所提修正算法后,無(wú)論前瞻段數(shù)的大小如何,進(jìn)給速度均全局連續(xù)。前瞻速度規(guī)劃需使用雙向掃描算法序列地掃描規(guī)劃單元,掃描效率低;對(duì)規(guī)劃單元分組后,并行掃描算法可同時(shí)掃描各組內(nèi)的單元,在四核CPU上可提高掃描效率3.7倍。3.提出了一種解析的五軸轉(zhuǎn)接光順?biāo)惴�。該方法可在工件坐�?biāo)系直接控制刀軸方向的光順誤差,并可解析同步刀尖點(diǎn)和刀軸方向路徑的曲線參數(shù)。通過(guò)先在刀軸方向的轉(zhuǎn)角插入三次B樣條,后將光順曲線投影到單位球面S~2,實(shí)現(xiàn)了對(duì)刀軸方向誤差的準(zhǔn)確控制。通過(guò)將余留線段轉(zhuǎn)變?yōu)槿蜝樣條,實(shí)現(xiàn)了刀尖點(diǎn)和刀軸方向路徑參數(shù)的解析同步。相比于在機(jī)床坐標(biāo)系下的光順?lè)椒?所提方法在光順中,無(wú)需運(yùn)動(dòng)學(xué)變換,計(jì)算效率提高了34.0%,可準(zhǔn)確地控制刀軸方向誤差。自主搭建的五軸平臺(tái)上的實(shí)驗(yàn)表明,使用所提光順?lè)椒ê?在運(yùn)動(dòng)時(shí)間不變的情況下,各軸加速度最多可減小28.0%。4.提出了一種刀尖點(diǎn)平動(dòng)和刀軸轉(zhuǎn)動(dòng)的實(shí)時(shí)同步規(guī)劃方法。該方法可滿足工件坐標(biāo)系下的刀尖點(diǎn)和刀軸的速度、加速度和躍度等約束;通過(guò)在局部將各軸約束映射至工件坐標(biāo)系,也可以考慮各軸的運(yùn)動(dòng)學(xué)約束。對(duì)于一條含16個(gè)刀位點(diǎn)的五軸刀具路徑,所提方法可在0.5ms完成速度規(guī)劃,滿足數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。該方法包括兩步:首先分別規(guī)劃刀尖點(diǎn)和刀軸的運(yùn)動(dòng),然后同步刀尖點(diǎn)和刀軸的運(yùn)動(dòng)時(shí)間。相比于使用參數(shù)同步的五軸進(jìn)給速度規(guī)劃方法,所提方法可保證各軸速度、加速度在給定約束附近,且可減小路徑光順后轉(zhuǎn)接曲線部分的各軸加速度達(dá)97.2%。使用所提路徑光順和速度同步規(guī)劃算法后,相比線性刀具路徑,兩個(gè)算例的運(yùn)動(dòng)效率分別提高了38.4%和84.2%。最后,集成各章算法,形成了一套五軸光滑高效軌跡實(shí)時(shí)生成的算法系統(tǒng)。在自主搭建的五軸平臺(tái)上開(kāi)展實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明該算法系統(tǒng)在開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)中可實(shí)時(shí)規(guī)劃進(jìn)給速度;在商業(yè)數(shù)控系統(tǒng)上的加工實(shí)驗(yàn)表明,該算法系統(tǒng)可根據(jù)各軸性能離線優(yōu)化進(jìn)給速度。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TG659

【參考文獻(xiàn)】

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1 王海濤;數(shù)控系統(tǒng)速度前瞻控制算法及其實(shí)現(xiàn)[D];南京航空航天大學(xué);2011年

2 劉清建;數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制及運(yùn)行優(yōu)化[D];天津大學(xué);2010年

3 董靖川;可重構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D];天津大學(xué);2010年

4 孫海洋;NURBS曲線刀具路徑實(shí)時(shí)插補(bǔ)技術(shù)研究[D];國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2008年

5 趙巍;數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)算法及加減速控制方法研究[D];天津大學(xué);2004年

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1 尹曉彤;基于PMAC的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)[D];上海交通大學(xué);2017年

本文編號(hào)：2725287