【摘要】：高檔數(shù)控系統(tǒng)是制造葉輪、葉片等航空航天核心零部件的有效工具。作為數(shù)控系統(tǒng)的控制核心,運動軌跡控制功能的優(yōu)劣直接影響著數(shù)控機床的加工效率和加工質量,是評價數(shù)控系統(tǒng)性能的重要指標。但是,在高檔數(shù)控系統(tǒng)進口方面,西方發(fā)達國家一直對我國進行嚴格的限制。因此,為了實現(xiàn)“中國制造2025”的目標,形成“中國智造”的核心競爭力,《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要》將“高檔數(shù)控機床和基礎制造裝備”列為16個重大專項之一,并在《國務院關于加快振興裝備制造業(yè)的若干意見》中,特別指出“發(fā)展大型、精密、高速數(shù)控裝備和數(shù)控系統(tǒng)及功能部件,改變大型、高精度數(shù)控機床大部分依賴進口的現(xiàn)狀,滿足機械、航空航天等工業(yè)發(fā)展的需要”。本文在分析國內外高檔數(shù)控系統(tǒng)研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢的基礎上,以中國科學院沈陽計算技術研究所所承擔的國家級科研項目為依托,針對工件的高速、高精加工問題,圍繞運動軌跡控制的兩個關鍵技術:軌跡平滑和速度規(guī)劃,開展了以下的研究工作:1.典型圖形專用軌跡平滑算法。為實現(xiàn)離散小線段形式下圓弧和橢圓弧的高速高精加工,在分析現(xiàn)有樣條插補方法不足的基礎上,提出一種典型圖形專用平滑壓縮插補算法。該算法根據(jù)雙弓高誤差限制,從由離散小線段構成的加工路徑中識別出非連續(xù)微小線段加工區(qū)域和連續(xù)微小線段加工區(qū)域。對于非連續(xù)微小線段加工區(qū)域,直接在離散小線段上進行插補計算,以保證加工精度。對于連續(xù)微小線段加工區(qū)域,根據(jù)離散指令點的曲率值,尋找曲率極值點和拐點,并對其進行擬合,將折線加工路徑轉化為平滑的二次有理Bézier曲線加工路徑;然后,利用二次有理Bézier曲線特征識別出圓弧和橢圓弧,并將其轉換為幾何形式;最后,將相鄰圓弧段或橢圓弧段合并后進行插補計算。實驗結果表明,在離散小線段形式下,該算法可以有效地降低速度的頻繁波動,實現(xiàn)圓弧和橢圓弧的高質量加工。2.基于公差帶的G2連續(xù)Bézier刀具軌跡平滑算法。傳統(tǒng)全局軌跡平滑算法只能保證離散指令點到樣條曲線的最短距離滿足輪廓誤差,卻不能保證由相鄰離散指令點構成的小線段到樣條曲線的最遠距離不超過設定值。同時,由于傳統(tǒng)全局軌跡平滑算法需要迭代處理或求解復雜非線性方程組,計算量會隨指令點的增多而增加,實時性和局部性較差。因此,在分析現(xiàn)有全局軌跡平滑方法不足的基礎上,提出了一種基于公差帶的G2連續(xù)Bézier刀具軌跡平滑算法。該算法根據(jù)雙弓高誤差限制,從由離散小線段構成的加工路徑中識別出連續(xù)微小線段加工區(qū)域。對于連續(xù)微小線段加工區(qū)域,首先,對離散的指令點進行局部插值,將折線加工路徑轉化為G1連續(xù)的二次有理Bézier曲線;然后,調整相鄰兩條二次有理Bézier曲線的權值和連接點處的切線方向,使得加工路徑達到G2連續(xù)性;最后,通過建立公差帶,將不滿足精度要求的二次有理Bézier曲線進行重構。實驗結果表明,該算法實時性好,生成的加工軌跡滿足G2連續(xù)性和精度要求,能夠實現(xiàn)在線軌跡平滑處理,有效地提高加工效率。3.基于軸加加速度光滑的拐角過渡平滑算法。傳統(tǒng)拐角過渡平滑算法需要兩步來完成運動軌跡控制,首先,在加工路徑的拐角處構造過渡曲線,然后,在構造好的樣條曲線上進行速度規(guī)劃。為了降低軌跡平滑處理和速度規(guī)劃處理所耗費的時間,提高拐角過渡處的平滑度和加工精度,提出一種基于軸加加速度光滑的實時前瞻拐角過渡平滑算法。該算法利用三角函數(shù)速度規(guī)劃方法,在一步之內,同時完成拐角過渡曲線的構造和單軸的速度規(guī)劃,顯著地降低了運動軌跡控制所耗費的處理時間。實驗結果表明,該算法能夠在滿足加工精度的條件下,實現(xiàn)光滑的軸速度、加速度和加加速度控制,提高運動軌跡控制的處理效率和加工精度。4.基于自適應前瞻和預測校正的實時柔性加減速控制算法。傳統(tǒng)的速度規(guī)劃算法,如S型加減速算法、三角函數(shù)型加減速算法,雖然能夠實現(xiàn)速度、加速度和加加速度的平滑控制,但算法結構復雜,需要大量數(shù)值計算,多采用離線方式進行速度規(guī)劃,而且在加工過程中,當加工參數(shù)發(fā)生改變時,數(shù)控系統(tǒng)無法快速地做出響應,甚至無法響應。因此,在分析現(xiàn)有速度規(guī)劃方法不足的基礎上,提出了一種實時柔性加減速控制算法。該算法包括自適應前瞻處理、預測校正實時速度規(guī)劃和動態(tài)修調三部分。前瞻處理部分采用加減速可行性判斷,不必前瞻完所有的程序段即可完成前瞻,保證加減速可達和實時前瞻;速度規(guī)劃部分應用預測校正方法實時計算下一插補周期的進給速度,保證加工過程中速度、加速度的連續(xù)變化,減小機床的振動;動態(tài)修調部分能夠在滿足機床動態(tài)性能的前提下,對當前速度規(guī)劃結果和前瞻處理結果進行調整,及時地響應加工中機床參數(shù)的改變。實驗結果表明,該算法能夠實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的實時柔性加減速控制,支持動態(tài)修調,滿足實際加工的要求。
【學位授予單位】：中國科學院大學(中國科學院沈陽計算技術研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：V261;TG659
【圖文】：

計技術和機械制造技術的發(fā)展，越來越多的人使來進行復雜零部件的設計 但由于絕大多數(shù)的數(shù)輸，通常利用計算機輔助制造ξCAMο系統(tǒng)，用微小直線段去逼近 CAD 系統(tǒng)設計的自由曲線構成的數(shù)控加工程序，如圖 1.1 所示 在實際加直接在每一條微小直線段上進行數(shù)控加工，會降，由于速度 加速度和加加速度的頻繁變化，會制，導致伺服電機頻繁啟停，引起數(shù)控機床振動而降低加工效率和加工質量 因此，需要使用軌點構成的折線加工路徑先轉化為光滑的樣條曲線工，來提高數(shù)控機床的加工速度 加工精度和加術包括全局軌跡平滑技術和局部軌跡平滑技術，其研究現(xiàn)狀

圖 1.2 全局軌跡平滑技術Figure 1.2 Global trajectory smoothing method平滑技術滑技術主要是在相鄰微小直線段的連接處，通數(shù)曲線等，實現(xiàn)數(shù)控加工軌跡的平滑，提升數(shù)，從而提高加工速度和加工質量，如圖 1.3 所司(SIEMENS, 2016)提出了連續(xù)路徑運行功能程序段執(zhí)行結束并進行程序段切換時，為了公差，對拐角和程序段切線過渡開展平滑，以于局部軌跡平滑技術具有局部性好和輪廓誤差究人員的廣泛關注

圖 1.2 全局軌跡平滑技術Figure 1.2 Global trajectory smoothing method軌跡平滑技術平滑技術主要是在相鄰微小直線段的連接處，通過 參數(shù)曲線等，實現(xiàn)數(shù)控加工軌跡的平滑，提升數(shù)控度，從而提高加工速度和加工質量，如圖 1.3 所示公司(SIEMENS, 2016)提出了連續(xù)路徑運行功能 當前程序段執(zhí)行結束并進行程序段切換時，為了避免的公差，對拐角和程序段切線過渡開展平滑，以連續(xù)由于局部軌跡平滑技術具有局部性好和輪廓誤差控研究人員的廣泛關注

【參考文獻】

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1 趙晟;畢慶貞;王宇晗;石t

本文編號：2785053