数控加工中的平滑压缩插补算法研究

为实现自由曲面的高速和高表面质量加工,在分析现有插补方法不足的基础上,提出一种指令点平滑压缩插补算法.该算法可根据相邻线段间的长度和夹角将数控加工程序划分为非连续微小线段加工区域和连续微小线段加工区域.对于非连续微小线段加工区域,在相邻指令点构成的直线段上进行插补计算,以确保加工中的精度.对于连续微小线段加工区域,确定加工路径弯曲方向改变处的特征指令点;在满足加工精度的条件下,通过拟合特征指令点来将折线加工路径转化成平滑曲线加工路径,以达到压缩程序段数目和平滑加工路径的目的;在拟合而成的平滑曲线上进行插补计算,以实现高速而又高表面质量的加工.试验结果表明,该算法可有效地提高自由曲面的加工效率和表面加工质量.     

面向微线段高速加工的拐角曲线过渡插补算法

针对微小线段高速加工的需求,在分析现有微小线段转接过渡算法不足的基础上,通过建立拐角曲线过渡矢量模型,探讨轮廓加工精度、相邻线段长度和夹角以及过渡曲线弧长和最大曲率之间的关系.并以此为基础,提出一种基于拐角曲线过渡的微小线段插补算法.该算法根据上述模型确定出相邻线段间既符合轮廓加工精度和微小线段自身长度,又满足转接处曲率连续的拐角过渡曲线,以此来提高相邻线段间的转接速度;计算出受弦高误差和机床机械特性限制的加工速度极小值点以及该点所允许的最大加工速度;通过对相邻速度极小值点间的加工速度进行自适应调整,以提高微小线段的整体加工速度.研究结果表明,该算法可有效地提高相邻微小线段间的转接速度,并大大缩短整体加工时间.该算法已成功地应用于高速雕铣机数控系统中.     

基于NURBS曲线拟合的刀具路径优化方法

为解决复杂曲面高速、高精度加工中由于微小直线段链逼近自由曲线产生的刀具路径不连续问题,提出一种基于非均匀有理B样条曲线拟合的刀具路径优化方法.在该方法中,通过分析刀具路径的几何特征鉴别需要平滑的连续直线段链,对其分段进行基于最小二乘法的非均匀有理B样条曲线拟合优化,并设置相邻段连接点处的边界平滑条件,还原刀具路径应有的连续性.拟合算法采用特征点搜索法设定曲线参数,通过误差控制的曲线节点向量和控制顶点调整保证拟合曲线精度.实验表明,经过该算法拟合优化后的刀具路径具有良好的平滑性,显著提高了曲面加工的精度和效率.     

面向高质量加工的圆弧平滑压缩插补算法

为实现离散小线段形式下圆弧的高速高精加工,在分析现有样条插补方法不足的基础上,提出一种圆弧平滑压缩插补算法。该算法根据双弓高误差限制,从由离散小线段构成的加工路径中识别出非连续微小线段加工区域和连续微小线段加工区域。对于非连续微小线段加工区域,直接在离散小线段上进行插补计算,以保证加工精度。对于连续微小线段加工区域,根据离散指令点的曲率值对曲率极值点和拐点进行拟合,将折线加工路径转化为平滑的二次有理Bézier曲线加工路径;然后,利用二次有理Bézier曲线特征识别出圆弧并转换为几何形式;最后,将相邻圆弧段合并后进行插补计算。实验结果表明,在离散小线段形式下,该算法可以有效降低速度的频繁波动,实现圆弧的高质量加工。     

基于NSGA-Ⅱ和最小二乘原理的加工轨迹拟合算法

为减少数控系统微线段加工时加减速频繁的情况,提高加工速度,设计了基于带精英策略的非支配排序的遗传算法(NSGA-Ⅱ)和最小二乘原理的数控加工轨迹拟合算法,采用该算法实现以圆弧为基元对连续微线段进行拟合。通过对轨迹点进行二进制编码,以拟合段数少和拟合误差小为优化目标,求出Pareto最优前沿,同等拟合段数下的拟合轨迹较传统算法误差更小。     

一种基于最小二乘法的离散点螺旋线式拟合算法

针对数控加工中,小线段刀路轨迹数据量较大的问题,提出了一种利用阿基米德螺线拟合小线段轨迹（离散点）的算法,分析了阿基米德螺线参数与切矢、径矢夹角的关系,给出了拟合误差的计算方法。基于最小二乘原理,通过前寻、回溯离散点集,在满足精度要求的前提下,用较少段螺旋线拟合该离散点集。仿真结果表明,阿基米德螺线拟合离散点具有数据量小、拟合精度较高的优势。     

五轴联动数控加工中的刀具轨迹控制算法

已有的五轴联动数控加工系统往往忽略刀轴矢量插补问题,只是简单地通过对线性轴进行插补、对旋转轴进行跟随的方式来实现刀具轨迹的控制,导致产生非线性误差和刀具碰撞与干涉等问题。为此,提出一种基于刀轴矢量插补的刀具轨迹控制算法。该算法采用大圆弧插补法对加工过程中的刀轴矢量进行控制,同时采用NURBS曲线拟合方法对控制过程中产生的中间点进行处理,并通过对拟合而成的NURBS曲线进行插补来实时计算各运动轴的位置。该算法不仅能够有效地提高五轴联动数控加工的精度,而且可以有效减小数据存储量。仿真和实际加工验证了算法的有效性和实用性,证明算法具有轨迹过渡平稳、非线性误差小的特点。     

高速嵌入式数控系统速度前瞻控制算法的研究

为了实现嵌入式数控系统对微小轨迹的高速加工,避免数控设备频繁加减速产生的冲击,提出了一种高速数控加工中根据小线段标志判别前瞻分界点,自动调整前瞻段数的加减速控制前瞻算法,有效简化了连接点衔接速度的计算方法。首先分析了相邻轨迹加工路径衔接速度限制条件,提出了小线段判别条件和自适应前瞻段数的确定方法,然后通过对样条曲线加工代码的30个轨迹点进行仿真实验,结果表明该算法显著缩短了加工时间,速度变化平稳。     

大型旋转曲面表面涂层仿形加工方法

针对航天领域中某大型易变形薄壁工件旋转曲面表面的涂层仿形加工问题,提出一种高效的实时加工方法。将距离传感器安装于刀具前方一定角度处,加工时,传感器先检测金属曲面外形数据,以测量的离散数据点计算刀具进给轨迹进而控制刀具进给,从而实现高效率的涂层加工,解决易变形薄壁工件表面涂层的仿形加工难题。在实时加工点到达测量点的时间段内,系统完成数据采集、数据处理和刀具轨迹计算。为提高运算实时性,提出对NURBS曲线进行近似拟合的轨迹快速生成方法,以拟合误差为依据将轨迹分成NURBS曲线段和折线段,在误差大的拟合点以直线段连接。最后,通过加工实验证明该加工方法高效、实用。     

面向微线段高速加工的Ferguson样条过渡算法

针对微小线段高速加工控制需求,在分析常用直接过渡法不足的基础上提出了一种基于Ferguson样条的微线段过渡算法.首先探讨了Ferguson样条曲线的性质,然后从精度优化分配、控制三角形获取和插补前瞻控制三方面阐述了算法原理,最后与传统算法进行了效率对比分析.仿真与实例验证表明,此算法具有过渡平稳、误差易控、效率高的特点,适合于微小线段的高速加工控制.     

五轴微段平滑插补算法

在五轴加工编程中,计算机辅助制造系统对曲面加工通常采用以折代曲,采用大量的微小G01直线段来加工曲面,在曲率半径较大的工件表面会出现明显折痕,严重影响工件表面的加工质量。为提高五轴数控加工工件的表面质量,提出一种五轴微段平滑插补算法。该算法考虑五轴加工中刀位数据的量纲差异,根据相邻数据点间的线性轴长度、线性轴的夹角和旋转轴角度变化量识别五轴数控加工程序中非连续微段和连续微段加工区域。对非连续微段加工区域按照原始直线段和旋转轴直接插补,从而保证加工精度。对连续微段加工区域,先通过五维变量获取节点参数,采用最小二乘法对指令点在允许的精度范围内进行修正;对修正后的指令点采用4点构造法计算二阶切矢,根据连续微段的指令点修正值,节点参数值和对应的二阶切矢值获取二阶连续的三次样条曲线;在二阶连续平滑的曲线上进行实时插补计算,控制机床进行五轴加工。试验结果表明:通过提出的五轴微段平滑压缩算法拟合后的路径要更加接近原始的曲面模型,平滑处理过的实际工件加工表面也要优于未进行处理的工件加工表面,提高了五轴自由曲面的表面质量。     

基于NURBS曲线拟合的微段高速自适应加工算法

为了满足加工精度的要求,消除以微小直线段离散化自由曲线加工路径的微段加工方式的加工程序量过大和需要频繁加减速的两大弊病,实现微小直线段的高速平滑加工,提出了带权因子和一阶导数约束的NURBS曲线最小二乘逼近算法,并在此基础上给出了基于NURBS曲线拟合的微段平滑加工算法。该微段平滑加工算法将离散的微段数据点拟合成一条NURBS曲线并将其作为新的加工路径,然后利用NURBS曲线实时插补,从而实现微小直线段的平滑加工。验证结果表明,该算法使加工更平滑和高效。     

基于NURBS最小二乘逼近的微段平滑加工算法

在微段加工方式下,通常需要借助CAM(Computer Aided Manufacturing,计算机辅助)软件的后置处理将连续的加工路径离散化为大量微小直线段,并生成数控程序,数控系统则根据由微小直线段组成的加工路径进行插补和加工。但是,该方式具有加工程序量过大和需要频繁加减速来满足加工精度要求的两大不足。因此,为了实现微小直线段的高速平滑加工,提出了带权因子和一阶导数约束的NURBS曲线最小二乘逼近算法并加以了初步验证。算法的实质是将由微小直线段组成的加工路径拟合成一条连续的NURBS曲线,作为新的加工路径,然后利用NURBS实时插补对新的加工路径进行插补,实现微小直线段的高速平滑加工。经初步验证,算法有助于改善微段加工方式的加工质量和效率。     

基于过控制顶点曲线的微线段过渡插补方法

针对微线段数控加工过程中的插补问题,为减小微线段数控加工中的速度波动,实现转接点的平滑过渡,提出过控制顶点曲线的过渡插补算法。首先构建微线段曲线的过渡矢量模型,根据基于特征多边形顶点的曲线模型的几何特性,构建过控制顶点曲线的过渡矢量模型,然后采用过控制顶点曲线过渡模型对微线段进行插补计算,根据加工误差计算控制顶点,确定约束速度并实时进行前瞻处理,最后通过实例进行了验证。实验结果表明,所提出的方法有效地提高了微线段转接速度,缩短了加工时间,实现了曲线的平滑过渡。     

复杂参数曲面高精度刀具轨迹规划算法

在对等残余高度刀具轨迹规划算法加工参数曲面研究的基础上,提出带有误差补偿值的复杂参数曲面高精度刀具轨迹规划算法——高精度刀轨误差补偿算法。通过分析刀触点及与之相应的相邻路径上的粗、精刀位对应点间的关系,引入误差补偿值以提高精对应刀位点的求解精度,得到经过合理简化的误差补偿值表达式,并得出粗、精对应刀位点与理论刀位点的距离误差表达式。高精度刀轨误差补偿算法可以在满足插补运算实时性要求的前提下,使相邻轨迹上与刀触点相对应的刀位点的参数值计算精度得到极大提高,进而提高复杂参数曲面的加工刀具轨迹精度。以使用平底铣刀为例进行仿真加工,结果表明高精度刀轨误差补偿算法适合进行对复杂参数曲面的高精度加工。     

引入路径夹角的粒子群-禁忌搜索寻优的速度前瞻算法研究

对于数控系统中路径为连续微线段的情况,本文提出一种采用路径夹角进行优化的多轨迹速度前瞻算法。首先基于前后路径的约束关系初算衔接速度;其次,利用路径夹角对衔接速度和最大加加速度进行矢量函数映射;最后,将所得的加减速参数带入S加减速模型,得到非对称S型加减速数据。并且采用粒子群-禁忌搜索混合算法对路径夹角的调整系数进行优化,通过熵权法计算适应度函数合成指标的权重,得到全局最优解。结果表明,相较于传统S型加减速,本文采用的算法显著提高了加工效率,具有较高的柔性,极大的提升了加工精度。     

基于支持向量机的点云曲面刀具路径规划

针对单值散乱点云曲面刀具路径规划问题,提出了一种基于最小二乘支持向量机的计算方法。在计算过程中,将点云数据向平面投影,得到二维点集。应用网格划分和边界网格内测量点高斯映射技术,提取平面区域内的边界特征点。用边界特征点定义点云曲面的实际加工区域,在此区域内规划平行等间距刀具路径。应用最小二乘支持向量机拟合点云数据,求得被加工曲面的连续表达模型,经此模型将二维刀具路径数据向三维空间映射,求出刀触点数据。将刀触点经法向偏置计算,求得刀位点。实例验证证明,该方法能较好地解决信息不完备散乱点云曲面刀具路径生成问题。      

曲面笔式加工刀位点曲线的实时拟合

针对曲面高速高精度加工问题,给出一种刀位点轨迹实时生成算法。该方法的实现包括曲面上离散刀触点的生成和基于三次非均匀B样条曲线的刀位点轨迹实时高精度拟合两部分。第一部分,由导动曲线和刀触点轨迹的运动学关系,通过计算导动曲线参数,间接得到投影在曲面上的离散刀触点;第二部分,通过合理参数化、构建模长因子等实现刀位点参数曲线的分段实时拟合。仿真实例表明该算法简单易于编程,曲线拟合精度高,适用于自由曲面笔式加工中刀具路径计算与生成,从而满足复杂曲面高性能数控加工需求。