NURBS曲线新S型加减速反向寻优插补算法研究

NURBS曲线的弧长与参数之间无精确的解析关系,导致基于S型加减速进行插补时,曲线长度计算和减速点的预测十分困难,为此提出了新S型反向寻优插补算法。首先建立新S型加减速模型,将分段后的曲线逐段取出,利用新S型算法进行速度规划。接着对速度敏感点进行校正,并反向插补寻找减速点。通过插补实例证明,该算法适应性、实时性较好,能够满足高速高精度数控加工的要求。     

全程S曲线加减速控制的自适应分段NURBS曲线插补算法

为满足现代数控加工的高速度、高精度要求,提出基于7段式S曲线加减速全程规划的NURBS曲线自适应分段插补算法。该算法根据NURBS曲线几何形状将其自适应分段,并计算曲线段各项参数值、对应S曲线加减速规划(速度规划为17种类型)中加减速类型和自适应调整速度曲线加减速时间。在固定插补周期下,与单独自适应算法、5段式S曲线加减速控制方法的仿真结果相比,在满足加速度与加加速度限制条件,且最大弦高误差不超过0.5μm时,该算法插补精度高于单独自适应算法,与5段式S曲线加减速控制方法近似,且其全程平均进给速度比5段式S曲线加减速控制方法平均进给速度提高21.7%,达到594mm/s。     

基于NURBS曲线的S型级数式速度规划算法

针对NURBS曲线插补时采用连续积分的速度规划算法与插补离散不一致性的问题,提出一种NURBS曲线的S型级数式速度规划算法,该算法完全按离散方式进行设计,满足实际插补时在插补周期内匀速、速度阶跃变化的离散性要求。根据已知条件计算出加减速、匀速等相应段的插补周期数,以此规划出离散级数式速度曲线。S型级数式速度规划算法与实际插补离散性要求一致,且设定的加减速余量因子修正了圆整算法对速度造成的损失。通过MATLAB仿真实验验证了该算法的有效性。     

参数曲线柔性加减速前瞻控制算法

针对参数曲线插补的特点,使用S形加减速和三角函数加减速相结合的柔性加减速方法对参数曲线的插补路径进行前瞻控制。在规划前瞻速度过程中,首先根据加工曲线的曲率变化自适应地将前瞻距离分为曲率上升段和曲率下降段。在对前瞻路径进行S形加减速规划时,遇到路径上曲率频繁变化段,为了减小计算量,采用三角函数加减速的方法对速度进行重新规划。这样,在满足机床加减速要求的同时降低了系统计算负荷。仿真结果和实例表明,该算法能够适应复杂曲线的变化,满足高速高精度插补的要求。     

NURBS曲线S型加减速反向修正插补算法研究

为了克服传统算法中减速点难以确定,轮廓误差较大的缺点,提出了反向修正插补算法。将分段后的曲线逐段取出,利用S型加减速算法进行速度规划,并对速度敏感点进行校正,在速度校验点处反向提取存储值进行正向插补,并根据速度波动率构造插补函数,基于Newton-Leibniz公式计算插补参数。仿真实验表明该方法在速度敏感点处速度、加速度、加加速度不超限,使插补误差保持在规定的范围之内,保证了加工质量。     

多轴联动插补的规划算法

对采用数据采样位置控制方式的现代计算机数控（ＣＮＣ）系统,提出了一种可实现任意多轴联动实时软件插补的新算法。其特点是对每个程序段的速度倍率进行预规划,不仅使程序段内能进行快速加减速,而且可以避免程序段程序间的插补误差保证准确到达每个程序段的终点,从而解决反向丢失行程和拐角轨迹误差问题。整个算法简单高效,已实用于４８６工控机控制的四轴联动五轴控制的数控纤维复合材料缠绕机中,证明了算法的有效性。     

三次多项式位移增量微段前瞻插补算法研究

针对采用传统的S曲线加减速控制方式对微小线段进行加工时会产生频繁启停且加工效率低,而现有直线加减速控制方式会产生加速度突变造成机床振动强烈等问题,提出一种基于三次多项式位移增量加减速控制的微段前瞻插补算法。该算法分为程序段预处理和实时插补两个阶段:在程序段预处理阶段,通过对程序段进行链接,将对程序段的规划转变为对程序链的规划,并给出程序链的相应信息;在实时插补阶段读取相应的程序链信息完成插补计算。通过对一自由曲面模型进行实际测试加工,证明了算法的有效性。     

基于曲线长度自调整速度方程的非均匀有理B样条插补算法

针对非均匀有理B样条(NURBS)曲线加工过程中速度规划复杂、效率低以及机床震颤剧烈的问题,提出一种高效规划进给速度的NURBS插补算法。预处理过程计算出待加工NURBS曲线插补参数及误差速度,根据误差速度曲线分析加工路径的加减速情况,并基于加/减速区间长度自动调整三次多项式速度方程,实现平滑的速度与加速度曲线;实时插补过程采用基于Adams-Moulton方法计算初始参数,然后采用二分法对参数进行寻优,将插补过程中速度波动控制到加工要求精度范围内,从而降低机床的振动。通过MATLAB仿真,验证了所提算法加减速规划的高效性和参数计算的精确性,表明该算法在复杂曲线曲面加工领域可以提高机床加工效率与精度。     

基于NURBS曲线的工业机器人位置插补算法研究

针对直线圆弧插补在线计算量大,样条插补不能描绘自由曲线,提出了一种将NURbS算法应用于工业机器人控制系统的描绘自由曲线的实时高精度插补算法。该算法基于NURbS曲线矩阵表达式,利用插补前分段加减速控制的对称性反向插补预测减速点,整合了Taylor展开式和Adams方法预估曲线参数,通过加减速、弓高误差和法向加速度进行实时步长自适应控制,并由预估-校正进行精度控制。仿真与实验结果表明,该插补算法实时性好,精确度高。     

工业机械臂的轨迹规划插补系统设计

针对传统梯形速度规划存在的变速冲击和机械臂空间轨迹跟随作业质量低等问题,将五次多项式替换传统梯形速度规划加减速区的方法应用到工业机械臂的轨迹插补系统中。对传统梯形加减速控制的模型和轨迹插补系统进行了分析,推导了五次多项式速度插补算法的数学模型,并在Matlab上对该算法进行了建模与仿真分析;为了验证算法的有效性,设计了四轴机械臂轨迹插补系统的硬件及软件,阐述了轨迹插补系统以及空间轨迹插补的实现流程;基于Linux开发平台和SCARA机械臂,搭建了轨迹插补系统实验,并进行了现场测试。研究结果表明:该系统在满足参数约束的同时达到了柔性插补的设计要求,在冲击度峰值方面相比传统方法降低90%以上,提升了轨迹插补的作业质量和效率。     

基于DSP的数控插补平台研究

介绍了一种基于DSP的数控插补平台。该平台由上位机以及基于DSP和FPGA的运动控制器组成。上位机进行G代码的解析处理,通过ISA接口传输给DSP,在DSP中完成多轴运动控制,包括插补预处理、多轴插补运算、伺服控制、数据采集和实时轮廓误差的计算等。插补算法中,采用前瞻控制和柔性的加减速控制,实现了多段直线或圆弧的连续插补控制。由于DSP运算速度快,插补周期可以达到1ms以内,因此,该平台可达到很高的插补精度。实验验证表明,该平台运行稳定,功能完备,同时具有较高的轮廓精度,适合各种插补算法的研究。     

样条曲线插补速度规划算法的研究

设计了一种适合多种样条曲线（三次样条曲线,Bezier曲线和B样条曲线）插补算法,通过速度控制前瞻缓冲区设置,在保证加工精度的基础上,实现了系统在样条曲线插补过程中加减速处理,改善了插补速度曲线,并满足了机床加减速性能要求。     

基于极坐标系的数据插补算法的椭球宏程序的应用

数控机床具有能实现两轴或者多轴联动、极大地减少了工装夹具运用并提高了生产效率与加工精度的特点,但在正常情况下,用数控机床加工除圆弧以外的轮廓线,如圆锥曲线、三角函数曲线等复杂轮廓线,手工编程得到的曲线的拟合精度不满足加工要求。针对这个问题,研究了基于极坐标系的数据插补算法在宏程序加工中的应用,并以椭球的宏程序加工为例,给出了加工步长的算法。通过使用这种数据插补算法,加工效率和精度得到了最大提高,并且对零件改型的适应性也相应增强。     

椭圆加工中的圆弧拟合及加减速算法研究

很多数控机床不支持椭圆插补,因此椭圆加工一般采用圆弧拟合的方法转换成圆弧加工.采用椭圆的最优四圆弧逼近拟合算法,用数字积分法(DDA)进行圆弧插补.用小段割线拟合圆弧起点和终点的小段圆弧,将圆弧的加减速控制转换成直线的加减速控制,解决了DDA圆弧插补的加减速控制难题.     

基于高阶非均匀有理 B 样条插补的多轴运动控制方法研究

针对传统多轴运动控制系统在作业中存在轨迹转折处不平顺、加速度和加加速度切换不平滑产生变速冲击以及轨迹不能进行局部修改的问题,提出了一种基于高阶非均匀有理 B 样条插补的多轴运动控制算法。首先,构建五次非均匀有理 B 样条插补算法,对样条曲线数据进行预处理,根据非均匀有理 B 样条曲线反算出控制点并生成控制多边形;其次,利用 MATLAB 构建多轴机械臂和高阶非均匀有理 B 样条插补算法模型,通过给定型值点进行轨迹规划仿真。仿真结果表明:基于高阶非均匀有理 B 样条的多轴运动控制插补方法相对于低阶非均匀有理 B 样条曲线轨迹更圆滑,末端更能高效平稳地到达给定目标点;速度、加速度和加加速度的过渡更加平滑减少机械磨损,从而提高了运动的平稳性;并且该方法还能够对运动轨迹进行局部修改,提升了多轴运动控制的作业质量。     

5轴联动数控系统速度控制方法

高速加工过程中,在刀具路径上容易产生过冲,影响加工精度,因此必须提前对加工速度进行优化处理.基于数据采样法,利用当量位移和坐标轴方向系数实现了5轴联动线性插补;利用直线加减速原理进行插补前加减速控制;对速度前瞻控制方法进行了深入探讨,实现了相邻程序段转接处速度优化、连续微小程序段速度计算、减速点提前预测及前瞻程序段数动态选择等.仿真结果表明,速度平滑连续,有效地解决了5轴联动线性插补中的速度控制问题,提高了加工精度和加工效率.     

面向高速加工的样条曲线实时插补算法

数控加工追求更高的加工效率和光洁的加工表面,但大多数样条曲线插补算法是根据进给速度、最大合加/减速度和合加加速度来设计的,并没有考虑如何充分利用单轴的最大加减速能力。提出一种时间近似最优的样条曲线实时插补算法,它面向数控系统对高速加工的需求,在考虑机床动态性能的基础上,充分利用单轴的最大加减速能力,以达到理论上近似最优的加工效率。同时该算法通过预处理求速度限制曲线、速度曲线反向链接和平滑处理三个步骤求出满足加工精度以及机床单轴的最大加速度、加加速度等约束条件的加工速度曲线,能有效提高加工表面的粗糙度。仿真结果表明,该算法在有效提高加工效率的同时,能实现对减速点的精确定位,得到光滑的加工速度曲线。     

基于de Boor算法的NURBS曲线插补和自适应速度控制研究

以NURBS曲线deBoor递推插补算法为基础，针对NURBS曲线速度处理的特殊性，建立了一种NURBS曲线自适应速度控制模型，该模型分为速度自适应控制和插补前加减速处理两部分。以deBoor算法为基础对整个插补周期的弓高误差以及切向和法向加速度进行实时监控，分析了误差产生的原因并进行了相应的速度控制；以插补前直线加减速为例引入NURBS反向插补的概念，解决了NURBS曲线减速区长度计算问题。实验结果表明，该模型满足实际的NURBS曲线插补的需要。     

A control strategy with motion smoothness and machining precision for multi-axis coordinated motion CNC machine tools

The advanced manufacture technology requires that multi-axis coordinated motion computer numerical control (CNC) machine tools have the capability of high smoothness and high precision. At present, the study of the motion smoothness mainly concentrates on the acceleration and deceleration control method and the look-ahead process of velocity planning in the interpolation stage. The control strategy of the contouring error mainly focuses on tracking error control, cross-coupling control, and optimal control. In order to improve the motion smoothness and contouring precision for multi-axis high-speed CNC machine tools, a multi-axis modified generalized predictive control approach was presented in this paper. In the control strategy, the estimation models of tracking error, contouring error, velocity error, and acceleration error were structured separately. A new improved quadratic performance index was proposed to guarantee the minimum of these errors. Generalize predictive control was also introduced, a multi-axis generalized predictive control model was deduced for motion smoothness and machining precision for multi-axis coordinated motion CNC system, and an approved multi-axis generalized predictive controller based on the model was designed in this paper. The proposed predicted control approach was evaluated by simulation and experiment of circular, noncircular, and space line trajectories, respectively. These simulative and experimental results demonstrated that the proposed control strategy can significantly improve the motion smoothness and contouring precision. Therefore, the new position control method can be used for the servo control system of multi-axis coordinated motion CNC system, which increases motion smoothness and machining precision of CNC machine tools.