自适应参数曲线插补算法研究

在现有参数曲线插补算法的基础上,基于预估-校正和牛顿迭代公式提出一种新的自适应参数曲线插补快速求解算法;研究指数加减速曲线的时间常数值和系统的柔性、加减速能力的关系,提出变时间常数的指数加减速控制算法。算法改善了传统指数曲线加减速控制中速度突变的缺点,能够在保证加工精度的前提下减少速度波动,并提高曲线的加工效率。仿真实验表明,该算法计算过程简单、切实有效,满足数控系统的强实时性要求并大大提高了其加工过程的速度平稳性和插补效率。     

机器人柔性抛光机床的研究

为满足机器人柔性抛光系统和抛光工艺要求,在抛光加工过程中,机器人柔性抛光机床的抛光轮轮径检测机构可使抛光轮与工件接触点的位置和线速度始终保持不变,这样抛光轮与工件接触点的线速度以及机器人的抛光路径不会随抛光轮的磨损而改变.该机器人柔性抛光机床还具有抛光力控制功能,可控制抛光轮与工件之间的抛光力保持恒定或小于阈值抛光力.     

基于新型柔性加减速控制算法的前瞻插补研究

为解决数控系统处理连续微线段时启停频繁以及插补过程中加速度突变等问题,通过建立圆弧过渡转接模型,根据转折点处的约束条件规划出过渡圆弧处的最优衔接速度,基于新型柔性加减速控制算法对多轨迹段进行速度前瞻规划。经过实验验证,该前瞻插补算法输出的轨迹误差不超过系统给定的最大值,且速度和加速度曲线连续平滑,在满足加工要求的同时能最大限度地提高加工效率,达到了实验最初设计目的。     

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。     

一种三次均匀B样条曲线的轨迹规划方法

针对复杂曲线的数控加工,提出一种新的插补方法。首先采用一种三次B样条曲线的重叠拼接算法实时地对复杂曲线进行拟合,进而综合弓高误差、速度和加速度等因素,给出具有自适应调整能力的插补步长确定算法,该算法在提高轮廓加工精度的同时,可减小加工过程中的冲击。最后,对插补周期内节点的轨迹进行了规划,以确保运动轨迹满足速度、加速度以及加加速度的平滑约束条件。仿真实验结果表明,该方法在实时插补过程中,可以保证复杂曲线插补加工的高速与高精度,且具有很好的速度、加速度以及加加速度平滑性。     

基于误差控制的NURBS曲线预估-校正实时插补技术的研究

针对传统直线逼近曲线插补方法引起进给速度不恒定而导致加工精度变差的问题,提出了一种基于误差控制的NURBS曲线预估-校正实时插补方法,并通过仿真分析了在NURBS曲线实时插补中,影响插补精度的参数以及影响的程度.     

基于FIR滤波的NURBS插补算法研究

在考虑数控加工精度和加工效率的基础上,针对传统加减速控制中减速点预测不准的缺陷,提出了一种基于级联滤波器的NURBS插补算法。该插补算法根据速度敏感点将要加工的曲线进行分段处理,避免了插补过程中的爬行与过冲,提高了加工质量。基于弓高误差的速度自适应调整使得加工精度一直在允许的范围之内,基于滤波器的进给速度控制方案使速度过渡平稳,提高了插补的效率。最后对提出的NURBS插补算法进行了实验仿真,结果证明该算法的可行性。     

同周期控制NURBS曲线高速高精度插补算法研究

为实现对NURBS曲线的高速高精度加工,基于同周期控制思想,提出了一种同周期控制NURBS曲线插补算法(即数控系统的插补周期与伺服系统的控制周期同步).通过软件系统的模块化设计,将费时、复杂的运算经过合理设计安排到预处理模块;同时,为进一步提高算法运算速度和指令高速传输,在算法处理方面采用计算简单并能确保速度曲线平滑的移动平均加减速控制算法对曲线进行加减速处理;在硬件通讯方面采用双端口RAM作为传输接口.最后搭建系统实验平台并对同周期控制NURBS曲线高速高精度插补算法进行实验研究.实验结果表明同周期控制NURBS曲线插补算法可以实现高速高精度加工的插补控制.     

基于多约束控制的NURBS曲线插补速度规划方法

为提高复杂自由曲线数控加工的精度和效率,提出一种基于多约束控制的NURBS曲线插补速度规划方法。该方法能同时满足弓高误差、曲率特性、机床加/减速能力、Jerk限制等约束要求,并利用开放式数控系统实现NURBS曲线直接插补功能。仿真和实例表明,该方法所得速度曲线更加平滑,改善了小曲率情况下插补效率,增强了对精度和效率的协调控制能力。     

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。     

排线轴高速折返运动控制算法研究

针对绕线过程中电磁线与线嘴之间摩擦力不断增大会对张力控制带来不良影响,从而极易导致断线的问题,以控制绕线过程中电磁线与线嘴之间夹角基本恒定,减小电磁线与线嘴之间摩擦力为目标,提出排线轴高速折返运动控制算法。研究排线轴高速折返运动时的轨迹特点,实现排线轴的运动仿真,获取排线轴空间离散轨迹点位置,运用四参数正弦曲线拟合算法,确定轨迹参数曲线方程;采用四阶龙格—库塔数值算法确定曲线插补初始点,运用二阶泰勒方程对插补下一点进行估测,结合弓高误差对各估测插补点进行校正,实现参数曲线的插补算法。试验结果表明,该方法能够有效保持电磁线与线嘴之间摩擦力基本恒定,较大提高绕线过程中张力控制精度,保证绕线质量。     

Bezier曲线插补法在CNC系统中的应用

为了描述列表曲线,本文从三次Ｂｅｚｉｅｒ曲线参数方程的矢量表达式出发,推导出ＣＮＤ系统三次Ｂｅｚｉｅｒ曲线插补法。为保证两段Ｂｅｚｉｅｒ曲线在连接点处一阶导数、二阶导数连续,导出了两段Ｂｅｚｉｅｒ曲线特征向量应满足的关系方程,Ｂｅｚｉｅｒ插补法不仅在理论上可使所有的插补点落在曲线上,而且实时插曲补速度高,每次插补时可合理地选择参数增量,能使插补速度保证不变,也可控制弓高误差。为说明本方法,文末给出了算例。     

F-Theta自由曲面透镜的精密与镜面磨削

针对光学玻璃的F-Theta自由曲面透镜加工困难等问题,提出将金刚石砂轮的椭圆环面代替圆环面,进行F-Theta自由曲面磨削加工,研究形状误差的补偿磨削方法和光学玻璃的镜面磨削工艺。根据F-Theta透镜的自由曲面建立砂轮与工件相切的刀具轨迹法向算法。采用#46粗金刚石砂轮修整成椭圆环面,提出自由曲面磨削的法向误差补偿加工模式。最后,采用#3000超细金刚石砂轮的椭圆环面进行轴向磨削试验。试验结果表明:传统的垂直误差补偿磨削可减小面形误差45.9%及其PV值11.6%;而新提出的法向误差补偿磨削可减小面形误差47.9%及其PV值41.5%。此外,超细砂轮磨削可使得自由曲面的粗糙度达到28 nm,其镜面磨削工艺有别于较粗砂轮磨削工艺。因此,椭圆环面砂轮的法向补偿磨削是提高自由曲面加工精度的有效方法,而且,无需研磨抛光就可以实现光学玻璃的自由曲面镜面磨削。     

非球面磁性复合流体抛光路径误差分析与仿真

针对光学系统中对非球面元件的精度要求,设计了直线光栅式的抛光轨迹,并用磁性复合流体以这一抛光轨迹抛光非球面。根据抛光轨迹和非球面方程计算出每个抛光点的坐标;根据抛光点坐标和抛光头的抛光姿态计算出对应的抛光头中心点的坐标;建立相邻两抛光点的弓高误差模型,仿真出弓高误差模型并分析弓高误差的变化规律;根据弓高误差变化规律,用等弓高误差变步长控制算法实现弓高误差的一致性,提高加工质量。     

Finishing of structured surfaces by abrasive polishing

A new polishing process for the finishing of structured optical elements was introduced by the authors. Abrasive polishing using pin type and wheel type polishing tools made of polyamide was applied to improve the surface roughness of structured molds exhibiting fly-cut and precision ground V-grooves. Surface roughness of abrasive polished sides of V-grooves was found to be about 5 nm Ra. Furthermore, material removal rates were determined according to Preston's equation resulting in increasing removal rates with increasing polishing pressure and relative velocity. Material removal in abrasive polishing of structured surfaces was observed to be caused mainly by two-body abrasion but also by three-body abrasion, depending on relative velocity and polishing pressure. Tribological investigations showed that in abrasive polishing of structures mainly micro-ploughing and less micro-cutting occurs.     

LOOK-AHEAD ALGORITHM FOR VELOCITY CONTROL BASED ON PARAMETERIZED CURVE INTERPOLATOR

To avoid suffering gouge and transient overshooting in high speed cutting machining, a novel parametefized curve interpolator model with velocity look-ahead algorithm is proposed. Based on a prearrangement step interpolation algorithm for parameterized curves and considering high curvature points, parameterized curve tool path is divided into acceleration segments and deceleration segments by look-ahead algorithm. Under condition of characteristics of acceleration and deceleration stored in control system, deceleration before high curvature points and acceleration after high curvature points are realized in real-time in high speed cutting machining. Based on new parameterized curve interpolator model with velocity look-ahead algorithm, a real cubic spline is machined simulativly. The simulation results show that velocity look-ahead algorithm improves velocity changing more smoothly.     

大口径轴对称非球面气囊抛光进动运动建模及控制

研究大口径轴对称非球面气囊抛光进动运动建模及控制。分析气囊抛光机构及大口径轴对称非球面抛光进动工艺特点,确定以气囊自转轴线与气囊交点为研究对象,以气囊球心为原点建立气囊进动基础坐标系,根据大口径轴对称非球面连续进动抛光中各抛光点气囊自转轴与局部法线夹角值(即进动角)不变的原理,在分析每个抛光点时建立与其对应的坐标系,得到抛光该点时气囊自转轴与气囊交点在该点对应坐标系中的值,而后进行坐标变换,将抛光任意点时气囊自转轴线与气囊交点的位置换算至气囊进动基础坐标系中;根据大口径轴对称非球面方程、加工控制模型及前述的坐标变换运算结果,利用矩阵变换得到大口径轴对称非球面抛光的进动运动模型;在上述的运动模型中加入最有效率控制算法后进行运动学仿真,得到大口径轴对称非球面抛光的进动运动曲线,并通过仿真气囊自转轴线跟随加工点法线变化的趋势及比较仿真进动角与实际进动角验证所建立运动模型及控制算法的正确性。     

Precision NURBS interpolator based on recursive characteristics of NURBS

In NURBS interpolation, real-time parameter update is an indispensable step which affects not only feedrate fluctuation but also contour error. Using Taylor approximation interpolation method to find the next interpolation point causes a large feedrate fluctuation due to the accumulation and truncation errors. This paper presents a new, simple, and precise NURBS interpolator for CNC systems. The proposed interpolation algorithm does not use Taylor’s expansion, but the recursive equation of the NURBS formula. A simulation study is conducted to demonstrate the advantages of this proposed interpolator compared with those using Taylor’s equation. It is readily seen that this interpolator using the new concept of interpolation for modern CNC systems is simple and precise. The proposed method can be used for interpolating a continuous NURBS curve.     

Mecanum三轮全向移动平台的设计

为了实现在有限空间内对机器人的位置进行精确控制的目的,设计了Mecanum三轮全向移动平台。通过分析滚子的几何模型,建立了滚子轮廓面参数方程和轴截型曲线方程。根据滚子的参数模型得到了全向移动平台速度和Mecanum轮角速度之间的关系方程,完成了全向移动平台控制系统的设计。在此基础上制作了Mecmmm三轮全向移动平台,并进行了运动性能试验。Mecanum三轮全向移动平台可以实现3个互成120°的直线移动和绕自身中心旋转的正、反方向运动,在轮式移动机构中其全向移动能力具有明硅优势。研究结果表明：该移动平台运动方式灵活,能够在狭窄空间中实现精确定位、原地调整姿态和在二维平面上自由运动。     

磁流变抛光系统去除函数的原点位置标定

为了实现磁流变抛光的确定性加工,对磁流变抛光去除函数的原点位置进行了标定。分析了磁流变抛光去除函数的产生过程及其去除率分布。利用标准圆柱,建立了抛光轮最低点与数控加工中心测头的相对位置坐标变换关系,实现了光学元件在机床坐标系中的精确对准。通过在光学元件的特征点上进行去除函数实验测试,实现了抛光轮最低点对应的去除函数原点位置标定,对标定误差进行了分析。选择圆形平面光学元件,应用以金刚石颗粒为抛光粉的水基磁流液,对抛光轮直径为360mm的磁流变抛光系统进行去除函数原点标定,单次标定精度达到0.030mm。实验结果表明:本文提出的去除函数原点标定方法简单可靠,能够满足磁流变抛光技术的修形需求,可为磁流变抛光在光学制造中的应用提供有力支持。