三次多项式型微段高速加工速度规划算法研究

为满足高速数控加工的要求,提出了一种三次多项式加减速控制模型.该模型能保证高速运行过程中加速度的连续,使机床运行平稳,避免产生大的冲击.针对连续微段的高速加工,建立了满足最大速度、最大加速度、几何运动轨迹及长度约束条件下的轨迹速度规划策略,并给出三次多项式型速度规划算法的实现流程图.试验结果表明,该算法能实现连续微段间进给速度的高速衔接,大大缩短加工时间并提高加工效率.该算法已成功应用于多坐标数控高速微细加工系统中.     

连续轨迹段平滑过渡的前瞻插补算法

针对数控机床处理连续轨迹段时启停频繁、加工过程中因加速度突变所引起的冲击振动,进而导致加工效率及精度降低等问题,以多项式为基础,构建一种柔性加减速控制的前瞻插补算法。首先,在相邻轨迹转折点处建立圆弧过渡模型,根据轨迹误差及加速度等约束条件求得过渡圆弧处的最大转接速度;其次,为实现加加速度可导、加速度连续可导,提出一种基于多项式的柔性加减速算法;再次,基于柔性加减速算法和前瞻控制实现对连续轨迹圆弧衔接处速度的规划;最后,在运动平台上进行对比试验验证。试验结果表明,提出的前瞻插补算法满足系统的轨迹精度要求,速度和加速度曲线连续平滑且没有突变,保证了加工过程中的平稳性并提高了效率。     

高速装备前瞻自适应速度优化算法

为了实现高速加工中进给速度的高速衔接,避免因加速度突变导致对数控设备的冲击,提出了一种基于插补前S曲线加减速的前瞻自适应速度优化算法。该算法能够根据加工段的过渡情况自动调节预读段数。以进给速度最大化为目标,在预读段衔接进给速度限制和加工过程平滑减速的约束条件下,根据离散化S曲线加减速规律求解最优衔接进给速度。将求得的最优衔接进给速度作为相应加工段的实际末速度,来实现加工段的速度控制。给出了该算法在高速数控系统中的实现方法,并在管切割数控系统中得到了应用。实验结果表明,该算法能够实现进给速度的高速、平滑衔接,满足高速加工的要求。     

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S型加减速的自适应前瞻NURBS曲线插补算法

为实现加工过程中进给速度和加速度的平滑过渡,减小其突变时对机床的冲击,更好地保证加工精度,提出一种基于S型加减速的前瞻自适应非均匀有理B样条曲线插补算法.该算法根据弓高误差的要求,确定出各插补点的自适应进给速度及位置参数,然后找出速度改变点及其等速区间.为避免相邻速度改变点间加减速过程的互相影响,分别在插补前瞻距离和预前瞻距离内,根据设备允许的最大加速度、加加速度以及S型加减速算法对各速度改变点参数进行分析,筛选出决定加减速过程的关键点,再进行S型加减速控制,使进给速度和加速度得以平滑过渡,从而满足机床加减速能力的要求.仿真结果表明,该算法能够满足高速高精度的要求,验证了其可行性.     

三次S曲线加减速算法研究

针对直线加减速和指数加减速算法中加速度不连续,易对机床产生冲击的问题,提出了一种三次S曲线加减速算法,给出了相应的加加速度、加速度、速度和位移的计算表达式。利用最优化原理,对加减速控制中可能出现的各种情况进行了速度规划。仿真结果表明:该算法能保证加速度和加加速度的平稳变化,避免产生大的冲击,提高了数控系统的运动稳定性;算法简单智能,可根据路径长度自适应地重新规划速度,提高了加工效率。     

基于滤波技术的数控系统加减速研究

针对数控系统在启动／停止时由于速度不平滑,加速度存在突变现象导致机床产生剧烈振动问题,结合滤波技术和直线加减速规划方法提出了一种新的数控机床的加减速控制方法,该方法基于离散采样模型推导了滤波后的速度、加速度、加加速度的数学表达式,证明了该方法与常规S形加减速算法等价,并给出了该方法的实现步骤,实验结果证明了该算法的有效性。     

三次多项式型微段高速自适应前瞻插补方法

为实现微段的高速加工,提出一种三次多项式型高速自适应前瞻插补方法,该方法的实现包括前瞻插补预处理和实时参数化插补两部分。插补预处理时,按轨迹转接点最高速度确定、减速点位置自适应前瞻确定和整体跨段转接点速度校核三个步骤建立连续微段的高速自适应前瞻控制策略。实时插补时,基于三次多项式加减速控制模型为被前瞻插补多微段建立整体跨段参数化插补算法。结果表明,提出的方法能实现连续微段间进给速度的高速衔接与高速加工时减速点位置的前瞻确定,从而大大缩短加工时间并提高加工效率。该方法已成功应用于多坐标数控高速微细加工系统中。     

通用型前瞻速度规划算法

为优化进给速度曲线,节约加工时间并提高加工质量,提出一种通用的前瞻速度规划算法.该算法可以在满足进给速度约束条件的前提下,对加工路径进行预读,实现进给速度的前瞻规划处理.算法以规划元为单位对加工路径进行划分,通过对加减速算法的抽象和封装实现不同种类的前瞻速度规划,以及对进给速度控制功能算法的重构.仿真和实验表明,该算法在几种不同加减速方式下都可以正确重构,实现进给速度的实时前瞻规划,改善数控机床的加工效率和运动平稳性.     

NURBS曲线高速高精度插补及加减速控制方法研究

为满足非均匀有理B样条曲线高速高精度插补加工的需要,针对目前参数曲线插补加减速控制方法的不足,提出了一种新的控制方法.该方法考虑了高速高精度加工中容易超限的弓高误差和机床所能承受的法向加速度等因素,使进给速度既符合加减速的要求,又能随曲线曲率自适应调整,因而可在提高轮廓加工精度同时,显著地减小加工过程对机床的冲击.同时,采取了改进、简化算法,实现了快速、实时自适应的非均匀有理B样条曲线插补的加减速控制.实例表明,该方法在实时插补过程中,满足了速度和加减速的要求,保证了插补加工的高速与高精度,且实现了速度的平滑过渡.     

玻璃成形抛光相对线速度基本恒定控制算法研究

针对玻璃成形抛光中玻璃与抛光轮接触点相对线速度持续减小从而影响加工效率的问题,以控制相对线速度基本恒定、保证加工效率和精度为目标,提出基于三次NURBS曲线的速度控制算法。基于线性加减速方案,确定速度特性曲线控制点。结合Preston公式,以相对线速度基本恒定为约束条件,求解抛光轮中心末速度。以加加速度连续为约束条件,求取与控制点对应的权因子,确定抛光轮中心速度变化时的控制方程。采用四阶龙格-库塔数值方法确定插补初始点,再由米勒-汉明数值方法进行迭代校正,实现参数式曲线插补控制算法。试验结果表明,该速度控制方法能够有效保持玻璃与抛光轮接触点相对线速度基本恒定,加工效率较传统方法有较大提高。     

Interpolation of parametric CNC machining path under confined jounce

Aiming at reducing the computer numerically controlled (CNC) machining vibration and increasing machining quality, an interpolation method for parametric tool paths with confined jounce, jerk, acceleration, and speed is proposed. An acceleration/deceleration profile with confined jounce, jerk, acceleration, and speed is proposed, and it is shown that this profile is time optimal to change the speed from one value to another under the given constraints. For a given parametric tool path, the velocity function is obtained by first computing the critical points of the tool path where the radius of curvature reaches extremal values, then determining the feasible maximal speeds at the critical points, and finally using the jounce confined acceleration/deceleration profile to connect the speeds at the adjacent critical points. A vibration experiment is conducted, which shows that vibration of the CNC machine decreases significantly for motions under confined jounce than that under confined acceleration and jerk. Simulation for two real CNC models are given to show the feasibility of the method.     

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。     

基于自适应前瞻和预测校正的实时柔性加减速控制算法

为了提高离散小线段的加工效率和质量,提出一种实时柔性加减速控制算法。该算法由三部分组成：前瞻处理部分利用加减速可行性判断条件,保证加减速可达和实时前瞻;速度规划部分在保证速度和加速度连续变化的条件下,实时计算下一插补周期的进给速度;动态修调部分对当前速度规划结果进行调整,及时响应加工中机床参数的改变。实验结果表明,该算法能够实现数控系统的实时柔性加减速控制,支持动态修调,满足实际加工的要求。     

基于分段三次样条曲线的高速加工平滑运动轮廓自适应算法研究

针对高速加工的需求,提出了一种基于分段三次样条曲线的机床运动轮廓自适应生成算法。该算法能够保证机床在高速运行过程中加加速度（加速度的变化率）的恒定、加速度的连续、速度与时间关系的一阶连续、位移与时间关系的二阶连续,并且保证在各自的约束范围内,从而使机床的运动平稳,避免产生大的冲击和振动。分析了速度、加速度、加加速度的约束条件以及机床行程对平滑运动轮廓的影响,根据这些约束条件,该算法自适应地调整速度变迁各阶段的时间。针对多个程序段的加工,提出了分段常速与平滑变迁控制的策略。该算法简单、有效,已在最新开发的国内第一台高速玻璃刻花加工中心上实现。     

数控系统的直线和S形加减速研究

推导出了用于机器人及机床控制器前加减速的直线加减速和S形加减速的离散采样迭代公式。实际减速点和理论减速点不重合，在减速过程中会出现一段时间的低速运行，为了消除低速运行段，提出了按照实际的剩余长度重新计算加速度和加加速度的算法，对该算法进行了仿真和实验验证，结果表明，该算法可有效地消除减速过程中的低速运行段。     

Adaptive parametric interpolation scheme with limited acceleration and jerk values for NC machining

Parametric interpolation has many advantages over the traditional linear or circular interpolation in computer numerical control (CNC) machining. The existing work in this regard is reported to have achieved constant feedrate, confined chord error and limited acceleration/deceleration in one interpolator. However, the excessive jerk still exists due to abrupt change in acceleration profile, which will cause shock to the machine as well as deteriorate the surface accuracy. In this paper, an adaptive interpolation scheme incorporating machine’s dynamics capability consideration is proposed and illustrated in details. In the proposed algorithm, the commanded feedrate is maintained at most of the time and adaptively reduced in large curvature areas to meet the demand of the machining accuracy requirement, while at the same time, the acceleration and jerk values are limited within the machine’s capabilities during the whole interpolation process. It ensures a high machining accuracy, eliminates the phenomenon of overshoot/undershoot and reduces mechanical shock to the machine tools. The real-time performance of this interpolator is also measured to demonstrate its practical application. Two non-uniform rational B-spline (NURBS) curve interpolation experiments are provided to verify the feasibility and advantages of the proposed scheme.