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。     

综合多约束条件优化连续轨迹前瞻算法

针对现有连续轨迹插补算法在加工过程中会出现法向加速度和轨迹误差超限现象,导致加工效率及加工精度低等问题。为此,提出一种基于综合多约束条件(Comprehensive multi-constraints, CMC)和前瞻技术的优化连续轨迹前瞻算法。该算法先用弓高误差和法向加速度作为约束限制圆弧加工的最大进给速度;综合运动矢量关系、系统动力学性能和轨迹段长等约束条件,计算获得最优的轨迹段间衔接点速度;根据速度前瞻控制与非对称S曲线加减速控制实现对轨迹段间衔接进给速度的平滑处理。试验验证结果表明,所提出的前瞻插补算法输出的法向加速度和轨迹误差不超过系统给定的最大值、合速度平滑过渡、运动轴速度不存在突变,且全程范围内插补输出的轨迹误差最大值小于系统给定的最大弓高误差值;在保证加工效率的同时,提高加工平滑性及加工精度。     

NURBS曲线敏感点速度平滑插补算法研究

NURBS插补相对于传统直线和圆弧插补具有极大优势,但其存在敏感点区域插补速度波动剧烈而引起超出机床加工运动能力范围的问题。为了提高NURBS曲线插补运动学性能,改善其加速度和加加速度轨迹突变问题,提出一种NURBS曲线几何特性的敏感点区域速度平滑的插补算法。其通过搜索G1或G2不连续的断点和具有大曲率的关键点,在这些敏感点处分别利用FIR级联滤波器进行S型加速度的平滑速度规划,而后采用断点处速度近似调整的方法,来对其运动学特性进一步改善。仿真和实验结果表明,该算法在敏感点处平滑速度规划和运动学性能良好。     

基于改进圆弧转接的直线段连续过渡算法

复杂曲面是数控加工中的一种类型,在数控系统加工前,商业软件会将复杂曲面离散成海量直线段逼近,但相邻直线段间速度的不连续性严重影响曲面加工质量,因此常采用轨迹段间插入直线或曲线来改善速度的连续性。基于已有轨迹段间插入圆弧的转接算法,提出一种基于公差的改进圆弧过渡路径规划算法,在保证转接轨迹精度的同时提高了转接速度。进一步,采用一种加速度连续、加加速度有界的7段S形加减速曲线,实现了刀具路径速度规划及插补。基于上述算法进行了曲线加工验证实验,实验结果表明,所提算法能够在达到同等加工精度条件下,显著提升轨迹段间的转接速度(的连续性),提高复杂曲面加工效率。     

基于圆弧转接和跨段前瞻的拾放操作轨迹规划

针对工业机器人拾放操作中末端速度不连续及突变的问题,设计了一种利用圆弧转接的轨迹规划算法。以给定路径点和圆弧半径为基准,建立了拐角处圆弧转接数学模型,并推导出分割后的路径段计算公式。路径段采用非对称S型加减速模型,在路径长度及始末速度约束下的,计算得到最优的转接速度。根据在路径段内能否达到最大速度和最大加速度,分4种情况进行跨段前瞻速度规划,并采用弧长增量法插补技术实现轨迹规划。在六自由度机器人实时控制平台上进行了三角式和门式拾放操作实验。结果表明,该算法可实现拾放路径拐角处速度的平滑过渡,减少加速度突变,提高机器人作业效率。     

基于规划单元的连续微小直线段在线规划算法

为提高数控系统中连续微小直线段的规划效率/解决跨段插补问题,提出规划单元的概念,通过将诸多微小直线段划分为规划单元进行速度规划,根据规划单元内部各控制点的加速度约束、加工误差约束、跨段插补约束和指令速度约束等速度约束条件,计算出规划单元的进给速度和终点速度。为了实现微小直线段加工的连续变速过程,提出线速度前瞻算法,并结合规划单元定义给出前瞻规划单元的最小理论长度,建立前瞻缓存区,通过速度回溯算法实现缓存区内部规划单元速度规划过程。结合口腔修复体数控机床的加工代码轨迹对基于规划单元的连续微小直线段速度规划算法进行验证,结果表明该算法能够满足口腔修复体高速连续加工。     

非均匀有理B样条曲线直接插补进给速度规划

在非均匀有理B样条直接插补算法中,为了提高插补实时性、克服前瞻规划算法的缺点,提出了基于进给速度预处理曲线的进给速度规划方法.该方法在插补前,通过建立进给速度预处理曲线来取代非均匀有理B样条曲线实时插补进给速度规划的前瞻算法.在速度规划过程中,为了防止进给加速度和加加速度超过机床性能要求,在曲线曲率变化较大的区域,采用基于逐点比较计算的方法规划每个参数点处的进给速度.通过MATLAB仿真表明所提方法具有较高的加工精度、良好的进给速度平滑效果和实时插补性能.     

基于差分插补原理的前瞻速度控制规划

为解决经济型数控系统加减速控制加工效率低、加工速度慢等问题,在差分插补的原理上采用速度前瞻的控制方式,通过对路径上的速度进行规划,以及轨迹衔接点处的速度进行预测,提前进行加减速度控制。通过建立前瞻数学模型,对前瞻速度的变化具体分析,并进行实际加工测试,实验达到了最初的设计目的,保证了数控系统的加工效率与质量。     

NURBS插补中相邻敏感点区域速度轨迹规划研究

为达到高速高精度加工目的,参数曲线插补成为研究重点,而NURBS曲线以其一般性和普遍性而被广泛研究和应用。在分析了速度轨迹规划方法后,提出了一种考虑NURBS曲线所有敏感点的速度轨迹规划插补算法,通过寻找G~0连续,G~1不连续和G~1连续,G~2不连续的断点以及大曲率的关键点,将曲线分段,继而根据每一曲线段始末点自适应速度进行速度轨迹规划,但是当前插补相邻敏感点区域和下一插补相邻敏感点区域都可能有速度轨迹规划交叉的情况发生,因此提出了整条NURBS曲线的速度轨迹规划方法。仿真结果表明该算法实现了速度和加速度的平滑且满足机床运动学和动力学限定要求。     

基于干涉预处理的NURBS曲线前瞻插补算法

鉴于直接自适应插补容易在加工过程中引起较大的速度波动,而按曲率极值点对NURBS曲线进行分段插补造成加减速过程中加速度和加加速度超限,提出一种基于干涉预处理的非均匀有理B样条曲线前瞻控制插补算法。首先对曲线进行自适应处理,得到各自适应插补点的运动参数;然后找出其中加速度或加加速度超限的点(即危险点),并对这些点的速度进行前瞻控制,根据前瞻控制信息对相邻危险点进行干涉处理,最终得到用来对曲线分段的危险点信息和相应的控制策略;最后根据各危险点之间的干涉类型对曲线进行实时插补。仿真实验表明,该算法能够在保证加工精度的前提下,实现进给速度的平滑过渡,并且能够保证加速度和加加速度不超限。     

工业机器人笛卡尔空间轨迹规划

研究了在笛卡尔坐标系中工业机器人空间直线及圆弧轨迹规划问题,提出利用抛物线过渡的空间直线插补算法和基于局部坐标系的空间圆弧插补算法。以上算法在自行设计的五自由度喷涂机器人上进行了实验验证。实验结果表明,该直线和圆弧插补算法能保证机器人运行平稳,轨迹衔接平滑。     

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。     

双五次多项式过渡机械手轨迹规划

笛卡尔空间中,机械手的轨迹运动一般是由多段连续的直线段或圆弧段接合在一起的。连续轨迹段间的过渡是基于笛卡尔空间轨迹规划中的难点,5次多项式过渡算法是机械手笛卡尔空间连续轨迹间位置过渡的主流算法。具有加速度连续的优点,但也存在过渡几何形状难以控制,最大加速度难以估算的缺点。针对这种情况,采用双5次多项式融合算法,实现过渡过程中的几何形状约束,最大加速度约束,同时给出最大加速度估算和允许的边界速度的表达式,实现直线-直线,圆弧-直线,圆弧-圆弧之间的平稳过渡。     

连续多类型曲线段进给速度前瞻规划

为解决由直线、圆弧与参数曲线形成的多类型曲线段混合插补过程中的进给速度前瞻规划问题,提出一种连续多类型曲线段进给速度前瞻规划算法。该算法以预读的加工路径作为进给速度规划单元,通过曲线段划分生成连续多类型曲线段;根据插补几何误差与机床动力学参数建立段间衔接点进给速度约束;使用三次多项式型进给速度曲线,利用解析法精确计算各曲线段在曲线长度约束下的进给速度参数,以充分发挥机床的动力学性能;使用回溯重规划策略进行全局规划,实现段间速度连续性;通过进给速度规划残差补偿策略降低残余长度、提高终点精度。实例分析表明,该算法能显著提高终点精度、生成平滑的进给速度曲线、降低加工时间。通过加工实验验证了该算法有效、可行,并能充分发挥机床的动力学性能。     

面向连续短线段高速加工的圆弧转接前瞻控制算法

针对连续短线段高速加工中速度和加速度突变会引起机床运动不平稳的问题,提出在相邻线段间构建满足精度且曲率连续的NURBS圆弧过渡路径,以实现拐角平滑转接的方法。在此基础上,提出一种圆弧过渡前瞻控制算法,采用7段和5段混合的双向S形加减速控制算法进行速度规划,旨在满足弦高误差和机床动力学条件下获得最大转接速度,避免电机频繁启停,实现速度、加速度的连续高速平滑转接,大大减少了对机床的冲击。算例表明,该算法能获得更高更平稳的转接速度,可有效提高加工效率和加工质量,满足高速加工的需求。     

连续微小路径段的高速自适应前瞻插补算法

给出了一种加工由连续微小路径段(直线或圆弧)组成的刀具路径的插补方法。该方法能根据当前加工路径处的实际情况，自适应地决定前瞻的路径段数，并通过具体的算法确定当前加工路径段起点和终点处的进给速度，实现路径段之间进给速度的高速衔接。     

基于S型速度曲线的机器人连续多轨迹规划

针对工业机器人在笛卡尔空间的多轨迹规划问题,设计出一种基于S型速度曲线的连续多路径平滑过渡算法.根据特征点坐标、半径调节参数和进给速度在路径拐角处建立圆弧模型进行转接过渡,并采用四元数对姿态进行插补,建立空间直线与圆弧的位姿模型.在MATLAB平台上与首末速度为零的传统S型速度控制算法进行了连续多轨迹仿真实验对比.结果 表明:与传统加减速控制算法相比,该算法的执行效率可提高近37.1％,并可实现多路径段间的平滑过渡,大大减少了机械冲击.     

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.