五轴线性刀路的转接光顺及轨迹生成算法

线性刀路是五轴加工中广泛采用的刀具路径形式。由于线性刀路的切向和曲率均不连续,容易引起机床振动,降低加工质量和加工效率。已有的方法仍然存在一些问题,同步参数化、误差控制以及实时性无法同时满足,在规划进给速度时没有考虑五轴机床的非线性运动学特性。为此,提出了一种新的路径光顺方法。该方法采用2条3次Bézier曲线对线性刀路进行转接光顺,提高几何连续性:一条Bézier曲线对刀尖点位置进行光顺;为了保证刀轴矢量单位化,用2个欧拉角表示刀轴矢量,从球面坐标系映射到平面笛卡尔坐标系,用另一条Bézier曲线对其光顺。接着,给出了基于转接光顺的轨迹生成算法。该算法考虑非线性运动学特性,结合前瞻技术和7段式S型速度规划方法,实时规划出满足伺服约束的平滑进给速度。仿真与试验结果表明:所提出的刀路光顺与轨迹生成算法能够规划出加速度连续的进给速度曲线,提高进给速度,生成的轨迹满足驱动约束,适用于实时环境。     

五轴加工刀具轨迹NURBS插补技术的研究

为了解决直线插补和圆弧插补的不足,以三次NURBS参数样条为基础对五轴加工的NURBS插补的进行研究;基于UG前置输出刀位数据点,分别对刀尖点和刀轴矢量参数化,反算求出控制顶点,实现NURBS插补,同时通过对插补点的曲率计算,推导出插补误差与进给速度的关系,进而用进给速度控制插补误差;基于IMSpost和HEIDENHAIN iTNC530数控系统,进行NURBS插补功能的后置处理器的研究,实现高效NC程序的输出;基于MATLAB,以叶轮的NURBS插补刀具轨迹进行仿真验证,实现了NURBS刀具轨迹的NC输出。     

新型五轴混联机床的后置处理与轨迹仿真

为适应我国航空航天大型整体结构件的加工需求,以一种采用三坐标并联动力头的新型五轴混联机床为对象,基于矢量链方法建立了机床工作空间到驱动轴的运动学映射模型,在此基础上开发了机床的后置处理模块和刀具轨迹仿真模块。在后置处理模块中,对计算机辅助制造系统生成的刀位文件在工作空间中插补并进行坐标变换,得到加工程序点集,然后通过调用运动学逆解模块将其转换成驱动轴的运动控制序列,并对进给速度进行校验,以实现对混联机床的五轴控制。所开发的轨迹仿真模块基于运动学正解模型,实现了驱动轴电机位移参数采集、刀具工作空间轨迹显示、刀具运行状态监测。以"S"型试件为例进行了编程与加工实验,初步验证了开发模块的性能。     

辛普森积分法在双NURBS曲线随动插补中的应用

提出一种精确计算插补步长的双NURBS曲线随动插补算法。首先由曲面数控加工的离散刀位数据分别拟合出刀尖点和刀轴点NURBS曲线,并建立两条曲线插补参数间的随动关系模型;然后采用辛普森积分法计算出曲线的总弧长,进行插补运动的加减速规划;再以刀尖点NURBS曲线为基准确定插补参数,采用辛普森法确定各插补周期的进给步长及插补点坐标;最后依据随动关系模型获得刀轴点NURBS曲线对应的插补参数,完成曲面加工刀路规划的刀具位姿插补。仿真实验表明,与同一参数插补法相比,参数随动法可以获得更加稳定的等距效果,便于实时控制插补过程中的刀轴位置和姿态。     

基于TMS320F2812的三次B样条曲线实时插补

为提高数控系统实时插补的准确性、加工速度和加工精度,采用在每个插补周期中保持进给速度不变的三次B样条曲线参变量非均匀变化实时插补算法。利用数字信号处理器（DSP）进行三次B样条曲线实时插补,可缩短插补计乒时间;通过设定DSP的定时器中断来实现各轴控制脉冲的发送,可实现最大限度地减少折线状的插补轨迹的目的。结果表明,该算法能使所有的插补点都在理论曲线上,可以保证运动控制系统的高速高精度要求。     

基于TMS320F2812的三次B样条曲线实时插补

为提高数控系统实时插补的准确性、加工速度和加工精度,采用在每个插补周期中保持进给速度不变的三次B样条曲线参变量非均匀变化实时插补算法.利用数字信号处理器(DSP)进行三次B样条曲线实时插补,可缩短插补计算时间;通过设定DSP的定时器中断来实现各轴控制脉冲的发送,可实现最大限度地减少折线状的插补轨迹的目的.结果表明,该算法能使所有的插补点都在理论曲线上,可以保证运动控制系统的高速高精度要求.     

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。     

基于进给速度引导曲线的参数曲线实时插补器

设计了一种基于进给速度引导曲线的参数曲线实时插补器,给出了进给速度引导曲线的B-样条曲线生成方法。该方法在数控加工之前,通过建立进给速度引导曲线,来取代参数曲线实时插补进给速度规划的前瞻处理。实验表明,采用这种基于速度引导曲线的参数曲线实时插补器后,实时计算任务少,可以获得良好的伺服轴进给速度平滑效果和实时插补性能。     

基于传动系统动力学的NURBS曲线插补算法

对机床传动系统、伺服驱动系统和数控插补模块进行动力学建模和求解。提出一种新的NURBS插补算法,按照进给率自适应轨迹规划算法进行当前插补周期的速度设定,并且根据曲线当前位置的曲率特性,进行基于曲率的最大速度限定,通过求解动力学模型,获得按照这一速度进行插补时系统需要的最大驱动力,若该驱动力超过系统能够提供的最大驱动力,则再次按照用户设定的加速度进行减速,获得的速度作为指令速度,按照一阶泰勒展开近似进行插补点的计算。该算法不仅在NURBS曲率较大的区域自动降低进给速度,保证要求的弦误差,而且使输出的插补速度指令区域平滑,保证不会出现插补输出的位置值系统无法进行位置控制造成更大的加工误差。     

基于关节空间插补的3-TPS混联机器人轨迹误差分析

针对3-TPS混联机器人空间运动性能要求及自身的结构特点,提出坐标空间的粗插补算法和关节空间的精插补算法,以提高混联机器人运动轨迹误差。精插补采用在原控制系统中的样条插值算法基础上改进的CBI曲线插补算法,保证了拟合曲线通过粗插补离散点。最后采用MATLAB软件对精插补算法在两种精插补策略下对轨迹误差的影响进行了仿真分析,验证CBI曲线拟合算法的正确性。该混联机器人的控制算法对轨迹误差的影响为运动控制提供了切实可行的控制策略与算法基础。     

An adaptive feedrate scheduling method of dual NURBS curve interpolator for precision five-axis CNC machining

Non-uniform rational b-spline (NURBS) tool path is becoming more and more important due to the increasing requirement for machining geometrically complex parts. However, NURBS interpolators, particularly related to five-axis machining, are quite limited and still keep challenging. In this paper, an adaptive feedrate scheduling method of dual NURBS curve interpolator with geometric and kinematic constraints is proposed for precision five-axis machining. A surface expressed by dual NURBS curves, which can continuously and accurately describe cutter tip position and cutter axis orientation, is first used to define five-axis tool path. For the given machine configuration, the calculation formulas of angular feedrate and geometric error aroused by interpolation are given, and then, the adaptive feedrate along the tool path is scheduled with confined nonlinear geometric error and angular feedrate. Combined with the analytical relations of feed acceleration with respect to the arc length parameter and feedrate, the feed profiles of linear and angular feed acceleration sensitive regions are readjusted with corresponding formulas and bi-directional scan algorithm, respectively. Simulations are performed to validate the feasibility of the proposed feed scheduling method of dual NURBS curve interpolator. It shows that the proposed method is able to ensure the geometric accuracy and good machining performances in five-axis machining especially in flank machining.     

高质量加工中四次多项式速度规划算法研究

通过分析数控机床加工时常用的速度规划算法,针对加工过程中由于加速/减速时速度不平滑、加速度及加加速度突变导致数控机床振动的问题,提出一种四次多项式加减速控制方法,并给出了四次速度方程的详细推导步骤,然后介绍了基于四次多项速度规划的参数曲线插补方法。该方法能保证数控机床在高速加工过程中的速度、加速度及加加速度实现连续变化,缓解高速加工产生的过冲。仿真实验表明,四次多项式速度规划算法能够使机床实现柔性加减速控制,从而满足高质量加工的要求。     

虚拟轴机床作业空间快速检验算法的研究

根据虚拟轴机床的结构和运动特点,提出在机床的运动学分析中运用单开链方法,只进行一次运动学逆解计算就可求出全部运动变量的值,包括从动铰的运动坐标,因此适合于作业空间的快速经验。基于一台实际的虚拟轴机床－－VAMT1Y,对该算法进行了应用和验证。     

数控加工中基于自由曲面表面特性的刀具路径安排

目前CNC上的轨迹控制功能仍主要是直线和圆弧插补,因此当加工自由曲面时,大多只能采用直线或圆弧逼近算法来对曲线进行逼近处理。针对数控加工的实际需求,现在数控系统技术人员对数控机床插补器进行研究并开发出了许多曲线和曲面插补功能。基于曲线插补,在保持进给速度尽可能恒定的条件下,对刀位路径和刀位速度进行离线的曲线拟合,以便于得到用于数控加工的刀位文件。这种方法能有效解决进给速度的波动问题,并能有效压缩刀位文件。为此,提出几种算法来拟合刀位路径和刀位速度轮廓曲线。曲线和曲面插补在数控代码数据量和逼近误差方面都有较大的改善。     

用工业控制机实现的空间任意圆弧的扩展DDA插补算法

提出一种用工业控制机的汇编语言实现的空间任意圆弧的ＮＣ插补算法。该算法利用ＤＤＡ算法的原理，并在此基础上予以扩展，能实现三轴联动加工，它的运算速度快，精度高，用该算法加工空间曲面取得了满意的效果。     

五轴工具磨床通用后置处理研究

数控机床后置处理能将刀位轨迹转换为机床数控加工程序,其先进程度对零件加工质量和效率有重要影响。目前五轴工具磨床后置处理大都专机专用或另外购买专用后置处理模块。通过对五轴工具磨床的结构类型分析,建立通用五轴工具磨床运动模型,并采用机床运动创成函数将砂轮的位姿转换为机床各轴的运动量,从而得到五轴工具磨床通用后置处理方法,提高了五轴工具磨床后置处理算法的通用性。     

AC轴工作台旋转型五轴机床后置处理中的XYZ冗余运动优化问题

深入研究了AC轴工作台旋转型五轴机床后置处理中的X、Y、Z轴冗余运动优化问题。对于五轴机床,工件在工作台中不同的摆放位置会造成后置处理中X、Y、Z轴的路径长短不同,导致了在相同的进给率下加工时间差别很大。通过对后置处理计算过程的分析,总结出:当刀位靠近AC回转轴的交点时,后置处理得到的X、Y、Z轴的运动路径越短。并据此结论给出了一种简单有效的优化工件位置的计算方法。计算实例表明此方法可以显著减少X、Y、Z轴的冗余运动,提高加工效率。     

基于机床混合模型的参数曲线高速插补速度极值分析

参数曲线高速数控插补时,进给速度规划需要综合考虑机床动力学特性和曲线几何特征的限制。通过建立机床进给系统的机电混合模型,给出了参数曲线高速插补进给速度的机床动力学约束条件。以此条件为基础,采用“速度－加速度”相平面分析法导出了速度极值曲线解析表达式。与实时插补弦高误差约束下的速度极值曲线表达式相比,二者具有一致性。通过机床动力学约束下的速度极值曲线最大实时插补弦高误差估计,可简化插补进给速度规划约束条件。研究结果表明,给出进给速度极值解析曲线是有效的,可为参数曲线高速插补进给速度优化规划提供理论分析依据。     

Optimal curvature-smooth transition and efficient feedrate optimization method with axis kinematic limitations for linear toolpath

In industrial areas, the machining performance with linear G01 code is a crucial indicator to evaluate the computer numerical control (CNC) systems and many researchers have presented various methods to deal with the corner tracking issue. However, the axis jerk limitations are not satisfied well and the different axis kinematic limitations are not considered in most researches, which will reduce the machining efficiency and machining quality simultaneously. In this paper, a novel method including trajectory planning, feedrate scheduling, and interpolating is proposed to obtain better machining quality and higher machining efficiency. In trajectory planning, a B-spline curve is utilized to smooth the linear toolpath and obtain a curvature-smooth trajectory, which is third-order geometry continuous. Thereby, a time-optimal method for the geometric continuous trajectory is proposed based on linear programming algorithm in the feedrate scheduling and the bounded multi-constraints, including axis velocity, axis acceleration, axis jerk, and feedrate. Moreover, it can be seen that the proposed method is near Bang-bang control. To reduce the computation time of the optimal numerical method, an efficient method with a look-ahead window around the transition B-spline curve is applied. In the interpolation stage, a novel interpolation method about arc-length is proposed to improve computation efficiency. Finally, simulation and experiment are conducted to show superiorities of the proposed method to the already existing approaches. The results show that the cycling time of the proposed method is reduced by more than 7% than G² method and 20% than G³ method with better contour performance.