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《南京航空航天大学》 2011年
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数控系统速度前瞻控制算法及其实现

王海涛  
【摘要】:数控技术作为支持现代装备制造业的关键性技术,对航空航天、汽车、轮船等制造业的发展起着重要作用,对制造装备的功能和性能起决定性作用。数控加工中加工路径的尖锐拐角及高曲率容易引起过切、机床震动和数据饥饿等现象,严重影响加工质量和加工速度。本课题提出的数控加工速度前瞻控制算法能够自动分析加工路径,发现并处理路径危险点,对速度轨迹提前规划,实现速度的平滑过渡,防止过切等现象,能有效保证较高的加工效率及加工精度。 本文在江苏省自然科学基金(招标)项目(No.BK2003005)、国家自然科学基金(No.51005122)和航空基金(No.2008ZE52049)的资助下,系统研究了前瞻控制中的加减速算法、连续微小线段的自适应前瞻控制策略、以及参数曲线的前瞻控制方法并且探讨了NURBS曲线的S型加减速前瞻控制策略。论文的主要工作如下: 在前瞻控制算法的组成构架中,加减速算法作为研究的基础,本文首先建立了数控前瞻控制中的加减速算法的通用模型,系统分析了前瞻中加减速算法中位移、速度、加速度等变化量,并且充分考虑了前瞻时速度轨迹和实际加工速度轨迹之间的误差,提出了一种实际加工中的速度误差修正方法,使实际加工速度严格按照前瞻时的轨迹进行,为以后研究各种曲线的前瞻控制奠定了基础。 针对目前数控加工常用的将曲线离散成微小线段的加工方法,提出了一种针对连续微小线段的自适应前瞻控制方法。首先通过分析微小线段衔接处的速度约束条件,确定其衔接处的最优速度,并且根据实际加工路径曲率自适应的确定前瞻距离。通过优化控制策略,最大程度减少了迭代计算。 针对参数曲线的加工特点,提出了一种参数曲线的前瞻控制算法。此算法根据参数曲线的曲率自适应地调整插补速度,并且根据相邻插补点的速度差值分析加工路径上的速度敏感点,通过比较分析速度敏感点,在前瞻路径上对速度进行统一加减速规划,在满足机床加减速性能的同时,提高了加工表面质量和加工效率。 在分析参数曲线前瞻控制的基础上,针对目前复杂曲面中常用的NURBS曲线,探讨了一种NURBS曲线的S型加减速前瞻控制策略。通过分析曲率上升和下降区域近似找出速度敏感点,并且针对NURBS曲线和S型加减速计算的复杂性,在频繁加减速的区域用更为简便的三角函数方法统一规划加减速,减少速度的频繁变化和系统的计算量,保证加工的实时性。 实验结果表明,所提出的数前瞻控制策略能够有效规划加减速路径,在满足机床性能的基础上,提高加工质量和加工效率。
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