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自适应NURBS曲线插补关键技术及实现研究

沈洪垚  
【摘要】:NURBS曲线插补作为一种高精高效的数控加工方式,已成为高档数控系统的重要功能和标志之一,也是当前插补技术领域的研究热点和难点。本学位论文结合浙江省重大科技专项“中高档数控机床控制系统”(N0.2006C11067)项目,在分析NURBS曲线插补技术相关研究现状的基础上,进行了三轴数控加工NURBS曲线自适应插补及其关键技术研究。本论文在积极借鉴相关理论和研究成果的基础上,面向NURBS插补加工的高效、高精和自适应性进行了理论和方法创新,开展了微段刀路拟合、自适应插补算法、鲁棒性策略、插补数据误差补偿等一系列关键技术研究,并基于DSP开展了NURBS插补算法的实现及加工实验研究。论文主要研究内容和成果概括如下: 采用预估-比例校正算法避免求导运算,简化了NURBS曲线插补点计算问题。在分析NURBS曲线插补流程中的核心计算任务的基础上,研究了指令速度下参数值计算方法和给定参数下曲线插补点计算方法,并以简化插补计算过程为目的,引入插补点位置预估校正算法,实现了两步计算任务的合并,避免了Taylor展开方法存在预估精度不稳定、导数求解计算量大的问题。给出了NURBS插补中预估校正算法的合理性分析,通过计算实例,对比例校正算法的计算优势进行了仿真验证。 提出了节点组合优化策略(OKCS),以实现微段刀路NURBS曲线的高精度拟合。针对数控加工中采用大量微小直线段引起的诸多问题,采用NURBS曲线在一定精度下逼近CAM系统输出的微小直线段刀路,以实现刀路轨迹的光滑,便于后续采用NURBS直接插补的方式进行加工。针对现有NURBS曲线最小二乘拟合中存在的参数节点划分无法参与拟合的问题,提出了采用节点组合优化策略(OKCS)获得节点划分的近似最优解。进而,针对更高精度的应用需求,给出了两种可靠高效的参数调整方法,以获得合适的曲线次数及控制点数。最后在该算法实现的基础上进行了仿真研究,并与同类方法进行了对比分析,显示了良好的精度优势。 提出了基于进给轴向运动学特性的NURBS曲线前瞻插补算法(ALANI),以保证伺服系统的跟踪精度和插补加工过程的平稳性。针对传统插补算法存在的自适应能力差、过少考虑轴向运动学参数等问题,提出了基于进给轴向运动学特性的NURBS曲线前瞻插补算法(ALANI)。算法在保证工件轮廓精度的同时,在每个插补周期内保证各轴上的加速度、加加速度在对应轴的允许范围内,同时对曲线状况进行前瞻计算,根据需要修正前面的插补参数进行重新插补。该算法将插补精度与加工过程运动学特性进行了有机结合,并在算法实现的基础上进行了仿真研究,并与两种经典的NURBS曲线插补算法进行了对比。 建立了NURBS曲线插补中危险点渡过的鲁棒性策略和回溯点确定的鲁棒性校正方法。在运动学分析的基础上,设计了一种危险点渡过的鲁棒性策略,该策略保证对任意形式危险点的适应能力,并将7项指标严格限制在规定范围内,改善了算法对复杂线形的普适性;另一方面,对前瞻插补中形成的拖尾现象进行了机理分析,并设计了一种修正回溯点确定算法的鲁棒性校正策略,修正了速度曲线拖尾现象,减少了低速爬行,并将该模块融入到ALANI算法中以优化加工效率。 针对NURBS曲线插补技术中的误差补偿问题,提出了粗插补级独立式在线补偿策略。分析补偿静态/准静态误差的必要性与合理性,并从空间误差的角度给出各轴上补偿量的获得方法,在此基础上,从实时性和补偿系统硬件结构角度分析不同补偿方式的特点,提出了粗插补级独立式在线补偿策略,以满足静态/准静态误差补偿的需要。继而根据NURBS曲线的空间复杂性,采用分段-合成方法建立各轴统一误差补偿表,并基于统一误差表,设计了粗插补数据的补偿计算方法,并以空间NURBS曲线为对象,对其粗插补数据进行误差补偿的仿真实验研究。 基于TMS320F2812数字信号处理器构建了NURBS曲线插补控制实验平台。完成了DSP运动控制器的硬件设计和粗精插补的软件设计。并以此为基础开展了不同复杂度情况下的NURBS曲线插补加工试验,以验证插补算法的鲁棒性;同时,对微小直线段插补加工和NURBS拟合插补加工两种方式下的质量进行了定性对比。实验结果表明,ALANI算法稳定可靠,能够明显提升加工过程的平稳性;NURBS拟合插补加工相对微小直线段插补加工具有更好的加工质量和更少的代码信息量。


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