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多轴数控系统的运动控制算法研究与开发

许东伟  
【摘要】:数控技术是现在装备制造业的关键技术,数控系统的运动控制技术也对制造装备的性能起着决定性的作用。随着工业的快速发展,先进制造技术对数控系统的性能提出了更高的要求。为了满足先进制造技术的需求、实现高性能的数控系统,本文围绕高性能数控系统的柔性加减速控制、速度前瞻控制、插补算法、速度平滑处理和切向跟随算法等方面展开研究。针对柔性加减速控制,分析了简化S型加减速控制模型的特点,提出了根据线段的长度和速度关系来快速分类S型加减速速度曲线的方法,并推导了简便的计算公式,为数控系统的速度规划和速度前瞻的实现奠定了理论基础。针对目前数控加工代码中常常包含大量连续微小线段的现象,提出了一种针对连续小线段的自适应速度前瞻控制算法。通过建立连续小线段衔接处的速度约束模型,确定了线段间衔接处的最优速度,并且根据该速度的大小自适应选择前瞻的段数,从而实现前瞻区间和前瞻计算时间的有效减少。针对基于时间分割法的插补算法,研究了基于误差控制的平面和空间直线、圆弧插补方法,以及参数曲线的插补方法。同时提出了一种基于曲线曲率变化的NURBS曲线速度前瞻控制策略,通过曲率的变化划分前瞻区间并进行统一的速度规划,实现了NURBS曲线的高效实时插补算法。针对插补余量带来的速度尖点问题,提出速度平滑处理方法。结合数控系统不同运动类型的速度曲线的特点,将速度曲线划分为对称性速度曲线和非对称性速度曲线。对于对称性的速度曲线,采用调整加工时的运动参数的方法来实现插补总时间为插补周期的倍数的方法来消除圆整误差,从而实现速度曲线的高效平滑处理。对于实时性要求很高的非对称速度曲线,采用构造平摊序列的方式来实现圆整误差的消除,从而减轻了速度平滑的运算量,保证插补的实时性。针对不同类型的加工路径的切向跟随运动控制模型,提出了直线、圆弧、NURBS曲线和连续小线段的切向跟随算法,同时还根据几何关系给出了各种类型曲线的起始角度计算公式,为数控系统切向跟随功能的实现奠定了理论基础。通过在基于OMAPL138+FPGA的运动控制器硬件平台上进行了算法验证,以及在皮革数控切割机中进行了实际加工应用结果表明,本文所提出的运动控制算法能有效提高数控设备的加工效率和加工质量。


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