高速数控加工的前瞻控制理论及关键技术研究

论文摘要

针对加工路径尖锐拐角及高曲率而导致高速数控加工中的加工过切、机床异常振动及数据饥饿现象,提出了高速数控加工前瞻控制新算法。相对于传统加工控制过程,前瞻控制具有自动分析加工路径、自动发现路径危险点及自动处理路径危险点的能力,有效保证较高的加工效率及加工精度。根据前瞻控制的实现过程及实现目的,本文结合863高技术研究发展计划资助项目“面向微流控芯片的微模具制造装备研究”(2002AA421150)和浙江省重大机电装备专项项目“中高档数控机床控制系统”(2006C11067)等任务,系统研究了前瞻控制加减速算法、前瞻控制离散路径插值算法、前瞻控制参数曲线插补算法及前瞻控制过程中的误差补偿算法,最后论述了前瞻控制算法的具体实现过程。前瞻控制算法的组成构架中,加减速算法是基础,离散路径的插值算法、参数曲线的插补算法是必要手段,而误差补偿算法则是必须的配件。论文首先深入研究了传统数控系统加减速算法的实现原理和数控加工过程中离散加工路径段的速度矢量混和算法,基于多项式的多样性与实用性,针对性地论述了多项式通用加减速算法的实现,并基于特定加减速特性创新的提出了微小线段的速度光滑衔接算法。根据前瞻控制中路径分析及实际插补的需要,将离散加工路径的插值应用划分为局部插值及全局插值两种,基于求解线性方程组的追赶法和求解高次多项式方程的牛顿迭代法,详细阐述了常用参数式曲线插值算法。由于参数曲线插补在高速数控加工中应用越来越普遍,为了保证前瞻控制算法应用的广泛性,论文阐述了泰勒展开式插补方法和预测校正插补方法,并深入研究了参数曲线自适应插补算法。为了保证前瞻控制算法的系统与完整性,在数据缓冲指令产生算法硬件结构的基础上,结合传统数控系统误差补偿算法,创新的提出了前瞻控制中的误差均匀补偿算法。论文最后给出了高速加工中的前瞻控制实现过程,以离散加工路径和参数曲线加工路径为对象,结合伺服系统的特点,实现了路径危险点的分析、离散路径插补点的增加、参数曲线路径的加减速划分、危险点优化速度的求解及路径加减速的规划。实验结果表明,前瞻控制是高速数控加工的必要组成部分,是加工效率和加工精度的有效保证。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景与意义
• 1.2 高速数控加工控制系统综述
• 1.3 国内外高速数控加工前瞻控制的研究现状
• 1.4 论文主要结构安排及主要内容
• 1.4.1 论文的总体构架
• 1.4.2 论文主要研究内容
• 第二章 前瞻控制中的加减速算法研究
• 2.1 引言
• 2.2 信号的卷积
• 2.2.1 卷积的概念
• 2.2.2 T型加减速的卷积实现
• 2.2.3 S型加减速的卷积实现
• 2.3 加减速控制多项式
• 2.3.1 T型加减速的多项式实现
• 2.3.2 S型加减速的多项式实现
• 2.4 直线段任意加速和减速曲线构造算法
• 2.4.1 加减速时间的计算
• 2.4.2 路径长度约束
• 2.4.3 加减速曲线的构造
• 2.5 直线段速度线性混和算法
• 2.5.1 初始直线段加减速时间的计算
• 2.5.2 速度线性混和曲线的图形构造
• 2.5.3 速度线性混和曲线的多项式实现
• 2.6 直线段速度光滑衔接算法
• 2.6.1 加减速特性方程
• 2.6.2 光滑衔接条件
• 2.6.3 光滑衔接快速迭代算法
• 2.7 仿真研究
• 2.7.1 任意加减速曲线的多项式构造
• 2.7.2 光滑衔接快速迭代仿真
• 2.8 本章小结
• 第三章 前瞻控制中的离散路径插值研究
• 3.1 引言
• 3.2 参数样条曲线理论
• 3.2.1 样条曲线定义
• 3.2.2 样条曲线方程
• 3.2.3 样条函数插值与逼近
• 3.3 参数样条曲线重要特性
• 3.3.1 样条曲线参数连续性
• 3.3.2 样条曲线几何连续性
• 3.3.3 样条曲线的光顺性
• 3.4 数值计算方法
• 3.4.1 追赶法
• 3.4.2 差分与差商
• 3.4.3 牛顿迭代方法
• 3.5 参数样条曲线插值算法
• 3.5.1 插值计算的局部性与整体性
• 3.5.2 三次多项式曲线插值算法
• 3.5.3 近似弧长五次多项式曲线插值算法
• 3.5.4 三次B样条曲线插值算法
• 3.6 本章小结
• 第四章 前瞻控制的参数样条曲线插补研究
• 4.1 引言
• 4.2 数值计算方法
• 4.2.1 欧拉（Euler）方法
• 4.2.2 龙格-库塔（Runge-Kutta）方法
• 4.2.3 米勒（Milne）方法和汉明（Hamming）方法
• 4.3 参数式曲线插补算法
• 4.3.1 参数曲线插补模型的建立
• 4.3.2 传统参数曲线插补算法
• 4.3.3 预测校正法则的确定
• 4.3.4 预测校正模型
• 4.3.5 初始值的确定
• 4.3.6 参数的预测较正
• 4.4 插补轮廓误差分析
• 4.4.1 轮廓误差定义
• 4.4.2 直线圆弧插补轮廓误差分析
• 4.4.3 参数曲线插补轮廓误差分析
• 4.5 参数曲线自适应插补算法
• 4.5.1 参数预估
• 4.5.2 弓高误差约束
• 4.5.3 参数校正
• 4.6 参数曲线插补实验研究
• 4.7 本章小结
• 第五章 前瞻控制的误差补偿技术研究
• 5.1 引言
• 5.2 传统控制系统误差补偿算法
• 5.2.1 控制系统脉冲指令产生机理
• 5.2.2 误差补偿模型
• 5.2.3 误差补偿表的建立
• 5.2.4 误差补偿的实现
• 5.3 基于前瞻控制的误差补偿算法研究
• 5.3.1 传统误差补偿模型的改进
• 5.3.2 误差速据的划分
• 5.3.3 误差补偿算法的实现
• 5.4 误差补偿实验研究
• 5.4.1 误差的测量
• 5.4.2 误差的补偿
• 5.5 本章小结
• 第六章 前瞻控制算法实现研究
• 6.1 引言
• 6.2 前瞻控制算法模型的建立
• 6.3 路径危险点的确定
• 6.3.1 离散路径点曲率的估算
• 6.3.2 路径危险点的评判标准
• 6.4 危险点处最大优化速度的确定
• 6.4.1 加工路径的空间几何约束
• 6.4.2 伺服系统约束
• 6.4.3 危险点处最大优化速度的确定
• 6.5 加工路径的加减速划分
• 6.5.1 加工路径的划分思想
• 6.5.2 离散加工路径的划分
• 6.5.3 参数曲线加工路径的划分
• 6.6 前瞻控制算法的实现
• 6.6.1 前瞻控制的实现过程
• 6.6.2 加减速的多样性
• 6.6.3 加减速规划理论实现目标
• 6.6.4 离散路径加减速规划算法
• 6.6.5 参数路径加减速规划算法
• 6.7 本章小结
• 第七章 高速数控加工前瞻控制实验研究
• 7.1 引言
• 7.2 前瞻控制算法实验的硬件系统
• 7.3 前瞻控制算法实验的软件系统
• 7.4 前瞻控制算法实验内容
• 7.5 前瞻控制算法实验结果分析
• 7.6 本章小结
• 第八章 结论与展望
• 8.1 结论
• 8.2 展望
• 作者攻读博士学位期间发表的论文和参加科研情况
• 参考文献
• 致谢