高速高精加工轨迹间速度平滑方法的研究与应用

论文摘要

随着现代数控技术的不断发展,高速高精加工已经成为新的趋势。而轨迹间的转接速度严重影响着机床效率和精度,当相邻轨迹间形成的转角较大时,会造成运动速度矢量变化过大,对机床产生较大冲击,因此实现相邻轨迹间的速度平滑转接,减小转角处速度突变对机床的冲击,是提高加工效率和精度的关键因素。目前数控系统处理轨迹间速度平滑的方法多局限于对无拐点的相邻轨迹段的研究,而且基于简单的直线加减速曲线,存在电机连续启停,加工效率低,加工表面不光滑等问题。针对上述速度平滑方法的不足,为实现数控加工轨迹间的速度平滑转接,满足数控系统对高速高精加工的需求,并考虑一个加工工件的轮廓通常有普通曲面(非小线段)和复杂曲面(小线段)组成,本文分别对数控加工中非小线段轨迹间和小线段轨迹间的速度平滑方法进行了研究。首先,本文介绍了蓝天数控平台的体系结构,并对相关的运动规划流程进行了研究。其次,本文论述了用于非小线段速度平滑处理的矢量转接方法的原理。该方基于S曲线加减速,通过把相邻轨迹段同时进行加减速规划来实现速度平滑转接。再次,本文论述了用于小线段速度平滑处理的小线段动态转接规划方法的实现原理。该方法通过聚集多个轨迹段为加工链,然后求解加工链之间的衔接速度来实现小线段的速度平滑转接。最后,把以上两种方法初步应用到蓝天数控平台的运动规划器中,针对不同的加工轨迹,进行实验测试和分析。本文所设计的方法简单、可靠,能够实现加工轨迹段间的高速平滑转接,满足现代数控系统对高效率、高精度的需求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 引言
• 第一章 绪论
• 1.1 数控系统与数控加工速度平滑方法
• 1.1.1 数控系统及其发展史
• 1.1.2 数控加工轨迹间速度平滑方法
• 1.2 课题研究的意义
• 1.3 课题研究的主要内容与论文组织结构
• 第二章 蓝天数控系统的体系结构
• 2.1 开放式数控系统
• 2.2 蓝天数控系统的硬件平台
• 2.3 蓝天数控系统的软件平台
• 2.3.1 RTAI 实时操作系统
• 2.3.2 蓝天数控系统软件的层次化结构
• 2.3.3 蓝天数控系统的运动控制器
• 2.3.4 蓝天数控系统的运动规划器
• 2.4 本章小结
• 第三章 高速高精加工非小线段速度平滑方法的研究
• 3.1 引言
• 3.2 S 曲线加减速的求解
• 3.2.1 加加速度约束
• 3.2.2 加速度约束
• 3.2.3 速度约束
• 3.2.4 离散调整
• 3.3 矢量转接理论
• 3.3.1 矢量转接方法原理
• 3.3.2 相邻轨迹间夹角的求解
• 3.3.3 最大允许转接速度与误差的关系
• 3.4 优化控制方法原理
• 3.5 本章小结
• 第四章 高速高精加工小线段速度平滑方法的研究
• 4.1 引言
• 4.2 小线段动态转接规划
• 4.3 加工链聚集
• 4.3.1 一步转接法原理
• 4.3.2 加工链聚集条件
• 4.4 加工链间速度衔接模型
• 4.4.1 给定始末速度的S 曲线运动模型
• 4.4.2 基于S 曲线的加工链约束条件
• 4.5 加工链间衔接速度的求解
• 4.5.1 两阶段扫描算法
• 4.5.2 两阶段扫描算法的优化
• 4.6 本章小结
• 第五章 实验平台搭建与实验结果分析
• 5.1 蓝天数控平台的搭建
• 5.1.1 构造实时Linux 内核
• 5.1.2 搭建蓝天数控平台
• 5.2 运动规划器的设计与实现
• 5.2.1 非小线段运动规划器的设计与实现
• 5.2.2 小线段运动规划器的设计与实现
• 5.3 方法性能测试与分析
• 5.3.1 非小线段矢量转接方法测试与分析
• 5.3.2 小线段动态转接规划方法测试与分析
• 5.4 本章小结
• 结束语
• 参考文献
• 发表文章
• 致谢