多轴轮廓运动系统的轨迹生成与性能优化

论文摘要

多轴轮廓运动系统是运动控制技术的一个重要分支,其主要用途是实现高性能轮廓加工,高性能轮廓加工是现代制造业中的一项核心技术,广泛地应用于众多工业领域,具有重要的战略意义与研究价值。为改善多轴轮廓运动系统的加工质量与加工效率,需要采用先进的控制策略对运动轨迹的规划与控制进行性能优化。本论文结合一个典型的多轴轮廓运动系统—基于PC+运动控制卡的开放式三轴数控雕铣机控制系统的开发,围绕“多轴轮廓运动系统的轨迹生成与性能优化”这个主题,针对高性能轮廓加工与多轴轮廓控制中存在的一些关键问题,着重从轨迹逼近、实时插补、轨迹优化与协调控制等方面进行了系统深入的研究,主要研究内容可归纳如下:（1）针对光滑曲线的逼近问题,采用直线/圆弧逼近方法进行了设计与对比的研究。以一个平面四分之一椭圆弧为例,根据期望的精度要求分别采用直线和圆弧来逼近该椭圆弧,其中直线逼近采用基于曲率圆模型的等误差法和等参数增量法;圆弧逼近采用基于minimax逼近的最优圆弧逼近和以多边形为中介的双圆弧逼近。通过不同逼近方法的逼近方式与误差控制模型,分别从逼近点数的多少及轨迹的连续性两方面来进行具体设计,并根据仿真实验结果来分析不同参数对逼近误差的影响,以及不同逼近方法对运动控制精度的影响。（2）针对空间曲面加工中存在的进给速度波动问题,提出了基于时间分割法与数字积分法混合实现的空间直线插补方法及其连续进给运动的实现方法。该插补方法是采用时间分割法中的时间分割原理,对数字积分法中的累加溢出过程按照进给速度的要求采用可控的插补周期进行时间分割,以消除零头距离并实现平滑的进给速度。为配合上述插补方法实现连续进给运动,提出了一种离线分段速度规划方法对由大量微小直线段组成的加工代码进行前瞻预处理,确定每段直线段代码在梯形加减速方法下可以实现的终点速度,以提高加工效率,避免在转角处的冲击。然后,在插补过程中,提出了一种非对称梯形加减速控制方法,采用逐点判断的方式按照非对称梯形速度曲线进行加减速控制。最后,通过仿真实验与实际加工实验对该方法的有效性与优越性进行了研究,其中实际加工实验在三轴数控雕铣机上进行。（3）针对空间曲面加工中可能出现表面凹坑、光洁度较差等问题,提出了一种基于网格均匀化的刀位轨迹优化方法。该方法在Cimatron软件生成的加工刀位轨迹基础上,分横向光顺与纵向平滑两步进行,首先进行横向光顺,通过建立主导轮廓线并对不规则的点进行修正,以降低相邻刀路倾斜度的变化程度,然后进行纵向平滑,对同一条刀路上的刀位点进行光滑连续直线段的识别,再采用分段三次样条进行拟合,以提高同一刀路上的曲线光滑程度。最后,通过仿真实验与实际加工实验对该方法的有效性与优越性进行了研究,其中实际加工实验在三轴数控雕铣机上进行。（4）针对在多轴轮廓运动中轮廓误差难以直接计算与控制的问题,提出了一种基于工作坐标系的最优轮廓控制方法。该方法通过在期望轨迹上建立活动的Frenet坐标系作为工作坐标系,用跟踪误差在工作坐标系中的法向分量来近似轮廓误差,将系统动力学方程由全局坐标系变换到工作坐标系,采用最优线性二次型方法来设计最优轮廓控制器,通过提高法向误差分量的权值来改善轮廓精度。最后,通过仿真实验对该方法的效果进行了验证。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 插图目录
• 表格目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 多轴轮廓运动系统的发展历程
• 1.3 多轴轮廓运动系统的研究现状
• 1.3.1 逼近方法
• 1.3.2 插补方法
• 1.3.3 速度规划方法
• 1.3.4 轨迹优化方法
• 1.3.5 协调控制方法
• 1.4 论文研究内容及创新点
• 1.4.1 论文研究内容与章节安排
• 1.4.2 论文创新点
• 第二章 开放式三轴数控雕铣机控制系统的开发
• 2.1 引言
• 2.2 基于PC+运动控制卡的开放式三轴数控雕铣机控制系统的方案设计
• 2.3 基于 DSP和 FPGA的运动控制卡设计
• 2.4 基于 PC的数控软件平台设计
• 2.5 高性能轮廓加工面临的问题
• 2.6 本章小结
• 第三章 针对光滑曲线的直线/圆弧逼近的设计与对比
• 3.1 引言
• 3.2 直线逼近
• 3.2.1 原理
• 3.2.2 等误差法
• 3.2.3 等参数增量法
• 3.2.4 结果对比
• 3.3 圆弧逼近
• 3.3.1 基于minimax逼近的最优圆弧逼近
• 3.3.2 以多边形为中介的双圆弧逼近
• 3.3.3 结果对比
• 3.4 直线/圆弧逼近的性能比较
• 3.5 本章小节
• 第四章 空间直线插补方法及其连续进给运动的设计与实现
• 4.1 引言
• 4.2 数字积分法与时间分割法的插补原理
• 4.2.1 数字积分法的插补原理
• 4.2.2 时间分割法的插补原理
• 4.3 基于时间分割法与数字积分法混合实现的空间直线插补方法
• 4.4 连续进给运动的实现
• 4.4.1 离线分段速度规划方法
• 4.4.2 非对称梯形加减速控制方法
• 4.5 仿真实验与实际加工实验
• 4.5.1 仿真实验
• 4.5.2 加工实验
• 4.6 本章小节
• 第五章 基于网格均匀化的刀位轨迹优化方法及其实现
• 5.1 引言
• 5.2 问题描述
• 5.2.1 铣削原理与刀位轨迹计算原理
• 5.2.2 三轴曲面加工中存在的问题及原因分析
• 5.3 算法原理
• 5.4 横向光顺的性能改进算法的设计
• 5.4.1 构造主导轮廓线
• 5.4.2 对不规则点进行修正
• 5.4.3 算法实施的系统仿真及其结果分析
• 5.5 纵向平滑的性能改进算法的设计
• 5.5.1 光滑连续直线段的识别
• 5.5.2 样条拟合
• 5.5.3 插补点计算（Taylor展开）
• 5.5.4 算法实施的系统仿真及其结果分析
• 5.6 实际加工及其效果的对比与讨论
• 5.7 本章小节
• 第六章 基于工作坐标系的最优轮廓控制器设计及其仿真
• 6.1 引言
• 6.2 问题描述
• 6.2.1 轮廓误差的近似估计
• 6.2.2 基于全局坐标系的误差动力学方程
• 6.2.3 基于工作坐标系的误差动力学方程
• 6.3 基于工作坐标系的最优轮廓控制器设计
• 6.4 仿真实验与结果讨论
• 6.4.1 平面XY平台的动力学模型
• 6.4.2 基于全局坐标系的计算力矩控制
• 6.4.3 基于工作坐标系的最优轮廓控制
• 6.4.4 结果讨论
• 6.5 本章小节
• 第七章 总结与展望
• 7.1 论文主要结论与创新点
• 7.2 进一步工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的论文与取得的其他研究成果
• 攻读博士学位期间参加的科研课题