数控系统参数曲线、曲面插补算法及加减速控制研究

论文摘要

数控技术是支持现代装备制造业的关键性技术,决定着制造装备的功能和性能。其中,参数曲线、参数曲面插补是现代数控系统的标志性功能。作为数控技术的核心,插补技术尤其是参数曲线、参数曲面插补及加减速控制算法的运算精度和速度对现代数控系统性能优劣起着决定性作用。本文就这两方面问题进行深入的理论和应用研究。以一、二阶泰勒展开式参数曲线插补算法和平面参数曲线插补算法研究为基础,提出引入误差补偿值的复杂空间参数曲线高精度插补算法以实现空间曲线的高精度插补。通过引入误差补偿值以提高参数曲线插补点的求解精度,在求解过程中对误差补偿值进行合理简化以降低插补计算量。Nurbs曲线仿真实例证明在满足实时性的前提下,该算法所计算的插补点参数值误差精度有明显提高。在对参数线法加工曲面研究的基础上,提出引入误差补偿值的两类参数曲面高精度刀轨规划算法以实现对缓变参数曲面和平移扫描曲面的高精度插补。通过引入误差补偿值以提高参数曲面在走刀方向上插补点的计算精度,针对缓变参数曲面曲率缓变和平移扫描曲面扫描轮廓沿扫描线平行的特点在运算过程中对插补点参数值的计算结果进行合理简化。参数曲面仿真实例证明在满足实时性的前提下,由该算法所计算的插补点参数值误差明显降低。以等残余高度刀具轨迹规划算法为基础,提出带有误差补偿值的复杂参数曲面高精度刀轨误差补偿算法以实现复杂参数曲面的高精度插补。通过引入误差补偿值以提高复杂参数曲面插补点求解精度,针对复杂参数曲面数控加工特点合理简化求解结果以降低插补运算量。复杂参数曲面仿真实例表明,该算法可在满足系统实时性的前提下,显著提高复杂参数曲面插补点参数值的计算精度。在对三角函数加减速控制算法研究的基础上,提出改进的三角函数加减速控制算法。利用加减速位移曲线函数的表达式保证位移、速度、加速度、加加速度曲线的连续性。算法性能分析表明改进的三角函数加减速控制算法在保证三角函数算法优点的基础上,有效解决了三角函数加减速算法运算复杂的问题,使零件的加工精度、工效提高,机床加工运行的平稳性得到有效保证。根据上述算法在八轴五联动数控系统开发中引入参数曲线、参数曲面插补算法及改进的三角函数加减速控制算法模块,可对数控系统的参数曲线、参数曲面的高速、高精加工形成有力支持。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 现代数控机床技术发展趋势
• 1.2 现代数控系统技术的发展及其主要组成
• 1.2.1 现代数控系统技术的发展趋势
• 1.2.2 现代数控系统的主要组成
• 1.3 插补算法及加减速控制算法的主要发展情况
• 1.3.1 插补定义及插补算法的发展情况
• 1.3.2 参数曲线和参数曲面插补算法的发展
• 1.3.3 加减速控制算法的主要发展情况
• 1.4 课题的主要内容
• 1.5 课题的目的及意义
• 第二章 空间参数曲线的高精度插补
• 2.1 一阶和二阶泰勒展开式插补算法原理简介
• 2.2 参数曲线高精度实时插补算法原理与递推公式
• 2.2.1 空间参数曲线高精度实时插补算法（IAIECCS）原理与递推公式
• 2.2.2 二维参数曲线高精度实时插补算法原理与递推公式
• 2.3 三种插补算法插补点参数值误差表达式与仿真实例比较
• 2.3.1 三种插补算法插补点参数值误差表达式比较
• 2.3.2 Nurbs曲线定义
• 2.3.3 三种插补算法插补周期末曲线的参数值误差比较
• 2.4 插补过程中弦高误差的研究
• 2.5 仿真实例验证IAIECCS插补算法的实时性
• 2.5.1 程序代码运行时间的高精度测试原理
• 2.5.2 仿真实例验证IAIECCS插补算法的实时性
• 2.6 结论
• 第三章 参数曲面的高精度刀具轨迹规划
• 3.1 参数曲面刀具轨迹规划概述
• 3.2 引入误差补偿高精度刀具轨迹规划（HPTPPAC）
• 3.2.1 平底刀加工时的刀具姿态
• 3.2.2 行距的计算与走刀方向的确定
• 3.2.3 沿走刀方向参数增量的计算
• 3.2.4 插补点参数值误差分析
• 3.2.5 Nurbs曲面定义
• 3.2.6 实例分析
• 3.2.7 HPTPPAC算法小结
• 3.3 复杂参数曲面高精度刀具轨迹规划（HPTPPACPS）
• 3.3.1 平底刀加工时的刀具姿态和行距的确定
• 3.3.2 刀触点在相邻切削路径上的粗对应刀位点参数值算法及算法误差计算
• 3.3.3 刀触点在相邻切削路径上的精对应刀位点参数值算法及算法误差计算
• 3.3.4 刀具轨迹规划的主要计算步骤
• 3.3.5 算例与误差分析
• 3.3.6 HPTPPACPS算法小结
• 3.4 刀具轨迹生成的智能化
• 第四章 五轴数控加工加减速算法与前瞻控制技术研究
• 4.1 数控加工加减速算法概述
• 4.2 改进的三角函数加减速控制算法
• 4.3 改进三角形加减速算法性能分析
• 4.3.1 优化后函数性能分析
• 4.3.2 加减速运行方式分析
• 4.4 改进三角函数加减速算法小结
• 4.5 进给弓高误差分析与控制
• 4.6 高速数控加工中轨迹前瞻控制方法
• 4.7 五轴联动数控机床刀具补偿研究
• 4.7.1 五轴联动数控机床的主要结构形式
• 4.7.2 平移和旋转坐标变换
• 4.7.3 五轴联动刀具补偿的理论分析
• 4.7.4 刀具补偿仿真实例
• 4.8 小结
• 第五章 具有参数曲线、曲面插补功能的五轴联动数控系统开发
• 5.1 数控系统任务和结构分析
• 5.2 参数曲线、曲面插补算法程序模块的编写
• 5.2.1 参数曲线插补算法程序模块的编写
• 5.2.2 参数曲面刀轨规划算法程序模块的编写
• 5.3 加减速算法及刀补算法程序模块的编写
• 5.3.1 加减速算法模块的主要内容
• 5.3.2 加减速算法各过程模块的调用时机（包括减速点预测）
• 5.3.3 刀补算法程序模块的编写
• 5.4 小结
• 第六章 结论与展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢