基于物理规律的加工轨迹控制方法研究

论文摘要

目前，在理论上还没有满意地解决轨迹几何函数与轨迹加工运动的关系问题，还不能找出全面符合工件曲线几何特性、机床运动特性、动力特性的理想加工运动。由于超高速加工，纳米加工，计算机集成制造的飞速发展，对机械制造技术提出了更高的要求，需要解决的问题是提高轨迹加工运动的综合控制性能：轨迹的几何精度、运动平稳性、控制适时性。轨迹控制是以一种运动来实现规定几何曲线的方法。轨迹的几何性质与轨迹运动的联系是轨迹控制的关键问题。假定加工轨迹运动全面符合几何要求，工艺要求，运动要求，建立数控机床加工运动的物理模型，包括位置控制模型，运动学模型，动力学模型，能量模型，相对空间模型。在理想的情况下，采用泛函多维空间理论、运动学、动力学、能量法等理论全面的研究曲线几何函数与运动空间的关系。研究结果表明：所有参数之间存在固有的对应关系，即加工轨迹运动的内在规律。根据参数之间的对应关系，可以控制变化简单的参数去实现变化复杂的参数，使控制简化。可以计算出各坐标轴的瞬态运动参数，对轨迹运动动态监控。一条轨迹的位置点有无穷多个，但运动规律只有一个，按运动规律控制的方法是最简捷、最全面的。用运动参数控制运动等于同时实现运动规律和几何规律，与位置控制相比，控制对象简化，计算少，精度高，运动平稳。经过试验和仿真，证明该方法是能够同时控制位置和运动的好方法。本文建立机床轨迹运动的物理模型，从理论方面深入研究轨迹运动的内在规律，找出能同时控制几何特性与运动特性的方法，并在反复的实验中发现新问题。在以下几个方面取得了一定的创新成果：1．理想运动状态物理模型的建立分析数控机床轨迹运动的特点，提炼主要因素，建立物理模型。假设理想的轨迹运动存在，以数控加工的要求作为约束条件，推导理想条件下加工轨迹运动的运动规律。分别以运动学、动力学、能量法等理论建立运动模型，分析轨迹几何函数、工艺参数，运动规划参数等在各模型中的作用，建立几何因素与轨迹运动的对应规律。2．轨迹控制新方法—运动规律控制轨迹的几何性质是由运动实现的，而且运动规律与几何参数是准确对应的。传统的位置控制不能解决无穷多点的繁琐计算的问题。但是，对于一种运动来说运动规律只有一个，体现在某些参数是常数或简单表达式。控制这些参数和变化规律同样可以实现轨迹。这种方法计算量小，精度高，面向运动控制，控制更全面。3．基于参考时间的轨迹运动规划与控制方法几何参数对参考时间的变化率是人为建立的相对关系，因此可以用参考时间为尺度度量几何参数变化的快慢。一般选择加工关键因素为参考时间，相对变化率为常数。其物理意义是几何参数相对于参考时间成比例变化。如线切割加工速度与电极间的电压成正比，提出根据参考时间规划，以实际的参考时间的变化率修正规划，这样计算简便，能准确的按几何特性规划，能适应适时性要求和环境应变的要求。4．编制了运动规律控制方法的单片机数控软件和计算机仿真软件经过试验和仿真，证明运动规律控制轨迹的方法是能同时控制位置和运动的好方法，也是加工轨迹控制技术的发展趋势。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 轨迹控制问题的提出
• 1.2 制造技术的发展与轨迹控制技术的改进
• 1.3 轨迹控制问题的产生
• 1.3.1 位置控制综述
• 1.3.2 位置控制的局限性
• 1.3.3 运动规律控制的提出
• 1.4 轨迹控制研究现状和发展趋势
• 1.4.1 位置精度的提高及带来的问题
• 1.4.2 曲线数学表达方式统一及NURBS光滑处理
• 1.4.3 等距曲线的有理化
• 1.4.4 复杂曲线的插补方法的推导
• 1.4.5 数控刀具轨迹生成与加工方法研究
• 1.4.6 高速切削的实时性和运动综合性能的研究
• 1.4.7 机床运动方式的综合要求
• 1.4.8 曲面的物理模型现状
• 1.5 本文的研究目标和主要内容
• 1.5.1 研究目标
• 1.5.2 研究内容
• 1.5.3 拟解决的关键问题
• 1.6 结论
• 第2章 轨迹运动规律控制原理
• 2.1 轨迹运动规律控制和位置控制的区别
• 2.1.1 轨迹运动是一种运动
• 2.1.2 运动特性的描述
• 2.1.3 几何特性与运动特性的关系
• 2.1.4 运动规律控制和位置控制的区别
• 2.2 轨迹运动规律控制研究综述
• 2.2.1 运动规律控制的发展阶段
• 2.2.2 代表性工作
• 2.3 轨迹运动规律控制原理
• 2.3.1 运动规律控制的定义
• 2.3.2 运动规律控制原理
• 2.3.3 根据几何特性和误差的分段
• 2.3.4 运动规律控制的意义
• 2.4 小结
• 第3章 数控加工轨迹的数学空间
• 3.1 轨迹曲线的数学问题
• 3.1.1 轨迹基本规律与轨迹的实现
• 3.1.2 轨迹的空间特性与运动特性
• 3.1.3 轨迹的空间特性分析方法
• 3.1.4 轨迹几何空间相对关系的简化
• 3.1.5 多维空间泛函分析
• 3.2 复杂曲线的几何建模
• 3.2.1 NURBS的应用与轨迹处理方法的统一
• 3.2.2 NURBS曲线曲面的定义
• 3.2.3 NURBS几何意义及权因子的影响
• 3.2.4 NURBS方法的提出及优缺点
• 3.3 等距曲线加工轨迹实现方法
• 3.3.1 数控造型技术的现状和发展
• 3.3.2 参数曲线转换
• 3.3.3 轨迹参数曲线的等距曲线
• 3.4 曲线几何特性的综合利用
• 3.5 结论
• 第4章 数控加工轨迹运动的物理空间和时间
• 4.1 物理时空理论
• 4.1.1 研究轨迹运动时空的意义
• 4.1.2 牛顿力学时空观
• 4.2 数控加工轨迹运动特殊时空观
• 4.2.1 时空观的发展
• 4.2.2 继承时空观的理论分析
• 4.2.3 突破传统时空观的分析
• 4.3 基于静态空间的数控理论
• 4.3.1 轨迹表达和简化用数学方法
• 4.3.2 利用静态空间的轨迹跟踪算法
• 4.4 基于牛顿空间数控理论
• 4.4.1 运动学理论的应用
• 4.4.2 路径几何特性的影响
• 4.4.3 动力学应用的设想
• 4.5 基于相对性原理的时空理论
• 4.5.1 相对性原理与具体时空
• 4.5.2 相对性原理在轨迹加工中的应用
• 4.6 小结
• 第5章 数控加工轨迹的运动学模型
• 5.1 数控机床轨迹运动的物理模型
• 5.2 数控机床轨迹运动的研究基础和方法
• 5.3 数控机床轨迹运动的基本要求
• 5.3.1 基于插补次数的CNC速度指令
• 5.3.2 梯形速度图与插补计数
• 5.3.3 有限加加速度的速度图生成
• 5.4 加工轨迹运动方程的规划
• 5.4.1 轨道几何函数与轨迹运动方程的关系
• 5.4.2 轨迹运动特性与轨道几何性质的关系
• 5.4.3 常见轨迹的运动参数计算举例
• 5.5 轨迹的运动参数控制方法的提出
• 5.6 小结
• 第6章 数控加工轨迹的动力学模型
• 6.1 数控加工轨迹的动力学模型
• 6.1.1 机床加工曲线时的动力学特性分析
• 6.1.2 机床动力学的特殊规律
• 6.2 机床动力学规律的应用
• 6.3 小结
• 第7章 轨迹控制新方法—运动规律控制
• 7.1 轨迹控制的发展与运动规律控制的提出
• 7.1.1 无穷小的误区与传统方法的极限
• 7.1.2 轨迹运动规律控制方法的根据和定义
• 7.2 运动规律控制方法的基本原理
• 7.2.1 轨迹运动控制就是创造与保持运动条件
• 7.2.2 轨迹运动规律控制原理
• 7.3 直线运动规律控制方法
• 7.3.1 实现直线轨迹的物理方法
• 7.3.2 直线轨迹控制方法的扩展
• 7.3.3 任意速度规律轨迹控制
• 7.4 直线运动规律控制方法误差分析
• 7.4.1 直线代曲线产生的加速度冲击
• 7.4.2 直线运动规律控制方法误差模型
• 7.5 结论
• 第8章 基于曲线物理模型的轨迹控制仿真
• 8.1 轨迹控制仿真方法
• 8.2 仿真程序的编制
• 8.2.1 模拟屏幕的构成
• 8.2.2 仿真算法
• 8.3 控制速度加速度实现轨迹几何形状的仿真
• 8.4 重要规律仿真
• 8.4.1 任意速度规律的轨迹控制仿真分析
• 8.4.2 规划运动规律的运动过程展示
• 8.4.3 实现直线轨迹的物理方法
• 8.4.4 基于参考时间的物理方法
• 8.4.5 直线代曲线产生的加速度冲击
• 8.5 仿真结果评述
• 8.5.1 综合分析规划合理性
• 8.5.2 斜率误差评定
• 8.5.3 综合误差评定
• 8.5.4 分段规划合理性
• 8.6 小结
• 第9章 数控加工轨迹物理控制方法的实验研究
• 9.1 单片机数控系统实验研究
• 9.1.1 单片机数控系统实验题目和内容
• 9.1.2 实验目的
• 9.1.3 基本思想
• 9.1.4 实验设备
• 9.1.5 实验步骤
• 9.2 利用coba总线控制器控制机床实验
• 9.2.1 数控机床系统实验题目和内容
• 9.2.2 实验目的
• 9.2.3 基本思想
• 9.2.4 实验设备
• 9.2.5 实验步骤
• 9.3 利用coba总线控制器在线监测和数据分析
• 9.4 小结
• 第10章 线切割机床运动规律控制
• 10.1 线切割电极电压与运动参数
• 10.1.1 线切割放电规律与轨迹伺服精度提高
• 10.1.2 研究目的
• 10.1.3 研究内容
• 10.2 线切割电极电压的测试
• 10.2.1 测试方法和结果
• 10.2.2 最佳放电间隙和状态参数处理
• 10.2.3 最佳放电间隙软件门限
• 10.3 线切割蚀除速度、加速度的测试
• 10.3.1 用模糊神经网络建立电极电压变化规律
• 10.3.2 用模糊神经网络判断放电状态
• 10.4 基于物理运动规律线切割轨迹伺服
• 10.4.1 物理运动规律总结
• 10.4.2 物理运动规律跟踪
• 10.5 小结
• 第11章 总结与展望
• 11.1 总结
• 11.2 论文的创新点
• 11.3 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文及科研成果