微小線段高速加工的軌跡優(yōu)化建模及前瞻插補(bǔ)技術(shù)研究.pdf

1、高速加工技術(shù)在航空航天、汽車、模具等制造業(yè)中應(yīng)用廣泛，是提高加工質(zhì)量和效率的重要手段，國(guó)際生產(chǎn)工程學(xué)會(huì)（CIRP）將高速加工技術(shù)確定為21世紀(jì)制造技術(shù)的中心方向之一。微小線段是葉輪、葉片、模具等復(fù)雜曲面零件加工路徑的最廣泛表達(dá)形式，微小線段路徑高速加工已成為復(fù)雜曲面零件高速加工核心技術(shù)之一。微小線段路徑中轉(zhuǎn)角一階不連續(xù)特性會(huì)導(dǎo)致頻繁加減速，成為數(shù)控機(jī)床高速平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)的瓶頸。
　　連續(xù)微小線段轉(zhuǎn)角速度平滑和跨段速度規(guī)劃是連續(xù)微小線段插

2、補(bǔ)的最大難題，至今仍是先進(jìn)數(shù)控系統(tǒng)制造商用于提高曲面加工效率和質(zhì)量的熱點(diǎn)技術(shù)。本文提出了一種G2連續(xù) B樣條全局光順?biāo)惴安逖a(bǔ)技術(shù)，以及一種基于轉(zhuǎn)角誤差分配的連續(xù)微小線段轉(zhuǎn)角局部光順和轉(zhuǎn)角速度優(yōu)化方法，實(shí)現(xiàn)了基于前瞻窗口的連續(xù)微小線段實(shí)時(shí)光順、轉(zhuǎn)角速度優(yōu)化和綜合約束下跨段自適應(yīng)速度規(guī)劃，將上述方法集成于開放式數(shù)控系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了微小線段軌跡的高速加工，驗(yàn)證了本文所提出方法的有效性和實(shí)用性。主要研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新性成果如下：
　?。?）提

3、出了微小線段路徑G2連續(xù)全局光順和線性/樣條混合路徑跨段加減速方法。運(yùn)用三次B樣條插值擬合算法實(shí)現(xiàn)了微小線段路徑的數(shù)據(jù)壓縮和G2連續(xù)全局光順；提出了基于減速特征方程的S曲線加減速策略，在滿足機(jī)床加減速特性和刀路軌跡幾何特性對(duì)進(jìn)給速度及加速度約束下，對(duì)生成的線性/樣條混合路徑進(jìn)行了跨段前瞻速度規(guī)劃。該方法適用于短而數(shù)量多的密集線段路徑和轉(zhuǎn)角很小的平緩路徑，可大幅提高進(jìn)給速度平穩(wěn)性和加工效率。勺模加工實(shí)驗(yàn)中，與不采用該方法相比，該方法提高加

4、工效率約4倍。
　?。?）建立了三軸線性刀具路徑轉(zhuǎn)角誤差分配模型和轉(zhuǎn)角速度優(yōu)化方法。以獲取最優(yōu)轉(zhuǎn)角過渡速度為目標(biāo)，將系統(tǒng)設(shè)定精度分配為光順近似誤差和插補(bǔ)弓高誤差，在誤差約束下，用Bézier過渡曲線對(duì)（BTP）實(shí)現(xiàn)了線性路徑轉(zhuǎn)角的光順，同時(shí)考慮機(jī)床各軸伺服能力約束，運(yùn)用前瞻功能實(shí)現(xiàn)了微小線段刀路的實(shí)時(shí)插補(bǔ)。面具加工實(shí)驗(yàn)中，與不采用轉(zhuǎn)角誤差分配模型方法相比，在保證軌跡精度前提下，該方法可以將加工時(shí)間縮短25％。
　?。?）建立

5、了五軸工件坐標(biāo)系下的線性刀具路徑的轉(zhuǎn)角誤差分配模型和工作坐標(biāo)下的線性刀具路徑的G2連續(xù)實(shí)時(shí)擬合方法。將系統(tǒng)設(shè)定精度分配為刀尖點(diǎn)和刀軸點(diǎn)的光順近似誤差和插補(bǔ)弓高誤差，在線段連接處插入兩條三次Bézier曲線，將工作坐標(biāo)下的線性刀具路徑實(shí)時(shí)擬合為 G2連續(xù)的雙樣條軌跡。該算法滿足了近似誤差約束、參數(shù)化同步約束和曲率連續(xù)約束等條件，進(jìn)一步綜合考慮曲線過渡誤差與插補(bǔ)誤差、最大切向加速度/加加速度、機(jī)床各軸伺服能力等約束條件，進(jìn)行了自適應(yīng)速度規(guī)劃

6、，實(shí)現(xiàn)了五軸微小線段的高速加工。通過仿真和實(shí)驗(yàn)，該算法在五軸線性刀具路徑光順、轉(zhuǎn)角速度平滑、轉(zhuǎn)角軌跡精度控制方面具有良好的效果。
　?。?）研究了通過給伺服電機(jī)施加正反方向激勵(lì)獲取機(jī)床各軸速度-加速度包絡(luò)圖的實(shí)驗(yàn)方法。通過對(duì)包絡(luò)圖中速度和加速度可行范圍分析，采用最大值匹配法和自適應(yīng)匹配法，得到了優(yōu)化的最大速度和最大加速度約束值，并將約束值應(yīng)用于數(shù)控系統(tǒng)插補(bǔ)運(yùn)算。
　　（5）開發(fā)了基于多線程并發(fā)執(zhí)行管理調(diào)度機(jī)制的開放式數(shù)控系統(tǒng)