自由曲线轨迹跟踪运动控制算法的研究

论文摘要

现代制造业的快速发展,促使复杂型轮廓零件加工的用户需求日益扩大。对于复杂曲线曲面运动规划方法的研究,已经成为数控技术发展的首要任务之一,而是否具有复杂曲线曲面插补技术的加工功能,成为评价高性能数控系统的重要指标。论文针对开放式和高性能数控系统发展的需要,对数控系统的几个关键技术——连续运动轨迹规划的加减速控制,参数曲线的插补方法和轮廓误差的伺服控制进行了深入研究。样条插补方法应用于复杂曲线加工时具有拟合精度高、NC程序小,能有效地提高数据传输效率等优点,其中NURBS（Non-uniform rational Basic Spline）可以统一表达自由曲线曲面和解析曲面,并具有平滑性、局部可控性等众多优势,本文主要基于NURBS曲线的运动规划方法进行研究。本文主要研究内容如下。首先,对传统的NURBS曲线计算方法进行了分析,然后针对传统计算NURBS曲线上点所用到的规范化基函数的方法,采用了另一种快速德布尔计算方法,该方法有效地减少了插补周期内曲线上点的计算时间,从而缩短了加工时间。其次,对NURBS曲线运动进行了加减速规划,使进给速度在曲线曲率过大处得到很好的平滑过渡,满足机床动力特性的要求。解决了传统加工复杂型轮廓零件时,存在的电机加减速频繁、加工效率低和加工表面不光滑等问题,并减小了机床的柔性冲击和振荡,对提高刀具和机床的寿命有重要意义。最后,研究了几种不同类型曲线的轮廓误差计算方法,并采用基于NURBS曲线的近似轮廓误差的计算方法,设计了带有速度前馈增益的轮廓误差控制插补器,仿真结果表明该控制器有效地减小了轮廓误差,提高了加工精度,有助于提高零件加工表面质量。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 数控系统的来源和发展
• 1.1.1 数控技术产生的背景
• 1.1.2 当代数控系统的特点
• 1.1.3 数控系统的发展趋势
• 1.2 参数曲线曲面技术的背景
• 1.3 参数NURBS曲线曲面插补
• 1.4 参数NURBS曲线曲面的应用
• 1.4.1 NURBS在图形学中的应用
• 1.4.2 NURBS在数控系统中的应用
• 1.4.3 NURBS曲线插补技术的国内外研究综述
• 1.5 本课题的研究内容
• 第2章 自由曲线 NURBS 插补算法的研究
• 2.1 引言
• 2.2 NURBS参数曲线及其经典插补算法
• 2.3 快速德布尔算法
• 2.4 NURBS曲线参数的表示
• 2.5 德布尔算法与经典算法的比较
• 2.6 本章小结
• 第3章 自由曲线轨迹跟踪速度规划算法的研究
• 3.1 引言
• 3.2 NURBS曲线几何模块
• 3.2.1 进给速度敏感区的检测
• 3.2.2 弓高误差的分析计算
• 3.2.3 进给速度的规划算法
• 3.3 加减速控制算法
• 3.3.1 加减速控制模式的选择
• 3.3.2 NURBS曲线段长度的分析计算
• 3.3.3 基于加加速度限制的速度规划
• 3.4 进给速度算法的系统结构
• 3.5 加减速规划后的仿真结果
• 3.6 本章小结
• 第4章 曲线轮廓误差的研究分析和控制
• 4.1 引言
• 4.2 轮廓误差的分析研究
• 4.2.1 直线类型曲线的轮廓误差计算
• 4.2.2 圆弧类型曲线的轮廓误差计算
• 4.2.3 自由曲线的轮廓误差计算
• 4.3 轮廓误差控制器的设计
• 4.4 轮廓误差控制的仿真结果
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢