[發明專利]基于輪廓誤差約束的自適應曲線插補方法

有效

• 申請號: 201610167558.8
• 申請日: 2016-03-22
• 公開（公告）號: CN105759726B
• 公開（公告）日: 2018-04-10
• 發明（設計）人: 賈振元;宋得寧;馬建偉;王福吉;高媛媛;葛杰
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G05B19/4103
• 分類號: G05B19/4103
• 代理公司: 大連理工大學專利中心21200
• 代理人: 關慧貞

技術領域

本發明屬于精密高效數控加工技術領域，特別涉及一種基于輪廓誤差約束的參數樣條曲線插補進給速度自適應規劃方法。

背景技術

隨著航空航天、能源動力等重大工程領域的迅猛發展，制造業對高端裝備復雜曲面關重件的加工精度和加工效率的要求日益提升。鑒于參數樣條曲線可以精確表示任意自由形狀曲線刀軌，克服微小直線、圓弧段代替曲線刀軌過程中產生的逼近誤差從而提高曲面加工精度，因此參數曲線插補技術得到了高端數控領域的廣泛關注。在參數曲線插補過程中，進給速度的規劃至關重要。現有關于曲線插補速度規劃方法主要以幾何(即弓高誤差)約束和運動學(即加速度、加加速度)約束為主，并未考慮進給系統伺服遲滯特性誘發的輪廓誤差約束。因此，當加工進給速度較快且刀軌曲線曲率較大時，極易引起較大加工輪廓誤差，降低零件的加工精度。綜上，研究慮及輪廓誤差約束的參數曲線自適應插補技術對實現復雜曲面零件精密高效加工具有重要意義。

對現有技術文獻總結發現，文獻“Cubic Spline Trajectory Generation with Axis Jerk and Tracking Error Constraints”，Ke Zhang等，International Journal of Precision Engineering and Manufacturing，2013，14(7):1141-1146，該文獻以進給軸加加速度和隨動誤差為約束條件，生成C樣條刀軌，將實際加工中單軸隨動誤差限制在預先設定的誤差極限內。雖然該方法可以有效降低隨動誤差，但隨動誤差與加工輪廓誤差并無直接關聯關系，隨動誤差的降低并不代表輪廓誤差的降低。文獻“Smooth feedrate planning for continuous short line toolpath with contour error constraint”，Jingchuan Dong等，International Journal of Machine Tools and Manufacture，2014，76：1-12，該文獻提出一種輪廓誤差約束的進給速度規劃方法，然而該文獻將進給軸伺服系統簡化為一個一階系統進行討論，簡化程度過高，可能導致簡化系統與原系統在頻率較大時的響應不一致。

發明內容

本發明旨在克服現有技術缺陷，發明一種基于輪廓誤差約束的自適應曲線插補方法，以輪廓誤差為約束條件計算加工進給速度自適應值，據此計算曲線插補參數，在插補過程中直接考慮輪廓誤差約束，有效抑制數控加工軌跡輪廓誤差。

本發明的技術方案是一種基于輪廓誤差約束的自適應曲線插補方法，其特性在于，該方法首先針對典型二階進給伺服系統，建立輪廓誤差與進給速度、伺服系統參數、曲線曲率之間關聯關系模型，利用當前插補點曲率信息和輪廓誤差約束值計算輪廓誤差約束下當前插補點處加工進給速度許用值；其次，判斷輪廓誤差約束的許用進給速度和程序預設進給速度大小關系，將較小值作為當前插補點自適應進給速度值；最后，利用該自適應進給速度計算下一插補點的曲線參數，實現慮及輪廓誤差約束的參數曲線插補；具體步驟如下：

第一步輪廓誤差約束下許用加工進給速度計算

由比例控制器控制的典型位置閉環進給伺服系統的閉環傳遞函數G(s)為：

其中，K為位置環比例控制器增益，J為伺服電機和絲杠等負載的等效轉動慣量，B為負載的等效粘性阻尼，s為拉普拉斯算子；

令則式(1)可以表示為典型二階系統：

其中，ω_n為無阻尼固有頻率，ζ為阻尼比；令s＝jω，得到系統的頻率響應函數G(jω)為：

其中，ω為系統輸入角頻率；

因此，系統的幅頻特性函數M(ω)和相頻特性函數φ(ω)分別為：

當采用進給速度v加工曲率半徑為ρ的輪廓時，數控系統各軸輸入指令r_x、r_y為：

其中，角頻率ω＝v/ρ，(r_x,0,r_y,0)為曲率圓的圓心；達到穩態時，系統各軸輸出p_x、p_y為：

當各軸伺服系統動態特性匹配良好時，M_x(ω)＝M_y(ω)＝M(ω)，實際加工輪廓曲率半徑為理想曲率半徑的M(ω)倍，此時輪廓誤差ε可表示為：