[發(fā)明專利]一種高速數(shù)控機(jī)床加工速度自適應(yīng)的前瞻插補(bǔ)方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910813680.1
• 申請(qǐng)日: 2019-08-30
• 公開（公告）號(hào): CN110471368A
• 公開（公告）日: 2019-11-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 任衛(wèi)軍;張磊;侯曉波;葛瑤;黃金文
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 長(zhǎng)安大學(xué)
• 主分類號(hào): G05B19/41
• 分類號(hào): G05B19/41
• 代理公司: 61218 西安睿通知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙)
• 代理人: 惠文軒<國(guó)際申請(qǐng)>=<國(guó)際公布>=<進(jìn)入

本發(fā)明公開了一種高速數(shù)控機(jī)床加工速度自適應(yīng)的前瞻插補(bǔ)方法，該方法首先用NURBS曲線對(duì)加工曲線進(jìn)行描述，并根據(jù)NURBS曲線中插補(bǔ)點(diǎn)曲率的變化確定了速度突變點(diǎn)的位置；接著提出基于弓高誤差和三次多項(xiàng)式加減速算法計(jì)算突變點(diǎn)速度的局部最優(yōu)解；然后分析突變點(diǎn)處速度的嵌套關(guān)系，給出了前瞻距離的有效計(jì)算方法；最后根據(jù)減速點(diǎn)的位置，在前瞻距離范圍內(nèi)進(jìn)行反向插補(bǔ)，提出了進(jìn)給速度的實(shí)時(shí)優(yōu)化方案。本發(fā)明既能滿足柔性加工的要求，又能提前發(fā)現(xiàn)加工中存在的速度突變點(diǎn)，從而優(yōu)化進(jìn)給速度，實(shí)現(xiàn)高精度加工。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于數(shù)控加工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高速數(shù)控機(jī)床加工速度自適應(yīng)的前瞻插補(bǔ)方法。

背景技術(shù)

現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)集機(jī)械、制造、自動(dòng)控制、微電子和信息技術(shù)于一體，是現(xiàn)代制造技術(shù)中關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一，插補(bǔ)技術(shù)是數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)軌跡控制的基礎(chǔ)和運(yùn)動(dòng)控制的核心模塊，是求取離散點(diǎn)之間的插補(bǔ)點(diǎn)，進(jìn)行離散點(diǎn)的“密化”過程，其涉及到插補(bǔ)點(diǎn)的計(jì)算方法與插補(bǔ)進(jìn)給速度規(guī)劃方法。

非均勻有理B樣條(Non-Uniform Rational B-Spline，簡(jiǎn)稱NURBS曲線)因其設(shè)計(jì)靈活、算法穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)成為計(jì)算機(jī)幾何信息表達(dá)、設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)交換等方面的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在CAD/CAM系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，航空、宇航、汽車、模具等行業(yè)中大量自由型面采用NURBS曲線來表示。NURBS曲線插補(bǔ)在高速加工中的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在：曲線信息完整、程序代碼大為簡(jiǎn)化、加工精度更高、進(jìn)給速度更快、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)過程平穩(wěn)；因此研究NURBS曲線插補(bǔ)技術(shù)，對(duì)于提高計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)的性能具有十分重要意義。

前瞻插補(bǔ)算法是一種提前發(fā)現(xiàn)加工軌跡速度突變點(diǎn)，并對(duì)進(jìn)給速度采取有效控制的方法。復(fù)雜輪廓的工件在進(jìn)行高速加工時(shí)，加工路徑如果遇到高曲率點(diǎn)或方向突變點(diǎn)，刀具運(yùn)動(dòng)會(huì)發(fā)生急轉(zhuǎn)彎，為確保加工精度，須將速度降低至“弓高誤差”范圍內(nèi)。但受機(jī)床性能的限制，速度瞬間大幅度降低無法實(shí)現(xiàn)。在加工過程中，大幅度降低速度需要刀具經(jīng)過一段加工軌跡連續(xù)降低才能完成，須提前在高曲率點(diǎn)或方向突變點(diǎn)連續(xù)減速，因此數(shù)控系統(tǒng)的前瞻插補(bǔ)算法被提出。前瞻插補(bǔ)算法是為了在保證加工精度的同時(shí)實(shí)現(xiàn)高速加工。通過提前對(duì)加工軌跡進(jìn)行分析和處理，發(fā)現(xiàn)高曲率點(diǎn)和速度突變點(diǎn)，進(jìn)而找出減速點(diǎn)并對(duì)加工速度進(jìn)行規(guī)劃。在保證速度最大化的同時(shí)實(shí)現(xiàn)速度平滑過渡，滿足加工精度的同時(shí)符合機(jī)床的加減速特性。若加工曲線中不存在曲率較大的地方，則應(yīng)在保證數(shù)控系統(tǒng)平穩(wěn)加速的前提下，盡量提高進(jìn)給速度使加工效率得以提高。

現(xiàn)有前瞻控制中存在的問題總結(jié)為以下幾部分：

1.速度突變點(diǎn)的求解：傳統(tǒng)的自適應(yīng)算法是通過該插補(bǔ)點(diǎn)曲率值以及弓高誤差限制求得一個(gè)局部最優(yōu)解，這種算法簡(jiǎn)單但也存在缺點(diǎn)，即若加工路徑中存在大量速度突變點(diǎn)，此速度突變點(diǎn)還同相鄰?fù)蛔凕c(diǎn)相互影響；

2.前瞻距離的確定：傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)并未給出較好的解決方法，一般根據(jù)多次試驗(yàn)或測(cè)量數(shù)據(jù)給出一個(gè)固定值作為前瞻距離，這種算法簡(jiǎn)捷難度系數(shù)低，適合速度突變點(diǎn)出現(xiàn)頻率較低的加工曲線。此外，選取固定值存在很多問題，不同加工路徑差別較大。若固定值較大即前瞻距離過長(zhǎng)，造成插補(bǔ)時(shí)間和存儲(chǔ)空間的浪費(fèi)，尤其在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能，降低加工效率。若固定值較小即前瞻距離過短，則不能完全消除速度突變點(diǎn)的影響，或者沒有足夠距離用以減速。

3.減速點(diǎn)位置的計(jì)算：根據(jù)預(yù)先分析的加工路徑信息，在遇到速度突變點(diǎn)前需要提前減速。減速點(diǎn)位置的確定對(duì)曲線的加工影響較大，若因算法本身的問題導(dǎo)致減速點(diǎn)的位置提前，則加工可能殘留；若減速點(diǎn)的位置滯后了，則不能準(zhǔn)確停在加工指定的位置，進(jìn)而影響加工精度。

4.速度的修調(diào)：在實(shí)際加工中可能出現(xiàn)當(dāng)前加工段長(zhǎng)度無法包含三次多項(xiàng)式加減速中完整的加速段、勻速段和減速段，若加工段長(zhǎng)度較短則需要對(duì)突變點(diǎn)速度進(jìn)行修調(diào)。由于三次多項(xiàng)式加減速算法在運(yùn)動(dòng)規(guī)劃時(shí)的最大速度和加減速區(qū)長(zhǎng)度是以連續(xù)型曲線計(jì)算得來，但在實(shí)際曲線加工時(shí)是以固定插補(bǔ)周期T離散運(yùn)行，導(dǎo)致整段加工的末速度有較大偏差。

發(fā)明內(nèi)容