基于样条插补的高质量加工关键技术的研究

发布时间：2020-07-17 01:39

【摘要】：随着样条插补在数控系统中的广泛应用,高速高精加工已经成为当今制造业领域的新要求。一些高档的商用数控系统已经实现了多种样条曲线的插补功能。相比传统的微小线段和圆弧段插补,样条插补可以减小CAD/CAM与CNC系统之间的通信负担,而且避免高速加工中加速度和加加速度的频繁变化,提高加工质量。但是,西方发达国家一直在高档数控系统出口方面,对我国进行限制。因而,研究基于样条插补的高质量加工的关键技术对于我国自主研发高档数控系统具有重要的理论和现实意义。本文根据样条曲线插补和速度规划的基本理论,针对复杂工件的高速、高精、高质量加工问题,围绕样条插补的三个关键技术:曲线拟合、实时插补和速度规划,开展了以下的研究工作:(1)样条曲线拟合条件和拟合方法。为了提高列表曲线的加工速度和加工质量,提出了用Akima曲线将连续数据点拟合成光滑的样条曲线进行加工的方法。课题重点研究了Akima曲线的拟合准则和拟合方法,即首先用双弦高误差准则和切线误差准则来来识别出可以拟合成Akima曲线的连续加工区域,然后用五点Akima算法将连续的微小线段拟合成光滑的样条曲线进行插补。仿真和实验结果表明,本文提出的Akima曲线插补算法可以平滑加工路径,提高加工精度。而且Akima曲线的数学计算比较简单,所以Akima样条拟合插补算法可以提高列表曲线的加工效率和质量。(2)逼近弦长的实时样条曲线插补技术。针对目前常用的Taylor系列展开法在实时样条曲线插补时,进给速度波动难以避免的问题,提出了用实际进给弦长逼近理论进给弦长的策略进行实时插补的方法,并分别采用牛顿迭代法、弦截法和抛物线插值结合牛顿法来实时计算插补参数。实验证明,本课题提出的实时插补算法稳定性好,运算精度高,能够满足实时插补的要求,且能够将实时插补产生的进给速度波动控制在理想的水平。(3)柔性加减速控制算法。针对数控系统高速加工中,由于速度、加速度和加加速度不平滑引起数控机床振动,影响数控系统加工速度、加工精度和加工质量的问题,提出了能够实现加加速度连续变化的四次多项式速度规划算法和线性三角函数速度规划算法,并对目前常用的五段S曲线加减速算法、三次多项式算法和三角函数算法进行了简化。仿真插补和实验表明了四次多项式速度规划算法和线性三角函数速度规划算法能实现柔性加减速控制,适用于高质量加工。(4)基于前瞻的样条曲线插补方法。为了在速度规划时,提高插补的实时性,本课题提出两种基于前瞻的样条曲线插补方法。针对列表曲线,提出了基于前瞻的Akima曲线拟合插补算法,通过前瞻来保证加工精度;针对NURBS曲线、B样条等参数曲线的加工,则提出了基于两次前瞻的速度规划算法,同时考虑了加工精度、加速度和加加速度的约束。仿真和实验结果证明了这两种方法可以减小机床振动,提高加工质量。本文围绕基于样条插补的高质量加工关键技术展开。对于列表曲线的加工,提出了Akima样条曲线的拟合准则和拟合方法,并实现了基于前瞻的Akima曲线拟合插补算法;独立提出了用实际进给弦长逼近理论进给弦长的策略进行实时插补的方法,实现了用牛顿迭代法、弦截法和抛物线插值结合牛顿法来实时计算插补参数的方法,并介绍了应用领域;简化了常用的加减速控制方法,然后提出了能够实现速度、加速度和加加速度平滑变化的四次多项式加减速控制算法和线性三角函数速度规划算法,实现了基于两次前瞻的速度规划方法。仿真和实验结果证明了上述算法的有效性。
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(沈阳计算技术研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP391.7
【图文】：

图 1-2 SIEMENS 840D 三种样条曲线比较曲线中，对 NURBS 曲线插补的研究最广泛。规定的 CAD/CAM 的数据交换标准。因为 N次解析曲面和自由曲线，而且 NURBS 曲线的将 NURBS 插补技术应用在数控加工领域，会术的整体水平。Yeh 和 Su 等[29]采用了最小二NUBRS 曲线，然后进行样条插补。Wang 和 Y测试识别出连续的加工区域，然后拟合成 N在进行实时NUBRS曲线插补时，一般存在三个需要通过迭代计算来保证加工精度，这个过程展开法实时样条插补时，会造成速度精度的丢S 曲线的求导运算，比较耗时；(3) 由于 NURB此其拟合条件往往比较复杂。线的研究方面，Tsai 等[32]提出了一种基于前

图 3-1Akima 曲线和普通三次样条曲线对比kima 样条曲线方程之前，首先需要对数据点进行参数五点 Akima 算法来估算数据点处的一阶导数，最后才参数化数化后，应该能够反映样条曲线的性质。累积弦长法法。但是这种方法只适用于参数曲线是直线的情况。曲线插补的需要，本课题采用了 Lee[107]提出的向心参的参数。这种方法利用累计弦长的平方根来计算参数011 1110| |1,2 1| |i ii i ni iiuP Pu u i nP P

图 3-8Akima 样条拟合加工的蝴蝶轮廓到的仅有微小线段的插补算法的插补步数是 3840，而经过插补算法的插补步数是 3510。这是因为当加工连续的 Ak度可以在更长时间内保持编程速度 F，从而避免了频繁的kima 样条曲线拟合满足条件的加工区域后，不仅机床的以在一定程度上减小机床振动，可以满足高质量加工的需先介绍了列表曲线和 Akima 样条曲线的特征，然后重点拟合成 A 样条曲线的条件和方法。Akima 样条曲线的拟过双弦高误差测试来识别出连续的加工区域，通过切线误 Akima 样条的加工段。实验部分首先对比了 Akima 样条曲效果，说明了用 Akima 曲线拟合列表曲线的数据点能够廓的实际状态；然后通过实际的加工测试，说明用 Akim

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 谭伟明;空间椭圆的变换插补法[J];制造技术与机床;2000年07期

2 章仁义,吴焱明;空间椭圆插补方法研究[J];机械工艺师;2001年07期

3 吴光琳,林建平,李从心,阮雪榆;参数曲面的快速实时插补[J];机械制造;2002年01期

4 鲍莉,鲍剑斌,张洛平,仲志丹;插补与误差分析[J];矿山机械;2002年09期

5 王琨琦,王润孝,孙林丽;椭圆曲线的比较积分插补方法研究[J];西安工业学院学报;2005年01期

6 范进桢,秦贵林,张海英;时间分割插补法插补圆弧算法的改进[J];机械工程师;2005年07期

7 张文洁;一种新的插补方法的探索[J];机械设计与制造;2005年06期

8 余竞;一种选择性随机缺失数据的检验和插补方法[J];统计与决策;2005年17期

9 徐海银;李丹;李端铃;何顶新;;隐曲线的线性和旋转插补[J];中国机械工程;2005年21期

10 施群,王小椿;步进伺服系统高效插补控制算法研究[J];电气传动;2005年03期

相关会议论文 前5条

1 余予;李俊;任芝花;张志富;;标准序列法在日平均气温缺测数据插补中的应用[A];第八届全国优秀青年气象科技工作者学术研讨会论文汇编[C];2014年

2 吕强;;编写数控车、铣床加工多边形插补程序的方法[A];数控技术学术研讨会论文集[C];1999年

3 安金刚;;离线插补技术在运动控制中的应用[A];全国第十二届空间及运动体控制技术学术会议论文集[C];2006年

4 郑金兴;张铭钧;孟庆鑫;;变插补周期的数控进给速度控制算法研究[A];先进制造技术论坛暨第五届制造业自动化与信息化技术交流会论文集[C];2006年

5 谷永山;王锐;韦穗;;基于两幅视图的纵向插补方法[A];第十五届全国图象图形学学术会议论文集[C];2010年

相关博士学位论文 前7条

1 王允森;基于样条插补的高质量加工关键技术的研究[D];中国科学院研究生院(沈阳计算技术研究所);2015年

2 叶伟;数控系统纳米插补及控制研究[D];北京交通大学;2010年

3 梅鹏;中国群死群伤火灾数据插补及快速损失评估研究[D];中国科学技术大学;2013年

4 孟书云;高精度开放式数控系统复杂曲线曲面插补关键技术研究[D];南京航空航天大学;2006年

5 刘巍;ARGO稀损数据插补与三维海洋要素场重构研究[D];西南交通大学;2012年

6 周勇;高速进给驱动系统动态特性分析及其运动控制研究[D];华中科技大学;2008年

7 郝永江;复杂参数曲线曲面加工控制与状态监测技术研究[D];天津大学;2011年

相关硕士学位论文 前10条

1 刘艳玲;调查数据无回答的插补方法及模拟比较[D];天津财经大学;2012年

2 余威;气象相似性网络构建及缺失气象要素数据的插补[D];西南大学;2015年

3 李玲雪;缺失偏态数据下异方差模型的统计推断[D];昆明理工大学;2015年

4 李永杰;基于PH曲线五轴数控插补策略的研究[D];辽宁科技大学;2015年

5 李静华;基于PMM插补法的线性回归模型系数估计量的模拟研究[D];天津财经大学;2015年

6 王锦霞;基于质谱筛选差异表达蛋白的统计学方法研究[D];大连海事大学;2016年

7 赵伟;针对回归模型的缺失数据插补方法模拟分析[D];天津财经大学;2014年

8 骆新珍;基于DA插补法的线性回归模型系数估计量的模拟研究[D];天津财经大学;2014年

9 肖哲;基于STM32的嵌入式数控插补控制器的研究与实现[D];湖北工业大学;2016年

10 王伟;基于判别分析的多重插补影响因素研究[D];河北经贸大学;2015年

本文编号：2758805