自適應(yīng)NURBS曲線插補關(guān)鍵技術(shù)及實現(xiàn)研究.pdf

1、NURBS曲線插補作為一種高精高效的數(shù)控加工方式,已成為高檔數(shù)控系統(tǒng)的重要功能和標志之一,也是當前插補技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點和難點。本學位論文結(jié)合浙江省重大科技專項“中高檔數(shù)控機床控制系統(tǒng)”(N0.2006C11067)項目,在分析NURBS曲線插補技術(shù)相關(guān)研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,進行了三軸數(shù)控加工NURBS曲線自適應(yīng)插補及其關(guān)鍵技術(shù)研究。本論文在積極借鑒相關(guān)理論和研究成果的基礎(chǔ)上,面向NURBS插補加工的高效、高精和自適應(yīng)性進行了理論和方法創(chuàng)新

2、,開展了微段刀路擬合、自適應(yīng)插補算法、魯棒性策略、插補數(shù)據(jù)誤差補償?shù)纫幌盗嘘P(guān)鍵技術(shù)研究,并基于DSP開展了NURBS插補算法的實現(xiàn)及加工實驗研究。論文主要研究內(nèi)容和成果概括如下:采用預(yù)估-比例校正算法避免求導運算,簡化了NURBS曲線插補點計算問題。在分析NURBS曲線插補流程中的核心計算任務(wù)的基礎(chǔ)上,研究了指令速度下參數(shù)值計算方法和給定參數(shù)下曲線插補點計算方法,并以簡化插補計算過程為目的,引入插補點位置預(yù)估校正算法,實現(xiàn)了兩步計算任務(wù)

3、的合并,避免了Taylor展開方法存在預(yù)估精度不穩(wěn)定、導數(shù)求解計算量大的問題。給出了NURBS插補中預(yù)估校正算法的合理性分析,通過計算實例,對比例校正算法的計算優(yōu)勢進行了仿真驗證。提出了節(jié)點組合優(yōu)化策略(OKCS),以實現(xiàn)微段刀路NURBS曲線的高精度擬合。針對數(shù)控加工中采用大量微小直線段引起的諸多問題,采用NURBS曲線在一定精度下逼近CAM系統(tǒng)輸出的微小直線段刀路,以實現(xiàn)刀路軌跡的光滑,便于后續(xù)采用NURBS直接插補的方式進行加工。

4、針對現(xiàn)有NURBS曲線最小二乘擬合中存在的參數(shù)節(jié)點劃分無法參與擬合的問題,提出了采用節(jié)點組合優(yōu)化策略(OKCS)獲得節(jié)點劃分的近似最優(yōu)解。進而,針對更高精度的應(yīng)用需求,給出了兩種可靠高效的參數(shù)調(diào)整方法,以獲得合適的曲線次數(shù)及控制點數(shù)。最后在該算法實現(xiàn)的基礎(chǔ)上進行了仿真研究,并與同類方法進行了對比分析,顯示了良好的精度優(yōu)勢。提出了基于進給軸向運動學特性的NURBS曲線前瞻插補算法(ALANI),以保證伺服系統(tǒng)的跟蹤精度和插補加工過程的平穩(wěn)

5、性。針對傳統(tǒng)插補算法存在的自適應(yīng)能力差、過少考慮軸向運動學參數(shù)等問題,提出了基于進給軸向運動學特性的NURBS曲線前瞻插補算法(ALANI)。算法在保證工件輪廓精度的同時,在每個插補周期內(nèi)保證各軸上的加速度、加加速度在對應(yīng)軸的允許范圍內(nèi),同時對曲線狀況進行前瞻計算,根據(jù)需要修正前面的插補參數(shù)進行重新插補。該算法將插補精度與加工過程運動學特性進行了有機結(jié)合,并在算法實現(xiàn)的基礎(chǔ)上進行了仿真研究,并與兩種經(jīng)典的NURBS曲線插補算法進行了對比

6、。建立了NURBS曲線插補中危險點渡過的魯棒性策略和回溯點確定的魯棒性校正方法。在運動學分析的基礎(chǔ)上,設(shè)計了一種危險點渡過的魯棒性策略,該策略保證對任意形式危險點的適應(yīng)能力,并將7項指標嚴格限制在規(guī)定范圍內(nèi),改善了算法對復雜線形的普適性;另一方面,對前瞻插補中形成的拖尾現(xiàn)象進行了機理分析,并設(shè)計了一種修正回溯點確定算法的魯棒性校正策略,修正了速度曲線拖尾現(xiàn)象,減少了低速爬行,并將該模塊融入到ALANI算法中以優(yōu)化加工效率。針對NURBS

7、曲線插補技術(shù)中的誤差補償問題,提出了粗插補級獨立式在線補償策略。分析補償靜態(tài)/準靜態(tài)誤差的必要性與合理性,并從空間誤差的角度給出各軸上補償量的獲得方法,在此基礎(chǔ)上,從實時性和補償系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)角度分析不同補償方式的特點,提出了粗插補級獨立式在線補償策略,以滿足靜態(tài)/準靜態(tài)誤差補償?shù)男枰?。繼而根據(jù)NURBS曲線的空間復雜性,采用分段-合成方法建立各軸統(tǒng)一誤差補償表,并基于統(tǒng)一誤差表,設(shè)計了粗插補數(shù)據(jù)的補償計算方法,并以空間NURBS曲線為對

8、象,對其粗插補數(shù)據(jù)進行誤差補償?shù)姆抡鎸嶒炑芯??；赥MS320F2812數(shù)字信號處理器構(gòu)建了NURBS曲線插補控制實驗平臺。完成了DSP運動控制器的硬件設(shè)計和粗精插補的軟件設(shè)計。并以此為基礎(chǔ)開展了不同復雜度情況下的NURBS曲線插補加工試驗,以驗證插補算法的魯棒性;同時,對微小直線段插補加工和NURBS擬合插補加工兩種方式下的質(zhì)量進行了定性對比。實驗結(jié)果表明,ALANI算法穩(wěn)定可靠,能夠明顯提升加工過程的平穩(wěn)性;NURBS擬合插補加工相