微小線段高速加工的軌跡優(yōu)化建模及前瞻插補技術(shù)研究.pdf

1、高速加工技術(shù)在航空航天、汽車、模具等制造業(yè)中應(yīng)用廣泛，是提高加工質(zhì)量和效率的重要手段，國際生產(chǎn)工程學(xué)會（CIRP）將高速加工技術(shù)確定為21世紀(jì)制造技術(shù)的中心方向之一。微小線段是葉輪、葉片、模具等復(fù)雜曲面零件加工路徑的最廣泛表達形式，微小線段路徑高速加工已成為復(fù)雜曲面零件高速加工核心技術(shù)之一。微小線段路徑中轉(zhuǎn)角一階不連續(xù)特性會導(dǎo)致頻繁加減速，成為數(shù)控機床高速平穩(wěn)運動的瓶頸。
　　連續(xù)微小線段轉(zhuǎn)角速度平滑和跨段速度規(guī)劃是連續(xù)微小線段插

2、補的最大難題，至今仍是先進數(shù)控系統(tǒng)制造商用于提高曲面加工效率和質(zhì)量的熱點技術(shù)。本文提出了一種G2連續(xù) B樣條全局光順?biāo)惴安逖a技術(shù)，以及一種基于轉(zhuǎn)角誤差分配的連續(xù)微小線段轉(zhuǎn)角局部光順和轉(zhuǎn)角速度優(yōu)化方法，實現(xiàn)了基于前瞻窗口的連續(xù)微小線段實時光順、轉(zhuǎn)角速度優(yōu)化和綜合約束下跨段自適應(yīng)速度規(guī)劃，將上述方法集成于開放式數(shù)控系統(tǒng)中，實現(xiàn)了微小線段軌跡的高速加工，驗證了本文所提出方法的有效性和實用性。主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新性成果如下：
　?。?）提

3、出了微小線段路徑G2連續(xù)全局光順和線性/樣條混合路徑跨段加減速方法。運用三次B樣條插值擬合算法實現(xiàn)了微小線段路徑的數(shù)據(jù)壓縮和G2連續(xù)全局光順；提出了基于減速特征方程的S曲線加減速策略，在滿足機床加減速特性和刀路軌跡幾何特性對進給速度及加速度約束下，對生成的線性/樣條混合路徑進行了跨段前瞻速度規(guī)劃。該方法適用于短而數(shù)量多的密集線段路徑和轉(zhuǎn)角很小的平緩路徑，可大幅提高進給速度平穩(wěn)性和加工效率。勺模加工實驗中，與不采用該方法相比，該方法提高加

4、工效率約4倍。
　　（2）建立了三軸線性刀具路徑轉(zhuǎn)角誤差分配模型和轉(zhuǎn)角速度優(yōu)化方法。以獲取最優(yōu)轉(zhuǎn)角過渡速度為目標(biāo)，將系統(tǒng)設(shè)定精度分配為光順近似誤差和插補弓高誤差，在誤差約束下，用Bézier過渡曲線對（BTP）實現(xiàn)了線性路徑轉(zhuǎn)角的光順，同時考慮機床各軸伺服能力約束，運用前瞻功能實現(xiàn)了微小線段刀路的實時插補。面具加工實驗中，與不采用轉(zhuǎn)角誤差分配模型方法相比，在保證軌跡精度前提下，該方法可以將加工時間縮短25％。
　?。?）建立

5、了五軸工件坐標(biāo)系下的線性刀具路徑的轉(zhuǎn)角誤差分配模型和工作坐標(biāo)下的線性刀具路徑的G2連續(xù)實時擬合方法。將系統(tǒng)設(shè)定精度分配為刀尖點和刀軸點的光順近似誤差和插補弓高誤差，在線段連接處插入兩條三次Bézier曲線，將工作坐標(biāo)下的線性刀具路徑實時擬合為 G2連續(xù)的雙樣條軌跡。該算法滿足了近似誤差約束、參數(shù)化同步約束和曲率連續(xù)約束等條件，進一步綜合考慮曲線過渡誤差與插補誤差、最大切向加速度/加加速度、機床各軸伺服能力等約束條件，進行了自適應(yīng)速度規(guī)劃

6、，實現(xiàn)了五軸微小線段的高速加工。通過仿真和實驗，該算法在五軸線性刀具路徑光順、轉(zhuǎn)角速度平滑、轉(zhuǎn)角軌跡精度控制方面具有良好的效果。
　　（4）研究了通過給伺服電機施加正反方向激勵獲取機床各軸速度-加速度包絡(luò)圖的實驗方法。通過對包絡(luò)圖中速度和加速度可行范圍分析，采用最大值匹配法和自適應(yīng)匹配法，得到了優(yōu)化的最大速度和最大加速度約束值，并將約束值應(yīng)用于數(shù)控系統(tǒng)插補運算。
　?。?）開發(fā)了基于多線程并發(fā)執(zhí)行管理調(diào)度機制的開放式數(shù)控系統(tǒng)