多軸輪廓運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的軌跡生成與性能優(yōu)化.pdf

1、多軸輪廓運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)是運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的一個(gè)重要分支，其主要用途是實(shí)現(xiàn)高性能輪廓加工，高性能輪廓加工是現(xiàn)代制造業(yè)中的一項(xiàng)核心技術(shù)，廣泛地應(yīng)用于眾多工業(yè)領(lǐng)域，具有重要的戰(zhàn)略意義與研究?jī)r(jià)值。為改善多軸輪廓運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的加工質(zhì)量與加工效率，需要采用先進(jìn)的控制策略對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡的規(guī)劃與控制進(jìn)行性能優(yōu)化。本論文結(jié)合一個(gè)典型的多軸輪廓運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)—基于PC+運(yùn)動(dòng)控制卡的開放式三軸數(shù)控雕銑機(jī)控制系統(tǒng)的開發(fā)，圍繞“多軸輪廓運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的軌跡生成與性能優(yōu)化”這個(gè)主題，針對(duì)高性能

2、輪廓加工與多軸輪廓控制中存在的一些關(guān)鍵問題，著重從軌跡逼近、實(shí)時(shí)插補(bǔ)、軌跡優(yōu)化與協(xié)調(diào)控制等方面進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究，主要研究?jī)?nèi)容可歸納如下： (1)針對(duì)光滑曲線的逼近問題，采用直線/圓弧逼近方法進(jìn)行了設(shè)計(jì)與對(duì)比的研究。以一個(gè)平面四分之一橢圓弧為例，根據(jù)期望的精度要求分別采用直線和圓弧來逼近該橢圓弧，其中直線逼近采用基于曲率圓模型的等誤差法和等參數(shù)增量法：圓弧逼近采用基于minimax逼近的最優(yōu)圓弧逼近和以多邊形為中介的雙圓弧逼近

3、。通過不同逼近方法的逼近方式與誤差控制模型，分別從逼近點(diǎn)數(shù)的多少及軌跡的連續(xù)性兩方面來進(jìn)行具體設(shè)計(jì)，并根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果來分析不同參數(shù)對(duì)逼近誤差的影響，以及不同逼近方法對(duì)運(yùn)動(dòng)控制精度的影響。 (2)針對(duì)空間曲面加工中存在的進(jìn)給速度波動(dòng)問題，提出了基于時(shí)間分割法與數(shù)字積分法混合實(shí)現(xiàn)的空間直線插補(bǔ)方法及其連續(xù)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)方法。該插補(bǔ)方法是采用時(shí)間分割法中的時(shí)間分割原理，對(duì)數(shù)字積分法中的累加溢出過程按照進(jìn)給速度的要求采用可控的插補(bǔ)周期

4、進(jìn)行時(shí)間分割，以消除零頭距離并實(shí)現(xiàn)平滑的進(jìn)給速度。為配合上述插補(bǔ)方法實(shí)現(xiàn)連續(xù)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，提出了一種離線分段速度規(guī)劃方法對(duì)由大量微小直線段組成的加工代碼進(jìn)行前瞻預(yù)處理，確定每段直線段代碼在梯形加減速方法下可以實(shí)現(xiàn)的終點(diǎn)速度，以提高加工效率，避免在轉(zhuǎn)角處的沖擊。然后，在插補(bǔ)過程中，提出了一種非對(duì)稱梯形加減速控制方法，采用逐點(diǎn)判斷的方式按照非對(duì)稱梯形速度曲線進(jìn)行加減速控制。最后，通過仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)際加工實(shí)驗(yàn)對(duì)該方法的有效性與優(yōu)越性進(jìn)行了研究，其中

5、實(shí)際加工實(shí)驗(yàn)在三軸數(shù)控雕銑機(jī)上進(jìn)行。 (3)針對(duì)空間曲面加工中可能出現(xiàn)表面凹坑、光潔度較差等問題，提出了一種基于網(wǎng)格均勻化的刀位軌跡優(yōu)化方法。該方法在Cimatron軟件生成的加工刀位軌跡基礎(chǔ)上，分橫向光順與縱向平滑兩步進(jìn)行，首先進(jìn)行橫向光順，通過建立主導(dǎo)輪廓線并對(duì)不規(guī)則的點(diǎn)進(jìn)行修正，以降低相鄰刀路傾斜度的變化程度，然后進(jìn)行縱向平滑，對(duì)同一條刀路上的刀位點(diǎn)進(jìn)行光滑連續(xù)直線段的識(shí)別，再采用分段三次樣條進(jìn)行擬合，以提高同一刀路上的曲

6、線光滑程度。最后，通過仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)際加工實(shí)驗(yàn)對(duì)該方法的有效性與優(yōu)越性進(jìn)行了研究，其中實(shí)際加工實(shí)驗(yàn)在三軸數(shù)控雕銑機(jī)上進(jìn)行。 (4)針對(duì)在多軸輪廓運(yùn)動(dòng)中輪廓誤差難以直接計(jì)算與控制的問題，提出了一種基于工作坐標(biāo)系的最優(yōu)輪廓控制方法。該方法通過在期望軌跡上建立活動(dòng)的Frenet坐標(biāo)系作為工作坐標(biāo)系，用跟蹤誤差在工作坐標(biāo)系中的法向分量來近似輪廓誤差，將系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程由全局坐標(biāo)系變換到工作坐標(biāo)系，采用最優(yōu)線性二次型方法來設(shè)計(jì)最優(yōu)輪廓控制器，通過提高