一種考慮加工特性的nurbs直接插補方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種考慮加工特性的NURBS直接插補方法及裝置，采用考慮機床運動學(xué)和動力學(xué)特性，以及刀具路徑工況，建立多約束條件方程，完成預(yù)插補處理，得到進給速度序列；離線速度規(guī)劃模塊尋找并確定切向加速度超差區(qū)域，并采用S型加/減速模式對超差區(qū)域的速度進行重新調(diào)整；利用調(diào)整好的速度序列對每個插補周期進行實時插補，插補裝置利用動態(tài)鏈接庫技術(shù)，將插補點的位置信息經(jīng)過伺服控制器，驅(qū)動伺服電機，完成實時在線插補。本發(fā)明能使插補同時滿足包括單軸加速度限制、 Jerk 限制、曲率特性等在內(nèi)的多約束條件，改善小曲率情形時加工效率，進一步增強對加工質(zhì)量和加工效率的協(xié)調(diào)控制能力，可有效的避免機床顫振或系統(tǒng)振動。
【專利說明】一種考慮加工特性的NURBS直接插補方法及裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于數(shù)控加工【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種考慮加工特性的NURBS直接插補方 法及裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] 數(shù)控技術(shù)是現(xiàn)代制造技術(shù)中非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一，高速、高精度的數(shù)控加工系統(tǒng) 在國民經(jīng)濟發(fā)展和國防建設(shè)中占有很重要的地位。目前，傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)在加工復(fù)雜型面 零件時，一般是先將刀具的加工路徑離散成大量直線段，然后再對零件進行線性插補加工， 這種加工方式難以保證加工速度和加工精度，機床容易產(chǎn)生沖擊和顫振，直接影響零件的 加工質(zhì)量和效率。NURBS (非均勻有理B樣條）曲線作為一種具有強大形狀控制能力的參 數(shù)曲線曲面描述方法，因而得到了廣泛的應(yīng)用。目前，隨著加工制造業(yè)的不斷發(fā)展，對高速 高精的加工要求也越來越高，NURBS直接插補技術(shù)逐漸在數(shù)控機床中占據(jù)著越來越重要的 地位。
[0003] 目前，國內(nèi)外只有少數(shù)高檔數(shù)控系統(tǒng)才具有NURBS直接插補功能，如FANUC、 SIEMENS，三菱等。因此，對CNC添加 NURBS曲線曲面插補功能，研究基于PC開放式數(shù)控 系統(tǒng)，利用PC強大的計算能力，實現(xiàn)NURBS曲線曲面高速高精度的實時插補，具有很大 的工程研究價值。當(dāng)前，NURBS曲線插補作為前沿技術(shù)，高精高效的NURBS插補方法一直還 沒有統(tǒng)一的最佳解決方案?，F(xiàn)階段NURBS曲線插補存在的主要問題集中在以下幾個方面： 現(xiàn)有插補算法對機床驅(qū)動系統(tǒng)特性考慮甚少，或是注重在對合成速度、加速度曲線的控制 上，進給軸運動學(xué)分量的限制以及加加速度的限制尚未納入插補約束之中，加工過程中運 動的平穩(wěn)性無法得到很好的保證；另外缺乏對刀具路徑幾何特性的考慮，在獲取高效率和 高精度兩者良好匹配方面還存在著一些不足，綜合協(xié)調(diào)控制能力還有待加強。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 鑒于現(xiàn)有技術(shù)存在的不足之處，本發(fā)明提供一種考慮加工特性的NURBS直接插補 方法及裝置，建立一種能同時滿足最大弓高誤差、弓高誤差冗余、機床加/減速能力、單軸 加速度限制、曲率特性、加加速度限制、實時性等多約束的插補算法，并基于開放式數(shù) 控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)NURBS曲線直接插補功能。本發(fā)明能滿足多約束條件，改善小曲率情形的 加工效率，進一步增強了對加工效率和加工質(zhì)量的協(xié)調(diào)控制能力，可有效的避免機床顫振 或系統(tǒng)振動。
[0005] 為解決上述問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種考慮加工特性的NURBS直接 插補方法及裝置，包括以下三個步驟：建立預(yù)插補處理模塊、離線速度規(guī)劃模塊、實時插補 裝置模塊。
[0006] 所述的預(yù)插補處理模塊包括以下幾個子步驟： 1)由給定的刀具路徑插補曲線數(shù)據(jù)，計算下一插補點間等弓高誤差插補參數(shù)增量Λ " Λ1，以及恒定進給速度插補參數(shù)增量; 2) 由當(dāng)前插補點參數(shù)計算曲率冬，，曲率半徑，其中,.=2/? ; 3) 建立多約束進給速度規(guī)劃方程，確定預(yù)插補進給速度，當(dāng)Λ ? Λ1 3Λ ? i;2時，應(yīng)將 進給速度限制為111；[11{{/,(^，匕(^，匕(1/乂{ /；(^{//(^匕(^}，當(dāng)八"/，1<八" /，2時，應(yīng) 將進給速度大小限制為min卬，}; 其中為合定進給速度，匕為滿足曲率特性最大速度，K/&；為滿足弓高誤差約 束最大速度，K/&；為滿足切向加速度約束最大速度，為滿足法向加速度約束最大速 度，為滿足加加速度(/ei)限制約束最大速度，為滿足單軸加速度約束最大 速度； 4) 計算插補點參數(shù)序列，插補步長； 5) 最后生成預(yù)插補進給速度序列。
[0007] 所述的離線速度規(guī)劃模塊，包括以下幾個子步驟： 1) 尋找進給速度序列中切向加速度超差區(qū)域，并確定超差區(qū)域起始點和終點； 2) 根據(jù)超差區(qū)域起始點與終點的速度差確定速度分布類型； 3) 根據(jù)速度分布和減速距離判斷實際減速開始點； 4) 從減速開始點對超差區(qū)域的速度按S型加/減速模式重新計算，生成調(diào)整后的插補 進給速度序列。
[0008] 所述的實時插補裝置模塊，其特征在于： 利用調(diào)整好的進給速度序列對每個插補周期逐一進行實時插補，插補的位置信息送入 本發(fā)明中NURBS直接插補裝置進行實驗加工。所述的插補裝置主要在開放式數(shù)控結(jié)構(gòu)上完 成軟件系統(tǒng)的開發(fā)和硬件系統(tǒng)的組建。所述的刀具路徑插補軟件為基于VC++6. 0開發(fā)的運 行在PC機Windows操作系統(tǒng)上面的應(yīng)用程序。該插補軟件主要由仿真數(shù)據(jù)輸出、加工運行 控制、實時數(shù)據(jù)采集、加工代碼管理、刀具路徑模擬和顯示五大模塊組成，利用動態(tài)鏈接庫 技術(shù)，將插補點的位置控制信號經(jīng)過伺服控制器，驅(qū)動伺服控制電機，完成實時插補。
[0009] 本發(fā)明具有的有益效果及優(yōu)點表現(xiàn)在： 建立的多約束進給速度規(guī)劃方程，能同時滿足最大弓高誤差、弓高誤差冗余、機床加/ 減速能力、單軸加速度限制、加加速度C/erA)限制、曲率特性、實時性等多目標(biāo)約束，特別確 定了軸向運動學(xué)分量、加加速度(/ari)限制、曲率特性與進給速度的關(guān)系以及匹配方法，改 善了小曲率情形的加工效率，進一步增強了對加工質(zhì)量和加工效率的協(xié)調(diào)控制能力。采用 這種插補方法和裝置可以有效的避免由于急劇速度變化或加加速度突變產(chǎn)生的機床顫振 或系統(tǒng)振動。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010] 圖1是本發(fā)明的插補方法流程圖。
[0011] 圖2是本發(fā)明的離線速度規(guī)劃模塊流程圖。
[0012] 圖3是本發(fā)明的NURBS直接插補裝置軟硬件系統(tǒng)框圖。
[0013] 圖4是本發(fā)明的刀具路徑插補軟件界面圖。
[0014] 圖5是本發(fā)明的實例NURBS曲線圖。
[0015] 圖6是本發(fā)明的實例曲線曲率特性圖。
[0016] 圖7是本發(fā)明的實例曲線的弓高誤差對比圖。
[0017] 圖8是本發(fā)明的實例曲線的進給速度對比圖。
[0018] 圖9是本發(fā)明的實例曲線的加速度對比圖。

【具體實施方式】
[0019] 結(jié)合圖1，下面從NURBS插補算法、建立多約束進給速度規(guī)劃方程及預(yù)插補處理模 塊、離線速度規(guī)劃模塊、實時插補裝置模塊等五個方面對本發(fā)明在數(shù)控加工中NURBS曲線 插補的應(yīng)用進行詳細介紹。
[0020] 1、NURBS 插補算法 一條々次NURBS曲線可定義為：

【權(quán)利要求】
1. 一種考慮加工特性的NURBS直接插補方法及裝置，其特征在于：根據(jù)機床運動學(xué)和 動力學(xué)特性，以及刀具路徑的工況，建立一種能同時滿足最大弓高誤差、弓高誤差冗余、機 床加/減速能力、單軸加速度限制、曲率特性、加加速度(/ed)限制、實時性等多約束條件 的插補算法，并基于開放式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)NURBS直接插補功能；該方法及裝置包括以 下幾個模塊： 預(yù)插補處理模塊：根據(jù)考慮加工特性要求，建立能同時滿足多約束進給速度的規(guī)劃方 程，讀取刀具路徑曲線的數(shù)據(jù)(控制頂點、節(jié)點矢量、權(quán)因子等)，完成一次預(yù)插補處理，得到 插補點進給速度序列； 離線速度規(guī)劃模塊：尋找并確定進給速度序列中切向加速度超差區(qū)域，并采用S型加 /減速模式對超差區(qū)域的進給速度進行重新調(diào)整，消除減速過程中切向加速度超差的插補 點，得到能滿足每個約束條件的進給速度序列； 實時插補裝置模塊：利用調(diào)整好的進給速度序列對每個插補周期逐一進行實時插補， 插補點的位置信息送入本發(fā)明中NURBS直接插補裝置進行實驗加工。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種考慮加工特性的NURBS直接插補方法及裝置，其特征在 于： 所述的預(yù)插補處理模塊包括以下步驟： 1) 由刀具路徑曲線的插補點信息數(shù)據(jù)，計算下一插補點間等弓高誤差插補參數(shù)增量 Λ 及恒定進給速度的參數(shù)增量Λ ? u ; 2) 由當(dāng)前插補點參數(shù)計算插補點曲率，曲率半徑； 3) 建立多約束進給速度規(guī)劃方程，確定預(yù)插補進給速度，當(dāng)Λ ? Λ1 ? i;2時，應(yīng)將 進給速度限制為 min {{^&乂 匕&乂 6<1/乂 4(1/乂 }，當(dāng)Λ ? i;1 <Λ ? y，2 時， 應(yīng)將進給速度大小限制為min {巧7>乂 Κ/κΛ 其中F為給定進給 速度，滿足曲率特性最大速度，為滿足弓高誤差約束最大速度，為滿足 切向加速度約束最大速度，匕為滿足法向加速度約束最大速度，為滿足加加速度 C/erA)限制約束最大速度，為滿足單軸加速度約束最大速度； 4) 計算插補點參數(shù)序列，插補步長； 5) 生成預(yù)插補進給速度序列。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種考慮加工特性的NURBS直接插補方法及裝置，其特征在 于： 所述的離線速度規(guī)劃模塊包括以下步驟： 1) 尋找進給速度序列中切向加速度超差區(qū)域，并確定超差區(qū)域起始點和終點； 2) 根據(jù)超差區(qū)域起點與終點的速度差確定速度分布類型，分為梯形加減速分布或者是 三角形加減速分布； 3) 根據(jù)速度分布類型和減速距離判斷實際減速開始點； 計算梯型和三角形加/減速分布規(guī)律從匕#減速到過程所需的最短距離，若 和L所對應(yīng)插補點之間的曲線距離小于上述最短距離時，實際的減速開始點需要前移并 重新計算最短的減速距離，直到新的減速開始點至減速結(jié)束點點的曲線距離Z大于 新的最短距離為止；對于匕#和所對應(yīng)插補點之間的曲線距離大于最短距離的情況， 則不需要前移處理； 4)從減速開始點開始對超差區(qū)域的速度按S型加/減速模式重新計算，重新調(diào)整計算 后的最大加加速度/和最大減速度々的值分別為又和化，生成進給速度序列。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種考慮加工特性的NURBS直接插補方法及裝置，其特征在 于： 所述的實時插補裝置模塊基于開放式數(shù)控結(jié)構(gòu)，完成軟件系統(tǒng)的開發(fā)和硬件系統(tǒng)的組 建，然后利用調(diào)整好的速度序列對每個插補周期逐一進行實時插補；所述的刀具路徑插補 軟件為基于VC++6. 0開發(fā)的運行在PC機Windows操作系統(tǒng)上面的應(yīng)用程序，該插補軟件主 要由仿真數(shù)據(jù)輸出、加工運行控制、實時數(shù)據(jù)采集、加工代碼管理、加工路徑模擬和顯示五 大模塊組成；利用動態(tài)鏈接庫技術(shù)，將得到的插補點的位置控制信號經(jīng)過伺服控制器，驅(qū)動 伺服控制電機，完成實時插補。
【文檔編號】G05B19/4103GK104281099SQ201410582776
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2014年10月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月28日
【發(fā)明者】胡自化, 李業(yè)鵬, 徐韜智, 秦長江 申請人:湘潭大學(xué)