專利名稱：面向高速加工的表面質(zhì)量優(yōu)先的樣條曲線實時插補方法
技術領域：
本發(fā)明涉及數(shù)控系統(tǒng)的速度處理技木，具體地說是ー種面向高速加工的表面質(zhì)量優(yōu)先的樣條曲線實時插補方法。
背景技術：
復雜曲面的高速加工技術一直是數(shù)控加工中的一個難點問題，傳統(tǒng)的加工方式首先將復雜曲面在CAM系統(tǒng)中離散成微小直線段和圓弧，然后以G代碼的形式發(fā)送給數(shù)控系統(tǒng)。這些離散生成的微小直線段和圓弧數(shù)量龐大，給數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸造成了很大的負擔。而且由于加工路徑方向的變化，在這些小直線段和圓弧上進行速度規(guī)劃需要頻繁的加減速，會導致加工效率和加工質(zhì)量都難以提高，很難達到高速加工所要求的加工速度。樣條曲線的實時插補技術從一定程度上解決了這些問題，該技術要求CAM將離散生成的微小線段和圓弧重新擬合成樣條曲線，輸入到數(shù)控系統(tǒng)中，使得代碼量大大減少，降低了數(shù)控系統(tǒng)的傳輸負擔；同時樣條曲線所表示的加工路徑是光滑的，從一定程度上減弱了加工路徑方向上的變化對速度的限制，能有效提高加工效率；而且光滑的加工路徑也有助于提高加工表面的光潔度?，F(xiàn)有的樣條曲線實時插補技術還都是ー種普適算法的研究，但是不同的加工對速度規(guī)劃的要求也不同。首先，與粗加工不同，精加工追求的是光潔的加工表面和更高的加工質(zhì)量。因此需要設計ー種在滿足加工精度、加速度連續(xù)過渡的同吋，兼顧最大化利用各個運動軸的最大加減速能力的樣條曲線實時插補方法。同時對高速加工而言，不同的速度加工區(qū)有不同的加工特性，對柔性化加工的要求也不同。在低速加工區(qū)由于加工速度不高，對加速度的變化敏感度較低，刀具的運行也相對平穩(wěn)，在該區(qū)間只要保持加速度的連續(xù)過渡就可以得到光潔的加工表面和較高的加工質(zhì)量。但是低速區(qū)的加工效率偏低，需要設置ー個合理的加加速度以提高加工效率。當加工速度増大，進入過渡區(qū)吋，則面臨著刀具磨損與加 エ質(zhì)量之間的博弈。首先加工時應該盡量減少刀具工作在過渡區(qū)的時間，需要設置ー個較大的加速度值，使其盡快加速至高速加工區(qū)或減速至低速加工區(qū)，以減少刀具磨損。同時過渡區(qū)的特點是切削カ大，切削速度較快，刀具運行不太平穩(wěn)，過大的加速度所帯來的切削力劇烈變化容易導致機床振動和刀具的抖動，影響加工質(zhì)量。因此速度規(guī)劃算法在過渡區(qū)需要平衡刀具磨損和加工質(zhì)量之間的博弈，找到加速度的均衡解。高速加工區(qū)由于加工速度過快，對加工過程中的加速度變化極其敏感，稍大的受力變化都容易引起機床和刀具的振動，影響到加工表面的質(zhì)量。因此在高速加工區(qū)需要更小的加速度和加加速度值并盡量保持以穩(wěn)定的速度加工。但是現(xiàn)有的研究是對整個加工過程采用同樣的參數(shù)設置和速度規(guī)劃策略，并沒有對不同速度加工區(qū)實現(xiàn)分別控制。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術中存在的上述不足之處，本發(fā)明要解決的技術問題是提供ー種面向高速加工的表面質(zhì)量優(yōu)先的樣條曲線實時插補方法，通過求速度限制曲線，劃分速度加
4エ區(qū)、反向鏈接和平滑過渡等步驟求出一條滿足不同加工區(qū)的不同加工特性的加工速度曲線，實現(xiàn)不同加工區(qū)速度規(guī)劃算法的自適應調(diào)整。為解決上述技術問題，本發(fā)明采用的技術方案是本發(fā)明面向高速加工的表面質(zhì)量優(yōu)先的樣條曲線實時插補方法包括以下步驟在數(shù)控系統(tǒng)的解釋器中對加工路徑進行預處理，得到加工速度曲線；將得到的加工速度曲線輸入到數(shù)控系統(tǒng)的運動控制器，進行實時插補；將實時插補得到的坐標信息發(fā)給伺服裝置，驅(qū)動電機運行。所述預處理包括以下步驟求速度限制曲線是對整條加工路徑進行一次快速插補，得到一條在加速時滿足各個速度加工區(qū)要求的合加速度和單軸加加速度約束的加工速度曲線以及速度和加速度的不連續(xù)點；根據(jù)高速加工信息以及上述加工速度曲線劃分速度加工區(qū)，并修改上述速度加工曲線，記錄下速度加工曲線上新產(chǎn)生的速度不連續(xù)點；根據(jù)上述速度不連續(xù)點進行速度曲線反向鏈接，去除加工速度曲線上的速度不連續(xù)點，并記錄下速度加工曲線上新產(chǎn)生的加速度不連續(xù)點；根據(jù)上述加速度不連續(xù)點進行加工速度曲線平滑過渡，去除加工速度曲線上加速度不連續(xù)點。所述求速度限制曲線包括以下步驟求速度限制曲線首先判斷當前所在的速度加工區(qū)，然后根據(jù)加工誤差以及所在加 エ區(qū)的合加速度和單軸加加速度限制求約束速度，將約束速度曲線送至劃分加工區(qū)步驟；判斷當前周期的加速度值是否滿足約束條件，若不滿足約束條件，則將該插補點寫入速度不連續(xù)點數(shù)組，并將速度不連續(xù)數(shù)組送至劃分加工區(qū)；若滿足約束條件，則接續(xù)判斷是否滿足加加速度約束，若不滿足加加速度約束條件，則將該點寫入加速度不連續(xù)點數(shù)組，并送至速度曲線反向鏈接步驟。若滿足加加速度約束條件，則進入劃分速度加工區(qū)。所述速度曲線平滑過渡包括以下步驟根據(jù)速度加工曲線上加速度不連續(xù)點的加速度突變程度估算平滑所需的插補周期數(shù)N;從不連續(xù)點向加速度絕對值較大的ー側(cè)偏移ー個周期為起點，再從該起點反向偏移N個插補周期為終點，起點到終點的區(qū)間作為估計平滑區(qū)間；判斷該區(qū)間的實際速度差是否大于平滑過渡所能產(chǎn)生的速度増量，若大于平滑過渡所能產(chǎn)生的速度増量，則繼續(xù)向加速度絕對值較大的ー側(cè)偏移ー個周期，重新計算N和判斷該區(qū)間的實際速度差是否大于平滑過渡所能產(chǎn)生的速度増量，直到滿足為止，進入速度平滑處理階段；平滑處理階段為在每個插補周期首先判斷從當前位置到平滑區(qū)間終點的剩余插補周期數(shù)，并重新計算需要的平均加加速度，并根據(jù)得到的平均加加速度求出約束速度值。若上述判斷為小于平滑過渡所能產(chǎn)生的速度増量，則進入平滑處理階段。本發(fā)明具有以下有益效果及優(yōu)點1.本發(fā)明提出了表面質(zhì)量優(yōu)先的樣條曲線插補算法，它通過對單軸加加速度的限制和速度曲線的平滑過渡，實現(xiàn)了單軸加速度的連續(xù)過渡，從而得到光滑的加工速度曲線。2.分析了高速加工過程中影響加工表面質(zhì)量的兩個受カ變化，針對不同速度加工區(qū)的加工特性，為其分別設置了合加速度和單軸加加速度等參數(shù)，實現(xiàn)了不同加工區(qū)間速度規(guī)劃算法的自動調(diào)節(jié)。3.本發(fā)明通過建模求出了過渡區(qū)的最優(yōu)合加速度優(yōu)化公式，并盡可能地減少了刀具工作在過渡區(qū)的時間。4.本發(fā)明是針對高速加工和精加工這種特殊的加工方式所設計的，與傳統(tǒng)的普適速度規(guī)劃算法相比，能更好得滿足這種特殊加工的需求。


圖1為本發(fā)明方法中應用到的Mlomon曲線圖；圖2為本發(fā)明方法流程圖；圖3為本發(fā)明方法中切削溫度影響示意圖；圖4為本發(fā)明方法中過渡區(qū)加速度圖；圖5為本發(fā)明方法中加速度不連續(xù)出現(xiàn)的四種可能情況。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進ー步詳細說明。如圖1所示，根據(jù)Mlomon曲線可以將整個加工過程根據(jù)速度值劃分為低速加工區(qū)、過渡區(qū)、高速加工區(qū)和禁止區(qū)。低速加工區(qū)的加工特性與傳統(tǒng)加工區(qū)基本相同，由于加 エ速度偏低，影響加工表面質(zhì)量的主要是主軸電機輸出力的變化。因此在該區(qū)間只要保證加速度的連續(xù)過渡即可，可以充分利用機床所能提供的最大合加速度。本發(fā)明面向高速加工的表面質(zhì)量優(yōu)先的樣條曲線實時插補方法包括以下步驟在數(shù)控系統(tǒng)的解釋器中對加工路徑進行預處理，得到加工速度曲線；將得到的加工速度曲線輸入到數(shù)控系統(tǒng)的運動控制器，進行實時插補；將實時插補得到的坐標信息發(fā)給伺服裝置，驅(qū)動電機運行。如圖2所示，本實施方案分為預處理的實時插補兩部分，其中預處理是在解釋器中實現(xiàn)的，它又可以分為求速度加工曲線，劃分加工區(qū)、速度曲線反向鏈接和速度曲線平滑過渡幾部分。最終預處理得到的是滿足速度平滑過渡的加工速度曲線，這些加工速度曲線的數(shù)據(jù)以離散的方式發(fā)送到運動控制器。實時插補在運動控制器中實現(xiàn)，它根據(jù)預處理得到的加工速度曲線進行實時插補，最終將結(jié)果發(fā)給伺服裝置，驅(qū)動電機運行。所述預處理包括以下步驟求速度限制曲線是對整條加工路徑進行一次快速插補，得到一條在加速時滿足各個速度加工區(qū)要求的合加速度和單軸加加速度約束的加工速度曲線以及速度和加速度的不連續(xù)點；根據(jù)高速加工信息以及上述加工速度曲線劃分速度加工區(qū)，并修改上述速度加工曲線，記錄下速度加工曲線上新產(chǎn)生的速度不連續(xù)點；根據(jù)上述速度不連續(xù)點進行速度曲線反向鏈接，去除加工速度曲線上的速度不連續(xù)點，并記錄下速度加工曲線上新產(chǎn)生的加速度不連續(xù)點；
根據(jù)上述加速度不連續(xù)點進行加工速度曲線平滑過渡，去除加工速度曲線上加速度不連續(xù)點。所述求速度限制曲線包括以下步驟求速度限制曲線首先判斷當前所在的速度加工區(qū)，然后根據(jù)加工誤差以及所在加 エ區(qū)的合加速度和單軸加加速度限制求約束速度，將約束速度曲線送至劃分加工區(qū)步驟；判斷當前周期的加速度值是否滿足約束條件，若不滿足約束條件，則將該插補點寫入速度不連續(xù)點數(shù)組，并將速度不連續(xù)數(shù)組送至劃分加工區(qū)；若滿足約束條件，則接續(xù)判斷是否滿足加加速度約束，若不滿足加加速度約束條件，則將該點寫入加速度不連續(xù)點數(shù)組，并送至速度曲線反向鏈接步驟。若滿足加加速度約束條件，則進入劃分速度加工區(qū)。在插補開始之前，是無法判斷速度加工區(qū)的，因此需要先對整條加工路徑進行一次快速插補，即上面提到的求速度加工曲線。當速度處于不同的加工區(qū)吋，求速度曲線時的約束條件是不一樣的。所以在每個插補周期首先判斷上ー個周期的速度所在的加工區(qū)，若處于低速區(qū)，則根據(jù)低速區(qū)的單軸最大加速度和加加速度值求出其最大約束速度，然后將該速度與加工誤差約束的速度相比較，若小于加工誤差約束的速度，則按該速度向前插補； 否則按照誤差約束的速度向前插補。若上一周期速度處于過渡區(qū)，則在單軸最大加速度和加加速度約束的基礎上加上合加速度約束，然后再與加工誤差約束的速度相比較，其余步驟與低速區(qū)相同。若上一周期速度處于高速加工區(qū)，則需要用滿足高速區(qū)要求的合加速度和單軸加加速度值取代過渡區(qū)中的參數(shù)設置，其余步驟與之相同。在規(guī)劃完速度后，判斷當前周期的加速度值是否滿足約束，若否，將該插補點寫入速度不連續(xù)點數(shù)組；若是，則接續(xù)判斷是否滿足加加速度約束。過渡區(qū)的最優(yōu)合加速度值是根據(jù)影響加工質(zhì)量的兩個因素(切削力的變化率和切削溫度)建模優(yōu)化得到的。切削力的變化會影響機床的穩(wěn)定運行，而切削溫度過高會造成加工表面灼傷。在切削過程中切削力與合速度值是成正比的，因此可以將切削力的變化率抽象為合加速度值的大小，而切削力的變化率對加工的負面影響也就可以建模為以合加速度值和切削時間為變量的表達式，同樣切削溫度對加工的負面影響也可以建模為以切削溫度和切削時間為變量的表達式。如下圖3中的(a)所示，在過渡區(qū)切削溫度首先隨著切削速度的增大而増大，之后又隨著切削速度的増大而減小，兩者的關系不滿足單調(diào)性。從另ー個角度來考慮，速度過渡區(qū)的起始速度和終點速度是固定的，如圖3中的(b)所示，加速度值不同只是相當于對速度曲線做拉伸和壓縮操作，改變速度過渡的時間。因此不同的合加速度值只是改變了溫度對加工質(zhì)量產(chǎn)生負面影響的時間，為了簡化分析，本發(fā)明將整個過渡區(qū)溫度的影響抽象成關于時間的函數(shù)。假設ρ表示各種加工因素對加工質(zhì)量總的負面影響度，那么ρ可以表示為’嚴仇1臓Γ+は—以h公式丄 a h其中a為切削力變化率的影響度，b為切削溫度的影響度，0 ^ α ^ l,afflax為最大合加速度值，T為過渡區(qū)總的加工時間。過渡區(qū)是ー個單加速或單減速的過程，為了簡化分析，將減速過程也看成是反向
7的加速過程，這樣整個過渡區(qū)的合加速度可以近似表示為如圖4所示的三個階段，上式也可以改寫為
‘*!·
公式2其中^istart為過渡區(qū)起始點的加速度值，Jfflax為最大合加加速度值，Vstart和Vend分別為過渡區(qū)起始和終點速度，C1, C2, C3和C4是常數(shù)，那么合加速度的最優(yōu)解也就是使φ最小的、ax取值。所述速度曲線平滑過渡包括以下步驟根據(jù)速度加工曲線上加速度不連續(xù)點的加速度突變程度估算平滑所需的插補周期數(shù)N;從不連續(xù)點向加速度絕對值較大的ー側(cè)偏移ー個周期為起點，再從該起點反向偏移N個插補周期為終點，起點到終點的區(qū)間作為估計平滑區(qū)間；判斷該區(qū)間的實際速度差是否大于平滑過渡所能產(chǎn)生的速度増量，若大于平滑過渡所能產(chǎn)生的速度増量，則繼續(xù)向加速度絕對值較大的ー側(cè)偏移ー個周期，重新計算N和判斷該區(qū)間的實際速度差是否大于平滑過渡所能產(chǎn)生的速度増量，直到滿足為止，進入速度平滑處理階段；平滑處理階段為在每個插補周期首先判斷從當前位置到平滑區(qū)間終點的剰余插補周期數(shù)，并重新計算需要的平均加加速度，并根據(jù)得到的平均加加速度求出約束速度值；若上述判斷為小于平滑過渡所能產(chǎn)生的速度増量，則進入平滑處理階段。所述的速度曲線的平滑過渡分為尋找平滑區(qū)間和實現(xiàn)加速度連續(xù)過渡的速度銜接兩部分。它是在u-v平面上進行的，將確定平滑段起點和終點的過程叫做尋找平滑區(qū)間， 具體實現(xiàn)步驟如下1、首先根據(jù)不連續(xù)點加速度的突變程度估算平滑所需的插補周期數(shù)N。設插補周期為Ts, Aai = Bi-Bi^1其中Bi為第i個插補周期的合加速度，合加加速度Jfflax = max(Jxmax, Jymax，Jz_)，則N= Aai/Jmax。樣條曲線加工路徑的方向是不斷變化的，而機床能提供的實際最大合加速度是隨著加工方向的變化而變化，因此是難以提前預估的。在曲線平滑算法中并沒有考慮保證每個插補周期至少ー個運動軸的性能達到最大，而是取了理論上最大合加速度的最小值以保證平滑的過渡。相對來說，平滑段在整個速度曲線中是很短的，這種近似做法對加工效率的影響甚微。2、然后從不連續(xù)點向加速度絕對值較大的ー側(cè)偏移ー個周期為起點，再從該點反向偏移N個插補周期為終點，作為估計平滑區(qū)間。圖4所示的四種情況可能產(chǎn)生這里需要處理的加速度不連續(xù)點1)從加速段進勻速段ク)從快加速段進慢加速段；幻從加速段進減速段；4)從勻速段進減速段。根據(jù)偏移方式的不同將這些不連續(xù)點分兩類，其中前兩種是先向左偏移ー個周期，再向右偏移N個周期，最后ー種與之相反，第3種根據(jù)情況兩種偏移方式都有可能。對于第一類偏移方式，假設估計平滑區(qū)間起點為um，終點為um+N，從起點開始加速度連續(xù)過渡該段平滑區(qū)間所能產(chǎn)生的最大速度差Ms^AVs = amNT-N (N+l) JmaxT2/2公式 3該平滑區(qū)間的實際速度差AVt = Vm+N_Vm，若AVs彡Δ V，則該區(qū)間已經(jīng)足夠長，就是需要的平滑區(qū)間。否則，繼續(xù)向后偏移至IV1,重新計算N，尋找平滑區(qū)間，直到滿足不等式M s《AV為止。對于第二類偏移方式，假設估計平滑區(qū)間起點為um，終點為um_N，則Δ Vs = amNT+N (N+l) JmaxT2/2公式 4當該區(qū)間的實際速度差AVt = Vm_N_Vm，若AVs彡Δ V，該區(qū)間就是所求的平滑區(qū)間，否則繼續(xù)偏移至um+1，重新計算N，尋找平滑區(qū)間，直到滿足條件為止。平滑區(qū)間確定以后，下一步是對該區(qū)間的速度平滑處理，使其加速度連續(xù)。對于上面提到的第一類偏移方式產(chǎn)生的平滑區(qū)間，采用正向平滑處理技木，即從平滑區(qū)間起點Um 開始，在區(qū)間(Um，um+N)內(nèi)實現(xiàn)速度Avn^lj Vrt的平滑過渡。設每個插補周期平均加加速度為Ja，那么Ja需滿足下面的關系式Vm+N-Vm = amNT-N (N+l) JaT2/2公式 權(quán)利要求
1.ー種面向高速加工的表面質(zhì)量優(yōu)先的樣條曲線實時插補方法，其特征在于包括以下步驟在數(shù)控系統(tǒng)的解釋器中對加工路徑進行預處理，得到加工速度曲線；將得到的加工速度曲線輸入到數(shù)控系統(tǒng)的運動控制器，進行實時插補；將實時插補得到的坐標信息發(fā)給伺服裝置，驅(qū)動電機運行。
2.按權(quán)利要求1所述的面向高速加工的表面質(zhì)量優(yōu)先的樣條曲線實時插補方法，其特征在于所述預處理包括以下步驟求速度限制曲線是對整條加工路徑進行一次快速插補，得到一條在加速時滿足各個速度加工區(qū)要求的合加速度和單軸加加速度約束的加工速度曲線以及速度和加速度的不連續(xù)點。根據(jù)高速加工信息以及上述加工速度曲線劃分速度加工區(qū)，并修改上述速度加工曲線，記錄下速度加工曲線上新產(chǎn)生的速度不連續(xù)點；根據(jù)上述速度不連續(xù)點進行速度曲線反向鏈接，去除加工速度曲線上的速度不連續(xù)點，并記錄下速度加工曲線上新產(chǎn)生的加速度不連續(xù)點；根據(jù)上述加速度不連續(xù)點進行加工速度曲線平滑過渡，去除加工速度曲線上加速度不連續(xù)點。
3.按權(quán)利要求2所述的面向高速加工的表面質(zhì)量優(yōu)先的樣條曲線實時插補方法，其特征在于所述求速度限制曲線包括以下步驟求速度限制曲線首先判斷當前所在的速度加工區(qū)，然后根據(jù)加工誤差以及所在加工區(qū)的合加速度和單軸加加速度限制求約束速度，將約束速度曲線送至劃分加工區(qū)步驟；判斷當前周期的加速度值是否滿足約束條件，若不滿足約束條件，則將該插補點寫入速度不連續(xù)點數(shù)組，并將速度不連續(xù)數(shù)組送至劃分加工區(qū)；
4.按權(quán)利要求3所述的面向高速加工的表面質(zhì)量優(yōu)先的樣條曲線實時插補方法，其特征在于若滿足約束條件，則接續(xù)判斷是否滿足加加速度約束，若不滿足加加速度約束條件，則將該點寫入加速度不連續(xù)點數(shù)組，并送至速度曲線反向鏈接步驟。
5.按權(quán)利要求4所述的面向高速加工的表面質(zhì)量優(yōu)先的樣條曲線實時插補方法，其特征在于若滿足加加速度約束條件，則進入劃分速度加工區(qū)。
6.按權(quán)利要求1所述的面向高速加工的表面質(zhì)量優(yōu)先的樣條曲線實時插補方法，其特征在于所述速度曲線平滑過渡包括以下步驟根據(jù)速度加工曲線上加速度不連續(xù)點的加速度突變程度估算平滑所需的插補周期數(shù)N；從不連續(xù)點向加速度絕對值較大的ー側(cè)偏移ー個周期為起點，再從該起點反向偏移N 個插補周期為終點，起點到終點的區(qū)間作為估計平滑區(qū)間；判斷該區(qū)間的實際速度差是否大于平滑過渡所能產(chǎn)生的速度増量，若大于平滑過渡所能產(chǎn)生的速度増量，則繼續(xù)向加速度絕對值較大的ー側(cè)偏移ー個周期，重新計算N和判斷CN 102540978 A該區(qū)間的實際速度差是否大于平滑過渡所能產(chǎn)生的速度増量，直到滿足為止，進入速度平滑處理階段；平滑處理階段為在每個插補周期首先判斷從當前位置到平滑區(qū)間終點的剰余插補周期數(shù)，并重新計算需要的平均加加速度，并根據(jù)得到的平均加加速度求出約束速度值。
7.按權(quán)利要求6所述的面向高速加工的表面質(zhì)量優(yōu)先的樣條曲線實時插補方法，其特征在于若上述判斷為小于平滑過渡所能產(chǎn)生的速度増量，則進入平滑處理階段。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種面向高速加工的表面質(zhì)量優(yōu)先的樣條曲線實時插補方法，包括以下步驟在數(shù)控系統(tǒng)的解釋器中對加工路徑進行預處理，得到加工速度曲線；將得到的加工速度曲線輸入到數(shù)控系統(tǒng)的運動控制器，進行實時插補；將實時插補得到的坐標信息發(fā)給伺服裝置，驅(qū)動電機運行。本發(fā)明提出了表面質(zhì)量優(yōu)先的樣條曲線插補算法，通過對單軸加加速度的限制和速度曲線的平滑過渡，實現(xiàn)了單軸加速度的連續(xù)過渡，從而得到光滑的加工速度曲線，實現(xiàn)了不同加工區(qū)間速度規(guī)劃算法的自動調(diào)節(jié)。
文檔編號G05B19/41GK102540978SQ201010581739
公開日2012年7月4日 申請日期2010年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月9日
發(fā)明者于東, 卜霄菲, 孫玉娥, 林滸, 韓旭 申請人:中國科學院沈陽計算技術研究所有限公司, 沈陽高精數(shù)控技術有限公司