一種考慮加工特性的nurbs直接插補(bǔ)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(bǔ)方法及裝置，采用考慮機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)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(bǔ)處理，得到進(jìn)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(duì)超差區(qū)域的速度進(jìn)行重新調(diào)整；利用調(diào)整好的速度序列對(duì)每個(gè)插補(bǔ)周期進(jìn)行實(shí)時(shí)插補(bǔ)，插補(bǔ)裝置利用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)技術(shù)，將插補(bǔ)點(diǎn)的位置信息經(jīng)過伺服控制器，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，完成實(shí)時(shí)在線插補(bǔ)。本發(fā)明能使插補(bǔ)同時(shí)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(shí)加工效率，進(jìn)一步增強(qiáng)對(duì)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(jī)床顫振或系統(tǒng)振動(dòng)。
【專利說明】一種考慮加工特性的NURBS直接插補(bǔ)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(bǔ)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(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)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(shí)，一般是先將刀具的加工路徑離散成大量直線段，然后再對(duì)零件進(jìn)行線性插補(bǔ)加工， 這種加工方式難以保證加工速度和加工精度，機(jī)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(qiáng)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(duì)高速 高精的加工要求也越來越高，NURBS直接插補(bǔ)技術(shù)逐漸在數(shù)控機(jī)床中占據(jù)著越來越重要的 地位。
[0003] 目前，國(guó)內(nèi)外只有少數(shù)高檔數(shù)控系統(tǒng)才具有NURBS直接插補(bǔ)功能，如FANUC、 SIEMENS，三菱等。因此，對(duì)CNC添加 NURBS曲線曲面插補(bǔ)功能，研究基于PC開放式數(shù)控 系統(tǒng)，利用PC強(qiáng)大的計(jì)算能力，實(shí)現(xiàn)NURBS曲線曲面高速高精度的實(shí)時(shí)插補(bǔ)，具有很大 的工程研究?jī)r(jià)值。當(dāng)前，NURBS曲線插補(bǔ)作為前沿技術(shù)，高精高效的NURBS插補(bǔ)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(bǔ)存在的主要問題集中在以下幾個(gè)方面： 現(xiàn)有插補(bǔ)算法對(duì)機(jī)床驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)特性考慮甚少，或是注重在對(duì)合成速度、加速度曲線的控制 上，進(jìn)給軸運(yùn)動(dòng)學(xué)分量的限制以及加加速度的限制尚未納入插補(bǔ)約束之中，加工過程中運(yùn) 動(dòng)的平穩(wěn)性無法得到很好的保證；另外缺乏對(duì)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(qiáng)。


【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(bǔ) 方法及裝置，建立一種能同時(shí)滿足最大弓高誤差、弓高誤差冗余、機(jī)床加/減速能力、單軸 加速度限制、曲率特性、加加速度限制、實(shí)時(shí)性等多約束的插補(bǔ)算法，并基于開放式數(shù) 控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)NURBS曲線直接插補(bǔ)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(jìn)一步增強(qiáng)了對(duì)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(jī)床顫振 或系統(tǒng)振動(dòng)。
[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(bǔ)方法及裝置，包括以下三個(gè)步驟：建立預(yù)插補(bǔ)處理模塊、離線速度規(guī)劃模塊、實(shí)時(shí)插補(bǔ) 裝置模塊。
[0006] 所述的預(yù)插補(bǔ)處理模塊包括以下幾個(gè)子步驟： 1)由給定的刀具路徑插補(bǔ)曲線數(shù)據(jù)，計(jì)算下一插補(bǔ)點(diǎn)間等弓高誤差插補(bǔ)參數(shù)增量Λ " Λ1，以及恒定進(jìn)給速度插補(bǔ)參數(shù)增量; 2) 由當(dāng)前插補(bǔ)點(diǎn)參數(shù)計(jì)算曲率冬，，曲率半徑，其中,.=2/? ; 3) 建立多約束進(jìn)給速度規(guī)劃方程，確定預(yù)插補(bǔ)進(jìn)給速度，當(dāng)Λ ? Λ1 3Λ ? i;2時(shí)，應(yīng)將 進(jìn)給速度限制為111；[11{{/,(^，匕(^，匕(1/乂{ /；(^{//(^匕(^}，當(dāng)八"/，1<八" /，2時(shí)，應(yīng) 將進(jìn)給速度大小限制為min卬，}; 其中為合定進(jìn)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(jì)算插補(bǔ)點(diǎn)參數(shù)序列，插補(bǔ)步長(zhǎng)； 5) 最后生成預(yù)插補(bǔ)進(jìn)給速度序列。
[0007] 所述的離線速度規(guī)劃模塊，包括以下幾個(gè)子步驟： 1) 尋找進(jìn)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(diǎn)和終點(diǎn)； 2) 根據(jù)超差區(qū)域起始點(diǎn)與終點(diǎn)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(shí)際減速開始點(diǎn)； 4) 從減速開始點(diǎn)對(duì)超差區(qū)域的速度按S型加/減速模式重新計(jì)算，生成調(diào)整后的插補(bǔ) 進(jìn)給速度序列。
[0008] 所述的實(shí)時(shí)插補(bǔ)裝置模塊，其特征在于： 利用調(diào)整好的進(jìn)給速度序列對(duì)每個(gè)插補(bǔ)周期逐一進(jìn)行實(shí)時(shí)插補(bǔ)，插補(bǔ)的位置信息送入 本發(fā)明中NURBS直接插補(bǔ)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)加工。所述的插補(bǔ)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(bǔ)軟件為基于VC++6. 0開發(fā)的運(yùn) 行在PC機(jī)Windows操作系統(tǒng)上面的應(yīng)用程序。該插補(bǔ)軟件主要由仿真數(shù)據(jù)輸出、加工運(yùn)行 控制、實(shí)時(shí)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(dòng)態(tài)鏈接庫(kù) 技術(shù)，將插補(bǔ)點(diǎn)的位置控制信號(hào)經(jīng)過伺服控制器，驅(qū)動(dòng)伺服控制電機(jī)，完成實(shí)時(shí)插補(bǔ)。
[0009] 本發(fā)明具有的有益效果及優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在： 建立的多約束進(jìn)給速度規(guī)劃方程，能同時(shí)滿足最大弓高誤差、弓高誤差冗余、機(jī)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(shí)時(shí)性等多目標(biāo)約束，特別確 定了軸向運(yùn)動(dòng)學(xué)分量、加加速度(/ari)限制、曲率特性與進(jìn)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(jìn)一步增強(qiáng)了對(duì)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(bǔ)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(jī)床顫振 或系統(tǒng)振動(dòng)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010] 圖1是本發(fā)明的插補(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)軟件界面圖。
[0014] 圖5是本發(fā)明的實(shí)例NURBS曲線圖。
[0015] 圖6是本發(fā)明的實(shí)例曲線曲率特性圖。
[0016] 圖7是本發(fā)明的實(shí)例曲線的弓高誤差對(duì)比圖。
[0017] 圖8是本發(fā)明的實(shí)例曲線的進(jìn)給速度對(duì)比圖。
[0018] 圖9是本發(fā)明的實(shí)例曲線的加速度對(duì)比圖。

【具體實(shí)施方式】
[0019] 結(jié)合圖1，下面從NURBS插補(bǔ)算法、建立多約束進(jìn)給速度規(guī)劃方程及預(yù)插補(bǔ)處理模 塊、離線速度規(guī)劃模塊、實(shí)時(shí)插補(bǔ)裝置模塊等五個(gè)方面對(duì)本發(fā)明在數(shù)控加工中NURBS曲線 插補(bǔ)的應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)介紹。
[0020] 1、NURBS 插補(bǔ)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(bǔ)方法及裝置，其特征在于：根據(jù)機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)和 動(dòng)力學(xué)特性，以及刀具路徑的工況，建立一種能同時(shí)滿足最大弓高誤差、弓高誤差冗余、機(jī) 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(shí)時(shí)性等多約束條件 的插補(bǔ)算法，并基于開放式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)NURBS直接插補(bǔ)功能；該方法及裝置包括以 下幾個(gè)模塊： 預(yù)插補(bǔ)處理模塊：根據(jù)考慮加工特性要求，建立能同時(shí)滿足多約束進(jìn)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(diǎn)、節(jié)點(diǎn)矢量、權(quán)因子等)，完成一次預(yù)插補(bǔ)處理，得到 插補(bǔ)點(diǎn)進(jìn)給速度序列； 離線速度規(guī)劃模塊：尋找并確定進(jìn)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(duì)超差區(qū)域的進(jìn)給速度進(jìn)行重新調(diào)整，消除減速過程中切向加速度超差的插補(bǔ) 點(diǎn)，得到能滿足每個(gè)約束條件的進(jìn)給速度序列； 實(shí)時(shí)插補(bǔ)裝置模塊：利用調(diào)整好的進(jìn)給速度序列對(duì)每個(gè)插補(bǔ)周期逐一進(jìn)行實(shí)時(shí)插補(bǔ)， 插補(bǔ)點(diǎn)的位置信息送入本發(fā)明中NURBS直接插補(bǔ)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)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(bǔ)方法及裝置，其特征在 于： 所述的預(yù)插補(bǔ)處理模塊包括以下步驟： 1) 由刀具路徑曲線的插補(bǔ)點(diǎn)信息數(shù)據(jù)，計(jì)算下一插補(bǔ)點(diǎn)間等弓高誤差插補(bǔ)參數(shù)增量 Λ 及恒定進(jìn)給速度的參數(shù)增量Λ ? u ; 2) 由當(dāng)前插補(bǔ)點(diǎn)參數(shù)計(jì)算插補(bǔ)點(diǎn)曲率，曲率半徑； 3) 建立多約束進(jìn)給速度規(guī)劃方程，確定預(yù)插補(bǔ)進(jìn)給速度，當(dāng)Λ ? Λ1 ? i;2時(shí)，應(yīng)將 進(jìn)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(shí)， 應(yīng)將進(jìn)給速度大小限制為min {巧7>乂 Κ/κΛ 其中F為給定進(jìn)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(jì)算插補(bǔ)點(diǎn)參數(shù)序列，插補(bǔ)步長(zhǎng)； 5) 生成預(yù)插補(bǔ)進(jìn)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(bǔ)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(jìn)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(diǎn)和終點(diǎn)； 2) 根據(jù)超差區(qū)域起點(diǎn)與終點(diǎn)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(shí)際減速開始點(diǎn)； 計(jì)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(duì)應(yīng)插補(bǔ)點(diǎn)之間的曲線距離小于上述最短距離時(shí)，實(shí)際的減速開始點(diǎn)需要前移并 重新計(jì)算最短的減速距離，直到新的減速開始點(diǎn)至減速結(jié)束點(diǎn)點(diǎn)的曲線距離Z大于 新的最短距離為止；對(duì)于匕#和所對(duì)應(yīng)插補(bǔ)點(diǎn)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(diǎn)開始對(duì)超差區(qū)域的速度按S型加/減速模式重新計(jì)算，重新調(diào)整計(jì)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(jìn)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(bǔ)方法及裝置，其特征在 于： 所述的實(shí)時(shí)插補(bǔ)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(duì)每個(gè)插補(bǔ)周期逐一進(jìn)行實(shí)時(shí)插補(bǔ)；所述的刀具路徑插補(bǔ) 軟件為基于VC++6. 0開發(fā)的運(yùn)行在PC機(jī)Windows操作系統(tǒng)上面的應(yīng)用程序，該插補(bǔ)軟件主 要由仿真數(shù)據(jù)輸出、加工運(yùn)行控制、實(shí)時(shí)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(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)技術(shù)，將得到的插補(bǔ)點(diǎn)的位置控制信號(hào)經(jīng)過伺服控制器，驅(qū)動(dòng) 伺服控制電機(jī)，完成實(shí)時(shí)插補(bǔ)。
【文檔編號(hào)】G05B19/4103GK104281099SQ201410582776
【公開日】2015年1月14日 申請(qǐng)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(zhǎng)江 申請(qǐng)人:湘潭大學(xué)