自適應(yīng)NURBS曲線插補(bǔ)關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)現(xiàn)研究.pdf

1、NURBS曲線插補(bǔ)作為一種高精高效的數(shù)控加工方式,已成為高檔數(shù)控系統(tǒng)的重要功能和標(biāo)志之一,也是當(dāng)前插補(bǔ)技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。本學(xué)位論文結(jié)合浙江省重大科技專項(xiàng)“中高檔數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)”(N0.2006C11067)項(xiàng)目,在分析NURBS曲線插補(bǔ)技術(shù)相關(guān)研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,進(jìn)行了三軸數(shù)控加工NURBS曲線自適應(yīng)插補(bǔ)及其關(guān)鍵技術(shù)研究。本論文在積極借鑒相關(guān)理論和研究成果的基礎(chǔ)上,面向NURBS插補(bǔ)加工的高效、高精和自適應(yīng)性進(jìn)行了理論和方法創(chuàng)新

2、,開展了微段刀路擬合、自適應(yīng)插補(bǔ)算法、魯棒性策略、插補(bǔ)數(shù)據(jù)誤差補(bǔ)償?shù)纫幌盗嘘P(guān)鍵技術(shù)研究,并基于DSP開展了NURBS插補(bǔ)算法的實(shí)現(xiàn)及加工實(shí)驗(yàn)研究。論文主要研究?jī)?nèi)容和成果概括如下:采用預(yù)估-比例校正算法避免求導(dǎo)運(yùn)算,簡(jiǎn)化了NURBS曲線插補(bǔ)點(diǎn)計(jì)算問(wèn)題。在分析NURBS曲線插補(bǔ)流程中的核心計(jì)算任務(wù)的基礎(chǔ)上,研究了指令速度下參數(shù)值計(jì)算方法和給定參數(shù)下曲線插補(bǔ)點(diǎn)計(jì)算方法,并以簡(jiǎn)化插補(bǔ)計(jì)算過(guò)程為目的,引入插補(bǔ)點(diǎn)位置預(yù)估校正算法,實(shí)現(xiàn)了兩步計(jì)算任務(wù)

3、的合并,避免了Taylor展開方法存在預(yù)估精度不穩(wěn)定、導(dǎo)數(shù)求解計(jì)算量大的問(wèn)題。給出了NURBS插補(bǔ)中預(yù)估校正算法的合理性分析,通過(guò)計(jì)算實(shí)例,對(duì)比例校正算法的計(jì)算優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。提出了節(jié)點(diǎn)組合優(yōu)化策略(OKCS),以實(shí)現(xiàn)微段刀路NURBS曲線的高精度擬合。針對(duì)數(shù)控加工中采用大量微小直線段引起的諸多問(wèn)題,采用NURBS曲線在一定精度下逼近CAM系統(tǒng)輸出的微小直線段刀路,以實(shí)現(xiàn)刀路軌跡的光滑,便于后續(xù)采用NURBS直接插補(bǔ)的方式進(jìn)行加工。

4、針對(duì)現(xiàn)有NURBS曲線最小二乘擬合中存在的參數(shù)節(jié)點(diǎn)劃分無(wú)法參與擬合的問(wèn)題,提出了采用節(jié)點(diǎn)組合優(yōu)化策略(OKCS)獲得節(jié)點(diǎn)劃分的近似最優(yōu)解。進(jìn)而,針對(duì)更高精度的應(yīng)用需求,給出了兩種可靠高效的參數(shù)調(diào)整方法,以獲得合適的曲線次數(shù)及控制點(diǎn)數(shù)。最后在該算法實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了仿真研究,并與同類方法進(jìn)行了對(duì)比分析,顯示了良好的精度優(yōu)勢(shì)。提出了基于進(jìn)給軸向運(yùn)動(dòng)學(xué)特性的NURBS曲線前瞻插補(bǔ)算法(ALANI),以保證伺服系統(tǒng)的跟蹤精度和插補(bǔ)加工過(guò)程的平穩(wěn)

5、性。針對(duì)傳統(tǒng)插補(bǔ)算法存在的自適應(yīng)能力差、過(guò)少考慮軸向運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)等問(wèn)題,提出了基于進(jìn)給軸向運(yùn)動(dòng)學(xué)特性的NURBS曲線前瞻插補(bǔ)算法(ALANI)。算法在保證工件輪廓精度的同時(shí),在每個(gè)插補(bǔ)周期內(nèi)保證各軸上的加速度、加加速度在對(duì)應(yīng)軸的允許范圍內(nèi),同時(shí)對(duì)曲線狀況進(jìn)行前瞻計(jì)算,根據(jù)需要修正前面的插補(bǔ)參數(shù)進(jìn)行重新插補(bǔ)。該算法將插補(bǔ)精度與加工過(guò)程運(yùn)動(dòng)學(xué)特性進(jìn)行了有機(jī)結(jié)合,并在算法實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了仿真研究,并與兩種經(jīng)典的NURBS曲線插補(bǔ)算法進(jìn)行了對(duì)比

6、。建立了NURBS曲線插補(bǔ)中危險(xiǎn)點(diǎn)渡過(guò)的魯棒性策略和回溯點(diǎn)確定的魯棒性校正方法。在運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了一種危險(xiǎn)點(diǎn)渡過(guò)的魯棒性策略,該策略保證對(duì)任意形式危險(xiǎn)點(diǎn)的適應(yīng)能力,并將7項(xiàng)指標(biāo)嚴(yán)格限制在規(guī)定范圍內(nèi),改善了算法對(duì)復(fù)雜線形的普適性;另一方面,對(duì)前瞻插補(bǔ)中形成的拖尾現(xiàn)象進(jìn)行了機(jī)理分析,并設(shè)計(jì)了一種修正回溯點(diǎn)確定算法的魯棒性校正策略,修正了速度曲線拖尾現(xiàn)象,減少了低速爬行,并將該模塊融入到ALANI算法中以優(yōu)化加工效率。針對(duì)NURBS

7、曲線插補(bǔ)技術(shù)中的誤差補(bǔ)償問(wèn)題,提出了粗插補(bǔ)級(jí)獨(dú)立式在線補(bǔ)償策略。分析補(bǔ)償靜態(tài)/準(zhǔn)靜態(tài)誤差的必要性與合理性,并從空間誤差的角度給出各軸上補(bǔ)償量的獲得方法,在此基礎(chǔ)上,從實(shí)時(shí)性和補(bǔ)償系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)角度分析不同補(bǔ)償方式的特點(diǎn),提出了粗插補(bǔ)級(jí)獨(dú)立式在線補(bǔ)償策略,以滿足靜態(tài)/準(zhǔn)靜態(tài)誤差補(bǔ)償?shù)男枰?。繼而根據(jù)NURBS曲線的空間復(fù)雜性,采用分段-合成方法建立各軸統(tǒng)一誤差補(bǔ)償表,并基于統(tǒng)一誤差表,設(shè)計(jì)了粗插補(bǔ)數(shù)據(jù)的補(bǔ)償計(jì)算方法,并以空間NURBS曲線為對(duì)

8、象,對(duì)其粗插補(bǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差補(bǔ)償?shù)姆抡鎸?shí)驗(yàn)研究?；赥MS320F2812數(shù)字信號(hào)處理器構(gòu)建了NURBS曲線插補(bǔ)控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。完成了DSP運(yùn)動(dòng)控制器的硬件設(shè)計(jì)和粗精插補(bǔ)的軟件設(shè)計(jì)。并以此為基礎(chǔ)開展了不同復(fù)雜度情況下的NURBS曲線插補(bǔ)加工試驗(yàn),以驗(yàn)證插補(bǔ)算法的魯棒性;同時(shí),對(duì)微小直線段插補(bǔ)加工和NURBS擬合插補(bǔ)加工兩種方式下的質(zhì)量進(jìn)行了定性對(duì)比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,ALANI算法穩(wěn)定可靠,能夠明顯提升加工過(guò)程的平穩(wěn)性;NURBS擬合插補(bǔ)加工相