多軸輪廓運動系統(tǒng)的軌跡生成與性能優(yōu)化.pdf

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

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、實時插補、軌跡優(yōu)化與協(xié)調(diào)控制等方面進行了系統(tǒng)深入的研究，主要研究內(nèi)容可歸納如下： (1)針對光滑曲線的逼近問題，采用直線/圓弧逼近方法進行了設計與對比的研究。以一個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，分別從逼近點數(shù)的多少及軌跡的連續(xù)性兩方面來進行具體設計，并根據(jù)仿真實驗結(jié)果來分析不同參數(shù)對逼近誤差的影響，以及不同逼近方法對運動控制精度的影響。 (2)針對空間曲面加工中存在的進給速度波動問題，提出了基于時間分割法與數(shù)字積分法混合實現(xiàn)的空間直線插補方法及其連續(xù)進給運動的實現(xiàn)方法。該插補方法是采用時間分割法中的時間分割原理，對數(shù)字積分法中的累加溢出過程按照進給速度的要求采用可控的插補周期

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

5、實際加工實驗在三軸數(shù)控雕銑機上進行。 (3)針對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行，首先進行橫向光順，通過建立主導輪廓線并對不規(guī)則的點進行修正，以降低相鄰刀路傾斜度的變化程度，然后進行縱向平滑，對同一條刀路上的刀位點進行光滑連續(xù)直線段的識別，再采用分段三次樣條進行擬合，以提高同一刀路上的曲

6、線光滑程度。最后，通過仿真實驗與實際加工實驗對該方法的有效性與優(yōu)越性進行了研究，其中實際加工實驗在三軸數(shù)控雕銑機上進行。 (4)針對在多軸輪廓運動中輪廓誤差難以直接計算與控制的問題，提出了一種基于工作坐標系的最優(yōu)輪廓控制方法。該方法通過在期望軌跡上建立活動的Frenet坐標系作為工作坐標系，用跟蹤誤差在工作坐標系中的法向分量來近似輪廓誤差，將系統(tǒng)動力學方程由全局坐標系變換到工作坐標系，采用最優(yōu)線性二次型方法來設計最優(yōu)輪廓控制器，通過提高