一种考虑加工特性的NURBS直接插补方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种考虑加工特性的NURBS直接插补方法及装置，采用考虑机床运动学和动力学特性，以及刀具路径工况，建立多约束条件方程，完成预插补处理，得到进给速度序列；离线速度规划模块寻找并确定切向加速度超差区域，并采用S型加/减速模式对超差区域的速度进行重新调整；利用调整好的速度序列对每个插补周期进行实时插补，插补装置利用动态链接库技术，将插补点的位置信息经过伺服控制器，驱动伺服电机，完成实时在线插补。本发明专利技术能使插补同时满足包括单轴加速度限制、Jerk限制、曲率特性等在内的多约束条件，改善小曲率情形时加工效率，进一步增强对加工质量和加工效率的协调控制能力，可有效的避免机床颤振或系统振动。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑加工特性的NURBS直接插补方法及装置
本专利技术属于数控加工
，具体涉及一种考虑加工特性的NURBS直接插补方法及装置。
技术介绍
数控技术是现代制造技术中非常关键的环节之一，高速、高精度的数控加工系统在国民经济发展和国防建设中占有很重要的地位。目前，传统的数控系统在加工复杂型面零件时，一般是先将刀具的加工路径离散成大量直线段，然后再对零件进行线性插补加工，这种加工方式难以保证加工速度和加工精度，机床容易产生冲击和颤振，直接影响零件的加工质量和效率。NURBS（非均匀有理B样条）曲线作为一种具有强大形状控制能力的参数曲线曲面描述方法，因而得到了广泛的应用。目前，随着加工制造业的不断发展，对高速高精的加工要求也越来越高，NURBS直接插补技术逐渐在数控机床中占据着越来越重要的地位。目前，国内外只有少数高档数控系统才具有NURBS直接插补功能，如FANUC、SIEMENS，三菱等。因此，对CNC添加NURBS曲线曲面插补功能，研究基于PC开放式数控系统，利用PC强大的计算能力，实现NURBS曲线曲面高速高精度的实时插补，具有很大的工程研究价值。当前，NURBS曲线插补作为前沿技术，高精高效的NURBS插补方法一直还没有统一的最佳解决方案。现阶段NURBS曲线插补存在的主要问题集中在以下几个方面：现有插补算法对机床驱动系统特性考虑甚少，或是注重在对合成速度、加速度曲线的控制上，进给轴运动学分量的限制以及加加速度的限制尚未纳入插补约束之中，加工过程中运动的平稳性无法得到很好的保证；另外缺乏对刀具路径几何特性的考虑，在获取高效率和高精度两者良好匹配方面还存在着一些不足，综合协调控制能力还有待加强。
技术实现思路
鉴于现有技术存在的不足之处，本专利技术提供一种考虑加工特性的NURBS直接插补方法及装置，建立一种能同时满足最大弓高误差、弓高误差冗余、机床加/减速能力、单轴加速度限制、曲率特性、加加速度Jerk限制、实时性等多约束的插补算法，并基于开放式数控系统结构实现NURBS曲线直接插补功能。本专利技术能满足多约束条件，改善小曲率情形的加工效率，进一步增强了对加工效率和加工质量的协调控制能力，可有效的避免机床颤振或系统振动。为解决上述问题，本专利技术所采用的技术方案是：一种考虑加工特性的NURBS直接插补方法及装置，包括以下三个步骤：建立预插补处理模块、离线速度规划模块、实时插补装置模块。所述的预插补处理模块包括以下几个子步骤：1）由给定的刀具路径插补曲线数据，计算下一插补点间等弓高误差插补参数增量△ui,1，以及恒定进给速度插补参数增量△ui,2；2）由当前插补点参数计算曲率ki，，曲率半径ρi，其中ρi=1/ki；3）建立多约束进给速度规划方程，确定预插补进给速度，当△ui,1≥△ui,2时，应将进给速度限制为min｛Vr(ui),Ve(ui),Vt(ui),Vn(ui)Vj(ui)Vc(ui)｝，当△ui,1＜△ui,2时，应将进给速度大小限制为min｛F,Ve(ui),Vt(ui),Vn(ui)Vj(ui)Vc(ui)｝；其中为F给定进给速度，Vr(ui)为满足曲率特性最大速度，Ve(ui)为满足弓高误差约束最大速度，Vt(ui)为满足切向加速度约束最大速度，Vn(ui)为满足法向加速度约束最大速度，Vj(ui)为满足加加速度（Jerk）限制约束最大速度，Vc(ui)为满足单轴加速度约束最大速度；4）计算插补点参数序列，插补步长；5）最后生成预插补进给速度序列。所述的离线速度规划模块，包括以下几个子步骤：1）寻找进给速度序列中切向加速度超差区域，并确定超差区域起始点和终点；2）根据超差区域起始点与终点的速度差确定速度分布类型；3）根据速度分布和减速距离判断实际减速开始点；4）从减速开始点对超差区域的速度按S型加/减速模式重新计算，生成调整后的插补进给速度序列。所述的实时插补装置模块，其特征在于：利用调整好的进给速度序列对每个插补周期逐一进行实时插补，插补的位置信息送入本专利技术中NURBS直接插补装置进行实验加工。所述的插补装置主要在开放式数控结构上完成软件系统的开发和硬件系统的组建。所述的刀具路径插补软件为基于VC++6.0开发的运行在PC机Windows操作系统上面的应用程序。该插补软件主要由仿真数据输出、加工运行控制、实时数据采集、加工代码管理、刀具路径模拟和显示五大模块组成，利用动态链接库技术，将插补点的位置控制信号经过伺服控制器，驱动伺服控制电机，完成实时插补。本专利技术具有的有益效果及优点表现在：建立的多约束进给速度规划方程，能同时满足最大弓高误差、弓高误差冗余、机床加/减速能力、单轴加速度限制、加加速度（Jerk）限制、曲率特性、实时性等多目标约束，特别确定了轴向运动学分量、加加速度（Jerk）限制、曲率特性与进给速度的关系以及匹配方法，改善了小曲率情形的加工效率，进一步增强了对加工质量和加工效率的协调控制能力。采用这种插补方法和装置可以有效的避免由于急剧速度变化或加加速度突变产生的机床颤振或系统振动。附图说明图1是本专利技术的插补方法流程图。图2是本专利技术的离线速度规划模块流程图。图3是本专利技术的NURBS直接插补装置软硬件系统框图。图4是本专利技术的刀具路径插补软件界面图。图5是本专利技术的实例NURBS曲线图。图6是本专利技术的实例曲线曲率特性图。图7是本专利技术的实例曲线的弓高误差对比图。图8是本专利技术的实例曲线的进给速度对比图。图9是本专利技术的实例曲线的加速度对比图。具体实施方式结合图1，下面从NURBS插补算法、建立多约束进给速度规划方程及预插补处理模块、离线速度规划模块、实时插补装置模块等五个方面对本专利技术在数控加工中NURBS曲线插补的应用进行详细介绍。1、NURBS插补算法一条k次NURBS曲线可定义为：（1）式中：di为控制顶点，ωi为每个控制顶点的权因子，u为曲线参数，U=[u0,u1…..,un+k+1]为节点矢量，Ni,k(u)是k次规范B样条基函数，它由节点矢量按德布尔－考克斯递推公式确定，该递推公式表述如下：（2）（3）用泰勒展开近似方法得到NURBS曲线在第(i+1)个周期的参变量值ui+1：（4）其中V(ui)为插补点进给速度，Ts为插补周期；将圆弧段的弓高误差近似为曲线段的弓高误差，则:（5）ρi为参数曲线u=ui处的曲率半径，ρi=1/ki，ki是空间参数曲线上任意一点的曲率。2、所述的建立多约束进给速度规划方程及预插补处理模块包括以下几个子步骤：1）由刀具路径曲线的插补点数据，计算下一插补点间等弓高误差插补参数增量△ui,1，以及恒定进给速度插补参数增量△ui,2；当对应插补产生的弓高误差等于允许误差极限值ER时，则该次插补步长为最长，理论上插补效率最高，这就是等弓高误差插补，等弓高误差插补参数增量△ui,1为:（6）当对应插补始终以恒定的进给速度插补时，这就是恒定进给速度插补，恒定进给速度的参数增量△ui,2:（7）2）由当前插补点参数计算曲率，曲率半径；根据微分几何知识可由下式计算曲率：（8）曲率半径ρi=1/ki；3）建立多约束进给速度规划方程，确定预插补进给速度；（9）当△ui,1＞△ui,2时，即等弓高误差插补确定的参数增量大于恒速插补确定的参数增量时，表明该处的曲率半本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种考虑加工特性的NURBS直接插补方法及装置，其特征在于：根据机床运动学和动力学特性，以及刀具路径的工况，建立一种能同时满足最大弓高误差、弓高误差冗余、机床加/减速能力、单轴加速度限制、曲率特性、加加速度（Jerk）限制、实时性等多约束条件的插补算法，并基于开放式数控系统结构实现NURBS直接插补功能；该方法及装置包括以下几个模块：预插补处理模块：根据考虑加工特性要求，建立能同时满足多约束进给速度的规划方程，读取刀具路径曲线的数据（控制顶点、节点矢量、权因子等），完成一次预插补处理，得到插补点进给速度序列；离线速度规划模块：寻找并确定进给速度序列中切向加速度超差区域，并采用 S 型加/减速模式对超差区域的进给速度进行重新调整，消除减速过程中切向加速度超差的插补点，得到能满足每个约束条件的进给速度序列；实时插补装置模块：利用调整好的进给速度序列对每个插补周期逐一进行实时插补，插补点的位置信息送入本专利技术中NURBS直接插补装置进行实验加工。

【技术特征摘要】
1.一种考虑加工特性的NURBS直接插补装置，其特征在于：根据机床运动学和动力学特性，以及刀具路径的工况，建立一种能同时满足最大弓高误差、弓高误差冗余、机床加/减速能力、单轴加速度限制、曲率特性、加加速度(Jerk)限制、实时性这七种约束条件的插补算法，并基于开放式数控系统结构实现NURBS直接插补功能；该装置包括以下几个模块：预插补处理模块：根据考虑加工特性要求，建立能同时满足多约束进给速度的规划方程，读取刀具路径曲线的控制顶点、节点矢量、权因子这三项数据，完成一次预插补处理，得到插补点进给速度序列,所述的预插补处理模块包括以下步骤：1)由刀具路径曲线的插补点信息数据，计算下一插补点间等弓高误差插补参数增量△ui,1及恒定进给速度的参数增量△ui,2；2)由当前插补点参数计算插补点曲率，曲率半径；3)建立多约束进给速度规划方程，确定预插补进给速度，当△ui,1≥△ui,2时，应将进给速度限制为min{Vr(ui),Ve(ui),Vt(ui),Vn(ui),Vj(ui),Vc(ui)}，当△ui,1＜△ui,2时，应将进给速度大小限制为min{F,Ve(ui),Vt(ui),Vn(ui),Vj(ui),Vc(ui)}；其中F为给定进给速度，Vr(ui)满足曲率特性最大速度，Ve(ui)为满足弓高误差约束最大速度，Vt(ui)为满足切向加速度约束最大速度，Vn(ui)为满足法向加速度约束最大速度，Vj(ui)为满足加加速度(Jerk)限制约束最大速度，Vc(ui)为满足单轴加速度约束最大速度，记Vj(ui)为满足Jerk限制的进给速度，则：记Vc(ui)为满足单轴加速度限制的进给速度，则：其中pi，x为插补点i的x轴坐标位置，Li为插补点i处插补步长，公式以x轴向为例，其他轴向方法相同；4)计算插补点参...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡自化，李业鹏，徐韬智，秦长江，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43