專利名稱：基于機(jī)床動(dòng)力學(xué)和曲線特性的nurbs插補(bǔ)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)，尤其是數(shù)控機(jī)床或關(guān)節(jié)型機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
非均勻有理B樣條(Non-Uniform Rational B_Spline，簡(jiǎn)稱NURBS曲線)的主要 特點(diǎn)是將描述自由型曲線曲面的B樣條方法與精確表示二次曲線與二次曲面的數(shù)學(xué)方法 相互統(tǒng)一。鑒于NURBS在形狀定義方面的強(qiáng)大功能與潛力。1991年國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織(ISO)正 式頒布的工業(yè)產(chǎn)品幾何定義STEP標(biāo)準(zhǔn)中即將NURBS規(guī)定為自由型曲線、曲面的唯一表示方 法。航空、造船、汽車、模具等行業(yè)大量自由型面采用NURBS曲線來描述，研究NURBS插補(bǔ) 技術(shù)對(duì)于提高國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的檔次、水平和競(jìng)爭(zhēng)能力，打破發(fā)達(dá)國(guó)家的技術(shù)封鎖有重大的
眉、o國(guó)際上已經(jīng)把NURBS參數(shù)曲線插補(bǔ)視為是現(xiàn)代高檔數(shù)控系統(tǒng)的標(biāo)志性功能之一， 目前國(guó)外FANUC30i、Sinumerik840D和三菱等少數(shù)高檔數(shù)控系統(tǒng)支持NURBS插補(bǔ)，NUM公司 的Axium Power數(shù)控系統(tǒng)支持多項(xiàng)式插補(bǔ)和NURBS插補(bǔ)，國(guó)內(nèi)還沒有成熟的支持NURBS插 補(bǔ)的數(shù)控系統(tǒng)。目前的高速加工中NURBS插補(bǔ)算法主要存在以下問題恒定進(jìn)給插補(bǔ)難以 同時(shí)滿足高速與高精度的要求，而變速進(jìn)給又可能導(dǎo)致較大的速度和加速度變化，影響加 工平穩(wěn)性和加工精度；對(duì)插補(bǔ)過程中突變比較大的加加速度影響考慮不足，而實(shí)際上在高 速加工中，較大的加加速度可能引起刀具震顫甚至斷刀；對(duì)機(jī)床加減速性能考慮不足，通常 只考慮到沿路徑切向和法向加速度的影響，沒有考慮到各個(gè)速度或加速度分解到機(jī)床各軸 上的影響；加減速控制方法計(jì)算過程較復(fù)雜，插補(bǔ)的實(shí)時(shí)性不高。陳金成等人陳金成，徐志明，鐘廷修，蔣厚宗.機(jī)床沿曲線高速加工時(shí)的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)特 性分析[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2002, 38(1) 31-34.Zhi Ming Xu, Jin Cheng Chen, Zheng Jin Feng. Performance evalution of a real-time interpolation algorithm for NURBS curves. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2002, 20:270-276.陳金成，徐志明，徐正飛，鐘廷修，蔣厚宗.基于分段三次樣條曲線的高速加工 平滑運(yùn)動(dòng)輪廓自適應(yīng)算法研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2002，38 (5): 61-65.)從恒定進(jìn)給速度 插補(bǔ)出發(fā)，以NURBS曲線為例，研究了機(jī)床加減速性能對(duì)進(jìn)給速度的約束條件，說明進(jìn)給速 度的取值與驅(qū)動(dòng)電機(jī)的實(shí)際能力以及加工曲線的性態(tài)有關(guān)，并得到曲線的最大安全進(jìn)給速 度約束方程。華中科技大學(xué)的學(xué)者基于凱恩方程對(duì)旋轉(zhuǎn)電機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)特性，劉可照.基于機(jī)床動(dòng)力學(xué)特性的NURBS曲線直接插補(bǔ)的研究[D].華中科技大學(xué)，
2004.劉可照，彭芳瑜，吳昊，胡建兵.基于機(jī)床動(dòng)力學(xué)特性的NURBS曲線直接插補(bǔ) [J].機(jī)床與液壓，2004，11:19-22.彭芳瑜，任瑩，羅忠誠(chéng)，李賓.NURBS曲線機(jī)床動(dòng)力學(xué)特性自適應(yīng)直接插補(bǔ)[J]，華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2005，33 (7) :80 83.采用二次遺傳算法NURBS曲線曲 率峰值進(jìn)行計(jì)算，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了時(shí)變進(jìn)給插補(bǔ)算法。但沒有對(duì)速度進(jìn)行平滑處理。廣西大學(xué)潘海鴻等人申請(qǐng)的發(fā)明專利(專利申請(qǐng)?zhí)枮?00910113894. 4)為實(shí)時(shí)前 瞻全程加減速控制的NURBS曲線自適應(yīng)分段插補(bǔ)方法。在該發(fā)明專利中，插補(bǔ)算法有如下 特點(diǎn)一是采用了矩陣形式表示NURBS曲線，提高了 NURBS曲線方程的計(jì)算效率；二是插補(bǔ) 算法分為前瞻預(yù)處理和實(shí)時(shí)插補(bǔ)兩部分，在前瞻預(yù)處理中通過速度自適應(yīng)法計(jì)算滿足插補(bǔ) 精度要求的進(jìn)給速度，并根據(jù)曲線曲率將曲線分段，然后利用D曲線加減速控制方法對(duì)各 段的速度進(jìn)行規(guī)劃。實(shí)時(shí)插補(bǔ)部分則根據(jù)前瞻信息，計(jì)算插補(bǔ)點(diǎn)。由于具有上述兩個(gè)特點(diǎn)， 因此該算法相比其他算法有限的提高了插補(bǔ)過程中的運(yùn)動(dòng)平滑性和插補(bǔ)實(shí)時(shí)性以及減速 點(diǎn)位置預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于現(xiàn)有技術(shù)的以上缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的是提供一種基于機(jī)床動(dòng)力學(xué)和曲線特性 的NURBS插補(bǔ)方法，使其既能從機(jī)床和被插補(bǔ)曲線兩方面綜合地考慮插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)中機(jī)床的實(shí) 際情況，又能進(jìn)一步平滑處理速度。本發(fā)明的目的是通過如下的手段實(shí)現(xiàn)的?；跈C(jī)床動(dòng)力學(xué)和曲線特性的NURBS插補(bǔ)方法，根據(jù)機(jī)床特性和曲線特性推導(dǎo) 出約束方程來控制插補(bǔ)算法的進(jìn)給速度和加速度，方法由三個(gè)環(huán)節(jié)組成預(yù)插補(bǔ)、前瞻 信息處理和實(shí)時(shí)插補(bǔ)；預(yù)插補(bǔ)環(huán)節(jié)采用速度自適應(yīng)調(diào)整算法；前瞻信息處理環(huán)節(jié)首先根據(jù) 插補(bǔ)點(diǎn)進(jìn)給速度劃分加減速區(qū)，然后分別對(duì)加減速區(qū)進(jìn)行判斷，按照對(duì)應(yīng)的速度模式進(jìn)行 函數(shù)速度平滑處理；其特征在于，所述約束方程采用考慮到機(jī)床加工綜合要素的約束方程 ZHYS ；并
(1)預(yù)插補(bǔ)環(huán)節(jié)采用速度自適應(yīng)調(diào)整算法，保存插補(bǔ)點(diǎn)信息并將插補(bǔ)點(diǎn)信息代入基于 機(jī)床動(dòng)力學(xué)和曲線特性的約束方程ZHYS計(jì)算得到插補(bǔ)點(diǎn)最大切向加速度序列；
(2)前瞻信息處理環(huán)節(jié)首先根據(jù)插補(bǔ)點(diǎn)進(jìn)給速度劃分加減速區(qū)，然后分別對(duì)加減速區(qū) 進(jìn)行判斷，按照對(duì)應(yīng)的速度模式進(jìn)行三角函數(shù)速度平滑處理，保存三角函數(shù)速度平滑處理 后的相應(yīng)數(shù)據(jù)；
(3)實(shí)時(shí)插補(bǔ)環(huán)節(jié)對(duì)前瞻信息進(jìn)行實(shí)時(shí)的速度自適應(yīng)插補(bǔ)計(jì)算，若進(jìn)入加減速區(qū)，則根 據(jù)前瞻信息，采用三角函數(shù)速度平滑處理；若沒有進(jìn)入加減速區(qū)，則采用速度自適應(yīng)法進(jìn)行 計(jì)算，從而最終獲得插補(bǔ)點(diǎn)的坐標(biāo)和進(jìn)給速度。采用本發(fā)明的方法，使插補(bǔ)始終處于機(jī)床的安全范圍內(nèi)，三角函數(shù)速度平滑處理 使整個(gè)插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)過程平滑穩(wěn)定，并保證切向加速度和切向加加速度在速度變化區(qū)內(nèi)連續(xù)， 對(duì)高速高精數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展有重要的意義。


圖1是本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)流程圖
圖2是加速區(qū)和減速區(qū)的確定處理模塊的流程圖 圖3是速度規(guī)劃模式 圖4是假想的加減速區(qū)的速度位移交線圖5是三角函數(shù)速度平滑處理模塊的流程圖 圖6是實(shí)例中被插補(bǔ)的三次NURBS曲線 圖7是實(shí)例中被插補(bǔ)的三次NURBS曲線的曲線曲率圖 圖8是實(shí)例中兩種插補(bǔ)方法的速度曲線對(duì)比圖 圖9是實(shí)例中兩種插補(bǔ)方法的加速度曲線對(duì)比圖 圖10是實(shí)例中兩種插補(bǔ)方法的誤差對(duì)比圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。本發(fā)明方法充分考慮了機(jī)床動(dòng)力學(xué)和曲線特性對(duì)插補(bǔ)方法的約束，使插補(bǔ)始終處 于機(jī)床的安全范圍內(nèi)，同時(shí)三角函數(shù)速度平滑處理使整個(gè)插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)過程平滑穩(wěn)定，并保證 在速度變化區(qū)內(nèi)，切向加速度和切向加加速度的連續(xù)性，是一種實(shí)用性和適應(yīng)性都非常強(qiáng) 的數(shù)控插補(bǔ)控制方法，該方法對(duì)高速高精數(shù)控系統(tǒng)有重要的應(yīng)用價(jià)值。為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本發(fā)明的技術(shù)方案如下
基于機(jī)床動(dòng)力學(xué)和曲線特性的，采用三角函數(shù)速度平滑處理的NURBS插補(bǔ)方法，如附 圖1所示，包括以下步驟 建立約束方程ZHYS環(huán)節(jié)
(1)通過對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)特性，銑削力建模，摩擦力和機(jī)床運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等進(jìn)行建模；
(2)同時(shí)對(duì)NURBS曲線性態(tài)參數(shù)的獲取進(jìn)行了推導(dǎo)，建立基于機(jī)床動(dòng)力學(xué)曲線特性的 約束方程。預(yù)插補(bǔ)環(huán)節(jié)
(1)由當(dāng)前插補(bǔ)點(diǎn)參數(shù)，計(jì)算當(dāng)前點(diǎn)的曲率半徑；
(2)由誤差與曲率半徑間的關(guān)系，預(yù)估下一插補(bǔ)周期內(nèi)進(jìn)給速度；
(3)取進(jìn)給速度與指令進(jìn)給速度中的小者作為進(jìn)給速度預(yù)估值；
(4)計(jì)算插補(bǔ)步長(zhǎng)；
(5)求得插補(bǔ)點(diǎn)的單位切矢，單位副法矢，單位主法矢等參數(shù)；
(6)計(jì)算插補(bǔ)點(diǎn)切向最大加速度，可以組成插補(bǔ)點(diǎn)參數(shù)序列，保存插補(bǔ)步長(zhǎng)序列，節(jié)點(diǎn) 矢量序列，進(jìn)給速度序列和最大切向加速度序列作為前瞻信息。前瞻信息處理環(huán)節(jié)
(1)對(duì)插補(bǔ)點(diǎn)進(jìn)給速度序列中的速度進(jìn)行判斷，將進(jìn)給速度序列劃分為速度穩(wěn)定區(qū)和 速度變化區(qū)(即加減速區(qū))；
(2)將三角函數(shù)速度平滑處理分成三種速度規(guī)劃模式來進(jìn)行處理，將速度變化區(qū)分別 歸類，按照對(duì)應(yīng)的規(guī)劃模式進(jìn)行處理。(3)各加減速區(qū)按照起點(diǎn)節(jié)點(diǎn)矢量和終點(diǎn)節(jié)點(diǎn)矢量的大小依次排隊(duì)。實(shí)時(shí)插補(bǔ)環(huán)節(jié)
采用速度自適應(yīng)調(diào)整算法計(jì)算插補(bǔ)點(diǎn)，如果插補(bǔ)進(jìn)入加減速區(qū)，則根據(jù)前瞻信息，采用 相應(yīng)的三角函數(shù)速度平滑處理。如果插補(bǔ)沒有進(jìn)入加減速區(qū)，則采用速度自適應(yīng)法進(jìn)行計(jì) 算。插補(bǔ)計(jì)算生成插補(bǔ)點(diǎn)的坐標(biāo)和進(jìn)給速度。
包含如下步驟
(1)由當(dāng)前插補(bǔ)點(diǎn)參數(shù)與前瞻信息中的信息進(jìn)行比較，計(jì)算曲率半徑或進(jìn)給速度
(2)計(jì)算插補(bǔ)步長(zhǎng)；
(3)得到插補(bǔ)點(diǎn)的參數(shù)。本發(fā)明方法所述的機(jī)床動(dòng)力學(xué)和曲線特性的約束方程ZHYS為
權(quán)利要求
基于機(jī)床動(dòng)力學(xué)和曲線特性的NURBS插補(bǔ)方法, 根據(jù)機(jī)床特性和曲線特性推導(dǎo)出約束方程來控制插補(bǔ)算法的進(jìn)給速度和加速度, 方法由三個(gè)環(huán)節(jié)組成預(yù)插補(bǔ)、前瞻信息處理和實(shí)時(shí)插補(bǔ)；預(yù)插補(bǔ)環(huán)節(jié)采用速度自適應(yīng)調(diào)整算法；前瞻信息處理環(huán)節(jié)首先根據(jù)插補(bǔ)點(diǎn)進(jìn)給速度劃分加減速區(qū)，然后分別對(duì)加減速區(qū)進(jìn)行判斷，按照對(duì)應(yīng)的速度模式進(jìn)行函數(shù)速度平滑處理；其特征在于，所述約束方程采用考慮到機(jī)床加工綜合要素的約束方程ZHYS；并預(yù)插補(bǔ)環(huán)節(jié)采用速度自適應(yīng)調(diào)整算法，保存插補(bǔ)點(diǎn)信息并將插補(bǔ)點(diǎn)信息代入基于機(jī)床動(dòng)力學(xué)和曲線特性的約束方程ZHYS計(jì)算得到插補(bǔ)點(diǎn)最大切向加速度序列；前瞻信息處理環(huán)節(jié)首先根據(jù)插補(bǔ)點(diǎn)進(jìn)給速度劃分加減速區(qū)，然后分別對(duì)加減速區(qū)進(jìn)行判斷，按照對(duì)應(yīng)的速度模式進(jìn)行三角函數(shù)速度平滑處理，保存三角函數(shù)速度平滑處理后的相應(yīng)數(shù)據(jù)；實(shí)時(shí)插補(bǔ)環(huán)節(jié)對(duì)前瞻信息進(jìn)行實(shí)時(shí)的速度自適應(yīng)插補(bǔ)計(jì)算，若進(jìn)入加減速區(qū)，則根據(jù)前瞻信息，采用三角函數(shù)速度平滑處理；若沒有進(jìn)入加減速區(qū)，則采用速度自適應(yīng)法進(jìn)行計(jì)算，從而最終獲得插補(bǔ)點(diǎn)的坐標(biāo)和進(jìn)給速度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述之基于機(jī)床動(dòng)力學(xué)和曲線特性的NURBS插補(bǔ)方法，其特征在于， 所述預(yù)插補(bǔ)環(huán)節(jié)的步驟包括(1)由當(dāng)前插補(bǔ)點(diǎn)參數(shù)，計(jì)算當(dāng)前點(diǎn)的曲率半徑；(2)由誤差與曲率半徑間的關(guān)系，預(yù)估下一插補(bǔ)周期內(nèi)進(jìn)給速度；(3)取進(jìn)給速度與指令進(jìn)給速度中的小者作為進(jìn)給速度預(yù)估值；(4)計(jì)算插補(bǔ)步長(zhǎng)；(5)求得插補(bǔ)點(diǎn)的單位切矢，單位副法矢，單位主法矢等參數(shù)；(6)計(jì)算插補(bǔ)點(diǎn)切向最大加速度，可以組成插補(bǔ)點(diǎn)參數(shù)序列，保存插補(bǔ)步長(zhǎng)序列，節(jié)點(diǎn) 矢量序列，進(jìn)給速度序列和最大切向加速度序列作為前瞻信息。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述之基于機(jī)床動(dòng)力學(xué)和曲線特性的NURBS插補(bǔ)方法，其特征在于， 所述前瞻信息處理環(huán)節(jié)的步驟包括(1)對(duì)插補(bǔ)點(diǎn)進(jìn)給速度序列中的速度進(jìn)行判斷，將進(jìn)給速度序列劃分為速度穩(wěn)定區(qū)和 速度變化區(qū)；(2)將三角函數(shù)速度平滑處理分成三種速度規(guī)劃模式來進(jìn)行處理，將速度變化區(qū)分別 歸類，按照對(duì)應(yīng)的規(guī)劃模式進(jìn)行處理；(3)各加減速區(qū)按照起點(diǎn)節(jié)點(diǎn)矢量和終點(diǎn)節(jié)點(diǎn)矢量的大小依次排隊(duì)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述之基于機(jī)床動(dòng)力學(xué)和曲線特性的NURBS插補(bǔ)方法，其特征在于， 所述實(shí)時(shí)插補(bǔ)環(huán)節(jié)的步驟包括采用速度自適應(yīng)調(diào)整算法計(jì)算插補(bǔ)點(diǎn)，如果插補(bǔ)進(jìn)入加減 速區(qū)，則根據(jù)前瞻信息，采用相應(yīng)的三角函數(shù)速度平滑處理；如果插補(bǔ)沒有進(jìn)入加減速區(qū)， 則采用速度自適應(yīng)法進(jìn)行計(jì)算，插補(bǔ)計(jì)算生成插補(bǔ)點(diǎn)的坐標(biāo)和進(jìn)給速度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于機(jī)床動(dòng)力學(xué)和曲線特性的NURBS插補(bǔ)方法,采用考慮到機(jī)床加工綜合要素的約束方程ZHYS來控制插補(bǔ)算法的進(jìn)給速度和加速度,方法由三個(gè)環(huán)節(jié)組成預(yù)插補(bǔ)、前瞻信息處理和實(shí)時(shí)插補(bǔ)，按照對(duì)應(yīng)的速度模式進(jìn)行三角函數(shù)速度平滑處理，保存三角函數(shù)速度平滑處理后的相應(yīng)數(shù)據(jù)，若進(jìn)入加減速區(qū)，則根據(jù)前瞻信息，采用三角函數(shù)速度平滑處理；若沒有進(jìn)入加減速區(qū)，則采用速度自適應(yīng)法進(jìn)行計(jì)算，從而最終獲得插補(bǔ)點(diǎn)的坐標(biāo)和進(jìn)給速度。本發(fā)明方法使插補(bǔ)始終處于機(jī)床的安全范圍內(nèi)，三角函數(shù)速度平滑處理使整個(gè)插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)過程平滑穩(wěn)定，并保證切向加速度和切向加加速度在速度變化區(qū)內(nèi)連續(xù)，對(duì)高速高精數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展有重要的意義。
文檔編號(hào)G05B19/4103GK101976060SQ20101054698
公開日2011年2月16日 申請(qǐng)日期2010年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月17日
發(fā)明者丁國(guó)富, 江磊, 謝斌斌, 黎榮 申請(qǐng)人:西南交通大學(xué);成都頂為科技有限公司