躍度約束的數(shù)控加工進(jìn)給率的離線規(guī)劃方法
【專利摘要】本發(fā)明躍度約束的數(shù)控加工進(jìn)給率的離線規(guī)劃方法屬于計(jì)算機(jī)輔助制造【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種躍度約束的數(shù)控加工進(jìn)給率的離線規(guī)劃方法。規(guī)劃方法根據(jù)弦高差和機(jī)床各軸最大速度限制得到各采樣點(diǎn)的初始進(jìn)給率值，并經(jīng)樣條擬合得到初始進(jìn)給率曲線。通過計(jì)算各采樣點(diǎn)處的分軸加速度值和分軸Jerk值，與設(shè)定的分軸加速度極限值和分軸Jerk極限值比較獲得超差點(diǎn)，將超差區(qū)域所有采樣點(diǎn)的進(jìn)給率值乘以同一調(diào)節(jié)系數(shù)，得到新的進(jìn)給率值。每次比例調(diào)節(jié)完成后，運(yùn)用曲線演化算法，使當(dāng)前進(jìn)給率曲線光滑變形到采樣點(diǎn)新的調(diào)整位置，表征了調(diào)整區(qū)和非調(diào)整區(qū)的光滑過度，本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)Jerk約束的進(jìn)給率規(guī)劃，能夠保證加工幾何精度和機(jī)床驅(qū)動(dòng)特性的并行要求。
【專利說明】躍度約束的數(shù)控加工進(jìn)給率的離線規(guī)劃方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于計(jì)算機(jī)輔助制造【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種躍度約束的數(shù)控加工進(jìn)給率的離線規(guī)劃方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著高端裝備和產(chǎn)品的發(fā)展，對裝備和產(chǎn)品的制造性能要求越來越高，涌現(xiàn)出一大批高加工指標(biāo)要求的關(guān)鍵零部件。因此相適應(yīng)，對這些關(guān)鍵件特別是復(fù)雜曲面零件數(shù)控加工的效率和精度要求也越來越高。進(jìn)給率規(guī)劃作為數(shù)控加工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也愈發(fā)受到重視，其規(guī)劃的質(zhì)量直接影響到數(shù)控加工的效率和加工平穩(wěn)性等各個(gè)方面。目前，自適應(yīng)進(jìn)給率規(guī)劃引起了學(xué)者的重視，如:弦高差約束的進(jìn)給率規(guī)劃算法、考慮加速度約束的雙向掃描進(jìn)給率規(guī)劃算法以及恒材料去除率的進(jìn)給率規(guī)劃方法等?，F(xiàn)有的進(jìn)給率規(guī)劃方法存在對躍度約束考慮不足等問題，通常稱躍度約束為Jerk約束。Jerk約束的相關(guān)方法主要采用約束非線性優(yōu)化方法或通過限制進(jìn)給率切向和法向加速度間接約束分軸Jerk。
[0003]經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，有關(guān)數(shù)控加工進(jìn)給率規(guī)劃方法的專利有發(fā)明人為Dong-ffoo Cho和Jeong-Hoon Ko等的美國專利，其名稱為Off-line feed rate schedulingfor reduction of machining time and enhancement of machining accuracy in CNCmachining,專利號(hào)為US7050883B2。該專利發(fā)明了一種數(shù)控加工進(jìn)給率的離線規(guī)劃方法，實(shí)現(xiàn)了以切削力或加工表面誤差為約束條件的進(jìn)給率規(guī)劃，該發(fā)明旨在縮短加工時(shí)間和提高加工精度，未涉及Jerk約束等問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明針對現(xiàn)有的進(jìn)給率規(guī)劃方法存在的問題，發(fā)明了一種躍度約束的數(shù)控加工進(jìn)給率的離線規(guī)劃方法。該方法采用比例調(diào)節(jié)迭代算法和曲線演化算法，運(yùn)用比例調(diào)節(jié)迭代算法通過使超差點(diǎn)處的進(jìn)給率值下降，從而達(dá)到使分軸加速度值和分軸Jerk值下降的目的。運(yùn)用曲線演化算法使進(jìn)給率曲線光滑變形到新的調(diào)整位置，表征了調(diào)整區(qū)和非調(diào)整區(qū)的光滑過度，避免了重復(fù)插值。
[0005]為實(shí)現(xiàn)這一目的，首先根據(jù)加工要求和機(jī)床驅(qū)動(dòng)特性確定出最大進(jìn)給率值、分軸加速度極限值和分軸Jerk極限值，并確定進(jìn)給率曲線控制點(diǎn)的數(shù)目和采樣點(diǎn)的數(shù)目。
[0006]本發(fā)明采用的技術(shù)方案是躍度約束的數(shù)控加工進(jìn)給率的離線規(guī)劃方法，其特征是，首先根據(jù)弦高差和機(jī)床各軸最大速度限制得到各采樣點(diǎn)的初始進(jìn)給率值，并經(jīng)樣條擬合得到初始進(jìn)給率曲線；通過計(jì)算各采樣點(diǎn)處的分軸加速度值和分軸Jerk值，并與設(shè)定的分軸加速度極限值和分軸Jerk極限值比較獲得超差點(diǎn)，將超差區(qū)域所有采樣點(diǎn)的進(jìn)給率值乘以同一調(diào)節(jié)系數(shù)，得到新的進(jìn)給率值；每次比例調(diào)節(jié)完成后，運(yùn)用曲線演化算法，使當(dāng)前進(jìn)給率曲線光滑變形到采樣點(diǎn)新的調(diào)整位置，表征了調(diào)整區(qū)和非調(diào)整區(qū)的光滑過度，規(guī)劃方法包括以下步驟:
[0007]I)將加工路徑用參數(shù)曲線表示，得到加工路徑的參數(shù)曲線表達(dá)式；[0008]2)根據(jù)弦高差和機(jī)床各驅(qū)動(dòng)軸最大速度限制，得到各采樣點(diǎn)處的初始進(jìn)給率值，經(jīng)B樣條擬合后得到初始進(jìn)給率曲線；
[0009]3)計(jì)算各采樣點(diǎn)處的分軸加速度值和分軸Jerk值，并根據(jù)設(shè)定的分軸加速度和分軸Jerk極限值，判斷進(jìn)給率采樣點(diǎn)是否超差；
[0010]4)將所有超差點(diǎn)對應(yīng)的進(jìn)給率值乘以一個(gè)相同的調(diào)節(jié)系數(shù)τ ( τ <1)，進(jìn)而得到超差點(diǎn)處新的進(jìn)給率值；
[0011]5)運(yùn)用曲線演化算法，將進(jìn)給率曲線從現(xiàn)有位置光滑變形到調(diào)整后的新的目標(biāo)位置，使其通過新的進(jìn)給率調(diào)整位置，得到一條新的進(jìn)給率曲線；具體方法是先計(jì)算所有超差點(diǎn)處進(jìn)給率值的變化量；再基于最小二乘原理建立目標(biāo)進(jìn)給率曲線變形到給定位置的方程組；計(jì)算方程組系數(shù)矩陣的廣義逆矩陣，求出進(jìn)給率曲線控制點(diǎn)的偏移量；最后，將進(jìn)給率曲線控制點(diǎn)的偏移量帶入B樣條曲線表達(dá)式，得到一條通過新的進(jìn)給率調(diào)整位置的光滑進(jìn)給率曲線。
[0012]6)重復(fù)步驟3)、4)、5)，直至分軸加速度和分軸Jerk值均不超差，得到滿足約束條件的進(jìn)給率曲線，并最終完成進(jìn)給率規(guī)劃。
[0013]本發(fā)明的有益效果是利用進(jìn)給率與分軸加速度、分軸Jerk之間的關(guān)系，通過比例調(diào)節(jié)迭代算法使超差點(diǎn)處的進(jìn)給率值下降，從而達(dá)到使分軸加速度值和分軸Jerk值下降的目的。運(yùn)用曲線演化算法實(shí)現(xiàn)了進(jìn)給率曲線從當(dāng)前位置到目標(biāo)位置的光滑變形，避免了重復(fù)插值。本發(fā)明充分考慮了弦高差、分軸加速度和分軸Jerk約束，以此規(guī)劃出進(jìn)給率對于保證加工的質(zhì)量和精度具有顯著意義。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1，本發(fā)明方法的流程示意圖。
[0015]圖2，NURBS曲線表示的加工路徑圖。其中，X軸表示加工路徑的χ軸坐標(biāo)，單位為mm ；Y軸表示加工路徑的y軸坐標(biāo),單位為mm。
[0016]圖3，初始進(jìn)給率曲線圖，圖4，迭代5次時(shí)的進(jìn)給率規(guī)劃圖，圖5，迭代20次時(shí)的進(jìn)給率規(guī)劃圖，圖6，最終的進(jìn)給率規(guī)劃圖。
[0017]其中，X軸表示參數(shù)u值；Y軸表示進(jìn)給率的值,單位為mm/s。
[0018]圖7，規(guī)劃完成后的X軸加速度圖，圖8，規(guī)劃完成后的Y軸加速度圖。其中X軸表示參數(shù)u值；Y軸表示分軸加速度的值,單位為mm/s2。
[0019]圖9，規(guī)劃完成后的X軸Jerk圖，圖10，規(guī)劃完成后的Y軸Jerk圖。其中X軸表示參數(shù)u值；Y軸表示分軸Jerk的值,單位為mm/S3。
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖和技術(shù)方案詳細(xì)的說明本發(fā)明的具體實(shí)施。
[0021]本發(fā)明提出的躍度約束的數(shù)控加工進(jìn)給率的離線規(guī)劃方法的流程如圖1所示。根據(jù)弦高差和機(jī)床各驅(qū)動(dòng)軸的速度限制，得到各采樣點(diǎn)的初始進(jìn)給率值。計(jì)算各采樣點(diǎn)處的分軸加速度值和分軸Jerk值,并與設(shè)定的分軸加速度極限值和分軸Jerk極限值比較,判斷有無超差點(diǎn)。若存在超差點(diǎn)，則對超差點(diǎn)處的進(jìn)給率值進(jìn)行比例調(diào)節(jié)。比例調(diào)節(jié)完成后運(yùn)用曲線演化算法，將進(jìn)給率曲線光滑變形到目標(biāo)位置，得到新的進(jìn)給率曲線。循環(huán)運(yùn)用比例調(diào)節(jié)算法和曲線演化算法，直至分軸加速度和分軸Jerk均不超差，從而完成進(jìn)給率的規(guī)劃。
[0022]實(shí)施例為加工一個(gè)“8”字形曲線，如圖2所示。硬件平臺(tái)是由運(yùn)動(dòng)控制器控制四臺(tái)電機(jī)構(gòu)成的龍門式運(yùn)動(dòng)平臺(tái)。由于“8”字形曲線光滑且較為簡單，主要考慮龍門式運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)性能取初始進(jìn)給率值為30mm/s，分軸加速度約束范圍為[-30mm/s2 30mm/s2],分軸Jerk約束范圍為[-150mm/s3 150mm/s3]，取進(jìn)給率曲線采樣點(diǎn)的數(shù)目為Ii1=1000,控制點(diǎn)的數(shù)目為m=60。
[0023]規(guī)劃方法的詳細(xì)步驟如下:
[0024]I)首先用NURBS曲線將加工路徑表示出來P (U)，見圖2。曲線的表達(dá)式為(I):
[0025]
【權(quán)利要求】
1.躍度約束的數(shù)控加工進(jìn)給率的離線規(guī)劃方法，其特征是，首先根據(jù)弦高差和機(jī)床各軸最大速度限制得到各采樣點(diǎn)的初始進(jìn)給率值，并經(jīng)樣條擬合得到初始進(jìn)給率曲線；通過計(jì)算各采樣點(diǎn)處的分軸加速度值和分軸jerk值，并與設(shè)定的分軸加速度極限值和分軸Jerk極限值比較獲得超差點(diǎn)，將超差區(qū)域所有采樣點(diǎn)處進(jìn)給率值乘以同一調(diào)節(jié)系數(shù)，得到新的進(jìn)給率值；每次比例調(diào)節(jié)完成后，運(yùn)用曲線演化算法，使當(dāng)前進(jìn)給率曲線光滑變形到采樣點(diǎn)新的調(diào)整位置，表征了調(diào)整區(qū)和非調(diào)整區(qū)的光滑過度，規(guī)劃方法包括以下步驟: 1)將加工路徑用參數(shù)曲線表示，得到加工路徑的參數(shù)曲線表達(dá)式； 2)根據(jù)弦高差和機(jī)床各驅(qū)動(dòng)軸最大速度限制，得到各采樣點(diǎn)處的初始進(jìn)給率值，經(jīng)B樣條擬合后得到初始進(jìn)給率曲線； 3)計(jì)算各采樣點(diǎn)處的分軸加速度值和分軸Jerk值，并根據(jù)設(shè)定的分軸加速度和分軸Jerk極限值，判斷進(jìn)給率采樣點(diǎn)是否超差； 4)將所有超差點(diǎn)對應(yīng)的進(jìn)給率值乘以一個(gè)相同的調(diào)節(jié)系數(shù)τ(τ〈1)，進(jìn)而得到超差點(diǎn)處新的進(jìn)給率值； 5)運(yùn)用曲線演化算法，將進(jìn)給率曲線從現(xiàn)有位置光滑變形到調(diào)整后的新的目標(biāo)位置，使其通過新的進(jìn)給率調(diào)整位置，得到一條新的進(jìn)給率曲線；具體方法是先計(jì)算所有超差點(diǎn)處進(jìn)給率值的變化量；再基于最小二乘原理建立目標(biāo)進(jìn)給率曲線變形到給定位置的方程組；計(jì)算方程組系數(shù)矩陣的廣義逆矩陣，求出進(jìn)給率曲線控制點(diǎn)的偏移量；最后，將進(jìn)給率曲線控制點(diǎn)的偏移量帶入B樣條曲線表達(dá)式，得到一條通過新的進(jìn)給率調(diào)整位置的光滑進(jìn)給率曲線； 6)重復(fù)步驟3)、4)、5)，直至分軸加速度和分軸Jerk值均不超差，得到滿足約束條件的進(jìn)給率曲線，并最終完成進(jìn)給率規(guī)劃。
【文檔編號(hào)】G05B19/416GK103760827SQ201410013031
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年1月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月10日
【發(fā)明者】孫玉文, 趙洋, 賈振元, 郭東明 申請人:大連理工大學(xué)