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五轴数控机床进给速度优化与插补算法的研究

作　者: 盛龙
导　师: 李泽湘；李建刚
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: CNC 运动控制五轴速度规划插补
分类号: TG659
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

五轴数控机床广泛应用于现代装备制造业的各个领域,如航空航天、军事国防、模具制造等。为了满足高速高精度的数控加工要求,五轴数控系统中刀路生成、进给速度规划、路径插补、后置处理、伺服控制以及机械装配等方面的研究都是至关重要的。其中,针对进给速度规划和插补算法的研究尤为重要。本文首先分析了五轴机床的主要形式,推导出TRT型结构的前向与逆向运动学模型。五轴数控机床系统中存在诸多问题,比如轨迹规划存在非线性误差、各个轴上运动学物理限制呈现非线性、传统的零起零落速度控制对连续轨迹加工来说效率太低,等等。为了解决这些问题,本文提出了一套适用于小线段连续轨迹加工的五轴数控机床进给速度优化方法和插补算法。在进给速度优化方面,根据机床的运动学模型,推导了工件坐标系下进给能力限制。针对小线段连续轨迹加工,基于线性加减速方法,导出了路径点上进给速度的各种约束条件。综合考虑这些约束条件,以进给速度最大为目标,提出了一种基于关键点的进给速度近似最优求解方法。在轨迹插补方面,基于最小误差原理,本文提出了段间衔接的两种过渡方式并建立了其误差模型。基于该误差模型和进给要求,导出了段间衔接的过渡方法。综合考虑段内插补和段间衔接,本文最后给出了一种完备的小线段连续轨迹插补方法。通过仿真与测试,对所提出的各种算法的性能进行了相应的分析。最后,本文所有提出的算法都在TRT型结构的五轴机床上进行了验证与应用。实验结果表明,这些算法能够有效的改善加工运动性能、提高加工质量与效率。由于算法的灵活性和高效性,可以很好的应用和推广到其他形式的五轴数控系统中。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-8
LIST OF TABLES  8-9
LIST OF FIGURES  9-11
CHAPTER 1 INTRODUCTION  11-19
  1.1 BACKGROUND OF 5-AXIS CNC MACHINE  11-12
  1.2 ADVANTAGES OF 5-AXIS MACHINING  12-13
  1.3 ARCHITECTURE FOR 5-AXIS CNC SYSTEM  13-16
  1.4 MOTIVATION AND OBJECTIVE  16-18
  1.5 DISSERTATION ORGANIZATION  18-19
CHAPTER 2 MODELING AND ANALYSIS FOR MACHINE.  19-26
  2.1 TYPES OF 5-AXIS MACHINES  19-20
  2.2 FORWARD AND INVERSE KINEMATICS OF TRT CONFIGURATION  20-24
  2.3 NONLINEAR ERROR ANALYSIS  24-25
  2.4 SUMMARY  25-26
CHAPTER 3 FEEDRATE OPTIMIZATION  26-50
  3.1 KINEMATICS MODEL  26-30
    3.1.1 Velocity profile formulation  26-28
    3.1.2 Model parameterization  28-30
  3.2 KINEMATICS AND DYNAMIC LIMITS  30-33
    3.2.1 Velocity capability limits  30-31
    3.2.2 Acceleration capability limits  31-33
  3.3 MAXIMAL FEED DETERMINATION  33-34
  3.4 OPTIMAL FEEDRATE DETERMINATION  34-44
    3.4.1 Constraints on feedrate  36-41
    3.4.2 Feedrate calculation  41-44
  3.5 SIMULATION AND EXPERIMENT  44-48
  3.6 SUMMARY  48-50
CHAPTER 4 INTERPOLATION AND ERROR CONTROL  50-67
  4.1 INTERPOLATION  50-61
    4.1.1 Interpolation for single segment  52-53
    4.1.2 Interpolation for continuous path  53-61
  4.2 MANUFACTURED ERROR CONTROL  61-63
    4.2.1 Error generation  61-62
    4.2.2 Accuracy enhancement  62-63
  4.3 SIMULATION AND EXPERIMENT  63-65
  4.4 SUMMARY  65-67
CHAPTER 5 MACHINING SIMULATION AND EXPERIMENT  67-72
  5.1 MACHINING MODEL AND SIMULATION  67-68
  5.2 MACHINING EXPERIMENTS  68-71
  5.3 SUMMARY  71-72
CONCLUSIONS  72-74
REFERENCES  74-80
ACKNOWLEDGEMENT  80

五轴数控机床进给速度优化与插补算法的研究

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