数控系统高性能微段插补技术研究与应用

针对在复杂曲线曲面加工时,由CAM产生的连续微段在加工中由于频繁加减速所带来的加工精度和速度的矛盾问题。在CNC中采用微段插补技术对连续微段进行实时样条重构及递推插补以实现对曲面的高速高精度加工。给出的微段插补技术包括新设计的代数指数样条函数,结合速度规划给出的样条重构及样条曲线的递推插补算法。应用微段插补技术进行的样件数控加工实验中,在保证原曲线加工轮廓误差的同时,加工轨迹以μm级精度逼近原曲线,并且加工速度提高了5～5.4倍。实验结果表明,算法在加工轨迹的整体上实现了进给速度的平滑衔接,在加工过程中避免了频繁的加减速,机床运行平稳,加工精度高,表面质量好的同时提高了加工效率。

高性能天线伺服控制器的研究与设计

伺服控制器是天线伺服控制系统的核心环节,经典的PID控制算法在整定时整定出的积分环节参数较大,很容易出现积分饱和,造成控制精度的降低;另一方面伺服系统中伺服控制器与主控计算机通过低速的ISA总线进行通信,无法满足控制器进行复杂的位置控制运算所要求的实时大信息量的数据传输。为此提出了伺服控制系统中采用滑模控制算法,减少了外部干扰和内部可变参数对系统的影响,提高了系统的鲁棒性。同时采用PC I总线通信,运用FPGA实现设计,数据通信能力显著提高。实验结果表明,采用该算法可以有效地避免了积分饱和所造成的控制精度降低,加快了系统响应速度,提高了伺服控制器的控制性能。

基于PCI总线的数控机床高性能位置控制卡研究与设计

针对传统 ISA 总线位置控制卡由于带宽限制,数据传输速度慢,限制了主机的处理能力等缺陷,设计了基于 PCI 总线接口的虚拟轴机床高性能位置控制卡,打破了数据传输的瓶颈,大幅度地减轻主机负担,有效地提升了系统整体性能。

数控系统新参数域样条曲线加工算法

针对样条曲线参数域与时间域不一致,导致在数控系统的连续微段加工中,重构样条曲线无法快速递推插补,计算效率低;而直接等参数增量递推,又会带来节点速度突变、位置精度差的问题。故提出了实现参数域和插补周期数统一的域变换算法,建立了新参数域下的五次样条曲线,并且给出了基于该曲线的柔性加减速条件下节点切矢量及二阶导矢预计算,及曲线快速递推的算法。应用新算法的微段加工实验表明,加工效率提高了约3.3倍,而递推插补运算时间的减少到直接利用曲线公式插补的1/3。因此算法通过新型样条重构及快速递推提高了插补计算的速度,同时,在保证精度的条件下,基于新样条的速度规划减少了微段加工频繁加减速,提高了加工效率,提升了数控系统的性能。

连续微段样条曲线重构加工算法

针对复杂曲面在采用连续微段模式加工的过程中合成速度波动大导致加工效率降低的问题,提出了适用于微段加工的样条曲线重构新算法,该方法包含建立一种具有快速递推性质的样条曲线,及基于该曲线的速度规划和快速递推插补加工的方法。实验表明,算法在保证加速度连续的条件下,通过样条重构及速度规划减少了频繁加减速,提高了加工效率;快速递推则提高了插补计算的速度,插补点精确通过微段节点,保证了加工精度,提升了数控系统的性能。

连续微段前瞻及加减速算法

针对目前实时曲线重构微段加工方法存在的不能准确重建设计轮廓、重构曲线的轮廓误差大于轮廓误差允许值的问题,在前瞻算法中新建了曲线轮廓重构条件,其中包括基于转角允许通过速度的转角条件和基于连续转角与段长相关变化的段长条件,同时提出了基于节点的S型加减速速度规划算法.在应用该算法进行的仿真与实验中,重构曲线与微段间的最大轮廓误差小于原曲线在CAM软件中生成微段时所设定的允许轮廓误差,且加工效率是传统微段加工过程的1.5～3.3倍.实验结果表明,采用文中算法可以从NC代码中有效地区分出原设计轮廓中的几何元素,找到轮廓上的基点,从而能准确地还原零件的设计轮廓,并使插补点精确地通过每个重构段的段内节点,在提高了加工效率的同时保证了加工精度.该项研究结果可应用于中高档数控系统设计及复杂曲面的加工中,以提高加工效率.

数控系统连续微段重构与插补算法

针对目前微段加工所采用的非重构微段加工方法中存在的因加工轨迹与设计曲线轮廓误差较大而产生的轮廓加工精度较低的问题,及因微段节点处速度方向不连续而导致的加工表面质量不高、加工过程机床振动较大的问题,在计算机数控(computerized numerical control,CNC)中采用实时曲线重构与插补算法进行连续微段加工以实现对复杂曲面的高速高精度加工.微段插补技术包括样条曲线的实时重构及递推插补算法,及建立满足插补过程中加减速要求的且可以直接递推的插补样条曲线的重构条件.应用微段曲线重构技术进行的样件数控加工实验中,在保证曲线轮廓加工精度达到微米级精度的同时,加工速度提高了2～2.4倍.实验结果表明,实时曲线重构微段加工不仅可以实现在重构曲线的范围内只进行一次整体加减速的速度规划,提高加工效率,而且加工轨迹的进给速率的衔接平滑、轨迹光滑、表面质量好,并且利用重构的可以直接递推插补的样条曲线,有效解决了复杂算法加工过程中精度与运算速度的矛盾,提高了加工精度.

基于新型代数指数样条曲线的微段加工算法

针对曲线重构微段加工中采用的样条曲线计算稳定性差、运算速度慢,且在加减速的条件下不能直接递推插补计算而造成计算效率低的问题,在计算机数控中采用基于新型插补样条的实时曲线重构与插补算法进行连续微段加工。实验结果表明,重构的新样条曲线计算速度快且稳定,可进行直接递推插补。基于新样条曲线优越性质的微段加工,在充分发挥实时曲线重构与递推插补微段加工方法优势的基础上,可以进一步提高插补计算的效率,实现对任意曲面的高速高精度插补加工。

新型网络化睡眠监护系统的设计与实现

为满足市场对高性价比多生理参数便携式睡眠监护设备的需求,该文创新设计并实现了一种基于超低功耗ARM芯片的多生理参数睡眠监护仪。该设备采集并记录心电、血氧、胸腹呼吸和口鼻气流信号,使用USB模块将存储在闪存中的数据文件传输到上位机,具备无线的实时数据传输功能。为解决设备长时间使用无线模块会消耗大量的电池电量的问题,该文提出了一种基于延迟约束的低功耗优化设计,实现以少量的延迟换取更低的功耗。实验表明低功耗优化方法可以在不改变无线模块和传输协议,使用两节干电池的情况下,保证设备能连续使用超过8 h,至少记录一整晚的睡眠数据。

基于自由曲面有向Voronoi区域划分算法的机器人加工刀轴低摆振路径规划

针对自由曲面刀具路径规划中,刀轴摆动带来的振动影响加工质量的问题,提出有向Voronoi区域划分算法。基于该算法实现了刀轴运动优化的复杂自由曲面的区域划分,并光顺连接区域之间和区域内部的刀具路径,得到曲面整体实际可加工的刀具路径。应用该算法与UG不同路径规划的刀轴矢量变化进行了对比实验,结果显示刀轴矢量变化均值和累计值减少了30%,方差降低了近60,从而验证了该方法的刀轴矢量变化明显小于传统的对整个加工曲面的路径规划,可减小加工过程中的机械振动和冲击,保证加工刀轴姿态的稳定性,从而提高加工精度,减小对加工设备寿命的影响。利用工业机器人完成铣削实验,进一步验证了该方法的可行性和有效性。