Research on cubic polynomial acceleration and deceleration control model for high speed NC machining

To satisfy the need of high speed NC (numerical control) machining, an acceleration and deceleration (acc/dec) control model is proposed, and the speed curve is also constructed by the cubic polynomial. The proposed control model provides continuity of acceleration, which avoids the intense vibration in high speed NC machining. Based on the discrete characteristic of the data sampling interpolation, the acc/dec control discrete mathematical model is also set up and the discrete expression of the theoretical deceleration length is obtained furthermore. Aiming at the question of hardly predetermining the deceleration point in acc/dec control before interpolation, the adaptive acc/dec control algorithm is deduced from the expressions of the theoretical deceleration length. The experimental result proves that the acc/dec control model has the characteristic of easy implementation, stable movement and low impact. The model has been applied in multi-axes high speed micro fabrication machining successfully.

全程S曲线加减速控制的自适应分段NURBS曲线插补算法

为满足现代数控加工的高速度、高精度要求,提出基于7段式S曲线加减速全程规划的NURBS曲线自适应分段插补算法。该算法根据NURBS曲线几何形状将其自适应分段,并计算曲线段各项参数值、对应S曲线加减速规划(速度规划为17种类型)中加减速类型和自适应调整速度曲线加减速时间。在固定插补周期下,与单独自适应算法、5段式S曲线加减速控制方法的仿真结果相比,在满足加速度与加加速度限制条件,且最大弦高误差不超过0.5μm时,该算法插补精度高于单独自适应算法,与5段式S曲线加减速控制方法近似,且其全程平均进给速度比5段式S曲线加减速控制方法平均进给速度提高21.7%,达到594mm/s。

高速高精度数控加工中NURBS曲线插补的研究

针对复杂型面零件的高速高精度加工需要,深入研究了NURBS曲线直接插补方法。提出一种新的加减速控制方法,在提高轮廓精度的同时极大地减小了切削加工对机床造成的冲击;结合轮廓误差限、最大向心加速度的约束,自适应地控制进给速度的变化。对NURBS曲线插补算法进行了研究,并用C++Builder5编程实现。插补实例表明该算法能保证高速、高精度。

不同加减速控制算法的能耗分析与比较

首先推导了理想加减速控制算法的最小能耗和梯形、二次样条曲线、S曲线、AS曲线加减速算法的速度函数,然后根据速度函数与电动机耗能之间的关系求出了各加减速控制算法的耗能函数,并通过Matlab编程求最小值,发现当梯形曲线的加速时间和二次样条曲线的加加速时间分别设为T/3和T/6;S曲线的加加速时间和匀加速时间分别设为0.01T和0.31T;AS曲线的加加速时间和匀加速时间分别设为0.01T和0.34T,减速段时间调节系数R2设为0.98时,能够分别获得加减速算法基于能量最优的速度轮廓。最后通过计算不同加减速算法在不同时间设置情况下的耗能,与最优速度轮廓的耗能比较,得出同一算法在不同时间参数设置时能耗差别明显,此外不同算法之间的能耗水平也有明显差别。

机械手笛卡尔空间轨迹规划研究

研究PUMA560机械手在笛卡尔空间中的轨迹规划问题。通过分析机械手轨迹运动中的启停加减速和连续轨迹过渡算法,提出在机械手末端轨迹曲线的启停段加入正弦加减速过程,同时在连续轨迹的两条曲线间运用5次多项式过渡曲线的新算法,使得机械手末端轨迹速度连续平滑和加速度连续,有利于提高机械手的运行速度和减少机械手的机械本体的振动和关节磨损。该算法运用VC++6.0和Matlab联合编程并在计算机上仿真PUMA560机械手模型轨迹运动,验证通过轨迹规划算法。

步进电动机加速控制算法研究及仿真

针对步进电动机在启动、停止时,会出现启动失步、堵转以及超程或冲击大等现象,提出了指数加减速算法和S形曲线加减速算法。首先建立了步进电动机的数学模型和传递函数。鉴于加速启动和减速停止过程是对称的,故笔者仅研究分析了对步进电动机启动阶段进行加速控制的过程。介绍了指数加减速算法和S形曲线加减速算法原理和设计方法,并应用Matlab实现了系统设计与仿真。最后对指数加速控制和S形曲线加速控制的仿真结果进行对比分析,结果表明:与指数加减速算法相比,S形曲线加速控制方法速度过渡光滑,具有更好的动、静态性能,且易于调整和改进。

高速高精度加工中NURBS曲线混合插补算法

研究零件复杂表面高速高精度加工的NURBS曲线参数直接插补方法,结合FIR数字滤波器原理,提出了一种NURBS曲线混合插补算法。在保证零件加工精度的前提下,实现基于S型速度曲线的加减速控制,使运动速度准确平滑;同时,算法中不需要插补前瞻计算,显著缩短了NURBS曲线插补算法运算时间。

基于多关节机器人的能量最小消耗控制策略

为了能够在有限的能量供给的情况下延长机器人运行时间,针对此类机器人在运动中的耗能问题,提出一种通过改进梯形升降速算法来实现多关节机器人能量最小消耗的控制方法。首先对多关节机器人的协调控制及能耗问题进行了研究,利用梯形升降速算法的速度函数与伺服电机耗能之间的关系推导出该算法的能量函数;然后通过求解能量函数最小值,得出梯形速度曲线基于能量最优的时间参数,利用该时间参数来设定伺服电机各运动阶段的时间,使机器人耗能最小。最后通过实验计算及分析,验证了所述控制策略在解决机器人耗能最小化问题上的有效性。

连续时间周期化的NURBS曲线插补及其速度规划

根据机床动力学性能,提前预测NURBS曲线插补时的速度极小值点,以这些点为基准将曲线分段,同时估算每条子曲线的长度.利用捷度阶跃式7段S型加减速规律对每条子曲线进行连续时间域下的速度规划,以插补总时间周期化为原则对连续时间域下的加减速各阶段运行时间做周期化离散处理.为了减小子曲线间衔接速度的波动,提出连续时间域运行时间重新规划的方法.为了减小NURBS曲线实时插补时的速度波动率,提出利用反向二次插补法进行实时插补计算,该方法不需要迭代计算且计算精度较高.仿真实验结果表明,连续时间域重新规划和周期化离散处理方法能够实现捷度满足机床性能要求的S型加减速速度规划,且实时插补阶段的速度波动率能够达到10-6级.

高速平滑S曲线加减速速度控制算法研究

针对S型曲线加减速算法的加加速度曲线是阶跃变化的,即其存在拐点,在高速加工过程中容易引起数控机床的冲击与振动,提出了能避免加加速度阶跃变化的平滑S型曲线加减速控制算法,根据曲线长度将平滑S型曲线加减速控制分为完整平滑加减速过程和不完整平滑加减速过程,并都建立了详细的算法。最后用流量计转子截面曲线摆线段作为实例并与S曲线加减速控制算法进行了仿真对比,验证该算法的正确性。验证结果表明:该算法不仅可保证速度和加速度连续,而且加加速度也呈线性规律变化,避免了加减速过程中的加加速度阶跃现象,提高了数控系统加减速平滑性、柔性。

基于圆整误差补偿策略的S曲线加减速控制研究与实现

深入分析了S曲线加减速基本公式,给出了其加加速度、加速度、速度、位移之间的解析关系。在此基础之上,提出了一种基于圆整误差补偿策略的改进型S曲线加减速控制算法,该算法逐段对S曲线进行修正,减少由于量化误差带来的影响,算法同时考虑到多曲线段存在情况下的速度融合模式下的控制问题。给出了算法数学模型和数值仿真结果。对算法进行实验验证,并给出了具体工件实际加工结果。

熔融沉积成型彩色3D打印控制研究

目前熔融沉积工艺(FDM)3D打印机大多数只能打印颜色单一的模型,为了改善这一现状,在深入研究现有3D打印机的基础上,设计出一套可以实现彩色成型的3D打印控制方案。该方案以Hbot机构为主要机械结构,使用混色挤出头作为成型挤出头,同时应用Bresenham直线算法,三次多项式型加减速控制算法对系统进行运动控制。为了验证该方案的有效性与稳定性,以过渡色打印和多色打印进行打印测试。结果表明,所提出的控制方案可以在精确地完成模型打印的前提下,同时保证很高的稳定性。

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。

混合型加减速前瞻规划的多节NURBS曲线插补策略

为满足复杂型面零件的高速高精加工要求,将造型功能强大的NURBS曲线插补方法作为指定加工曲线的路径给定。为解决伺服系统中指令的不连续及起始速度(或加速度)超越伺服电机的极限,导致实际机械系统无法跟上所给命令的问题,采用了混合多节NURBS曲线前加减速前瞻运动规划。该方法在汲取了传统方法与直接卷积方法两者优点的同时,有效地规避了传统方法中无法降低转角误差和直接卷积方法中加工时间过长的缺点。仿真结果表明,所提出的策略能够使整个插补过程具有高度的柔性和连续性,进而能够满足高速高精加工的要求。

NURBS曲线插补算法及加减速控制研究

针对复杂零件高速高精密加工的需求,提出了一种基于阿当姆斯微分方程的NURBS曲线实时插补算法。通过对算法的合理简化与近似,保证了算法的实时性。此算法基于轮廓误差和法向进给加速度控制,使进给速度能随曲线曲率自适应调整。与之相适应,配合此插补算法,利用NURBS曲线的对称性预测减速点,提出了一种新的插补前抛物线-直线-抛物线S形加减速控制方法。该方法具有位置精度高、速度无突变、过渡平滑、计算简便等优点。通过采用MATLAB对插补轨迹仿真和实例分析,证明了插补算法和加减速控制方法的正确、合理、有效性。

基于五次速度曲线的高柔性加减速前看算法

为了减小机床振动,提高连续小线段加工速度,提出了一种基于S型加减速的前看插补算法。采用五次多项式速度曲线,可以实现加速度和跃度的连续变化。首先根据NC代码的目标进给速度、机床动力性能和微段几何特征预求速度约束,然后反向扫描求解满足减速要求的速度约束,最后根据线段长度规划出约束之下的速度曲线,发送至位控模块进行实时运动控制。集成到三轴数控试验平台上试验,算法运行稳定,大大提高衔接速度,仿真结果表明加工时间比传统插补算法缩短了77.31%。

运动平滑处理技术在伺服控制系统中的应用

为研究不同加减速算法对加工精度以及电机启停或突变的影响,首先分析了两种运动平滑处理技术—梯形和S形加减速算法的基本原理,建立了离散数学模型,并在传统七段S形曲线的基础上提出了五阶段S形曲线改进;然后,通过软件实现了两种加减速算法;最后,搭建了软、硬件实验平台。实验结果表明,该研究对于保证实际加工精度和电机的平稳控制有着重要的意义,也为高效率数控加工奠定了基础。

数控系统终点控制算法研究

定位精度与定位时间是CNC系统中十分重要的性能参数,加减速算法特别是减速算法对它们有着十分重要的影响。阐述了传统定位算法存在一些问题,在此基础上提出了改进算法。在此算法中,减速点能被精确的预测,减速点处的误差能以较高的进给速度来补偿,并进行了仿真,结果表明在保证相同定位精度条件下采用该方法可大大缩短定位时间和提高机床加工效率。

基于MATLAB的三闭环交流伺服运动控制系统仿真与设计

针对交流伺服运动控制系统,在PMSM伺服系统电流环和速度环的基础上,进行位置环设计,保证伺服电机位置跟踪的精确性。同时,利用S曲线加减速算法进行速度规划,减小电机在加减速过程中的机械振动,以保证控制系统的稳定性和快速性。在MATLAB/Simulink中建立伺服系统仿真模型,仿真结果表明,上述方法能使系统具有很好的精确性、快速性和抗扰动性。

多项式加减速的NURBS插补控制方法

针对S曲线加减速方法中的加加速度(Jerk)阶跃变化,导致机床系统在运动过程中冲击和振动等问题,提出了多项式5段加减速的NURBS插补控制方法。该方法采用辛普森自适应积分方法计算曲线长度,并以最大向心加速度、最大弓高误差作为约束条件,将曲线自适应分段。计算出分段曲线各项参数值,对应于多项式加减速规划中的加减速类型和确定加减速时间。在相同插补周期下,与S曲线5段加减速控制方法进行仿真实验对比,结果表明所提方法满足了最大弓高误差、加加速度等限制条件,且规划后的加速度和加加速度曲线连续有规则变化,速度和加速度曲线表现更柔和,使得机床系统有良好的加减速柔性。