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.

Algorithm for Smooth S-curve Feedrate Profiling Generation

The algorithms for feedrate profile generation,such as linear and S-curve profiles,have been widely used in machinery controllers,and these algorithms can greatly improve the smoothness of motion.However,most of the algorithms lead to the discontinuous acceleration/deceleration and jerk,or high jerk levels,which is very harmful to machine tool or robot in most occasions. This paper presents a smooth S-curve feedrate profiling generation algorithm that produces continuous feedrate,acceleration,and jerk profiles.Smooth jerk is obtained by imposing limits on the first and second time derivatives of acceleration,resulting in trapezoidal jerk profiles along the tool path.The discretization of smooth S-curve feedrate is realized with a novel approach that improves the efficiency without calculating the deceleration point in each sampled time.To ensure that the interpolation time is a multiple of the value of sampled time,the feedrate,acceleration,jerk,and jerk derivative are recalculated.Meantime,to improve the efficiency,the interpolation steps of all regions are computed before interpolation.According to the distance of trajectory,the smooth S-curve acceleration and decelerations are divided into three blocks：normal block,short block type-Ⅰ,and short block type-Ⅱ.Finally feedrate discretization of short block type-Ⅰand type-Ⅱis obtained with considering the efficiency.The proposed generation algorithm is tested in machining a part on a five axis milling machine,which is controlled with the CNC system for newly developed high-speed machine tools.The test result shows that the smooth S-curve approach has the smoother feedrate,acceleration,deceleration,and jerk profiles than S-curve.The proposed algorithm ensures the automated machinery motion smoothness,and improves the quality and efficiency of the automated machinery motion planning.

Speed Control Method of Electric Vehicle for Improving Passenger Ride Quality

This paper proposes the new speed control method of electric vehicles by generating the longitudinal speed pattern for improving the ride comfort against the longitudinal acceleration/deceleration. Since the longitudinal acceleration/deceleration of EVs causes the discomfort of passengers, reducing such bad effect of acceleration/deceleration acting on passengers is very important for not only the ride comfort of passengers but also vehicle running safety. The proposed method is applying the general optimal control theory and it generates the speed pattern for improving the passenger ride quality based on evaluating the variations of acceleration and the jerk which is time derivative of the acceleration. The effectiveness of the present method is demonstrated through numerical experiments compared with some conventional methods.

基于STM32的步进电机加减速轨迹规划算法

针对传统步进电机开环控制下加减速过程中柔性冲击大、失步和过冲等问题,结合STM32单片机提出了一种离散化的、带有电流调节的S曲线加减速控制算法。首先,通过多项式算法构建连续光滑的S曲线,根据矩频特性拟合转速和转矩的关系,联立转速和功率的关系,推导出电流计算方法;然后,对连续的S曲线进行等时间间隔采样,完成对S曲线的离散化;最后,在Keil平台进行算法代码编写,将编译后的工程文件下载到STM32中,通过步进电机的速度和位置跟踪实验验证了算法的有效性。

售货机升降系统S型速度控制策略

在传统三闭环控制方式下,售货机升降接货系统易因启停过程中加速度突变产生冲击,导致系统运行不平稳。针对这一问题,文中对传统升降系统加减速控制策略进行改进,加入前馈和微分负反馈,提出一种S型速度曲线控制算法。根据路径规划判别条件将S型速度曲线分为七段式、六段式和四段式3种,并给出各路径约束条件下的参数求解方法和具体执行流程。将该算法运用到升降控制系统中进行仿真和实际工况测试,实验结果表明,与传统三闭环控制相比,文中所提控制策略可以提高售货机升降系统运行的平稳性,减小冲击,使速度曲线更加柔和,并能够保持较好的跟踪性能。

高质量加工五次多项式速度规划算法研究

通过分析直线、指数、S曲线以及正弦函数几种常用的加减速算法,针对传统的速度规划算法存在的加工曲线不连续以及加工过程出现振荡、加工精度低等问题,提出适用于高质量加工的五次多项式速度规划算法,将整个加工过程分段,细化每一段的方程,并介绍对于待定的NURBS曲线使用五次多项式速度规划算法进行插补的过程,针对快速插补和实时插补两个阶段进行优化。结尾根据仿真加工实验图像得出结论,该算法实现了加工过程中运动曲线的连续变化、柔性变化。并将加工精度控制在理想范围之内,适应于高质量的加工。

中低速磁浮最小曲线半径及缓和曲线长度研究

为研究中低速磁浮最小曲线半径及缓和曲线长度,该文基于磁浮交通线路参数的计算方法、相关要素,以及线路自身的特点,推导出适用于中低速磁浮的曲线半径、缓和曲线长度计算公式,在参考相关标准的基础上,对中低速磁浮列车以20~160 km/h速度运行时的最小平、竖曲线半径及缓和曲线长度进行了理论分析,进一步给出其建议值,并建立了考虑主动反馈控制特性的车辆模型,通过动力学仿真对取值的可靠性进行了验证。研究结果表明:最小平曲线半径取值受指向外侧的最大侧向加速度控制,最小竖曲线半径取值受凹曲线上最大法向加速度控制,当列车运行速度一定时,横坡角越大,最小平曲线半径取值越小,而纵坡对最小竖曲线半径取值几乎无影响;当横坡角为2°,列车在正常条件下运行时,最小缓和曲线长度主要受最大侧向冲击控制,在困难条件下运行时,最小缓和曲线长度主要受最大法向冲击控制,当横坡角为4°、6°,列车在正常/困难条件下运行时,最小缓和曲线长度主要受最大法向冲击控制;按横坡角最大值6°考虑,列车以160 km/h在正常条件下运行时,建议最小平曲线半径及缓和曲线长度分别取970 m、120 m。该文研究成果可为中低速磁浮交通的选线设计提供理论依据和数据参考。

核酸提取装置的移液精度优化设计研究

为了提高核酸提取装置的移液精度和稳定性,以基于空气置换原理、活塞驱动方式的移液模块作为研究对象,提出了一种基于正弦函数的S型加减速曲线算法,并将其与匀加减速、抛物线型加减速曲线算法进行了仿真对比和实验验证。结果表明:采用基于正弦函数的S型加减速曲线算法的核酸提取装置,在移液量为10μL、20μL、50μL、100μL和200μL的不同工作条件下,移液精度均取得了显著的提升,同时实验数据的CV值满足JJG 646-2006移液器检定规程。

一种S型加减速组合的速度规划算法

针对传统NURBS曲线插补S型加减速的改进难以在加工柔性和加工效率上同时兼顾的问题,提出一种将多种S型加减速组合的速度规划算法。选取分别在加工柔性和加工效率上单独改进的两种S型加减速,并设计了一种兼顾柔性和效率的新改进S型加减速。在速度规划中,根据简化后的4种加减速形式,灵活组合这3种S型加减速,并采取合并曲线分段的速度平滑方式,减少了曲线段间的速度波动。仿真结果表明:该算法能在提高加工效率的同时满足加加速度的连续,最终实现加工柔性和加工效率的兼得。

一种加加速度连续平滑的新型柔性加减速控制算法

针对数控机床加工微小线段时因加加速度突变而导致精度和效率下降等问题,提出一种新型柔性加减速控制算法。该算法基于正弦函数构建了加加速度连续平滑的运动控制曲线,并通过分析数控机床加工线段的长度和初末速度,实现新型柔性加减速算法的速度规划。仿真与实验测试结果表明:与传统S形算法相比,该算法能有效地降低因加加速度突变引起的振动,提高数控加工过程中的平稳性与效率。

基于布谷鸟算法的数控系统加减速参数规划

针对传统加减速参数规划算法只适用于其对应加减速模型,移植性差以及求解动力学参数效率低的问题,提出一种适用于加减速段加加速度曲线中心对称模型的加减速参数规划算法。首先,构建加减速段加加速度曲线中心对称的模型,同时基于时间最优的原则,将模型内动力学参数规划问题转变为求解最优化问题;其次,具体化加减速段内加加速度首段曲线,构建最大速度与最短运动时间之间的映射关系;最后,设计布谷鸟算法内适应度函数,迭代寻找最优解。仿真实验证明,所提出算法能够适用于三阶、四阶S形以及正弦模型等复杂模型,求解效率较传统二分算法以及牛顿迭代法分别有65.8%、36.5%的提升,同时证明算法有效性、可靠性。

一种优化分段式控车曲线的方法

现有的车载分段式控车曲线是在UIC544-1标准的基础上,由车辆的制动性能(分段制动速度和制动减速度)构建的制动减速度模型生成的。这样的分段式控车曲线由于没有充分考虑外部环境对车辆制动性能的影响,导致计算出的控车曲线也不够精准,从而降低列车运行的安全性和有效性。为解决上述问题,通过对分段式控车曲线进行研究,提出一种优化方法。该方法将多种线路数据(如坡度、黏着等)与车辆制动数据相融合,生成更为精准的分段式控车曲线,确保列车在各种线路条件上更加安全高效的运行。

基于余弦函数运动轨迹规划的算法研究

在运动控制系统中加减速控制非常重要,它直接关系到机器运行的稳定性。本文首先分析了传统的梯形加减速的优缺点,从而提出了余弦函数加减速与梯形加减速结合算法;然后详细介绍了其推导过程。在倍福TwinCAT控制平台上对算法进行了仿真和实验分析。经过实验验证表明这种加减速算法能够克服传统的算法的缺点来得到较为理想的速度和加速度。

Speed Planning Algorithm Based on Improved S-Type Acceleration and Deceleration Model

The acceleration saltation of the traditional S-type acceleration model in the speed planning of the NURBS curve will result in the vibration and flexible impact of the machine tool.It will affect the surface quality of the components.The high speed smooth S-type acceleration and deceleration model deals with flexible impact,but the calculation is tedious.Aimed at the above problems,the traditional S-type acceleration and deceleration model is improved to make the jerk change linearly at a certain slope to reduce the flexible impact.Before the speed planning,it is needed to find the arc length and curvature of each point on the NURBS curve with a tiny step,and to determine the speed sensitivity point on the curve accordingly.According to the speed sensitive point,the NURBS curve is segmented.The attribute parameters of each section are determined by adaptive speed planning.Then,the speed planning can be performed on the NURBS curve according to the speed characteristics classification.The simulation results show that the algorithm can effectively reduce the flexible impact,improve the machining precision and efficiency,and simplify the classification of speed characteristics.

既有高速铁路减振措施对曲线地段适应性研究

减振型无砟轨道在一定程度上可解决高速列车运行所引起的振动噪声问题。既有文献以直线轨道为研究对象,从控制轨道振动角度出发,多角度定量或定性分析了轨道结构参数的合理取值。但由于直线轨道与曲线轨道的振动差异,曲线轨道横向振动是否纳入减振考虑范围,直线轨道减振参数对曲线轨道的适应性尚不清楚,亟需开展相关研究。通过多体系统动力学与有限元联合仿真,建立典型曲线地段车辆-轨道刚柔耦合模型,对比直线段、直缓地段、缓圆地段、圆曲线段轨道下部结构振动差异。研究结果表明:在相同的不平顺激励下,曲线地段脱轨系数为0.046,大于直线地段的0.012。随着列车从直线驶入曲线轨道,轨道板垂向振动加速度级在50 Hz减少了2.19 dB,相反横向振动加速度级增大了0.97 dB。采取同样的减振措施后,直线地段与曲线地段减振效果存在较大差异。相较于直线地段,曲线地段轨道板振动响应距规范限制有较多余量。同时,直线地段轨道板与底座板加速度级差值为14.45 dB,而曲线地段增大到17.41 dB。后续针对轨道减振设计时,应在所处地段的轨道模型中进行分析。

Jerk曲线连续的改进S型加减速算法研究

高精度的运动平台中,冲击是影响运动平台运动精度以及平稳性的重要因素。针对传统S型加减速算法所存在的Jerk曲线存在突变的问题,提出了一种Jerk曲线光滑的高平稳改进S型加减速算法。首先,以具有高柔性的正弦函数为基础,构造Jerk曲线;其次,为了克服嵌入式系统中计算正弦函数困难的问题,应用切夫雪比多项式逼近正弦函数,获得完整的加减速控制算法。在此基础上,进一步推导得出不同条件下各个阶段具体的时间规划;最后,在MATLAB环境中,进行仿真实验。实验结果表明,改进加减速算法的Jerk曲线连续且光滑,可实现不同初始参数下的平稳运行,提高了运动平台的控制精度。

基于四阶S曲线加减速的NURBS曲线插补算法

为提高NURBS曲线插补的运动平滑性,提出一种基于四阶S曲线加减速的NURBS曲线插补算法。该算法通过使用四阶S曲线加减速求解NURBS曲线节点上的速度,首先分析最大速度、最大加速度和最大加加速度的可达性,同时考虑非对称四阶S曲线加减速模型,并对较短弧长的采用二分法寻找实际最大速度,规划出31种速度曲线类型,然后根据NURBS曲线参数和约束条件生成对应的速度曲线。仿真结果表明,与三阶S曲线加减速控制的NURBS曲线插补算法相比,所提算法的插补精度更高,加速度曲线光滑且加加速度曲线连续无突变,降低其运动过程中的柔性冲击。

大转动惯量缠绕机加减速曲线优化设计

针对大转动惯量碳纤维缠绕机的加速和减速阶段运行不平稳、传动件易失效破坏等问题,提出了一种基于改进型Sigmoid加减速曲线的主轴运行曲线优化方案。首先,利用五次多项式对传统Sigmoid加减速曲线的跃变处进行补偿,以约束曲线起始点、衔接点、终止点的速度、加速度和急动度(加加速度)。然后,基于改进曲线的速度与加速度函数建立缠绕机的负载扭矩、电机输出功率、主轴强度与刚度以及缠绕圈数的数学模型,并以各阶段运行时长为设计变量、以电机最大输出功率最小和总运行时长最短为优化目标对曲线进行多目标优化,根据缠绕圈数、传动件强度与刚度等的约束条件,利用多目标遗传算法NSGA-Ⅱ(non-dominated sorting genetic algorithm-Ⅱ,非支配排序遗传算法-Ⅱ)求解模型的非支配解集,并利用比重选取函数选择最优解。最后,通过AMESim-ADAMS联合仿真对比加减速曲线优化前后缠绕机的运行效果。结果表明:优化后缠绕机的总运行时长、最大加速度、最大负载扭矩和最大输出功率分别降低了41.7%,75.8%,75.5%和72.8%,且主轴的运行曲线更加平滑,验证了优化方案的可行性。研究结果为大转动惯量旋转设备的运行不平稳或传动件失效问题提供了一种新的解决思路。

基于粒子群优化的改进四次S型加减速控制算法

针对基于传统三次S型加减速算法在数控机床起止端加加速度不连续,存在柔性冲击,以及传统四次S型加减速算法模型繁复,时间复杂度高的问题,设计加加速度曲线在加速区间、减速区间的开始和结束阶段连续不断变化,提高了速度曲线变化的平滑性,减低了工件加工运行时间。同时,提出一种基于粒子群算法的速度规划方法,根据加减速控制模型构建其适应度函数,继而得到加减速规划所需的所有参数。最后通过MATLAB对所提算法进行仿真实验。结果表明:所提算法能有效降低系统的柔性冲击,并提高加工精度和运行效率。

基于S型曲线误差补偿模型优化蠕动泵微量灌装精度的研究

针对蠕动泵在微升级灌装过程中误差较大的问题,建立了电机驱动频率与目标容量的关系模型,并针对微升级灌装时出现的脉动和气泡的现象,提出了一种基于S型加减速曲线的误差补偿模型,并将该模型与无误差补偿的梯形加减速、抛物线加减速进行了仿真与实验验证。结果表明:灌装40µL时,相对精度分别提高了72%、57%;灌装100µL时,相对精度分别提高了73%、61%;灌装200µL时,相对精度分别提高了74%、62%,验证了所提方法的正确性和可行性。