[发明专利]速度敏感区间恒速曲线插补速度规划方法

说明书

技术领域

本发明属于精密高效数控加工技术领域，特别涉及一种参数曲线插补过程中的速度敏感区间恒速自适应加工进给速度规划方法。

背景技术

目前，高端装备制造领域迅速发展，对数字控制加工技术出了严峻挑战。对于传统的直线、圆弧插补数控加工来说，进行复杂曲线、曲面加工时，具有诸多缺陷，例如，利用微小直线、圆弧段代替曲线时产生的逼近误差，加工代码文件消耗存储量大，拐角处存在一阶不连续点导致的频繁加减速等。因此，近年来参数曲线插补技术得到了广泛研究。在参数曲线插补过程中，加工进给速度的合理规划至关重要。若进给速度规划不合理，极易导致数控加工中曲线曲率较大位置处的弓高误差过大，或进给轴加速度、加加速度超过机床驱动性能极限，降低加工精度和加工表面质量。此外，当加加速度过大时，会使机床加工进给轴产生较大冲击，从而影响机床使用寿命。因此，研究参数曲线插补过程中的加工进给速度规划方法对精密高效数控加工技术的发展具有重要意义。

查阅现有技术文献发现，文献“Real-time NURBS command generators for CNC servo controllers”，M.-Y.Cheng等，International Journal of Machine Tools and Manufacture，2002，42(7)：801-813，该文献采用恒定加工进给速度进行参数曲线插补，然而，若进给速度过高，易导致曲线曲率较大位置处弓高误差、进给轴加速度和加加速度过大；若进给速度过低，则影响曲线曲率较小位置处的加工效率。文献“A real-time configurable NURBS interpolator with bounded acceleration,jerk and chord error”，Annoni等，Computer-Aided Design，2012，44(6)：509-521，该文献提出一种基于加速度、加加速度和弓高误差约束的非均匀有理B样条曲线插补速度规划方法，然而，该方法所规划进给速度在插补过程中实时变化，即速度波动较大，不利于加工表面质量的提高，另外，该方法实时计算各插补点处的进给速度值，需要进行前瞻和插补预处理，消耗存储和计算量较大，一旦计算量超过控制器性能极限，极易引发机床震颤甚至损坏。

发明内容

本发明旨在克服现有技术缺陷，发明一种速度敏感区间恒速曲线插补速度规划方法，通过确定速度敏感区间及各区间内满足插补精度、进给轴加速度、加加速度极限要求的恒定进给速度值，合理规划参数曲线插补加工进给速度，实现满足加工效率与加工质量双重需求的区间恒速曲线插补。

本发明的技术方案是一种速度敏感区间恒速曲线插补速度规划方法，其特性在于，该方法首先判断在程序预设进给速度下，曲线上不满足弓高误差、法向加速度、法向加加速度(即法向加速度变化率)约束的参数区间，从而确定速度敏感区间，并将各速度敏感区间内的曲率半径最小点位置处的许用进给速度作为该速度敏感区间的进给速度初值；其次，以切向加速度、切向加加速度(即切向加速度变化率)为约束条件，通过逆向扫描降速过程进给速度规划和正向扫描升速过程进给速度规划，确定各速度敏感区间的进给速度值；再次，以切向加速度、切向加加速度为约束条件，确定过渡区域的升速起始、结束点和降速起始、结束点；最后，将曲线上各升速起始、结束点和降速起始、结束点及相对应的进给速度值作为数控代码，与曲线信息一起输入到插补器中，实现满足几何和驱动约束的速度敏感区间恒速参数曲线插补；具体步骤如下：

第一步 确定速度敏感区间

当加工进给速度为v时，曲线上弓高误差δ为：

式中，ρ为曲率半径，Ts为插补周期；因此，可得曲率半径为ρ时，几何约束，即弓高误差约束下的最大许用加工进给速度v_g(ρ)为：

其中，δ_lim为设定的弓高误差极限；

加工进给速度v、曲线曲率半径ρ与法向加速度a_n的关系为：

因此，法向加速度约束下的最大许用加工进给速度v_a(ρ)为：

其中，a_n,lim为数控系统设定的法向加速度极限；

加工进给速度v、曲线曲率半径ρ与法向加加速度j_n的关系为：

因此，法向加加速度约束下的最大许用加工进给速度v_j(ρ)为：