[发明专利]一种高速数控机床加工速度自适应的前瞻插补方法

说明书

本发明公开了一种高速数控机床加工速度自适应的前瞻插补方法，该方法首先用NURBS曲线对加工曲线进行描述，并根据NURBS曲线中插补点曲率的变化确定了速度突变点的位置；接着提出基于弓高误差和三次多项式加减速算法计算突变点速度的局部最优解；然后分析突变点处速度的嵌套关系，给出了前瞻距离的有效计算方法；最后根据减速点的位置，在前瞻距离范围内进行反向插补，提出了进给速度的实时优化方案。本发明既能满足柔性加工的要求，又能提前发现加工中存在的速度突变点，从而优化进给速度，实现高精度加工。

技术领域

本发明属于数控加工技术领域，具体涉及一种高速数控机床加工速度自适应的前瞻插补方法。

背景技术

现代数控技术集机械、制造、自动控制、微电子和信息技术于一体，是现代制造技术中关键的环节之一，插补技术是数控系统实现轨迹控制的基础和运动控制的核心模块，是求取离散点之间的插补点，进行离散点的“密化”过程，其涉及到插补点的计算方法与插补进给速度规划方法。

非均匀有理B样条(Non-Uniform Rational B-Spline，简称NURBS曲线)因其设计灵活、算法稳定等优点成为计算机几何信息表达、设计和数据交换等方面的工业标准，在CAD/CAM系统中得到广泛应用，航空、宇航、汽车、模具等行业中大量自由型面采用NURBS曲线来表示。NURBS曲线插补在高速加工中的优势主要体现在：曲线信息完整、程序代码大为简化、加工精度更高、进给速度更快、进给运动过程平稳；因此研究NURBS曲线插补技术，对于提高计算机数字控制系统的性能具有十分重要意义。

前瞻插补算法是一种提前发现加工轨迹速度突变点，并对进给速度采取有效控制的方法。复杂轮廓的工件在进行高速加工时，加工路径如果遇到高曲率点或方向突变点，刀具运动会发生急转弯，为确保加工精度，须将速度降低至“弓高误差”范围内。但受机床性能的限制，速度瞬间大幅度降低无法实现。在加工过程中，大幅度降低速度需要刀具经过一段加工轨迹连续降低才能完成，须提前在高曲率点或方向突变点连续减速，因此数控系统的前瞻插补算法被提出。前瞻插补算法是为了在保证加工精度的同时实现高速加工。通过提前对加工轨迹进行分析和处理，发现高曲率点和速度突变点，进而找出减速点并对加工速度进行规划。在保证速度最大化的同时实现速度平滑过渡，满足加工精度的同时符合机床的加减速特性。若加工曲线中不存在曲率较大的地方，则应在保证数控系统平稳加速的前提下，尽量提高进给速度使加工效率得以提高。

现有前瞻控制中存在的问题总结为以下几部分：

1.速度突变点的求解：传统的自适应算法是通过该插补点曲率值以及弓高误差限制求得一个局部最优解，这种算法简单但也存在缺点，即若加工路径中存在大量速度突变点，此速度突变点还同相邻突变点相互影响；

2.前瞻距离的确定：传统的数控系统并未给出较好的解决方法，一般根据多次试验或测量数据给出一个固定值作为前瞻距离，这种算法简捷难度系数低，适合速度突变点出现频率较低的加工曲线。此外，选取固定值存在很多问题，不同加工路径差别较大。若固定值较大即前瞻距离过长，造成插补时间和存储空间的浪费，尤其在实时系统中，严重影响系统性能，降低加工效率。若固定值较小即前瞻距离过短，则不能完全消除速度突变点的影响，或者没有足够距离用以减速。

3.减速点位置的计算：根据预先分析的加工路径信息，在遇到速度突变点前需要提前减速。减速点位置的确定对曲线的加工影响较大，若因算法本身的问题导致减速点的位置提前，则加工可能残留；若减速点的位置滞后了，则不能准确停在加工指定的位置，进而影响加工精度。

4.速度的修调：在实际加工中可能出现当前加工段长度无法包含三次多项式加减速中完整的加速段、匀速段和减速段，若加工段长度较短则需要对突变点速度进行修调。由于三次多项式加减速算法在运动规划时的最大速度和加减速区长度是以连续型曲线计算得来，但在实际曲线加工时是以固定插补周期T离散运行，导致整段加工的末速度有较大偏差。

发明内容