基于轮廓误差控制的进给率定制方法研究

摘要

进给率定制是数控加工的关键环节，直接影响加工效率和加工精度。轮廓误差作为高速高精度数控系统的重要性能指标，其控制方法的研究也有着重要意义。因此，基于轮廓误差控制定制进给率，有利于实现零件的高速高精度加工。
　　提出待定系数系统辨识法，对含有PID控制器的三阶伺服控制系统进行辨识。该方法采用含待辨识参数的标准形式表示系统传递函数，利用最小二乘法处理扫频试验数据，得到角频率序列值及其对应的幅频序列值，最后通过求解广义逆矩阵得到待辨识参数。通过与频域辨识法进行仿真对比实验，该方法被证实具有很高的辨识精度。
　　建立基于伺服系统动态特性的轮廓误差模型。该方法以实际加工点到期望加工点处密切圆的距离作为轮廓误差估算值，具有较高的估算精度。结合伺服系统传递函数模型和轮廓误差圆弧逼近估算模型，考虑驱动系统动态特性对轮廓加工精度的影响，并推导进给率和轮廓误差之间的解析关系式。
　　提出基于轮廓误差控制的进给率定制算法。利用NURBS参数曲线表示三轴加工路径，得到曲率、导矢等几何信息。结合加工路径几何信息和各约束条件模型，得到进给率和弦高差约束、机床各轴速度约束、机床各轴加速度约束之间的线性解析关系式。最后利用线性规划算法求解满足各约束条件的进给率值，完成进给率定制。
　　利用三轴实验平台进行系统辨识实验，采用待定系数系统辨识法辨识得到系统传递函数。为进一步验证进给率定制算法在轮廓误差控制方面的有效性，选取典型的“白鸽”和“皇冠”形三轴加工路径，定制进给率并进行验证实验，最后结合实验结果进行分析，证明该算法能有效地减小轮廓误差，满足所有给定的约束条件。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 数控加工概述

1．1．1 数控系统发展趋势

1．1．2 数控插补技术

1．2 轮廓误差控制的研究现状

1．3 系统辨识技术的研究现状

1．4 课题研究意义及目的

1．5 主要研究内容及论文结构

2 参数曲线插补

2．1 NURBS曲线理论基础

2．1．1 NURBS曲线的定义

2．1．2 NURBS曲线的导矢计算

2．1．3 参数曲线数据点的参数化

2．1．4 NURBS曲线拟合

2．2 刀具路径的弧长参数化

2．3 参数曲线插补理论基础

2．3．1 参数曲线插补原理

2．3．2 参数曲线插补参数的计算

2．4 本章小结

3 基于伺服系统动态特性的轮廓误差模型

3．1 直线轮廓误差模型

3．2 圆弧轮廓误差模型

3．3 任意曲线轮廓误差模型

3．4 基于伺服系统动态特性的轮廓误差模型

3．5 本章小结

4 伺服控制系统的传递函数辫识方法

4．1 待定系数系统辨识法

4．2 频域辨识方法

4．3 仿真实验验证

4．4 本章小结

5 基于轮廓误差控制的进给率定制

5．1 进给率定制中的约束条件

5．1．1 弦高差约束

5．1．2 机床驱动约束

5．1．3 轮廓误差约束

5．2 进给率定制算法

5．2．1 进给率定制算法的目标函数

5．2．2 进给率定制算法的约束函数

5．2．3 进给率定制算法的简化计算

5．3 本章小结

6 实验及结果分析

6．1 系统辨识实验

6．1．1 实验平台

6．1．2 系统输入信号

6．1．3 系统输出信号

6．1．4 系统传递函数辨识结果

6．2 进给率定制算法仿真分析和实验验证

6．2．1 进给率定制算法仿真流程

6．2．2 仿真结果和实例验证

6．3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢