适用于复杂形面加工的多轴运动控制系统设计理论与方法研究

摘要

伴随着五轴加工中心、车铣复合机床等多轴加工机床越来越广泛的应用，适用于复杂形面高速高精加工的多轴运动控制技术越来越受到人们的重视。鉴于此，本文对与之密切相关的五轴NURBS插补理论与方法、通用型RTCP技术、三维空间刀具补偿技术、纳米级多轴联动柔性前瞻轨迹规划理论和适用于复杂形面加工的多轴运动控制系统的设计理论与方法展开了深入研究。
　　鉴于传统三轴NURBS插补所取得的良好加工性能，提出了一种适用于五轴加工的弱实时性NURBS插补方法。该方法采用两条NURBS曲线分别描述刀尖点的运动和刀轴矢量的变化，并通过先将NURBS曲线转换为Bézier曲线的方法实现了NURBS曲线的快速离散和离散精度的准确控制。
　　分类研究了常见结构五轴机床的刀具中心点控制方法，提出了适用于五轴机床的非线性误差快速校核和控制方法，并在此基础上提出了适用于多轴加工机械的通用型RTCP的概念，以用于将工件坐标系下的刀轴运动转换为多轴机床各轴的运动量。
　　针对多轴加工中的空间刀补问题，进一步提出了三重NURBS插补方法。通过采用第三条NURBS曲线描述刀具加工时切触点位置，有效解决了多轴NURBS加工中的空间刀具半径和长度补偿问题，并通过仿真实验对该方法的实用性进行了验证。
　　研究了与实现多轴高速高精加工密切相关的纳米级多轴联动柔性前瞻轨迹规划理论。对多轴线性插补中的柔性前瞻轨迹规划策略、段间速度转接技术、反向和正向速度规划方法、纳米级高精速度规划方法进行了深入研究，将S形加减速的速度曲线分为10种类型，并给出了每种速度曲线类型中相关参数的求解公式。提出了基于普通微处理器架构的纳米级高精轨迹规划方法。
　　研究和总结了适用于复杂形面加工的多轴运动控制系统的设计理论和方法。总结了影响多轴运动系统精度和速度的相关因素；通过对人机交互、NCK和PLC的设计理论和方法的研究，建立了较为完整的多轴运动控制系统的设计理论和方法；该套理论和方法应用于在了自主研发的数控系统中，并通过多轴加工实验对其有效性进行了验证。

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第一章 绪论

1.1课题研究背景与意义

1.2高端数控系统的发展状况

1.3相关技术的研究现状分析

1.4课题主要研究内容

第二章 基于刀轴矢量控制的五轴NURBS插补理论与方法研究

2.1 NURBS曲线的数学计算

2.2基于德布尔算法的任意次数NURBS曲线快速求解

2.3基于插补误差控制的三轴NURBS插补算法

2.4基于双NURBS曲线描述的五轴NURBS曲线插补

2.5本章小结

第三章 适用于五轴联动控制的通用型RTCP功能研究

3.1五轴机床运动学分析

3.2非线性误差分析与控制

3.3仿真与验证

3.4本章小结

第四章 基于RTCP与三重NURBS曲线描述的五轴空间刀具补偿技术研究

4.1基于RTCP的五轴空间刀补方法

4.2三重NURBS曲线描述带有刀补矢量的五轴加工轨迹

4.3三重NURBS曲线的定义

4.4三重NURBS曲线的快速离散方法

4.5基于NURBS插补的五轴空间刀具半径和长度补偿

4.6仿真与验证

4.7本章小结

第五章 纳米级多轴联动柔性前瞻轨迹规划理论研究

5.1适用于多轴联动的线性插补

5.2适用于高速加工的S型加减速控制

5.3基于多轴联动与S型加减速的前瞻轨迹规划理论

5.4纳米级柔性前瞻轨迹规划策略实现方法

5.5预读模式下的S型加减速仿真

5.6本章小结

第六章 适用于复杂形面高速高精加工的多轴运动控制系统总体设计与实现

6.1影响多轴控制系统最终控制精度和速度的各类因素分析

6.2多轴运动控制系统的总体架构设计

6.3人机交互设计

6.4 NCK设计

6.5 PLC设计

6.6多轴运动控制系统的设计与实现

6.7实验与验证

6.8本章小结

第七章 研究总结与展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢