异形螺杆加工中插补算法及控制策略的研究
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摘要
包络法加工复杂异形螺杆效率较高，但仍不能满足用户对高精度和高效率的要求。插补运算的指标影响着工件的轮廓精度和表面粗糙度，并且影响机床的最大进给速度和生产效率，所以采用高效的插补算法和控制策略可提高加工精度和生产效率。本文针对在螺杆加工中存在的问题，提出了一种适用于螺杆加工的插补算法，并以该算法及其控制策略为理论基础来构建专用于螺杆加工的数控设备的数学模型。
所研究的适应于异形螺杆加工的插补算法包括两个模块的设计与实现，即控制算法模块、插补模块，它们是构建这种专用数控设备的基础。
控制算法模块是建立在插补算法的基础上，根据插补原理，直线轴伺服系统为位置随动系统，旋转轴伺服系统为变结构系统。本文建立了直线轴和旋转轴伺服系统的数学模型，并对该模型的动、静态特性进行分析。由于直线轴伺服系统未校正前系统的动态响应与稳态误差不能同时满足，因此本文采用复合校正的思想，先保证系统的动态特性，然后选择合适的复合信号加以校正，以减小稳态误差。由于旋转轴要实现从螺杆粗加工的调速系统切换到精加工的位置伺服系统，所以本文采用滑模控制的思想，使系统能够平稳、准确的实现这两种控制模式的切换。
插补模块的构建是本课题的最终目标，通过分析现在在异形螺杆加工中采用的插补算法——数据采样法所存在的问题，提出一种新的插补算法。本文以提高螺杆精加工的精度和螺杆粗加工的效率为约束条件来分别阐述这两个阶段的插补原理，并以该原理为基础来构建插补模块。
本文提出的插补算法将有效地提高异形螺杆加工的精度和效率，为异形螺杆的加工另辟新径。该算法简单、可行，具有较高的实用性。
It is efficient to manufacture the complicated special spiral rod by using the envelope method, but it cannot satisfy the requirement of the clients. The indexes of interpolation operation affect not only the profile precision and surface roughness of the workpiece, but the maximal marching velocity and manufacture efficiency of the machine. Aimed at the problems existing in the special spiral rod machining, this paper bring up a new interpolation, and according to the interpolation and its control arithmetic design a appropriative NC equipment of the special spiral rod .
The interpolation applied in the special spiral rod machine consists of the design and realization of two modules. They are the control arithmetic module and interpolation module, which are the foundation to design the appropriative NC equipment.
The control arithmetic module constitutes on the basis of the interpolation. According to the interpolation principle, the servo system of the line axis is a position following system, the rotary axis's is a variable structure system. The paper sets up the mathematics modules, and analyzes the dynamic performance and the stabilization performance of the system. Before the emendation the system cannot satisfy the requirement of the stabilization performance and dynamic performance at the same time, so the paper adopts the compound emendation strategy. First we make sure the dynamic performance of the system, then choose the appropriate compound signal to lessen the stabilization error. The servo system of the rotary axis will switch from the timing system of the spiral rod coarse processing to the position servo system of the spiral rod precise processing, so the paper adapts the slid model strategy to make the system realize the switch of the two control patterns.
The foundation of the interpolation module is the finial goal of the paper. By analysis the problems lying in the data sampling arithmetic, we bring up a new interpolation arithmetic. The paper illustrate the interpolation arithmetic on the obligation terms of the requirement of machining efficiency in the spiral rod coarse processing and the requirement of the precise in
machining efficiency in the spiral rod coarse processing and the requirement of the precise in the precise processing, and we set up the interpolation module on the base of interpolation principle.
The interpolation arithmetic will effectively improve the efficiency and precision in the special spiral rod machining, and it provide a new method of the special spiral rod machining. The arithmetic is simple, feasible, and have higher practicability.
所研究的适应于异形螺杆加工的插补算法包括两个模块的设计与实现，即控制算法模块、插补模块，它们是构建这种专用数控设备的基础。
控制算法模块是建立在插补算法的基础上，根据插补原理，直线轴伺服系统为位置随动系统，旋转轴伺服系统为变结构系统。本文建立了直线轴和旋转轴伺服系统的数学模型，并对该模型的动、静态特性进行分析。由于直线轴伺服系统未校正前系统的动态响应与稳态误差不能同时满足，因此本文采用复合校正的思想，先保证系统的动态特性，然后选择合适的复合信号加以校正，以减小稳态误差。由于旋转轴要实现从螺杆粗加工的调速系统切换到精加工的位置伺服系统，所以本文采用滑模控制的思想，使系统能够平稳、准确的实现这两种控制模式的切换。
插补模块的构建是本课题的最终目标，通过分析现在在异形螺杆加工中采用的插补算法——数据采样法所存在的问题，提出一种新的插补算法。本文以提高螺杆精加工的精度和螺杆粗加工的效率为约束条件来分别阐述这两个阶段的插补原理，并以该原理为基础来构建插补模块。
本文提出的插补算法将有效地提高异形螺杆加工的精度和效率，为异形螺杆的加工另辟新径。该算法简单、可行，具有较高的实用性。
It is efficient to manufacture the complicated special spiral rod by using the envelope method, but it cannot satisfy the requirement of the clients. The indexes of interpolation operation affect not only the profile precision and surface roughness of the workpiece, but the maximal marching velocity and manufacture efficiency of the machine. Aimed at the problems existing in the special spiral rod machining, this paper bring up a new interpolation, and according to the interpolation and its control arithmetic design a appropriative NC equipment of the special spiral rod .
The interpolation applied in the special spiral rod machine consists of the design and realization of two modules. They are the control arithmetic module and interpolation module, which are the foundation to design the appropriative NC equipment.
The control arithmetic module constitutes on the basis of the interpolation. According to the interpolation principle, the servo system of the line axis is a position following system, the rotary axis's is a variable structure system. The paper sets up the mathematics modules, and analyzes the dynamic performance and the stabilization performance of the system. Before the emendation the system cannot satisfy the requirement of the stabilization performance and dynamic performance at the same time, so the paper adopts the compound emendation strategy. First we make sure the dynamic performance of the system, then choose the appropriate compound signal to lessen the stabilization error. The servo system of the rotary axis will switch from the timing system of the spiral rod coarse processing to the position servo system of the spiral rod precise processing, so the paper adapts the slid model strategy to make the system realize the switch of the two control patterns.
The foundation of the interpolation module is the finial goal of the paper. By analysis the problems lying in the data sampling arithmetic, we bring up a new interpolation arithmetic. The paper illustrate the interpolation arithmetic on the obligation terms of the requirement of machining efficiency in the spiral rod coarse processing and the requirement of the precise in
machining efficiency in the spiral rod coarse processing and the requirement of the precise in the precise processing, and we set up the interpolation module on the base of interpolation principle.
The interpolation arithmetic will effectively improve the efficiency and precision in the special spiral rod machining, and it provide a new method of the special spiral rod machining. The arithmetic is simple, feasible, and have higher practicability.
引文
[1] 谢圣泉，朱国力等．曲轴磨削加工新方法与插补算法的研究．机械与电子，1998，(3)：31～33
[2] 王可等．异形螺杆加工所用无瞬心包络法原理与实践．制造技术与机床，1999， (5)：37～38
[3] 黄恺，李朝辉，苏铁明．数控摆线插补算法探讨．辽宁工学院学报， 2000， 20(4)：10～12
[4] 张春良．时间分割法摆线插补算法．组合机床与自动化加工技术，2000，(5)：13～16
[5] 罗欣，李光斌，朱涵梁．时间分割法抛物线插补算法的研究．组合机床与自动化加工技术，1994，(6)：34～38
[6] 胡自化．等速螺线的数字积分插补算法的研究与软件实现．机械与电子，1997，(3)：23～25
[7] 王虎符，王文格．阿基米德螺线插补算法的研究．组合机床与自动化加工技术， 1997，(5)：8～10
[8] 吴光琳，林建平等．B样条曲线的快速实时插补算法．模具工业， 2000，(10)：14～16
[9] 王峰，王爱玲． B样条曲线的插补算法实现． 华北工学院学报，2001， 22(6)：450～452
[10] 李卫东等．B样条列表曲线直线插补的自适应算法．机械科学与技术， 1999，(1)： 86～88
[11] 史旭明，赵万生等．二次曲线通用插补算法研究．电加工，1998，(4)：14～17
[12] 谢明江，肖本贤．非圆二次曲线通用插补算法．制造技术与机床，1996， (10)：18～20
[13] 周艳红．自由曲面CNC直接加工理论与技术的研究．华中理工大学博士学位论 文， 1997(5)：25～28
[14] 铃木裕，黑田丰，坂本正史．金型实时间加工用数值制御开发(第3报)—逆法基CAM实时间处理化，精密工学会志，1991，57(3)： 473～476
[15] Koren Yorarn, Lin R S. Five-Axis Surface Interpolators. Annals of CIRP, 1995, 44(1): 379～381
[16] Bedi S, All I, Ouan N. Advance Interpolation Techniques for NC Machines. ASME Journal of Engineering for Industry, 1993. 115(3):329～332
[17] 王太勇，赵巍，李宏伟等．快速最小插补算法．组合机床与自动化加工技术，2003，(6)：38～40
[18] Ruegg A. A Generalized Kinematic Model for Three-to-Five-Axis Milling Machines and Their Implementation in a CNC. Annals of CIRP, 1992, 41(1):547～550
[19] Chen Y D, Ni J, Wu S M. Real-Time CNC Tool Path Generation for Machining IGES Surfaces. ASME Journal of Engineering for Industry, 1993, 115(4):480～483
[20] 马桦．高性能曲线及空间曲面插补方法的探讨．机械与电子， 1995，(6)：24～25
[21] 游有鹏．改进最小偏差法——一种高精度快速插补算法．机械工业自动化， 1995，17(1)：32～34
[22] 史文胜．试论空间任意曲线的一种插补算法．佛山大学学报，1996，14(2)：56～59
[23] Shpitalni, V Korren and C C ld. Realtime curcve interpolations. CAD, 1994, (11):134～135
[24] Bedi, I Ali, N Quan. Advanced interpolation techniques for Ncmachines. Journal of Industry, 1993, (8):56～58
[25] C H Yang Daniel, Tom kong. Parametric Interpolator Versus Liner Interpolator for Precision CNC Machining. CAD, 1994, 3(26):256～259
[26] L. K. Landerbaugh. Dynamic modeling for Control of the Milling Process. Journal of Engineering for Industry, 1988, (11):367～370
[27] R. Arouzi. On-Line Optimization of the Tuming Process Using an Inverse Process Neurocontroller. Jounal of Manufacturing Science and Engineering, 1998, (2):101～108
[28] 高三德，周云飞等．曲面直接插补和组合曲面的自适应加工．计算机辅助工程，1995，(2)：30～34
[29] 曹荃等．快速原型制造系统中自适应轨迹特征的插补算法．中国机械工程，2001，8(5)：56～57
[30] 刘雄伟，王增强，扬海成．五坐标数控加工后置处理．组合机床与自动化加工技术，1994，(1)：28～32
[31] J.D.Decotignie. Distributed Pathand Speed Control in Machine-Tool Axis Motion. IECon'97: 772～777
[32] 蔡淮，苏波．线性与非线性多轴联动加工控制的插补算法及其实现．西南交通大学学报，1993，(1)：58～62
[33] 苏宏涛．多轴联动插补的规划算法．制造技术与机床，1999，(3)：29～31
[34] 李志勇，赵万生，张勇．用Huffman树实现的多坐标联动插补算法．中国机械工程，2003，14(13)：1142～1146
[35] 付云忠、富宏亚等．多轴联动线性插补及其速度的理解．组合机床与自动化加工技术，2001，(8)：41～43
[36] 邢渊，董林峰等．用神经网络发实现反向工程中的曲面插补．工艺过程自动化，1994：34～36
[37] 王立松，刘胜利，陈明君等．基于前向神经网络的抛物线轮廓插补．制造技术与研究，2001，(3)：21～24
[38] 李作情，肖金陵．基于神精网络的插补原理与方法．制造技术与机床，1996，7(1)：35～38
[39] 贾振元，郭东明等．摇摆式凸轮轴数控磨削插补算法及控制策略研究．机械工程学报，2001，37(4)：71～73
[40] Bradly N Damazo, Chles W Yang, Rober J gavin. Open architecture controls for precision machine tool. Proceeding of Machanism and controls for Ultraprecision Motion, 1994, (4): 6～8
[41] 史国生．交直流调速系统．北京：化学工业出版社，2002．
[42] 刘明尧、吴修德等．数控机床进给伺服系统的复合控制．江汉石油学院学报，1998，20(1)：77～80
[43] 曾乐生，施秒和．随动系统．北京：北京工业学院出版社，1988．
[44] [苏]B．T．科切特科夫等编．王文清译．随动系统的统计分析与最优化．北京：国防工业出版社，1984．
[45] 胡裕德，曾乐生，马东升．伺服系统原理与设计．北京：北京理工大学出版社，1993．
[46] 王爱玲．现代数控机床结构与设计．兵器工业出版社， 1999．
[47] 李成人．机床计算机数控．西安：西北工业大学出版社， 1996．
[48] 王润孝，秦现生．机床数控原理与系统， 1997．
[49] 胡寿松．自动控制原理．北京：国防工业出版社， 1994．
[50] 徐承忠等．数字伺服系统．北京：国防工业出版社， 1994．
[51] 宗孔德，胡广书．数字信号处理．北京：清华大学出版，1988．
[52] 童诗白．模拟电子技术基础．北京：高等教育出版社，1988．
[53] 郑治真．数字信号处理基础．北京：地震出版社， 1988．
[54] (美)A．V．奥本海牧，R．W．谢弗．离散时间信号处理．北京：科学出版社，1998．
[55] 楼顺天．于卫．基于MATLAB的系统分析与设计—控制系统．西安：西安电子科技大学出版社， 1998．
[56] 陈桂明，张明照，戚红雨，张宝俊．应用MATLAB建模与仿真．北京：科学出版社， 2001．
[57] 魏可新，王云亮，陈志敏．MATLAB语言与自动控制系统设计．北京：机械工业出版社，1999．
[58] 曹安照，田丽．离散滑模变结构控制系统的设计．电气传动自动化，1997，19(1)：26-28
[59] 苏步青．微分几何学．北京：高等教育出版社，1988．
[2] 王可等．异形螺杆加工所用无瞬心包络法原理与实践．制造技术与机床，1999， (5)：37～38
[3] 黄恺，李朝辉，苏铁明．数控摆线插补算法探讨．辽宁工学院学报， 2000， 20(4)：10～12
[4] 张春良．时间分割法摆线插补算法．组合机床与自动化加工技术，2000，(5)：13～16
[5] 罗欣，李光斌，朱涵梁．时间分割法抛物线插补算法的研究．组合机床与自动化加工技术，1994，(6)：34～38
[6] 胡自化．等速螺线的数字积分插补算法的研究与软件实现．机械与电子，1997，(3)：23～25
[7] 王虎符，王文格．阿基米德螺线插补算法的研究．组合机床与自动化加工技术， 1997，(5)：8～10
[8] 吴光琳，林建平等．B样条曲线的快速实时插补算法．模具工业， 2000，(10)：14～16
[9] 王峰，王爱玲． B样条曲线的插补算法实现． 华北工学院学报，2001， 22(6)：450～452
[10] 李卫东等．B样条列表曲线直线插补的自适应算法．机械科学与技术， 1999，(1)： 86～88
[11] 史旭明，赵万生等．二次曲线通用插补算法研究．电加工，1998，(4)：14～17
[12] 谢明江，肖本贤．非圆二次曲线通用插补算法．制造技术与机床，1996， (10)：18～20
[13] 周艳红．自由曲面CNC直接加工理论与技术的研究．华中理工大学博士学位论 文， 1997(5)：25～28
[14] 铃木裕，黑田丰，坂本正史．金型实时间加工用数值制御开发(第3报)—逆法基CAM实时间处理化，精密工学会志，1991，57(3)： 473～476
[15] Koren Yorarn, Lin R S. Five-Axis Surface Interpolators. Annals of CIRP, 1995, 44(1): 379～381
[16] Bedi S, All I, Ouan N. Advance Interpolation Techniques for NC Machines. ASME Journal of Engineering for Industry, 1993. 115(3):329～332
[17] 王太勇，赵巍，李宏伟等．快速最小插补算法．组合机床与自动化加工技术，2003，(6)：38～40
[18] Ruegg A. A Generalized Kinematic Model for Three-to-Five-Axis Milling Machines and Their Implementation in a CNC. Annals of CIRP, 1992, 41(1):547～550
[19] Chen Y D, Ni J, Wu S M. Real-Time CNC Tool Path Generation for Machining IGES Surfaces. ASME Journal of Engineering for Industry, 1993, 115(4):480～483
[20] 马桦．高性能曲线及空间曲面插补方法的探讨．机械与电子， 1995，(6)：24～25
[21] 游有鹏．改进最小偏差法——一种高精度快速插补算法．机械工业自动化， 1995，17(1)：32～34
[22] 史文胜．试论空间任意曲线的一种插补算法．佛山大学学报，1996，14(2)：56～59
[23] Shpitalni, V Korren and C C ld. Realtime curcve interpolations. CAD, 1994, (11):134～135
[24] Bedi, I Ali, N Quan. Advanced interpolation techniques for Ncmachines. Journal of Industry, 1993, (8):56～58
[25] C H Yang Daniel, Tom kong. Parametric Interpolator Versus Liner Interpolator for Precision CNC Machining. CAD, 1994, 3(26):256～259
[26] L. K. Landerbaugh. Dynamic modeling for Control of the Milling Process. Journal of Engineering for Industry, 1988, (11):367～370
[27] R. Arouzi. On-Line Optimization of the Tuming Process Using an Inverse Process Neurocontroller. Jounal of Manufacturing Science and Engineering, 1998, (2):101～108
[28] 高三德，周云飞等．曲面直接插补和组合曲面的自适应加工．计算机辅助工程，1995，(2)：30～34
[29] 曹荃等．快速原型制造系统中自适应轨迹特征的插补算法．中国机械工程，2001，8(5)：56～57
[30] 刘雄伟，王增强，扬海成．五坐标数控加工后置处理．组合机床与自动化加工技术，1994，(1)：28～32
[31] J.D.Decotignie. Distributed Pathand Speed Control in Machine-Tool Axis Motion. IECon'97: 772～777
[32] 蔡淮，苏波．线性与非线性多轴联动加工控制的插补算法及其实现．西南交通大学学报，1993，(1)：58～62
[33] 苏宏涛．多轴联动插补的规划算法．制造技术与机床，1999，(3)：29～31
[34] 李志勇，赵万生，张勇．用Huffman树实现的多坐标联动插补算法．中国机械工程，2003，14(13)：1142～1146
[35] 付云忠、富宏亚等．多轴联动线性插补及其速度的理解．组合机床与自动化加工技术，2001，(8)：41～43
[36] 邢渊，董林峰等．用神经网络发实现反向工程中的曲面插补．工艺过程自动化，1994：34～36
[37] 王立松，刘胜利，陈明君等．基于前向神经网络的抛物线轮廓插补．制造技术与研究，2001，(3)：21～24
[38] 李作情，肖金陵．基于神精网络的插补原理与方法．制造技术与机床，1996，7(1)：35～38
[39] 贾振元，郭东明等．摇摆式凸轮轴数控磨削插补算法及控制策略研究．机械工程学报，2001，37(4)：71～73
[40] Bradly N Damazo, Chles W Yang, Rober J gavin. Open architecture controls for precision machine tool. Proceeding of Machanism and controls for Ultraprecision Motion, 1994, (4): 6～8
[41] 史国生．交直流调速系统．北京：化学工业出版社，2002．
[42] 刘明尧、吴修德等．数控机床进给伺服系统的复合控制．江汉石油学院学报，1998，20(1)：77～80
[43] 曾乐生，施秒和．随动系统．北京：北京工业学院出版社，1988．
[44] [苏]B．T．科切特科夫等编．王文清译．随动系统的统计分析与最优化．北京：国防工业出版社，1984．
[45] 胡裕德，曾乐生，马东升．伺服系统原理与设计．北京：北京理工大学出版社，1993．
[46] 王爱玲．现代数控机床结构与设计．兵器工业出版社， 1999．
[47] 李成人．机床计算机数控．西安：西北工业大学出版社， 1996．
[48] 王润孝，秦现生．机床数控原理与系统， 1997．
[49] 胡寿松．自动控制原理．北京：国防工业出版社， 1994．
[50] 徐承忠等．数字伺服系统．北京：国防工业出版社， 1994．
[51] 宗孔德，胡广书．数字信号处理．北京：清华大学出版，1988．
[52] 童诗白．模拟电子技术基础．北京：高等教育出版社，1988．
[53] 郑治真．数字信号处理基础．北京：地震出版社， 1988．
[54] (美)A．V．奥本海牧，R．W．谢弗．离散时间信号处理．北京：科学出版社，1998．
[55] 楼顺天．于卫．基于MATLAB的系统分析与设计—控制系统．西安：西安电子科技大学出版社， 1998．
[56] 陈桂明，张明照，戚红雨，张宝俊．应用MATLAB建模与仿真．北京：科学出版社， 2001．
[57] 魏可新，王云亮，陈志敏．MATLAB语言与自动控制系统设计．北京：机械工业出版社，1999．
[58] 曹安照，田丽．离散滑模变结构控制系统的设计．电气传动自动化，1997，19(1)：26-28
[59] 苏步青．微分几何学．北京：高等教育出版社，1988．