數(shù)控加工時(shí)間最優(yōu)進(jìn)給速度的光順研究*

王 琦，王桂榮

(中國計(jì)量大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

0 引 言

在航空航天、汽車領(lǐng)域的復(fù)雜零件的高精高速加工中，NURBS(non-uniform rational B-splines)插補(bǔ)應(yīng)用廣泛[1]。NURBS插補(bǔ)是在以NURBS曲線構(gòu)成的待加工軌跡上，進(jìn)行刀具進(jìn)給速度規(guī)劃，再計(jì)算每個(gè)插補(bǔ)周期的目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)。其中，對NURBS曲線的進(jìn)給速度規(guī)劃對加工時(shí)間及質(zhì)量有重要影響。

進(jìn)給速度規(guī)劃算法分為固定模式的加減速算法，如應(yīng)用廣泛且可實(shí)時(shí)進(jìn)行的S型加減速算法[2，3]，以及最優(yōu)時(shí)間速度規(guī)劃算法；其先建立數(shù)學(xué)最優(yōu)模型，再采用線性規(guī)劃[4]、粒子群算法(particle swarm optimization, PSO)[5]、啟發(fā)式算法[6]等求解滿足約束條件的速度曲線。最優(yōu)算法往往需要較長時(shí)間迭代，一般用于離線速度規(guī)劃，再進(jìn)行實(shí)時(shí)插補(bǔ)。相比固定模式的加減速算法，最優(yōu)算法搜索空間更大，可找到滿足各種約束下的加工時(shí)間更少的速度曲線。速度曲線的高階運(yùn)動(dòng)性質(zhì)對加工有重要影響，羅亮等[7]指出加加速度越平滑，工作臺振動(dòng)幅值的增加量就越小。傳統(tǒng)的加減速算法通過構(gòu)造連續(xù)的加加速度曲線，如三次多項(xiàng)式的速度曲線[8]，即可容易實(shí)現(xiàn)加加速度曲線的連續(xù)。然而，對于最優(yōu)算法，一般通過限定加加速度上界來約束，速度曲線光順性不足，加加速度曲線振蕩幅度大，速度曲線上的一些小尖峰雖然加快了加工速度，以充分發(fā)揮機(jī)床的加減速性能，但是造成了加加速度的急劇變化，造成了振動(dòng)。因此有必要對最優(yōu)算法得到的進(jìn)給速度曲線進(jìn)行光順。趙洋[9]將CAGD(computer aided geometric design)領(lǐng)域的能量光順法應(yīng)用到了速度曲線的光順問題中，但未直接針對最優(yōu)速度曲線，且光順調(diào)整過程未考慮到可能引起的違反約束問題，光順和曲線演化一起迭代進(jìn)行，有很多重復(fù)的計(jì)算工作。

本文在采用啟發(fā)式時(shí)間最優(yōu)速度規(guī)劃得到最優(yōu)速度曲線的基礎(chǔ)上，抓主要矛盾，提出固定部分區(qū)域光順的方法，采用數(shù)學(xué)建模方法，基于能量光順法對進(jìn)給速度曲線的光順性和時(shí)間性進(jìn)行建模，利用最優(yōu)化理論進(jìn)行求解，為最優(yōu)速度曲線的光順性提供直接的改善方法，使加工時(shí)間和加工質(zhì)量得到較好折衷。

1 進(jìn)給速度時(shí)間最優(yōu)化模型

1.1 待加工軌跡及進(jìn)給速度曲線的數(shù)學(xué)描述

二維待加工軌跡可直接用NURBS曲線表示，對于直線圓弧或離散點(diǎn)構(gòu)成的待加工軌跡可用NURBS曲線進(jìn)行擬合，由于NURBS曲線具有可微性，可實(shí)現(xiàn)待加工軌跡的光順。

NURBS曲線的定義[10]為:

(1)

式中：u—無量綱曲線參數(shù)；[x(u),y(u)]—u所對應(yīng)的曲線上一點(diǎn)的坐標(biāo)值；Pi—二維控制點(diǎn)i的坐標(biāo)；wi—Pi對應(yīng)的權(quán)因子；Ni,p(u)—節(jié)點(diǎn)向量U上的p次B樣條基函數(shù)，其中，U=[u0,u1,…,un+p+1]。

u對應(yīng)待加工軌跡的一點(diǎn)[x(u),y(u)]，這一點(diǎn)的一維進(jìn)給速度記為v(u)，v(u)-u可表示為曲線的形式，v(u)用p次一維B樣條來表示，即：

(2)

式中：Vi—等間隔u對應(yīng)的一維控制點(diǎn)序列中序號為i的控制點(diǎn)，i=0～n。

可通過調(diào)整控制點(diǎn)的值來調(diào)整速度曲線。B樣條曲線具有可微性，在節(jié)點(diǎn)區(qū)間內(nèi)部是無限次可微的，有利于速度曲線的光順性；同時(shí)，B樣條曲線又具有局部性，即調(diào)整一個(gè)控制點(diǎn)，僅對其周圍的曲線有影響，有利于局部調(diào)整曲線與約束檢查。

此處的B樣條次數(shù)取3次。

1.2 約 束

進(jìn)給速度規(guī)劃一般受以下3類約束限制：

(1)弦高誤差約束：

(3)

式中：ρ—曲率半徑；Ts—插補(bǔ)周期；emax—加工允許的最大弦高誤差；v—當(dāng)前進(jìn)給速度。

(2)工藝限制約束：

(4)

式中：vu—v(u)對參數(shù)u的導(dǎo)數(shù)；Pu—待加工軌跡P(u)對u的一階弧微分；au—a(u)對參數(shù)u的導(dǎo)數(shù)；Vmax,Amax,Jmax—工藝要求的刀具速度、加速度、加加速度極限。

(3)機(jī)床驅(qū)動(dòng)限制約束：

(5)

1.3 最優(yōu)模型

對于給定的NURBS待加工軌跡P(u)，進(jìn)給速度規(guī)劃的目標(biāo)是在滿足上述式(3～5)約束的前提下，盡可能提高速度，以減小加工時(shí)間。

決策變量是速度曲線v(u)的控制點(diǎn)值，目標(biāo)函數(shù)為加工時(shí)間的最小化，即：

(6)

2 光順?biāo)惴?/h2>

為降低機(jī)床加工時(shí)的振動(dòng)，提高工件的加工質(zhì)量，時(shí)間最優(yōu)的進(jìn)給速度需要光順。光順性的定義較為模糊，一般認(rèn)為光順曲線不存在奇點(diǎn)和多余拐點(diǎn)、曲率連續(xù)，且變化較小、應(yīng)變能較小。進(jìn)給速度的光順指提高對應(yīng)加工軌跡的進(jìn)給速度曲線的光順性。

本文面向時(shí)間最優(yōu)的速度曲線進(jìn)行光順，首先由啟發(fā)式速度規(guī)劃獲得時(shí)間最優(yōu)的速度曲線，然后對于已接近加工時(shí)間最優(yōu)的速度曲線：

(1)由于能量光順法是沒有方向性的，任一點(diǎn)的速度都可能變大或變小，容易超過約束限制；

(2)另外，加工時(shí)間的最優(yōu)性不能因?yàn)楦纳乒忭樞远罅肯陆怠?/p>

基于以上兩方面，筆者提出固定部分區(qū)域的光順?biāo)惴ā?/p>

2.1 獲得加工時(shí)間最優(yōu)的進(jìn)給速度曲線

可由啟發(fā)式算法來獲得時(shí)間最優(yōu)的進(jìn)給速度曲線，算法步驟為：

(1)生成初始的B樣條速度曲線，需確定控制點(diǎn)數(shù)量n、曲線次數(shù)p、節(jié)點(diǎn)向量U，控制點(diǎn)初始值為單個(gè)插補(bǔ)周期能從零達(dá)到的滿足約束的最大速度；

(2)對控制點(diǎn)進(jìn)行一輪調(diào)整，依次調(diào)整第2～n-1個(gè)控制點(diǎn)值，單個(gè)控制點(diǎn)采用二分法迭代[11]調(diào)整；

(3)計(jì)算本輪調(diào)整后的平均速度與上一輪的差值，若小于閾值，則獲得時(shí)間最優(yōu)的速度曲線，控制點(diǎn)向量記為V0，結(jié)束；否則，返回(2)。

2.2 固定部分區(qū)域的速度曲線光順?biāo)惴?/h3>

2.2.1 算法思路

部分區(qū)域首先指速度極小值區(qū)域，其次指固定極小值區(qū)域進(jìn)行光順后出現(xiàn)的超限區(qū)域。低速區(qū)域的速度大小對加工時(shí)間的影響非常重要，將低速區(qū)域固定，保持低速區(qū)域的最優(yōu)性，在此基礎(chǔ)上通過設(shè)置較大的逼近因子，使其余區(qū)域的最優(yōu)性大致保留。

此外，部分區(qū)域固定，其余區(qū)域的速度曲線整體會向固定區(qū)域靠近，這使得固定速度極小值區(qū)域后，速度的調(diào)整大致為向下調(diào)整，從而使超限的情況大量減少。對于光順后出現(xiàn)的超限區(qū)域，也將其作為固定區(qū)域，這樣光順前后這塊速度曲線與原來相同，則滿足約束。

2.2.2 固定部分區(qū)域光順的優(yōu)化模型

能量法是曲線光順常用的一種方法，本文算法在此基礎(chǔ)上進(jìn)行，通過曲線的應(yīng)變能來反映光順性，曲線應(yīng)變能越小光順性越好，光順后曲線應(yīng)變能為：

(7)

式中：α—曲線的光順因子；k—曲線曲率。

曲率k可近似為B樣條速度曲線對參數(shù)的二階導(dǎo)，即：

(8)

式中：v(u)—光順后u處的進(jìn)給速度值。

將式(8)代入式(7)，經(jīng)計(jì)算可得：

(9)

此外，光順后的速度曲線要與原來的時(shí)間最優(yōu)速度曲線相差盡可能小，曲線光順前后的偏離量記為：

(10)

決策變量是控制點(diǎn)序列的值。目標(biāo)函數(shù)為E1、E2都需要最小化，將雙目標(biāo)加權(quán)合為單目標(biāo)。固定部分區(qū)域通過對相應(yīng)控制點(diǎn)保持光順前后不變來實(shí)現(xiàn)，在優(yōu)化模型中作為約束條件出現(xiàn)。

現(xiàn)將固定部分區(qū)域的速度曲線光順的優(yōu)化模型表示如下：

決策變量：

V=[V0…Vj…Vm+2]T

(11)

(1)目標(biāo)函數(shù)：

(12)

(2)約束函數(shù)：

(13)

式中：l—固定區(qū)域的控制點(diǎn)序號。

(3)優(yōu)化模型的求解

以上是有等式約束的凸優(yōu)化問題，一般用拉格朗日乘子法解決，但該問題中，約束函數(shù)中能確定一些變量即固定控制點(diǎn)的最終值，那么問題可以看作比原來少一些變量的無約束凸優(yōu)化問題，可直接對變量求偏導(dǎo)得到最優(yōu)值。

方程的通用形式為：

(14)

對式(14)進(jìn)行化簡，且將α拓展為αi可得：

(15)

若控制點(diǎn)Vi需要固定，可將αi置為0，則有：

(16)

將式(14)中的Vj(j=0～m+2)提出到列向量中，m+3個(gè)等式寫成矩陣形式，即：

AV=C

(17)

式中：V—待求的控制點(diǎn)列向量，V=(Vi)m+3,1；A,C—m+3個(gè)等式中V提出后得到的矩陣、向量，A=(aij)m+3,m+3,C=(Ci)m+3,1。

其中：

(18)

式(18)的積分可采用梯形法計(jì)算，V的求解可采用高斯消元法。這樣通用形式求解的V與固定的控制點(diǎn)作為常量，其余控制點(diǎn)作為變量的無約束凸優(yōu)化問題同解，也與式(11～13)的等式約束的凸優(yōu)化問題同解。

2.2.3 算法步驟

(1)掃描控制點(diǎn)值確定多個(gè)極小值和極大值，將極小值對應(yīng)的控制點(diǎn)索引加入G，極大值的加入M；G代表固定的控制點(diǎn)的索引集合；

(2)對每個(gè)極小值左右相鄰的一個(gè)控制點(diǎn)，若該控制點(diǎn)的索引不屬于G或M，則加入G；此時(shí)G所代表的控制點(diǎn)成為極小值區(qū)域；

(3)將G對應(yīng)的控制點(diǎn)的光順因子αi置為0，實(shí)現(xiàn)光順?biāo)惴ㄖ凶钚≈祬^(qū)域的固定；

(4)進(jìn)行固定區(qū)域的能量光順，即對式(17)構(gòu)成的矩陣方程求解V；

(5)將求出的V構(gòu)成B樣條曲線，檢查超限區(qū)域，將超限區(qū)域附近的控制點(diǎn)值置為時(shí)間最優(yōu)規(guī)劃的結(jié)果值，將這些控制點(diǎn)依次加入G，轉(zhuǎn)入(4)，直到滿足約束或超限區(qū)域全部控制點(diǎn)加入G。

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

為驗(yàn)證本文方法的正確性和有效性，筆者在MATLAB上進(jìn)行仿真分析，在加工時(shí)間上和速度曲線的光順性方面，將所提算法與啟發(fā)式時(shí)間最優(yōu)算法進(jìn)行比較；在加工時(shí)間上，與三角函數(shù)型加減速算法[12]進(jìn)行比較。

所提算法與啟發(fā)式算法需要設(shè)置的參數(shù)如下：

B樣條曲線參數(shù)：曲線次數(shù)p=3，控制點(diǎn)數(shù)量n=201，節(jié)點(diǎn)向量采用準(zhǔn)均勻的B樣條曲線進(jìn)行生成；

啟發(fā)式算法：二分最大次數(shù)Ns=10，收縮因子Rf=0.68，結(jié)束迭代閾值為1，檢測步長0.000 1。

能量光順中，光順因子初始化為2×10-8，逼近因子初始化為9.8×10-7。得到進(jìn)給速度后，插補(bǔ)方法使用二階泰勒展開法[13]，得到插補(bǔ)步數(shù)后，計(jì)算加工時(shí)間。

筆者在相同的數(shù)控加工參數(shù)下和相同的待加工軌跡上運(yùn)行不同的算法。

數(shù)控加工參數(shù)如表1所示。

表1 數(shù)控加工參數(shù)

待加工蝴蝶形NURBS軌跡如圖1所示。

圖1 待加工蝴蝶形NURBS軌跡

3.1 規(guī)劃結(jié)果及約束情況分析

按以上參數(shù)，本文所提算法與時(shí)間最優(yōu)法規(guī)劃的進(jìn)給速度對比如圖2所示。

圖2 所提算法與時(shí)間最優(yōu)法規(guī)劃的進(jìn)給速度對比圖

圖2中，本文算法規(guī)劃的進(jìn)給速度符合小于250 mm·s-1的約束，兩條曲線基本重合，說明保留了時(shí)間最優(yōu)性，但振蕩處進(jìn)行了光順(詳見圖2中的放大處)。

所提算法與時(shí)間最優(yōu)法進(jìn)給加速度對比如圖3所示。

圖3 所提算法與時(shí)間最優(yōu)法規(guī)劃的進(jìn)給加速度對比圖

由圖3可知：本文所提算法的進(jìn)給加速度符合小于800 mm·s-2的約束；且相比于時(shí)間最優(yōu)法，一些尖峰值減小，振蕩區(qū)域幅度也減小。

本文所提算法與時(shí)間最優(yōu)法進(jìn)給加加速度對比如圖4所示。

圖4 所提算法與時(shí)間最優(yōu)法進(jìn)給加加速度對比圖

由圖4可知：本文所提算法的進(jìn)給加加速度符合小于26 400 mm·s-3的約束；且相比于時(shí)間最優(yōu)法，多處尖峰值明顯減小，振蕩區(qū)域幅度也減小。

本文所提算法與時(shí)間最優(yōu)法單軸加加速度對比如圖5所示。

圖5 所提算法與時(shí)間最優(yōu)規(guī)劃法單軸加加速度對比圖

由圖5可知：本文所提算法的單軸加加速度符合小于26 400 mm·s-3的約束，相比于時(shí)間最優(yōu)法，多處尖峰值明顯減小，振蕩區(qū)域幅度也減小；此外，弦高誤差、單軸速度、單軸加速度都符合表1約束。

結(jié)合圖(2～5)可知：本文所提算法通過平緩速度振蕩較大的區(qū)域而其他區(qū)域基本不變，使得相應(yīng)的加速度、加加速度及單軸的加速度和加加速度振蕩幅度減小，從而降低了機(jī)床加工時(shí)的振動(dòng)，且保留時(shí)間最優(yōu)性。

3.2 光順性與時(shí)間性分析

筆者使用加速度、加加速度的平均采樣步長改變量來表示振蕩程度，采樣步長0.000 1。

兩種算法單軸運(yùn)動(dòng)性質(zhì)光順性對比如表2所示。

表2 兩種算法單軸運(yùn)動(dòng)性質(zhì)光順性對比

由表2可知：與啟發(fā)式時(shí)間最優(yōu)法相比，本文所提算法的x、y軸加速度曲線的平均采樣步長改變量平均下降8.34%，x、y軸加加速度曲線的平均采樣步長改變量平均下降16.37%；由此可見，單軸運(yùn)動(dòng)性能的光順性得到了較大改善。

在蝴蝶形NURBS待加工軌跡上，不同算法加工時(shí)間如表3所示。

表3 不同算法加工時(shí)間對比表

由表3可知：本文算法比啟發(fā)式時(shí)間最優(yōu)規(guī)劃算法僅多用了0.22%的加工時(shí)間，比三角函數(shù)型加減速算法少了19.8%的加工時(shí)間；可見，經(jīng)本文的算法光順后，保留了大部分的時(shí)間最優(yōu)性。

4 結(jié)束語

本文對數(shù)控加工速度規(guī)劃的加工時(shí)間和加工質(zhì)量的平衡問題，進(jìn)行了時(shí)間最優(yōu)速度曲線的光順研究，提出了固定部分區(qū)域的光順?biāo)惴ǎ?jīng)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在滿足速度規(guī)劃約束和保留大部分時(shí)間最優(yōu)性的前提下，可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)給速度曲線的光順；同時(shí)，可以減小加速度、加加速度及單軸相應(yīng)性質(zhì)的振蕩程度，有利于實(shí)現(xiàn)高速高精加工。

該算法中，目前對速度極小值區(qū)域的范圍界定方法簡單，因此，如何更精細(xì)地確定范圍以獲得更好的時(shí)間性和光順性，這是下一步需要進(jìn)行的研究。同時(shí)，該方法還有待與其他的時(shí)間最優(yōu)性算法相結(jié)合；所面向的二維NURBS加工曲線還有待于向三維曲面加工方向進(jìn)行拓展。