螺旋线插补速度规划及其插补参数求解方法

第51卷 第11期 2018年11月天津大学学报(自然科学与工程技术版)Journal of Tianjin University (Science and Technology )V ol. 51 No. 11Nov. 2018收稿日期：2018-03-13；修回日期：2018-07-07.作者简介：王太勇（1962— ），男，博士，教授，**************.cn. 通讯作者：尤中桐，*********************.基金项目：国家自然科学基金资助项目(51475324)；天津市科学技术委员会资助项目(16PTGCCX00080).Supported by the National Natural Science Foundation of China (No.51475324) and the Tianjin Science & Technology Council(No.16PTGCCX00080).DOI:10.11784/tdxbz201803042螺旋线插补速度规划及其插补参数求解方法王太勇，尤中桐，辛全琦(天津大学机械工程学院，天津 300350)摘 要：提出了一种基于曲率特性与7段式S 型加减速的阿基米德螺线插补算法．该插补算法的速度规划综合考虑了螺旋线变半径特性与曲率特性对运行速度的持续限制，以求得到合理的速度规划结果．针对一般插补参数求解方法存在较高速度波动率的问题，设计了一种基于改进牛顿迭代的预估-校正法．该方法以1阶泰勒展开法求解迭代初值，然后利用改进牛顿迭代计算限定的次数得到精确值，最后通过仿真对比与实验说明其优势与应用价值，该方法可有效降低速度波动率，且满足数控系统实时性要求．关键词：阿基米德螺线；加减速规划；速度波动；改进牛顿迭代中图分类号：TH164 文献标志码：A 文章编号：0493-2137(2018)11-1107-10Spiral Interpolation Velocity Planning and Method of SolvingInterpolation ParametersWang Taiyong ，You Zhongtong ，Xin Quanqi(School of Mechanical Engineering ，Tianjin University ，Tianjin 300350，China )Abstract ：This study aims to propose an Archimedes spiral interpolation algorithm based on curvature characteristicsand 7-segment-S-type acceleration/deceleration. To obtain a reasonable velocity planning result ，the constant limita-tion of the variable spiral radius and curvature characteristics related to the running velocity was considered in the velocity planning of this interpolation algorithm. To reduce the high rate of velocity fluctuation in the general method of solving interpolation parameters ，a predictor-corrector method based on an improved Newton iteration was de-signed. The first-order Taylor expansion method was used to obtain the initial iteration value ，and then the exact value was obtained by the improved Newton iteration. The advantages and application value of the predictor-corrector method are shown by simulation comparison and experiment. The method can effectively reduce the rate of velocity fluctuation and meet the real-time requirement of the computer numerical control (CNC )systems.Keywords ：Archimedes spiral ；acceleration/deceleration planning ；velocity fluctuation ；improved Newton iterationmethod制造业迅猛发展，在航空、航天、汽车、模具制造等领域，复杂曲线类零件的应用越来越广泛．是否具有空间参数曲线实时插补功能，是衡量数控系统加工能力的一个重要标志[1]，然而除少数国外高端数控系统(西门子840D 、法那科30i 等)具有复杂参数曲线插补功能外，国内大多数数控系统通常只提供直线、圆弧插补功能[2-3]，所以拓展插补功能是数控技术领域创新性发展的重要任务之一．在这方面，一些学者立足于阿基米德螺线(简称为螺旋线)的工程实际应用，进行了其数控加工方法研究，大致可划分为以下3个方向．(1) 基于时间分割法．罗良玲等[4]基于时间分割思想，以当前点位置与一个插补周期内的进给量作为已知条件，推导出插补点间的递推公式，进而求得各轴的增量．但是递推公式成立的前提是参数增量足够小，而这会限制最大运行速度，降低效率．·1108· 天津大学学报(自然科学与工程技术版) 第51卷 第11期(2) 基于数控系统宏功能．针对内置锥形螺纹与螺旋线形凸轮的加工，刘萍等[5]、邵伟平[6]与沈文华等[7]分别设计了基于FANUC 宏程序的螺旋线插补模板．但是其本质是基于等参数法的小线段或小圆弧段逼近螺旋线，然后再进行直线、圆弧插补，该逼近计算过程由数控系统完成，增加了计算负担，影响实时性．(3) 基于极坐标机床．Qiu 等[8]提出了一种采用微段螺旋线逼近待加工曲线的拟合算法，并详细分析了逼近误差，但是微段螺旋线的加工需要借助极坐标数控机床．鉴于此，Hu 等[9]搭建了基于极坐标系的加工平台，利用数控转台转动与线性轴径向移动合成螺旋线轨迹．但是加工时，螺旋线中心必须与数控转台回转中心重合，这就给工件的装夹、调整带来了不便.本文以螺旋线参数化插补为出发点，提出了一种基于曲率特性与7段式S 型加减速[10]的螺旋线插补算法．阐述了该插补算法的速度规划方法，引入自适应插补的概念，考虑了曲率变化对运行速度的持续限制，保证在插补精度、柔性加减速等约束条件下得到合理的速度规划结果．利用加权与相似三角形原理，提出了一种基于改进牛顿迭代的预估-校正法来求解插补参数，阐明了其计算原理，最后通过仿真与实验说明其优势与应用价值：在满足数控系统实时性要求的前提下，能有效降低速度波动率，减少迭代次数．1 阿基米德螺线方程阿基米德螺线是一种平面二维曲线．在《论螺线》一书中，阿基米德给出了如下定义：当一点P 沿动射线OP 以等速率运动的同时，这条射线又以等角速度绕点O 旋转，点P 的轨迹被称为“阿基米德螺线”．如图1所示，假设射线的初始长度为ρ0，其与x 轴的初始夹角为0，点P 的运动速率为v 0，那么阿基米德螺线的极坐标方程可表示为00ρρθ=+v (1)式中：ρ为点P 到坐标系原点O 的距离；θ为射线OP 与x 轴正向的夹角；ρ0与v 0为常数．由式(1)可得到对应的直角坐标参数方程为0000()cos ()sin ρθθρθθ=+⎧⎨=+⎩x v y v (2)利用微积分方法，可以得到螺旋线的弧长积分公式为2002()2v v L v θρθ+=⋅0000arsinh()2v v vρθ+ (3)图1 平面阿基米德螺线Fig.1 Archimedes spiral in a plane进一步可求得式(3)对应的1阶导数为()L θ′=22(4)更一步可求得式(3)对应的2阶导数为2()L θ′′222(5)由2阶泰勒展开式得到21121()()()()L L L θθθθθ′=+−+ 21210.5()()θθθ′′−L (6)进一步变换，可得211()()()-θθθθ′==Δ+S L L L 210.5()θθ′′ΔL (7)所以已知弧长S 与当前位置参数θ1，求解式(7)这个一元二次方程可得到对应的位置参数增量．2 基于弓高误差约束的螺旋线自适应插补参数曲线插补计算过程中，主要包括径向误差和2018年11月 王太勇等：螺旋线插补速度规划及其插补参数求解方法 ·1109·弓高误差，由于径向误差很小，通常可以忽略[11]．为保证加工精度，实时插补时相邻插补点间的弓高误差必须在允许范围内．图2为插补点间的弓高误差示意图，其中ER i 为弓高误差，r i 为当前插补点的曲率半径，L i 为当前插补点与下一插补点之间的直线距离，θi 和θi+1分别为当前插补点和下一插补点所对应的位置参数．由图2所示的几何关系，可得ER =i i r (8)图2 相邻插补点间的弓高误差Fig.2Chord error between adjacent interpolation points所以进给速度达到弓高误差约束后，在螺旋线曲率半径变化的持续限制下，进给速度=i v (9)式中：T 为插补周期；v i 为该插补周期的进给速度；εmax 为允许的最大弓高误差．根据式(9)求出的实际进给速度，可以求得该插补周期内的位移，进而利用第4节的插补参数计算方法求得下一插补参数．3 螺旋线插补算法的速度规划3.1 速度规划原理速度规划就是针对某一段参数已知的螺旋线，根据给定的起始速度、终止速度和编程速度，经过一系列计算判断，确定插补该段螺旋线的速度变化规律．由于本文在速度规划上综合了7段式S 型加减速与基于弓高误差约束的自适应插补，所以速度规划结果最多由以下几部分组成：加速、匀速、减速、自适应速度变化．其中加、减速方式分为4种类型：①加加速-匀加速-减加速；②加加速-减加速；③加减速-匀减速-减减速；④加减速-减减速． 3.2 速度规划算法假设起始速度为v s ，终止速度为v e ，编程速度为F ，最大加加速度为J max ，最大加速度为A max ，螺旋线起点处θs 与终点处θe 在弓高误差约束下的最大速度分别为v s_ce 与v e_ce ，由螺旋线的变半径特性可知，螺旋线上其他点在弓高误差约束下的最大速度均介于二者之间．另外这里只考虑v s ＜v s_ce 、v e ＜v e_ce 且v s ＜F 、v e ＜F ．根据编程速度F 与v s_ce 和v e_ce 的关系，分为3种情况进行讨论．情况1 F ≥v s_ce 且F ≥v e_ceF 超过了弓高误差约束下的最大速度，此时无需考虑F 对速度规划的影响，最大速度仅由弓高误差限制．接下来的关键就是根据起始速度，求解加速达到弓高误差约束速度的位置点与其对应的加速阶段时间．假设以v s 加速达到弓高误差约束速度的位置点参数为θs_ce ，根据式(10)可以计算，以起始速度进行加速度从0加到A max 而后减为0的加速过程所需要的距离S _1，所需时间2T ，速度变化量v _1．螺旋线的总长为S _total ，可利用式(3)求得 max max3_1max 2_1max 2T A J S Tv J T v J T =⎧⎪=+⎨⎪=⎩(10)(1) 若S _1＞S _total ，则在求解θs_ce 时，加速方式一定为加加速-减加速，且θs_ce 一定位于区间[θs ，θe ]内．(2) 若S _1≤S _total ，则需要进一步判断当前速度v _c ＝v s ＋v _1是否超过了当前位置点θs_c 处的弓高误差限制．由式(7)，代入S ＝S _1与θ＝θs 可求得Δθ，进一步得到θs_c ＝θs ＋Δθ，再利用式(1)与式(6)可得到当前位置点弓高误差限制的最大速度v i ．若v _c ＜v i ，则在求解θs_ce 时，加速方式一定为加加速-匀加速-减加速，且θs_ce 一定位于区间[θs_c ，θe ]内．若v _c ＞v i ，则在求解θs_ce 时，加速方式一定为加加速-减加速，且θs_ce 一定位于区间[θs ，θs_c ]内． 确定了加速方式与解所在的区间[θss ，θee ]，便可利用二分法求解θs_ce 的精确值．过程如下所述．(1) 取区间中点θtemp ＝0.5(θss ＋θee )．(2) 利用式(3)计算起始点θs 到中点θtemp 的距离S 1，进而利用式(11)和式(12)计算运行到该点达到的速度v 1．当加速方式为加加速-匀加速-减加速时，2s max max max max max 2max max max s 0.5(2/)(2/)/S v A J A t A J t v A J A t v v v⎧=++⋅⎪+⎪⎨Δ=+⎪⎪=+Δ⎩(11)·1110· 天津大学学报(自然科学与工程技术版) 第51卷 第11期当加速方式为加加速-减加速时，3s max 2max s 2S v t J t v J t v v v⎧=+⎪Δ=⎨⎪=+Δ⎩(12)(3) 根据该中点的位置参数θtemp ，利用式(1)与式(6)得到弓高误差限制的最大速度v 2．(4) 比较v 1与v 2的大小关系，缩小二分区间范围．若v 1与v 2之差满足精度要求，则停止计算，θtemp 即为待求的θs_ce ．若v 1＜v 2，则令θss ＝θtemp ；若v 1＞v 2，则令θee ＝θtemp ；返回步骤(1)继续计算． 采用上述方法进行反向加速即可求得θe_ce ，这里不再赘述．在求得了θs_ce 与θe_ce 后，根据二者的大小关系可确定整个螺旋线的速度规划结果：若θs ＜θs_ce ＝θe_ce ＜θe ，速度规划结果为加速[θs ，θs_ce ]-减速[θs_ce ，θe ]；若θs ＜θs_ce ＜θe_ce ＜θe ，速度规划结果为加速[θs ，θs_ce ]-自适应插补[θs_ce ，θe_ce ]-减速[θe_ce ，θe ]；若θs ＜θe_ce ＜θs_ce ＜θe ，则达不到弓高误差约束的最大速度，速度规划结果为加速[θs ，θse ]-减速[θse ，θe ]，这时需要求解实际的加速终点θse ．分析可知，此时加速终点对应的参数一定位于区间[θe_ce ，θs_ce ]内，采用二分法进行求解，步骤如下所述．(1) 取区间中点θtemp ＝0.5(θe_ce ＋θs_ce )．(2) 利用式(3)分别计算起始点θs 与θe 到中点θtemp 的距离S s 与S e ，通过判断S s (S e )与S _1的大小关系确定加速方式(对θe 来说是反向加速)，再利用式(11)或式(12)计算运行到该点达到的速度v ss 与v ee ，同时记录下相应的加减速方式．(3) 比较v ss 与v ee 的大小关系，缩小二分区间范围．若v ss 与v ee 之差满足精度要求，则停止计算，θtemp 即为待求的θse ．若v ss ＜v ee ，则令θe_ce ＝θtemp ；若v ss ＞v ee ，则令θs_ce ＝θtemp ；返回步骤(1)继续计算． 情况2 F 介于v s_ce 与v e_ce 之间 相比于情况1，这里在求得了θs_ce 与θe_ce 后，还需要考虑编程速度F 与螺旋线半径变化趋势的影响．假设在弓高误差约束下F 对应的位置点参数为θF ，若存在匀速段，其终点位置参数为θue (求法在后文给出)，螺旋线半径逐渐增大(即v 0＞0)．根据θs_ce 、θe_ce 与θF 三者的大小关系，可确定整个螺旋线的速度规划结果．若θs ＜θF ＜θs_ce ＜θe_ce ＜θe ，速度规划结果为加速[θs ，θF -匀速[θF ，θue ]-减速[θue ，θe ]．若 θs ＜θs_ce ＜θF ＜θe_ce ＜θe ，速度规划结果为加速[θs ，θs_ce ]-自适应插补[θs_ce ，θF ]-匀速[θF ，θue ]-减速[θue ， θe ]．若θs ＜θs_ce ＜θe_ce ＜θF ＜θe ，速度规划结果为加速[θs ，θs_ce ]-自适应插补[θs_ce ，θe_ce ]-减速[θe_ce ，θe ]．若 θs ＜θe_ce ＜θs_ce ＜θe ，则达不到弓高误差约束的最大速度，按照前文二分法可求解实际的交汇点θm 与达到该点的速度v m ，然后比较F 与v m 的大小关系：若F ＜v m ，说明速度超限，速度规划结果为加速[θs ，θF ]-匀速[θF ，θue ]-减速[θue ，θe ]；若F ＞v m ，则无需考虑F 的影响，速度规划结果为加速[θs ，θm ]-减速[θm ，θe ]．若 θs ＜θe_ce ＝θs_ce ＜θe ，则实际的交汇点即为θs_ce (θe_ce )，记达到该点的速度为v m ，比较F 与v m 的大小关系：若F ＜v m ，说明速度超限，速度规划结果为加速[θs ，θF ]-匀速[θF ，θue ]-减速[θue ，θe ]；若F ＞v m ，则无需考虑F 的影响，速度规划结果为加速[θs ，θs_ce ]-减速[θs_ce ，θe ]．匀速段的终点位置参数θue 可由下述方法求解．(1) 通过判断F －v e 与v _1的大小关系，利用式(13)和式(14)求解v e 反向加速到F 所需要的时间，再进一步计算所运动的距离S ．若F －v e ＞v _1，则有e _1max max max2e max max max //0.5(2/)(2)t F v v A T J A S v A J A t T t ⎧=−−⎪=⎨⎪=+++⎩匀加加加加加匀加(13)若F －v e ＜v _1，则有e max 2t S ⎧⎪⎨=⎪⎩加加加加加加 (14)(2) 利用式(7)求解参数增量Δθ，进一步可得到θue ＝θe －Δθ，同时记录其加减速方式． 采用相同的分析方法可得到螺旋线半径逐渐减小(即v 0＜0)情况下，整个螺旋线的速度规划结果． 情况3 F ≤v s_ce 且F ≤v e_ce这时无需考虑弓高误差对运行速度的限制，问题转变为已知起始速度、终止速度、编程速度与运动距离的S 型加减速规划，具体规划方法可参考文献[12]，这里不再赘述．上述速度规划算法的完整流程如图3所示． 至此，根据速度规划结果与其对应的加减速方式，可求得各段的运行时间、关键点的速度、加速度、加加速度等信息，为求解插补参数做准备．需要说明的是，上述算法中的二分法在实际应用过程中，二分次数仅十几次就可以达到计算要求，并不会对数控系统的实时性造成太大影响．2018年11月王太勇等：螺旋线插补速度规划及其插补参数求解方法 ·1111·图3速度规划算法流程Fig.3Flow chart of velocity planning algorithm4 插补参数实时计算插补点计算的关键在于插补参数的求解，即已知当前插补参数与该插补周期内的位移，求解下一插补参数，其求解的精度与速度直接决定了最终的插补效果与加工质量．常用的泰勒展开法在求解插补参数时，由于存在截断误差，导致插补点求解不够精准，引起较大的速度波动．鉴于此，本文采用了一种基于改进牛顿迭代的预估-校正法，其原理如下．4.1 预估初值的确定由1阶泰勒展开式可知1111()()()()()()()()θθθθθθθθθθ++++′≈+−⎧⎨′Δ=−≈−⎩i i i i ii i i i iL L LL L L L(15)式中：θi为已知的当前插补参数；θi＋1为待求的下一插补参数；ΔL为两点间的弧长．将该插补周期内移动的距离S代入式(15)可得到下一插补参数1()θθθ+=+′i iiSL(16)利用式(16)即可计算得到下一插补参数的预估初值，为后续的迭代校正所用．4.2 改进牛顿迭代假设p(θi)与p(θi＋1)分别为当前插补点与所求下一插补点的位置，根据速度波动率[13]的定义可构·1112· 天津大学学报(自然科学与工程技术版) 第51卷 第11期造函数11()()(,)100%θθθθ++−−=×i i i i p p SH S(17)实际求解θi ＋1时，通常期望式(17)等于0，即不存在速度波动．由于式(17)为复杂的非线性方程，这里采用数值解法——改进牛顿迭代进行求解，迭代初值采用预估初值．迭代公式如下：()(1)()111()1(,)(,)θθθθθθ+++++=−′k k k i i i i k i i H H (18)与传统的牛顿迭代不同的是，改进牛顿迭代在每次迭代计算后并不是把本次迭代计算得到的结果直接作为下次迭代的输入值，而是按照下述基于加权与相似三角形原理的规则进一步求解下次迭代的输入值，使其更接近理想解，以加快收敛速度．假设迭代初值是()1θ+k i ，迭代一次后结果为(1)1θ++k i ，H (θi ，()1θ+k i )与H (θi ，(1)1k i θ++)为二者对应的速度波动率，(1)1,temp k i θ++为待求的下次迭代的实际输入值．(1) 如图4所示，若H (θi ，()1θ+k i )H (θi ，(1)1θ++k i )≤ 0，则理想解介于二者之间，设()1θ+k i 对应的权重为W (θi ，()1θ+k i )，(1)1θ++k i 对应的权重为W (θi ，(1)1θ++k i )，可以得到(1)1()1(1)()11(,)(,)(,)(,)k i i k i i k k i i i i H W H H θθθθθθθθ++++++=− (19)()1(1)1(1)()11(,)(,)(,)(,)θθθθθθθθ++++++=−k i i k i i k k i i i i H W H H(20)则(1)1,temp k i θ++的值为(1)()()(1)(1)1,temp 1111(,)(,)k k k k k i i i i i i i W W θθθθθθθ++++++++=+(21)(2) 如图5、图6所示，若|H (θi ，()1θ+k i )|＞|H (θi ，(1)1θ++k i )|＞0且H (θi ，()1θ+k i )H (θi ，(1)1θ++k i )＞0，则理想解可能大于二者或者小于二者，具体情况可继续划分为以下两种情况．(a ) 如图5所示，当()1θ+k i ＜(1)1θ++k i 时，理想值大于二者，根据相似三角形原理可知(1)1(1)(1)1,temp 1(1)()11(,)(,)(,)k i i k k i i k k ii ii H H H θθθθθθθθ+++++++++=+⋅−(1)()11k k i i θθ+++− (22)(b ) 如图6所示，当()1θ+k i ＞(1)1θ++k i 时，理想值小于二者，根据相似三角形原理可知(1)1(1)(1)1,temp 1()(1)11(,)(,)(,)k i i k k i i k k i i i i H H H θθθθθθθθ+++++++++=−⋅−()(1)11k k i i θθ+++−(23)值得注意的是，图4、图5与图6仅是该分类下的某一种示意图，其他种可能并没有一一绘图示意，但是上述讨论的分类与其对应的计算方法已经把所有的可能都包含在内．图4 理想解介于二者之间Fig.4Ideal value between the two values图5 理想解大于二者Fig.5Ideal value is more than the two values图6 理想解小于二者Fig.6 Ideal value is less than the two values4.3 插补参数计算流程根据第4.1节与第4.2节所述内容，可以得到插补参数的计算流程如图7所示，具体步骤如下所述．(1) 根据预估初值()1θ+k i 迭代计算一次得到(1)1θ++k i ． (2) 按照第4.2节的规则，进一步判断求解下次迭代计算的实际输入值(1)1,temp θ++k i ．2018年11月 王太勇等：螺旋线插补速度规划及其插补参数求解方法 ·1113·(3) 计算H (θi ，(1)1,temp θ++k i )．(4) 判断H (θi ，(1)1,temp θ++k i )是否满足设定的速度波动率要求ε．(5) 若满足要求，则输出(1)1,temp θ++k i 作为待求的插补参数，结束计算．(6) 若不满足要求，则令()1θ+k i ＝(1)1,temp θ++k i 代入迭代式(18)，计算得到新的(1)1θ++k i ，转到步骤(2)．图7 插补参数计算流程Fig.7 Flow chart of calculating interpolation parameters5 算法仿真与分析上文算法已经通过C 语言编程实现，获得的数据利用Matlab R 2014b 进行可视化，在计算机上进行该算法的仿真测试分析．测试环境如下：操作系统为Windows 7旗舰版；内存为8GB ；CPU 为Inter (R ) Core (TM )i5-4570 3.20GHz ×4；显卡为AMD Radeon HD 8490．这里仅以螺旋线ρ＝10＋θ/π(θ[0∈，π])(此时 v 0＞0，v 0＜0时与此类似，就不再占用篇幅分析)作为待插补曲线，通过给定不同的初始条件，获得对应的速度与加速度曲线，说明其正确性．假设最大加加速度J max ＝10000mm/s 3，最大加速度A max ＝1000mm/s 2，插补周期T ＝0.002s ．对应不同的最大允许弓高误差εmax 、初始速度v s 、终止速度v e 以及编程速度F ，可以规划得到不同的速度与加速度曲线. 这里给出4种较为典型的情况，其他情况就不再一一罗列．(1) 最大允许弓高误差εmax ＝0.0005mm ，初始速度v s ＝96mm/s ，终止速度v e ＝102mm/s ，编程速度F ＝200mm/s ．速度规划结果为加速-自适应插补-减速，对应的速度与加速度曲线如图8所示．(2) 最大允许弓高误差εmax ＝0.0005mm ，初始速度v s ＝96mm/s ，终止速度v e ＝98mm/s ，编程速度F ＝103mm/s ．速度规划结果为加速-自适应插补-匀速-减速，对应的速度与加速度曲线如图9所示．图8 情况1速度与加速度曲线Fig.8Velocity and acceleration curves of Case 1图9 情况2速度与加速度曲线Fig.9 Velocity and acceleration curves of Case 2(3) 最大允许弓高误差εmax ＝0.001mm ，初始速度v s ＝0mm/s ，终止速度v e ＝0mm/s ，编程速度F ＝141.5mm/s ．速度规划结果为加速-匀速-减速，对应的速度与加速度曲线如图10所示．可由加速度曲线看出，放大的部分是很短暂的匀速过程．图10 情况3速度与加速度曲线Fig.10 Velocity and acceleration curves of Case 3(4) 最大允许弓高误差εmax ＝0.001,mm ，初始速度v s ＝0mm/s ，终止速度v e ＝0,mm/s ，编程速度F ＝140mm/s ．速度规划结果为加速-减速，对应的速度与·1114·天津大学学报(自然科学与工程技术版)第51卷 第11期加速度曲线如图11所示．图11情况4速度与加速度曲线Fig.11Velocity and acceleration curves of Case 4为了证明基于改进牛顿迭代的预估-校正法的优越性，以上述情况4作为初始条件，对传统的2阶泰勒展开法、2阶Runge-Kutta附加补偿值的方法[14]、基于一般牛顿迭代预估-校正法[15-16]和本文所提基于改进牛顿迭代的预估-校正法的计算精度进行了比较，同时对比了除去2阶泰勒展开法外，计算精度较高的其他3种方法的计算效率．其中两种预估-校正方法的要求速度波动率精度为10-10，最大迭代次数为5．图12所示为4种方法计算插补参数时的速度波动率对比，其中2阶泰勒展开法的速度波动率远远大于其他3种方法，最大约为3.8%，2阶Runge-Kutta 附加补偿值的方法的速度波动率小于2阶泰勒展开法的速度波动率，但高于两种预估-校正法的速度波动率，最大约为0.19%．图124种方法的速度波动率对比Fig.12Comparison of the velocity fluctuation rate of four methods图13所示为精度最高的两种预估-校正法计算插补参数时的速度波动率对比，可见二者的计算精度大致相同，均达到10-11级．图14所示为4种方法的计算耗时对比．从计算耗时的角度看，由于2阶泰勒展开法和2阶Runge-Kutta附加补偿值的方法不存在迭代计算，均耗时较少；两种预估-校正法的计算耗时尽管高于2阶泰勒展开法和2阶Runge-Kutta附加补偿值的方法，但远小于插补周期2ms，整体上基于改进牛顿迭代的预估-校正法平均耗时少于基于一般牛顿迭代的预估-校正法．图15所示为两种预估-校正法的迭代次数对比．从迭代次数的角度看，二者迭代次数均在5次以内，但是基于改进牛顿迭代的预估-校正法在部分区域的迭代次数更少，可见其计算效率更高．图13两种预估-校正法的速度波动率对比Fig.13Comparison of the velocity fluctuation rate of two predictor-corrector methods图142阶Runge-Kutta附加补偿值的方法与两种预估校正法计算耗时对比Fig.14Comparison of time consumption of 2nd-order Runge-Kutta compensation method and two pre-dictor-corrector methods图15两种预估-校正法迭代次数对比Fig.15Comparison of iteration number of two predictor-corrector methods6 实验验证为进一步验证本文所提出的螺旋线插补算法的2018年11月 王太勇等：螺旋线插补速度规划及其插补参数求解方法 ·1115·可行性，将该算法嵌入到本课题组开发的TSNC-SX-A1M 型可重构数控系统中，在三轴铣床上进行切削加工实验．相关工艺要求如下：毛坯为6061铝板，刀具为φ6的两齿端面立铣刀，切削深度为0.4mm ，主轴转速为1000r/min ，进给速度为600mm/min ．图16为加工所用机床与加工情况，待加工的螺旋线轨迹为ρ＝10＋10θ/π(θ[0∈，3π])，如图17(a )所示，加（a ）加工机床（b ）加工情况图16 加工机床与加工情况Fig.16Machine tool and machining situation（a ）待加工螺旋线轨迹（b ）加工效果图17 螺旋线实际加工Fig.17 Machining of archimedes spiral 工效果如图17(b)所示．实验结果表明，本文所提出的螺旋线插补算法可以在可重构数控系统平台上实现，算法有效且可行．7 结 论综上，通过对螺旋线数学方程的建立及其插补算法的研究，探究在曲率特性的持续限制下，尽可能得到合理的速度规划结果，同时提出了一种新的插补参数求解方法来进一步降低速度波动率，通过算法仿真分析与实验，得出以下结论：(1) 速度规划算法在考虑曲率特性对运行速度的持续限制这一前提下，实现了螺旋线插补的柔性加减速控制；(2) 与已有方法相比，基于改进牛顿迭代的预估-校正法在有效降低速度波动率的同时又具有较高的计算效率． 参考文献：［1］ 张志强，王太勇，胡世广，等. 复杂空间参数曲线加工的插补算法[J ]. 天津大学学报，2006，39(11)：1331-1335.Zhang Zhiqiang ，Wang Taiyong ，Hu Shiguang ，et al. Interpolation algorithm for machining complex paramet-ric curves in space [J ]. Jour nal of Tianjin Univer sity ，2006，39(11)：1331-1335(in Chinese ).［2］ 王爱玲，沈兴全，吴淑琴，等. 现代数控编程技术及应用[M ]. 北京：国防工业出版社，2002.Wang Ailing ，Shen Xingquan ，Wu Shuqin ，et al. Mode n Nume ical Cont ol P og amming Technology and Application [M ]. Beijing ：National Defence Indus-try Press ，2002(in Chinese ).［3］ 杨 萍，杨明泰，张阳阳. 高速数控加工中NURBS曲线拟合及插补技术的研究[J ]. 中国机械工程，2015，26(12)：1630-1234.Yang Ping ，Yang Mingtai ，Zhang Yangyang. R esearch on technologies of NUR BS curve fitting and interpola-tion in high speed NC machining [J ]. China Mechanical Engineering ，2015，26(12)：1630-1234(in Chinese ).［4］ 罗良玲，曹苏明. 基于时间分割法的阿基米德螺线的插补算法研究[J ]. 南昌大学学报：工学版，2002，24(3)：22-24.Luo Liangling ，Cao Suming. The calculation of interpo-lation of spiral of archimedes based on time-divided method [J ].Jou r nal of Nanchang Unive r sity ：Engineer ing & Technology ，2002，24(3)：22-24(in·1116·天津大学学报(自然科学与工程技术版)第51卷 第11期Chinese).［5］刘 萍，梅晓妍，王民权. 变半径螺旋线插补铣削宏程序优化设计[J]. 组合机床与自动化加工技术，2014，3(3)：143-145.Liu Ping，Mei Xiaoyan，Wang Mingquan. Optimizationdesign of macro program for variable radius spiral inter-polation milling[J]. Modular Machine Tool & AutomaticManufactur ing Technique，2014，3(3)：143-145 (inChinese).［6］邵伟平. 内锥螺纹的数控铣削分析[J]. 制造技术与机床，2009(1)：24-25.Shao Weiping. Numerical control milling analysis of in-ner cone thread [J]. Manufactur ing Technology & Ma-chine Tool，2009(1)：24-25 (in Chinese).［7］沈文华，张吉堂，于松章. 基于宏程序的阿基米德螺线形凸轮程序编制[J]. 机械管理开发，2016，31(3)：17-19.Shen Wenhua，Zhang Jitang，Yu Songzhang. Thepreparation of archimedes spiral cam based on macroprogram[J]. Mechanical Management and Development，2016，31(3)：17-19(in Chinese).［8］Qiu Hua，Akio Kubo，Li Ziye，et al. Optimal ar-chimedes’ spiral interpolation for cutter path generationin NC machining of noncircular contours[J]. Interna-tional Journal of Advanced Manufacturing Technology，2008(36)：69-82.［9］Hu R onghua，Liu Qiangfei，Song Honggun. Profile processing of scroll compressor and its error analysis[J].Advanced Mater ials Resear ch，2012，503/504：937-940.［10］杨亮亮，许守金，史伟民，等. 始末速度不为零的S 型加减速时间规划算法研究[J]. 机械工程学报，2016，52(23)：199-206.Yang Liangliang，Xu Shoujin，Shi Weimin，et al. Re-search on S type acceleration and deceleration time plan-ning algorithm with beginning and end speed non-zero[J]. Chinese Jou nal of Mechanical Enginee ing，2016，52(23)：199-206(in Chinese). ［11］富宏亚，李茂月，刘 源，等. 基于曲率特性的柔性加减速NURBS插补器[J]. 计算机集成制造系统，2012，18(9)：1921-1929.Fu Hongya，Li Maoyue，Liu Yuan，et al. NURBS in-terpolator with flexible acceleration and decelerationbased on curvature properties[J]. Computer Integr atedManufactur ing Systems，2012，18(9)：1921-1929(inChinese).［12］田军峰，林 浒，姚 壮，等. 数控系统S型曲线加减速快速规划研究[J]. 小型微型计算机系统，2013，34(1)：168-172.Tian Junfeng，Lin Hu，Yao Zhuang，et al. Study on S-shape curve acceleration and deceleration control fastplanning on CNC system[J]. Jour nal of Chinese Mini-Micr o Computer Systems，2013，34(1)：168-172(inChinese).［13］刘 强，刘 焕，周胜凯，等. 无速度波动的NURBS 曲线二次插补算法原理及其实现[J]. 计算机集成制造系统，2015，21(10)：2659-2667.Liu Qiang，Liu Huan，Zhou Shengkai，et al. Principleand development of NURBS interpolation algorithm withzero-feedrate fluctuation[J]. Computer Integrated Manu-factur ing Systems，2015，21(10)：2659-2667(in Chi-nese).［14］Jia Zhenyuan，Song Dening，Ma Jianwei，et al. A NUR BS interpolator with constant speed at federate-sensitive regions under drive and contour-error con-straints[J]. Inter national Jour nal of Machine Tools &Manufacture，2017，116：1-17.［15］Wang Yunsen，Yang Dongsheng，Liu Yinzhong. A real-time look-ahead interpolation algorithm based on Akimacurve fitting[J]. International Journal of Machine Tools& Manufacture，2014，85(5)：122-130.［16］Wang Guoxun，Shu Qinlin，Wang Jun，et al. Research on adaptive non-uniform rational B-spline real-time in-terpolation technology based on acceleration constraints[J]. Inter national Jour nal of Advanced Manufactur ingTechnology，2016，91(5)：1-12.(责任编辑：金顺爱)。