1 绪论
1.1 课题研究背景及意义
1.1.1 激光切割数控系统简
随着现代工业的迅猛发展，作为激光加工技术中最为成熟的技术之一的激光切割技术得到了极为广泛的应用[1]。激光切割技术的优点有，运行速度快、加工质量好、切割领域广[3]。
面对极大的家居装修行业和汽车行业等市场，对于数控机床的需求越来越大，对于生产车间的工艺技术要求越来越高，出现了一大批高运行速度高精度的数控系统，激光切割数控机床就是其中优秀代表之一。
基于数字化信号，使用计算机自动化技术来对其运行过程进行控制的系统，称之为数控系统。按照一定的编码和解码标准，数控系统能够解析其各个运动轴的位移量、进给速度和每个插补周期发送的脉冲数量等参数，经过插补计算得到的运动控制数据，控制机床完成零件的自动化加工工作。作为现代机械制造等领域的核心技术之一，数控机床的特点主要包括：
1 灵活性高，只需给系统下达不同的指令，便可以完成加工工序不同的操作。
2 技术密集度大。
3 自动化程度高，由于高性能 CNC 的发展，已经基本实现了机电一体化。
1.1.2 论文研究意义及目的
如图 1-1 所示为数控系统加工过程的示意图。建模，首先用软件搭建加工零件的模型；刀具规划，按照系统指定的策略，在规定误差内对工件模型进行轨迹规划预处理；后置处理，指令代码转换工作，将轨迹数据转变成机床能识别的程序代码；速度规划，对于加工过程的进给速度做合理的加减速控制；插补运算，对加工程序做插补运算，生成伺服指令，控制每个轴的运行，机床开始进行零件加工。
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随着机械制造技术、电子工程技术、计算机技术等的快速发展，以及家居市场、汽车行业、煤炭挖掘、航天工业等的迫切需求，数控机床的舞台越来越大。
当今数控系统的主要发展方向有如下几个方面：
1 向高速度、高精度趋势发展
速度决定效率，精度决定质量，高速高精意味着高效高品质。关于加工速度，高速度要求数控系统具备采样周期足够短、计算机运行速度快、速度规划算法合理等优异功能。现在的高档数控机床，采样周期都是 ms 以上级别，进给速度 1000mm/s 以上，速度变化频率（2000~10000）次/s。关于提高加工精度方面，除了滚珠丝杠副等硬件设施的配备，也引入了许多精密的误差补偿算法。如今的普通级、精密级、超精密级机床的加工精度已经提高到 5um、1um 和 0.001um。
2 向高可靠性趋势发展
如今提高可靠性的方法有，引入元器件少的、集成度高的、大规模的专业集成电路芯片；给硬件配备各种软件控制，可动态适应不同情景的功能需求；增加故障检查、报警等装置，防患于未然。
3 向功能集成化趋势发展
功能集成化即实现数控机床功能多样化和系统化，在现代数控机床上，已经实现工件安装、工件卸载、工件定位、刀具对准、工件测量、工件补偿等自动化功能，成为多功能一体化的“万能”数控加工系统。
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2 运动控制算法研究
2.1 前加减速速度控制算法
在数控系统加工过程中，每个插补周期都有对应的瞬时速度，其工作状态稳定时，即匀速运动时每插补一个周期时的进给量称为稳定速度。这两个速度也是我们做速度规划是需要计算出来的。
如图 2-1 所示，蓝色记号笔标记的加工速度（mm/min）为用户自定义的最大切割速度 F（mm/min），标记的百分比标尺为需要设置的速度系数 K，一个插补周期用 T(ms)表示，则系统稳定运行时的稳定速度可由公式（2-1）求得。
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2.2 后加减速速度控制算法
2.2.1 指数加减速控制算法
指数加减速控制，顾名思义，速度曲线随时间呈指数形式变化，其速度与时间的2.2 后加减速速度控制算法 2.2.1 指数加减速控制算法 指数加减速控制，顾名思义，速度曲线随时间呈指数形式变化，其速度与时间的关系为：
2.2.2 直线加减速控制算法
直线加减速控制，其速度曲线随时间呈现线性形式变化，即沿一定斜率的直线呈上升或下降趋势[2]。
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3.1 连接点的速度约束算法 ...............................19
3.2 直接过渡形式的误差分析 ...................................24
4 连续小线段的前瞻速度规划算法研究.......................27
4.1 前瞻速度规划的基本原理 .........................27
4.2 速度规划前瞻段数的确定 ...................................29
5 前瞻速度规划算法的实现与验证...................35
5.1 加工轨迹曲线的参数分析 ...........................35
5.2 前瞻算法的实现 ...........................36
5 前瞻速度规划算法的实现与验证
5.1 加工轨迹曲线的参数分析
汇总各种参数如表 5-1 所示，五轴激光切割数控系统中，起始速度为 500mm/min，终止速度不得超过 500mm/min，加工速度不得超过 5000mm/min，加速度为 1200mm/s2，减速度为 2400mm/s2，插补周期为 4ms。
............................6 总结与展望
6.1 论文总结
对于激光切割数控机床来说，进给速度不仅直接影响到加工工件的加工精度和加工质量，而且与切割头、机床的寿命以及生产效率密切相关，而前瞻速度规划是其中最热门也最重要的话题。本课题对于前瞻速度规划的若干个关键技术进行了研究与探讨，完成的工作主要有以下几个方面的内容：
（1）了解了前瞻速度规划算法的原理及现状，对目前提出的一些算法设计和思路有了大致的理解，体会到了这些算法的优点与精髓，但同时也找出了存在的不足。
（2）在组成整个前瞻算法的架构中，加减速算法是前瞻的基础。论文探讨了梯形加减速算法、S 型加减速算法和三角函数加减速算法的原理并作出了分析比较，创造性地提出了一种非对称的梯形加减速算法，详细介绍了该算法的加减速过程。
（3）针对连续小线段之间连接点处的速度约束，探讨了直接过渡、线段过渡和圆弧过渡三种形式时的约束方程，基于实际加工需求选择了直接过渡方式，并对该方式做了明了的误差分析，说明了该方式的可行性，给出了直接过渡形式时连接点的上限速度。
（4）详细探讨了自适应前瞻策略的整个实现过程，包括对路径敏感点的识别与判定、对前瞻段数即速度规划单元的动态捕获及前瞻控制过程中对进给速度的修正与优化。
（5）通过对局部加工曲线采取前瞻控制算法获得的运动状态数据进行数据仿真，与没有采用前瞻策略的和采取前瞻段数固定为两段的进行严格对比分析，采用自适应前瞻控制算法时加工效率明显得到提高，且在小线段连接点处速度平稳过渡并没有速度突变。说明本文提出的前瞻速度规划算法时正确可行的。