清華新聞網(wǎng)12月25日電 在高速高精數(shù)控加工中，軌跡規(guī)劃的時(shí)間最優(yōu)性、嚴(yán)格約束和在線(xiàn)規(guī)劃穩(wěn)定性是三個(gè)至關(guān)重要的性能，分別對(duì)加工效率、加工振動(dòng)和實(shí)際可靠性有顯著影響。實(shí)際應(yīng)用中，商用數(shù)控系統(tǒng)通常要求軌跡光順與插補(bǔ)支持在線(xiàn)執(zhí)行，即“邊加工邊規(guī)劃”，從而避免等待計(jì)算所引起的產(chǎn)率降低。目前，基于優(yōu)化的軌跡規(guī)劃方法能夠嚴(yán)格遵循用戶(hù)指定的約束，但面臨兩個(gè)挑戰(zhàn)：一方面，計(jì)算成本和軌跡質(zhì)量之間存在顯著折中，在線(xiàn)優(yōu)化方法難以在有限的計(jì)算資源內(nèi)達(dá)成時(shí)間最優(yōu)性；另一方面，現(xiàn)有主流在線(xiàn)軌跡優(yōu)化框架缺乏約束可行性理論保證，從而制約了基于優(yōu)化的軌跡規(guī)劃方法走向可靠應(yīng)用。
近日，清華大學(xué)機(jī)械系胡楚雄教授團(tuán)隊(duì)圍繞數(shù)控軌跡規(guī)劃問(wèn)題的數(shù)學(xué)機(jī)理開(kāi)展系統(tǒng)研究，提出新的優(yōu)化問(wèn)題形式，構(gòu)建了一種新的在線(xiàn)軌跡優(yōu)化框架，克服了基于優(yōu)化的軌跡規(guī)劃方法的在線(xiàn)性能和可行性?xún)蓚€(gè)方面的挑戰(zhàn)，兼顧了時(shí)間最優(yōu)性、嚴(yán)格約束和在線(xiàn)規(guī)劃穩(wěn)定性三個(gè)核心性能。在優(yōu)化問(wèn)題形式方面，研究團(tuán)隊(duì)指出傳統(tǒng)在線(xiàn)優(yōu)化方法“最大化速度”與實(shí)際加工目標(biāo)“最小化時(shí)間”之間不等價(jià)，且廣泛使用的偽加速度約束過(guò)分保守。在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)建立了基于分段線(xiàn)性目標(biāo)的序列線(xiàn)性規(guī)劃方法的優(yōu)化問(wèn)題形式TOTP-SPLP，推進(jìn)了計(jì)算成本與時(shí)間最優(yōu)性之間的Pareto前沿。在在線(xiàn)軌跡優(yōu)化框架方面，研究團(tuán)隊(duì)指出窗重疊區(qū)域內(nèi)線(xiàn)性化點(diǎn)的不一致性導(dǎo)致在線(xiàn)優(yōu)化問(wèn)題不可行的機(jī)理，提出了具備約束可行性理論保證的分層次在線(xiàn)前瞻窗框架HLAW；所提框架能夠兼容TOTP-SPLP及多個(gè)軌跡優(yōu)化基線(xiàn)方法，并在數(shù)小時(shí)的數(shù)控加工實(shí)驗(yàn)中將傳統(tǒng)在線(xiàn)優(yōu)化框架的數(shù)千次不可行報(bào)錯(cuò)降低至零次。該研究為在線(xiàn)軌跡優(yōu)化方法及技術(shù)在數(shù)控系統(tǒng)上的高效可靠應(yīng)用提供了支撐。
基于優(yōu)化的在線(xiàn)軌跡規(guī)劃框架HLAW-SPLP
研究成果以“具備嚴(yán)格約束與可行性保障的參數(shù)化刀路跟隨時(shí)間最優(yōu)在線(xiàn)軌跡規(guī)劃”（Online Time-Optimal Trajectory Planning along Parametric Toolpaths with Strict Constraint Satisfaction and Certifiable Feasibility Guarantee）為題，于12月18日發(fā)表于《國(guó)際機(jī)床與制造雜志》（International Journal of Machine Tools and Manufacture）。
清華大學(xué)機(jī)械系胡楚雄教授團(tuán)隊(duì)2022級(jí)博士生王煜楠為論文第一作者，胡楚雄為論文通訊作者。研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金和北京市自然科學(xué)基金的經(jīng)費(fèi)支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2025.104355
供稿：機(jī)械系
編輯：李華山
審核：郭玲
