一种耐张电力金具制造设备的智能数控加工控制系统的制作方法

本技术属于耐张电力金具制造领域，尤其涉及一种耐张电力金具制造设备的智能数控加工控制系统。

背景技术：

1、耐张电力金具是架空输电线路中用于承受导线张力并保持结构连接稳定的关键部件，其机械强度和表面轮廓精度直接关系到电网系统的运行安全。数控加工技术凭借加工效率高、精度可控等优势，已成为制造此类金具的重要方式。在耐张电力金具空间轮廓的加工轨迹规划过程中，通常需要利用测量设备获取金具表面的离散数据点，并采用贝塞尔曲线对离散点进行拟合。然而，传统曲线拟合方法在处理离散数据时，往往对各数据点赋予相同权重，未充分考虑轮廓局部几何特征差异，特别是在曲率变化较大的区域容易产生局部拟合失真，导致生成的理论轨迹偏离目标轮廓。此外，由于耐张电力金具轮廓形态复杂，通常需要通过多段贝塞尔曲线拼接完成轨迹规划。常规拼接方法多关注连接点处的位置连续和切向连续，未充分考虑连接点两侧曲率的协调性，容易在公共连接点处产生曲率突变，进而引起机床进给速度和加速度波动，造成加工表面振纹或切削不平滑现象，影响成型表面质量。

2、在耐张电力金具的实际数控切削加工中，受刀具磨损、切削受力变形以及系统跟随误差等因素影响，实际走刀轨迹与规划得到的理论双贝塞尔基准轨迹之间容易产生弓高误差和空间轮廓误差。现有加工误差补偿技术多采用离线几何偏置或基于预设参数的静态补偿方式，难以适应切削过程中工况变化引起的非线性误差累积。当进入下一道次加工时，如果仅沿用前一道次的理论轨迹，而未根据已经产生的空间误差进行针对性修正，已产生的加工误差将继续传递至后续切削过程，导致加工精度下降并影响产品合格率。传统补偿方法缺乏有效的闭环反馈机制，难以根据实际测量得到的残余轮廓误差对误差求解模型进行关联分析和迭代更新，使得多道次加工过程中的补偿模型难以自适应调整，误差预测和补偿精度难以持续提升，制约了耐张电力金具数控加工精度的进一步提高。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中轨迹拟合权重单一、曲线拼接处曲率突变以及多道次加工误差难以补偿的问题，根据本发明的一方面，提出一种耐张电力金具制造设备的智能数控加工控制系统，包括如下模块：

2、构建模块，用于基于耐张电力金具目标轮廓的接触式触测获取离散化初始点集，根据各初始点局部几何曲率与所述点到预设公共连接点的归一化弧长距离构建复合拟合权重，基于所述复合拟合权重通过加权最小二乘法得到第一贝塞尔曲线和第二贝塞尔曲线的初始控制点及拟合残差；

3、调整模块，用于获取两曲线在所述公共连接点处的曲率差值与基于所述拟合残差构建的过渡影响因子，根据所述曲率差值、所述过渡影响因子与预设的空间位移转换系数得到曲率平滑调节量，并基于所述曲率平滑调节量和所述公共连接点处的切线方向生成调整矢量，基于所述调整矢量调整所述连接点两侧的非公共控制点位置，得到双贝塞尔基准轨迹；

4、更新模块，用于控制刀具沿所述双贝塞尔基准轨迹切削获取同一切削段的空间误差特征向量，调用雅可比矩阵求解得到下一加工道次的三维补偿矢量并更新控制点坐标得到补偿性加工路径，沿所述补偿性加工路径完成所述下一加工道次后，基于新采集的残余轮廓误差与所述三维补偿矢量进行关联反馈，得到迭代更新后的所述雅可比矩阵。

5、优选地，所述基于耐张电力金具目标轮廓的接触式触测获取离散化初始点集，包括：

6、控制设置于机床主轴端部的接触式探头，按相互平行的引导轨迹以预定步长对耐张电力金具实物轮廓面进行触测，记录探头触发点的三维坐标得到混合数据点集；

7、提取三维名义模型的边界表面，沿法向双向偏移预设公差量得到界定阈值包络面；

8、移除所述混合数据点集中超出所述界定阈值包络面的所有异常噪点，将保留在包络面内的实际表面坐标依序排列，得到所述离散化初始点集。

9、优选地，所述根据各初始点局部几何曲率与所述点到预设公共连接点的归一化弧长距离构建复合拟合权重，包括：

10、采用相邻三点微圆拟合法计算各初始点对应的局部几何曲率，并将所述局部几何曲率归一化为曲率权重项；

11、计算各初始点沿实际测量轨迹至所述公共连接点的累计弧长，将所述累计弧长除以所在轨迹段的总弧长，并用1减去所述商值，得到对应的归一化弧长距离；

12、调用预设的第一占比系数和第二占比系数，将所述曲率权重项乘以所述第一占比系数，并将所述归一化弧长距离乘以所述第二占比系数，求和后得到所述复合拟合权重。

13、优选地，所述获取两曲线在所述公共连接点处的曲率差值与基于所述拟合残差构建的过渡影响因子，根据所述曲率差值、所述过渡影响因子与预设的空间位移转换系数得到曲率平滑调节量，并基于所述曲率平滑调节量和所述公共连接点处的切线方向生成调整矢量，包括：

14、分别计算所述第一贝塞尔曲线和第二贝塞尔曲线在所述公共连接点处的一阶导数与二阶导数，计算两曲线在此处的曲率差值向量；

15、计算所述预设平滑度阈值与所述拟合残差最大值之和，并将所述预设平滑度阈值除以所述和值，得到所述过渡影响因子；

16、计算所述曲率差值向量的模值，并将所述曲率差值向量的模值乘以所述过渡影响因子与所述预设的空间位移转换系数，得到曲率平滑调节量；

17、根据所述公共连接点处的一阶导数确定单位切线方向，基于所述曲率平滑调节量与所述单位切线方向构建正向候选调整矢量和反向候选调整矢量，并根据两种候选调整矢量作用后的曲率差值与调整前曲率差值的比较结果选取实际调整矢量。

18、优选地，所述基于所述调整矢量调整所述连接点两侧的非公共控制点位置，得到双贝塞尔基准轨迹，包括：

19、读取所述调整矢量沿所述公共连接点切线方向的有符号长度作为切向一维调整值；

20、提取所述公共连接点两侧的第一非公共控制点和第二非公共控制点的原始三维坐标；

21、将所述第一非公共控制点和第二非公共控制点正交投影至经过所述公共连接点且方向为所述公共连接点处切线方向的切线约束直线上，再将所述切向一维调整值按照预设分配比例转化为沿所述切线方向的位移并分别叠加至所述第一非公共控制点和第二非公共控制点的三维坐标中，维持所述第一非公共控制点、公共连接点和第二非公共控制点的共线约束，并在更新控制点位置后重新计算所述曲率差值向量及所述切向一维调整值进行迭代更改，直至两曲线在所述公共连接点处满足预设连续性条件。

22、优选地，所述基于所述复合拟合权重通过加权最小二乘法得到第一贝塞尔曲线和第二贝塞尔曲线的初始控制点及拟合残差，包括：

23、将所述离散化初始点集的坐标参数及所述复合拟合权重代入预设的多项式拟合目标函数中，构建加权误差平方和方程；

24、对所述加权误差平方和方程中各个待求控制点变量分别求偏导数，并令各偏导数为0，生成线性法方程组；

25、通过矩阵求逆运算求解所述线性法方程组，得到所述初始控制点的三维坐标；

26、将所述离散化初始点集的坐标代入由所述初始控制点确定的贝塞尔曲线方程，计算点到曲线的最小正交距离序列，得到所述拟合残差。

27、优选地，所述基于新采集的残余轮廓误差与所述三维补偿矢量进行关联反馈，得到迭代更新后的所述雅可比矩阵，包括：

28、提取同一切削段所述下一加工道次内随动在线测量模块获取的各测点实际坐标与理论补偿坐标之间的差值，构建当前残余轮廓误差向量；

29、计算当前残余轮廓误差向量与上一加工道次的残余轮廓误差向量的误差差值，以及当前加工道次与上一加工道次的三维补偿矢量的补偿差值；

30、利用布罗伊登法则基于所述误差差值和所述补偿差值构建雅可比矩阵调整项，将所述雅可比矩阵调整项与前一加工道次使用的雅可比矩阵进行矩阵加法更新操作，生成迭代更新后的所述雅可比矩阵。

31、根据本发明的另一方面，提出一种耐张电力金具制造设备的智能数控加工控制方法，包括如下步骤：

32、基于耐张电力金具目标轮廓的接触式触测获取离散化初始点集，根据各初始点局部几何曲率与所述点到预设公共连接点的归一化弧长距离构建复合拟合权重，基于所述复合拟合权重通过加权最小二乘法得到第一贝塞尔曲线和第二贝塞尔曲线的初始控制点及拟合残差；

33、获取两曲线在所述公共连接点处的曲率差值与基于所述拟合残差构建的过渡影响因子，根据所述曲率差值、所述过渡影响因子与预设的空间位移转换系数得到曲率平滑调节量，并基于所述曲率平滑调节量和所述公共连接点处的切线方向生成调整矢量，基于所述调整矢量调整所述连接点两侧的非公共控制点位置，得到双贝塞尔基准轨迹；

34、控制刀具沿所述双贝塞尔基准轨迹切削获取同一切削段的空间误差特征向量，调用雅可比矩阵求解得到下一加工道次的三维补偿矢量并更新控制点坐标得到补偿性加工路径，沿所述补偿性加工路径完成所述下一加工道次后，基于新采集的残余轮廓误差与所述三维补偿矢量进行关联反馈，得到迭代更新后的所述雅可比矩阵。

35、可选地，所述基于耐张电力金具目标轮廓的接触式触测获取离散化初始点集，包括：

36、控制设置于机床主轴端部的接触式探头，按相互平行的引导轨迹以预定步长对耐张电力金具实物轮廓面进行触测，记录探头触发点的三维坐标得到混合数据点集；

37、提取三维名义模型的边界表面，沿法向双向偏移预设公差量得到界定阈值包络面；

38、移除所述混合数据点集中超出所述界定阈值包络面的所有异常噪点，将保留在包络面内的实际表面坐标依序排列，得到所述离散化初始点集。

39、可选地，所述根据各初始点局部几何曲率与所述点到预设公共连接点的归一化弧长距离构建复合拟合权重，包括：

40、采用相邻三点微圆拟合法计算各初始点对应的局部几何曲率，并将所述局部几何曲率归一化为曲率权重项；

41、计算各初始点沿实际测量轨迹至所述公共连接点的累计弧长，将所述累计弧长除以所在轨迹段的总弧长，并用1减去所述商值，得到对应的归一化弧长距离；

42、调用预设的第一占比系数和第二占比系数，将所述曲率权重项乘以所述第一占比系数，并将所述归一化弧长距离乘以所述第二占比系数，求和后得到所述复合拟合权重。

43、可选地，所述获取两曲线在所述公共连接点处的曲率差值与基于所述拟合残差构建的过渡影响因子，根据所述曲率差值、所述过渡影响因子与预设的空间位移转换系数得到曲率平滑调节量，并基于所述曲率平滑调节量和所述公共连接点处的切线方向生成调整矢量，包括：

44、分别计算所述第一贝塞尔曲线和第二贝塞尔曲线在所述公共连接点处的一阶导数与二阶导数，计算两曲线在此处的曲率差值向量；

45、计算所述预设平滑度阈值与所述拟合残差最大值之和，并将所述预设平滑度阈值除以所述和值，得到所述过渡影响因子；

46、计算所述曲率差值向量的模值，并将所述曲率差值向量的模值乘以所述过渡影响因子与所述预设的空间位移转换系数，得到曲率平滑调节量；

47、根据所述公共连接点处的一阶导数确定单位切线方向，基于所述曲率平滑调节量与所述单位切线方向构建正向候选调整矢量和反向候选调整矢量，并根据两种候选调整矢量作用后的曲率差值与调整前曲率差值的比较结果选取实际调整矢量。

48、可选地，所述基于所述调整矢量调整所述连接点两侧的非公共控制点位置，得到双贝塞尔基准轨迹，包括：

49、读取所述调整矢量沿所述公共连接点切线方向的有符号长度作为切向一维调整值；

50、提取所述公共连接点两侧的第一非公共控制点和第二非公共控制点的原始三维坐标；

51、将所述第一非公共控制点和第二非公共控制点正交投影至经过所述公共连接点且方向为所述公共连接点处切线方向的切线约束直线上，再将所述切向一维调整值按照预设分配比例转化为沿所述切线方向的位移并分别叠加至所述第一非公共控制点和第二非公共控制点的三维坐标中，维持所述第一非公共控制点、公共连接点和第二非公共控制点的共线约束，并在更新控制点位置后重新计算所述曲率差值向量及所述切向一维调整值进行迭代更改，直至两曲线在所述公共连接点处满足预设连续性条件。

52、可选地，所述基于所述复合拟合权重通过加权最小二乘法得到第一贝塞尔曲线和第二贝塞尔曲线的初始控制点及拟合残差，包括：

53、将所述离散化初始点集的坐标参数及所述复合拟合权重代入预设的多项式拟合目标函数中，构建加权误差平方和方程；

54、对所述加权误差平方和方程中各个待求控制点变量分别求偏导数，并令各偏导数为0，生成线性法方程组；

55、通过矩阵求逆运算求解所述线性法方程组，得到所述初始控制点的三维坐标；

56、将所述离散化初始点集的坐标代入由所述初始控制点确定的贝塞尔曲线方程，计算点到曲线的最小正交距离序列，得到所述拟合残差。

57、可选地，所述基于新采集的残余轮廓误差与所述三维补偿矢量进行关联反馈，得到迭代更新后的所述雅可比矩阵，包括：

58、提取同一切削段所述下一加工道次内随动在线测量模块获取的各测点实际坐标与理论补偿坐标之间的差值，构建当前残余轮廓误差向量；

59、计算当前残余轮廓误差向量与上一加工道次的残余轮廓误差向量的误差差值，以及当前加工道次与上一加工道次的三维补偿矢量的补偿差值；

60、利用布罗伊登法则基于所述误差差值和所述补偿差值构建雅可比矩阵调整项，将所述雅可比矩阵调整项与前一加工道次使用的雅可比矩阵进行矩阵加法更新操作，生成迭代更新后的所述雅可比矩阵。

61、本发明具有如下有益效果：

62、结合局部几何曲率与归一化弧长距离构建复合拟合权重，并通过加权最小二乘法求取贝塞尔曲线初始控制点，兼顾了复杂轮廓局部细节和整体拟合精度，降低初始建模偏差。通过曲率差值、拟合残差及空间位移转换系数生成曲率平滑调节量，并调整连接点两侧控制点位置，改善双贝塞尔基准轨迹拼接处的连续性和平滑度，减少轨迹突变引起的加工波动。同时，基于切削段空间误差特征向量求解三维补偿矢量，并结合残余轮廓误差反馈迭代更新雅可比矩阵，提高了多道次加工中的误差补偿能力，且提升了数控加工轨迹精度和成型表面质量。