【正文】 目 錄 目 錄 1 第一章 緒論 1 11 課題研究背景與意義 1 12 高端數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r 2 13 相關(guān)技術(shù)的研究現(xiàn)狀分析 4 高速高精加工技術(shù) 4 復(fù)雜形面多軸加工技術(shù) 7 14 課題主要研究內(nèi)容 9 第二章 基于刀軸矢量控制的五軸 NURBS 插補理論與方法研究 11 21 NURBS 曲線的數(shù)學(xué)計算 11 22 基于德布爾算法的任意次數(shù) NURBS 曲線快速求解 13 23 基于插補誤差控制的三軸 NURBS 插補算法 15 NURBS 曲線插補的加工代碼定義 15 NURBS 插補中的誤差 16 NURBS 插補中的插補誤差近 似算法 17 插補中下一插補點的計算 19 NURBS 插補中的加減速控制 20 24 基于雙 NURBS 曲線描述的五軸 NURBS 曲線插補 21 五軸 NURBS 曲線插補中雙 NURBS 曲線定義 22 雙 NURBS 曲線的分段分解 23 雙 NURBS 曲線的快速離散方法 25 25 本章小結(jié) 27 第三章 適用于五軸聯(lián)動控制的通用型 RTCP 功能研究 28 31 五軸機(jī)床運動學(xué)分析 28 32 非線性誤差分析與控制 31 雙轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu) 32 雙擺頭結(jié)構(gòu) 33 擺頭及轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu) 34 具有自適應(yīng)精度控制功能的通用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換層設(shè)計 35 33 仿真與驗證 37 34 本章小結(jié) 38 第四章 基于 RTCP 與三重 NURBS 曲線描述的五軸空間刀具補償技術(shù)研究 39 41 基于 RTCP 的五軸空間刀補方法 39 五軸空間刀補數(shù)據(jù)信息的描述 39 基于 RTCP 的五軸空間刀具半徑補償原理 40 基于 RTCP 的五軸空間刀具長度補償原理 41 42 三重 NURBS 曲線描述帶有刀補矢量的五軸加工軌跡 42 43 三重 NURBS 曲線的定義 43 44 三重 NURBS 曲線的快速離散方法 43 45 基于 NURBS 插補的五軸空間刀具半徑和長度補償 44 46 仿真與驗證 45 47 本章小結(jié) 47 第五章 納米級多軸聯(lián)動柔性前瞻軌跡規(guī)劃理論研究 48 51 適用于多軸聯(lián)動的線性插補 48 52 適用于 高速加工的 S 型加減速控制 49 53 基于多軸聯(lián)動與 S 型加減速的前瞻軌跡規(guī)劃理論 52 多段預(yù)讀 52 多級軌跡規(guī)劃策略 53 具備預(yù)讀功能的 S 型速度曲線規(guī)劃方法 55 54 納米級柔性前瞻軌跡規(guī)劃策略實現(xiàn)方法 72 55 預(yù)讀模式下的 S 型加減速仿真 73 56 本章小結(jié) 74 第六章 適用于復(fù)雜形面高速高精加工的多軸運動控制系統(tǒng)總體設(shè)計與實現(xiàn)76 61 影響多軸控制系統(tǒng)最終控制精度和速度的各類因素分析 76 機(jī)械系統(tǒng)的動力特性 77 反饋系統(tǒng)的特性 78 驅(qū)動系統(tǒng)特性 78 運動控制系統(tǒng)的分辨率和運動控制算法 79 CADCAM 系統(tǒng)的特性 80 62 多軸運動控制系統(tǒng)的總體架構(gòu)設(shè)計 81 63 人機(jī)交互設(shè)計 82 64 NCK 設(shè)計 83 譯碼模塊的設(shè)計 84 軌跡規(guī)劃模塊的設(shè)計 86 插補模塊的設(shè)計 88 位置控制模塊的設(shè)計 90 65 PLC 設(shè)計 90 66 多軸運動控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) 91 基于工控機(jī)和運動控制板的多軸運動控制系統(tǒng)軟硬件方案 91 基于 ARM和 DSP 的嵌入式多軸運動控制系統(tǒng)軟硬件方案 92 67 實驗與驗證 94 實驗?zāi)康? 94 實驗方案 94 結(jié)果分析 97 實驗結(jié)論 98 68 本章小結(jié) 98 第七章 研究總結(jié)與展望 99 參考文獻(xiàn) 101 發(fā)表論文和參加科研情況說明 111 致 謝 113 第一章 緒論 第一章 緒論 11 課題研究背景與意義 [1] 數(shù)控技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)今先進(jìn)制造技術(shù)和裝備領(lǐng)域最核心的技術(shù)之一 世界 各制造業(yè)大國都普遍采用數(shù)控技術(shù)以提高其工業(yè)整體制造能力和水平提高對 動態(tài)多變市場的適應(yīng)能力和競爭能力世界上各工業(yè)發(fā)達(dá)國家更是將數(shù)控技術(shù)及 數(shù)控裝備列為國家的戰(zhàn)略物資不僅投入大量人力物力來發(fā)展自己的數(shù)控技術(shù)及 相關(guān)產(chǎn)業(yè)而且在高精尖數(shù)控關(guān)鍵技術(shù)和裝備方面對我國實行封鎖和限制政 策 [24] 伴隨著我國成為世界的制造工廠我國機(jī)床工業(yè)也已跨入世界第一方陣 目前我國已經(jīng)將高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備列入《國家中長 期科學(xué)和技 [5] 術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要 20212020 年》所設(shè)立的十六個重大專項 當(dāng)今高檔數(shù)控裝 備呈現(xiàn)了以下幾種發(fā)展趨勢 [2 610] 1 機(jī)床自身幾何精度和控制運動軌跡的精度不斷提高機(jī)床的加工速度 和效率大幅增加 2 機(jī)床的功能越來越多樣化和復(fù)合化能夠在不同運行條件下完成多種 加工任務(wù) 3 出現(xiàn)許多高性能和高可靠的新型功 能部件如高頻電主軸直線電動 機(jī)轉(zhuǎn)矩電機(jī)高速切削刀具等 4 機(jī)床智能化水平不斷提高具有自優(yōu)化自監(jiān)控自診斷和預(yù)維護(hù)等 功能的智能型開放式網(wǎng)絡(luò)化的數(shù)控裝備越來越多 可以看出不論數(shù)控技術(shù)呈現(xiàn)出何種發(fā)展趨勢高速高精的完成各類復(fù)雜形 面的高品質(zhì)加工是數(shù)控加工領(lǐng)域始終追隨的主線 [11] 比如隨著航空領(lǐng)域產(chǎn)品性能 的提高對現(xiàn)代航空零件加工精度的要求也逐步嚴(yán)格復(fù)雜形狀表面的加工精度 誤差從早期的177。 015～ 03 mm 已經(jīng)提高到177。 008～ 012 mm 表面粗糙度從 Ra64～ 16 提高到 Ra16～ 08 對于以機(jī)翼梁機(jī)身框翼肋及壁板為典型代表 的飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)件以及以機(jī)匣整體葉盤葉片和軸盤為典型代表的航空發(fā) 動機(jī)零件通常既要保證零件的表面質(zhì)量又要保證加工的位置精度和形狀精度 對于這些零件的加工一般都要求一次裝卡一次定位加工成型只有多軸聯(lián)動 的加工中心才能滿足上述要求 [12] 在目前對于航空零部件五軸聯(lián)動的數(shù)控 銑床以及具有五坐標(biāo)聯(lián)動控制轉(zhuǎn)臺或擺頭結(jié)構(gòu)的數(shù)控機(jī)床等復(fù)合設(shè)備的需求在 不斷增加工序和功能的復(fù)合化已經(jīng)成為高端數(shù)控裝 備的重要發(fā)展方向 1 天津大學(xué)博士學(xué)位論文 綜上所述數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)的多樣化和復(fù)雜化加工的高速化和高精化對運 動控制系統(tǒng)也提出了許多更高的要求能夠?qū)Χ鄠€運動軸同時實現(xiàn)高速高精度控 制具有強(qiáng)大可配置度能夠柔性化適配盡可能多種類機(jī)床的高端運動控制系統(tǒng) 越來越得到先進(jìn)制造領(lǐng)域的青睞針對能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜形面高速高精加工的高端數(shù) 控系統(tǒng)的研究是當(dāng)前先進(jìn)制造 領(lǐng)域的一個重要發(fā)展方向同時不可否認(rèn)我國在 這一方面與國外的較大差距也是制約我國制造業(yè)整體發(fā)展水平的一大瓶頸 12 高端數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r 伴隨著人工智能技術(shù)計算機(jī)技術(shù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展成熟高端數(shù)控系 統(tǒng)的發(fā)展也呈現(xiàn)出智能化開放化網(wǎng)絡(luò)化柔性化發(fā)展的趨勢 首先高端數(shù)控系統(tǒng)將是具有一定智能化的系統(tǒng)智能化的內(nèi)容會包括在運 動控制系統(tǒng)中的各個方面 [1315]為追求加工效率和加工質(zhì)量方面的智能化如加 工過程的自適應(yīng)控制工藝參數(shù)的自動生成為提高驅(qū)動性能及使用連接方便的 智能化如前饋控制電機(jī)參數(shù)的自適應(yīng)運算自動識別負(fù)載自動選定模型自 整定等簡化編程簡化操作方面的智能化如智能化的自動編程智能化的人 機(jī)界面等還有智能診斷智能監(jiān)控方面的內(nèi)容以方便系統(tǒng)的診斷及維修等 其次開放化也是高端數(shù)控系統(tǒng)的一個重要發(fā)展方向 [10 16 17] 所謂開放式數(shù) 控系統(tǒng)就是數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)可以在統(tǒng)一的運行平臺上面向機(jī)床廠家和最終用 戶通過改變增加或剪裁結(jié)構(gòu)對象數(shù)控功能形成系列化并可方便地將 用戶的特殊應(yīng)用和技術(shù)訣竅集成到控制系統(tǒng)中快速實現(xiàn)不同品種不同檔次的 開放式 數(shù)控系統(tǒng)形成具有鮮明個性的名牌產(chǎn)品 [1618] 目前開放式數(shù)控系統(tǒng)的體 系結(jié)構(gòu)規(guī)范通信規(guī)范配置規(guī)范運行平臺數(shù)控系統(tǒng)功能庫以及數(shù)控系統(tǒng)功 能軟件開發(fā)工具等是當(dāng)前研究的核心 同時數(shù)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化是實現(xiàn)制造業(yè)信息化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)這里的網(wǎng)絡(luò)化主 要指數(shù)控系統(tǒng)與外部的其它控制系統(tǒng)或上位計算機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接和網(wǎng)絡(luò)控制數(shù) 控系統(tǒng)一般首先面向生產(chǎn)現(xiàn)場和企業(yè)內(nèi)部的局域網(wǎng)然后再經(jīng)由因特網(wǎng)通向企業(yè) 外部這就是所謂 InterIntra 技術(shù) [1922] 隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的成熟和發(fā)展最近 業(yè) 界又提出了數(shù)字制造的概念數(shù)字制造又稱 e制造是機(jī)械制造企業(yè)現(xiàn) 代化的標(biāo)志之一也是國際先進(jìn)機(jī)床制造商當(dāng)今標(biāo)準(zhǔn)配置的供貨方式隨著信息 化技術(shù)的大量采用越來越多的國內(nèi)用戶在進(jìn)口數(shù)控機(jī)床時要求具有遠(yuǎn)程通訊服 務(wù)等功能 [21 23] 此外數(shù)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化進(jìn)一步促進(jìn)了柔性自動化制造技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)代柔 性制造系統(tǒng)從點數(shù)控單機(jī)加工中心和數(shù)控復(fù)合加工機(jī)床線柔性制造單 2 第一章 緒論 元 FMC 柔性制造系統(tǒng) FMS 柔性生產(chǎn)線 FTL 柔性制造線 FML 向面工段車 間獨立制造島 FA 體計算機(jī)集成制造系統(tǒng) CIMS 的方向發(fā)展 [242