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《哈尔滨工业大学》 2010年
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开放式数控系统的构建及其关键技术研究

刘源  
【摘要】: 数控技术是制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的技术基础,已被世界各国列为优先发展的关键工业技术,数控水平的高低直接影响到制造业的现代化程度。当前,机械产品在国内外市场上是否具有竞争力,很大程度上取决于数控技术的发展、推广和应用。开放式数控系统的出现为我国数控技术水平的提高提供了很好的契机,充分利用我国丰富的脑力资源,通过开发我国自主产权的开放式数控系统是缩短我国制造业水平与世界先进水平间差距的有效途径。在此背景下,本文对开放式运动控制器的功能模块实现技术以及控制器产品变型设计技术进行了深入研究。 基于面向对象编程技术、动态链接库设计技术和接口标准化设计技术开发了全软件型机床运动控制器的基本功能模块单元,以此为基础构建了开放式软件化数控系统开发平台。机床是一种典型的反应式系统,其加工操作是一个复杂的动态行为过程,采用层级式有限状态机(Finite State Machine,FSM)规划机床控制系统的动态行为,在各功能模块单元的开发过程中实现了模块的有限状态机描述。所开发的控制器产品以及满足未来加工要求的运动控制器采用产品族方式组织,提出了基于产品族的运动控制器变型设计方法,采用该设计方法的控制器产品开发是一个对已开发运动控制器及其涉及技术继承与扩展的过程。对既有运动控制器的重用以及变型设计减小了控制器开发的难度,实现了控制器开发过程中相关技术手段的有效复用。 目前,具有复杂轮廓外形零部件的高速、高精加工必须采用五轴联动数控机床完成。国外一些知名数控系统生产商在其数控系统产品中配备了曲线插补功能,该功能很好地解决了线性插补存在的问题,显著地提升了数控机床产品的性能。但是他们对具有这些曲线插补功能的数控系统实行对华禁运和技术封锁,研究五坐标机床的曲线插补技术并借助于开放式数控系统实现曲线插补功能具有重要意义。对高档数控机床的曲线插补功能进行分析,研究了五坐标数控机床的非均匀有理B样条(NURBS)插补方法,提出了一种五坐标NURBS插补指令格式并在开放式运动控制器中对具有该指令格式的NURBS插补功能予以实现。为实现五坐标刀具路径的实时插补控制,运动控制器在执行该插补功能时首先求解刀位矢量并建立刀位曲线方程,建立位置曲线弧长参数与方位曲线角度参数间的映射关系,获得协调曲线方程。三种样条曲线的建立很好地解决了机床运动过程中直线轴运动与旋转轴运动的同步。通过与等参数规划位置样条曲线和方位曲线的插补方法进行比较,验证了该插补功能在机床旋转轴控制方面的优越性。加工实验证明了该插补功能的可行性。 传统五坐标曲线插补功能与数控机床结构形式密切相关,提供插补功能的运动控制器专属于特定的数控机床。对于特定的NC程序文件而言,当五坐标数控机床结构发生变化或工件位置等因素发生变化时,该NC程序文件失效。为解决该问题,同时考虑运动控制器尽可能的集成CAD/CAM系统功能,研究了面向工件坐标系下离散刀位点的曲线插补方法。开发了面向离散刀位点的曲线插补功能。为降低刀位矢量计算误差的影响,选取刀轴矢量表征加工过程中的刀具姿态,控制器根据输入离散刀具路径信息生成插补需要的位置曲线、刀轴曲线和协调曲线。同时,控制器集成了五坐标加工所必需的逆运动学变换功能,控制策略的变化使得控制器中立于五坐标机床结构形式,在简化数控编程难度的同时增强了运动控制器的适应能力。仿真分析和加工实验证明了插补算法的正确性以及插补功能的可行性。 对于流体中运动的零部件,为减小其运动的阻力,对轮廓外形的光顺性有较高的要求。为满足这类零部件数控加工的特殊要求,开发了数控程序光顺预处理器。该处理器首先对输入其中的数控加工程序进行光顺性判断,对待加工轨迹中的不光顺点进行修正,最终输出光顺处理后的NC程序。对于大挠度曲线,数控程序光顺预处理器采用最小能量法对曲线进行光顺处理;对于小挠度曲线,光顺预处理器采用选点修改法对曲线上的不光顺点进行修正。该处理器对轮廓外形有高光顺性要求工件的加工具有实用价值。
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TG659

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