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叶片混联磨抛机床控制系统研究与实现

陈行德  
【摘要】:叶片是汽轮机、水轮机、航空发动机中十分重要的零件。为提高叶片磨抛加工的效率,降低叶片制造成本,吉林大学智能精密制造课题组研发了叶片混联磨抛机床。该机床具有5个运动自由度,能够根据叶片表面形状的变化进行磨抛姿态的调整,从而保证叶片加工质量。本文着眼于该机床的控制系统硬件结构的搭建,加工运动控制策略的研究,以及控制系统的软件开发实现等方面进行研究。 叶片加工时,该机床需要进行多个电机联动控制。因此采用以PC机为主体配合具有8个电机控制通道的Turbo PMAC2多轴运动控制器的开放式数控体系搭建控制系统硬件平台。通过ACC-8s接口板,PMAC卡能够向各驱动器发送位置控制模式所需的PLUS+DIR(脉冲+方向)信号实现电机运动的控制,并接收反馈信号。在机床X和Y轴上将LF-185型海德汉光栅尺反馈回的1vpp正弦信号通过ISC11-4SCR型弦波转换器进行信号的细分后输入到位置反馈接口实现闭环控制。而三杆并联机构中由于结构关系无法安装光栅尺作为位置反馈,因此采用直线位移传感器作为位置检测元件,通过7660B型USB数据采集卡进行位置采集,以监测并联机构的实时位姿。 叶片混联磨抛机床控制系统软件的开发基于VC++平台,应用其MFC框架模块进行功能实现以及图形界面的开发。在VC平台上对PMAC运动控制卡的动态链接库进行函数调用,能够利用PC机完成各电机的运动控制。控制系统软件中包含了数据显示,机床手动控制,各轴位置监测,以及叶片自动加工等模块。并将复杂机床运动学正逆解计算,轨迹点数据读取和处理等功能也集成于软件之中。 机床磨抛叶片时需根据叶片表面实际形貌进行位姿调整,其调整角度与该轨迹点处的叶片法向量相关。法向量无法根据叶片表面的测量数据直接获得,本文以叶片表面三坐标测量点数据为基础提出了基于曲面偏导数的轨迹点法向量求解方法。该方法以离散的测量点数据为基础在求解点处沿X,Y方向进行曲线拟合,以获得两条过求解点的高次曲线。对两曲线在求解点处求导,得到曲面上该点X和Y向的偏导数向量。两偏导数向量与曲面上该点的法向量有一定的数值关系,经过转换计算可以得出该点的法向量。利用椭球面离散点数据进行圆弧拟合验证了该方法计算的有效性,计算最大误差为0.018弧度。 为保证叶片混联磨抛机床加工叶片时加工余量的有效去除和运动的平稳可靠,采用PMAC卡的PVT插补模式结合磨削力经验公式进行运动控制。PVT插补模式下,需要确定三个参数P、V、T,以完成机床各轴运动控制。叶片磨抛轨迹决定了其参数P。确定参数T时,需要利用磨削经验公式得到各轨迹点驻留时间关于工艺参数的函数关系,然后对磨削轨迹进行曲线拟合获得驻留时间的积分曲线,通过积分可以算得磨削轨迹上各点间的插补周期T。对于瞬时速度参数V则,需要利用算得的P与T进行方程联立求解。通过利用追赶法求解P和T构建的关于磨削轨迹上各点瞬时加速度求解的三对角线性方程组,获得瞬时加速度积分后可得出各插补点的瞬时速度V。三个参数相互关联保证了机床磨抛运动合理性。


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