NC指令解释的高次可微分算法及其实验研究

摘要

数控装备是一种典型的机电系统，是装备制造业的基础。目前，组成数控装备的数控系统、伺服系统、机械系统处于独立研究和发展状态，忽视了彼此之间的内在联系及相互影响，不利于数控装备整体性能的进一步提高。本文从机电一体化全局优化设计的角度出发，从NC指令解释、伺服控制系统及被控机构三者之间的内在联系分析入手，对面向轨迹控制NC指令解释的输出信息对时间域的高次可微分算法及同周期多轴控制系统展开研究。（为便于表述，文中将“NC指令解释的输出信息对时间域的高次可微分”简写为“NC指令解释高次可微分”，即文中所指的NC指令解释具有高次可微分性，均指NC指令解释的输出信息对时间域具有高次可微分性。）
　　论文从数控装备整体性能优化角度出发，建立被控机构动力学模型，利用该模型对被控机构的无误差轨迹跟踪进行研究，分析出基于无误差轨迹跟踪模型的NC指令解释应具有高次可微分的性质，并对其展开深入研究；在此基础上，考虑伺服系统时序特征，给出基于加速度信息的圆弧逼近轨迹曲线插补方法；（以上研究的实现，是以同周期控制为前提的。）最后，给出实现NC指令解释高次可微分性及同周期控制的有效途径。
　　在轨迹规划中由于位置、速度和加速度需同时满足边界条件，因此当采用插补周期对速度曲线进行离散化处理时将会存在精度损失，针对该问题，论文提出了减速阶段双加速度处理直线加减速控制算法，并基于该算法提出了移动平均加减速控制算法，满足对速度和加速度曲线进行平滑控制的要求，通过对该算法进行扩展，实现了NC指令解释的高次可微分性；同时，提出算法的位置不变性推论，并利用数学推导对算法的位置不变性及推论和高次可微分性进行了证明。此外，为了解决算法在单片机中进行数据处理时所带来的精度损失问题，实现系统的高性能控制，对浮点数-整数(F-I)混合数据处理方法进行了研究。最后，利用提出的加减速控制算法对基本轮廓曲线进行指令解释，并对基本轮廓曲线NC指令解释的高次可微分性进行仿真，证明了论文提出算法的有效性。
　　为实现NURBS曲线高次可微分性控制指令的生成，论文采用提出的NC指令解释高次可微分加减速控制算法对NURBS曲线进行插补算法研究。利用位置不变性推论，对直线加减速处理后所获得的连接点和极值点附近插补点的速度及位置进行相应调整，使其在进行移动平均处理后不影响系统插补性能。根据调整后的信息对曲线进行区间划分，并对各区间直线加减速控制算法的速度分布类型进行研究，完成预插补信息的生成。在实时处理阶段，论文利用预插补信息采用移动平均处理方法实现对曲线控制指令的生成，对算法实现流程进行设计，并通过实例仿真证明NURBS曲线指令解释的高次可微分性，同时也证明了算法的可行性。
　　论文对同周期多轴控制系统软件构架进行了设计，建立了NC指令解释同周期多轴控制实验系统，基于实验室已研制成功的交流永磁同步伺服驱动器，分别对控制系统的主控卡（数控系统）、从控卡（伺服驱动系统）、集成供电电源卡及并行通讯接口卡进行了研究，为同周期控制的实现提供保证。通过在伺服控制器与数控系统之间采用双端口RAM进行数据传输的方式，保证了数据传输的实时性，提高了数据传输效率；并对指令传输协议进行了研究，对数据传输的可靠性进行了验证。
　　综合上述研究结果，论文对同周期多轴控制系统进行实时性、指令解释的高次可微分性及指令解释与编码器数据反馈进行了实验验证。结果表明，该系统能够实现指令解释的高次可微分性及同周期控制，能够实现系统对指令很好的跟踪，从而进一步验证了算法设计前期理论分析的正确性及对加减速控制算法、插补算法设计和控制系统设计的有效性。本文的研究工作也将为数控系统进一步深入研究提供可以借鉴的理论及实际经验。

目录

NC 指令解释的高次可微分算法及其实验研究

RESEARCH ON HIGH-ORDER DIFFERENTIABLE ALGORITHM OF NC INSTRUCTION INTERPRETATION AND EXPERIMENTS

摘 要

Abstract

Contents

第1章 绪论

1.1 课题背景及其意义

1.2 数控系统国内外研究现状

1.3 NC 指令解释研究综述

1.4 本文主要研究内容

第2章 面向轨迹跟踪的NC 指令解释理论研究

2.1 引言

2.2 面向轨迹跟踪的NC 指令解释高次可微分性研究

2.3 NC 指令解释加速度控制信息插补处理研究

2.4 实现指令解释高次可微分及同周期控制的难点和途径

2.5 本章小结

第3章 NC 指令解释高次可微分加减速控制算法研究

3.1 引言

3.2 加减速控制算法离散化处理分析

3.3 移动平均加减速控制算法

3.4 算法特性证明及参数确定

3.5 全浮点小数(F)-整数(I)混合数据后处理

3.6 基本轮廓曲线的指令解释

3.7 本章小结

第4章 NC指令解释高次可微分的NURBS曲线插补算法研究

4.1 引言

4.2 NURBS 曲线指令解释分析

4.3 NURBS 曲线指令解释预插补处理

4.4 NURBS 曲线指令解释实时插补处理

4.5 NURBS 曲线指令解释实例仿真分析

4.6 本章小结

第5章 NC 指令解释同周期多轴控制系统研制与实验

5.1 引言

5.2 同周期多轴控制系统软件设计

5.3 同周期多轴控制系统硬件设计

5.4 同周期多轴控制系统数据通讯设计

5.5 算法实时性测试

5.6 NC 指令解释算法实验与分析

5.7 本章小结

结 论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致谢

个人简历