基于Linux的微细电火花加工数控系统及其相关关键技术的研究

摘要

由于可以获得较高的精度和良好的表面质量，微细电火花加工已经成为微细工具和微细零部件制造的重要手段之一。微细电火花加工是在突破微细电极在线制造这一瓶颈后才获得飞速发展的，之后在学术界和产业界的共同努力下，微细电火花加工专用机床也逐步研制出来，为微细电火花加工技术的研究提供了强有力的平台支持。数控系统是数控机床的核心，微细电火花加工数控系统与加工工艺密切相关，因此本文开展了微细电火花加工数控系统的研究工作。
　　本文首先分析了微细电火花加工系统的设计要点，进行了数控系统的总体设计。提出了直线电机+直线光栅尺的全闭环运动控制方案，取消了从电机到工作台的一切中间环节，提高了系统的运动精度和灵敏度，同时也分析了在微细电火花加工中应用直线电机所需注意的问题。
　　开放源码和基于Internet的协作开发模式带给Linux更强的稳定性和健壮性，而且软件资源丰富，成为数控系统理想的软件开发平台。RTAI和RTLinux是目前仅有的硬实时Linux，本文分析了RTAI和RTLinux的特点，在实时任务和实时内核之间设计了实时抽象层，封装了RTAI和RTLinux的编程接口，为实时任务提供了一致的API，基于实时抽象层开发的实时任务在无需修改源码的情况下，可以在RTAI或RTLinux下编译运行。
　　PMAC运动控制器是一个实时多任务计算机系统，可以实现复杂的实时运动控制任务。本文基于PMAC运动控制器实现了上下位机体系结构的微细电火花加工数控系统；针对直线电机提出了PID+速度前馈+加速度前馈的运动控制算法，提高了系统的响应速度和控制精度，并不失稳定性；研究了定位误差补偿技术，构建了直线运动定位误差补偿表，获得了较高的定位精度。通过运动轨迹缓冲和分段实现了电火花加工特有的回退运动，基于Linux操作系统开发了译码、界面和工艺数据库，系统功能稳定，使用方便，满足了微细电火花加工的要求。
　　为了获得较高的加工精度，微细电火花加工必须在线测量电极的尺寸。这是因为如果离线测量然后二次安装加工，那么安装误差将影响加工特征的最终精度。为了使数控系统具有在线测量电极的功能，本文在对显微成像系统进行光学分析的基础上，基于机器视觉技术构建了微细电极在线检测系统，系统由卤素光源、变焦显微镜头、CCD摄像机和6自由度支架组成，具有1.61μm的分辨率。在Linux操作系统下，基于V4L2API开发了图像采集程序，使用mmap()内存映射方法获取图像数据。实现了IplImage数据结构和QImage类的转换，使图像既可以基于OpenCV进行处理，又可以基于Qt进行显示，通过Canny边缘检测算法提取了微细电极的边缘轮廓。后续实验表明系统在线测量值与扫描电镜离线测量值的相对误差在±5％以内，满足了微细电极在线检测的要求。
　　为了验证数控系统的各项性能指标，本文在自行研制的微细电火花加工机床上进行了块电极电火花磨削实验和微三维结构电火花铣削实验，利用数控系统的视觉功能进行微细电极的在线测量和补偿，实验结果证明了本文开发的微细电火花加工数控系统的可行性、稳定性和可靠性，为我国研制出拥有自主知识产权的微细电火花加工数控系统奠定了坚实的基础。

目录

基于Linux 的微细电火花加工数控系统及其相关关键技术的研究

RESEARCH ON LINUX-BASED CNC SYSTEM FOR MICRO EDM AND ITS RELATED KEY TECHNIQUES

摘 要

Abstract

Contents

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 微细电火花加工技术的研究现状

1.2.1 微细电极制造技术的研究现状

1.2.2 微细电火花加工机床的研究现状

1.3 数控技术的研究现状

1.4 机器视觉技术的研究现状

1.5 Linux 的研究现状

1.5.1 Linux 内核的研究现状

1.5.2 基于Linux 数控系统的研究现状

1.5.3 基于Linux 机器视觉系统的研究现状

1.6 课题的目的和意义

1.7 课题的主要研究内容

第2章 微细电火花加工数控系统的总体方案

2.1 微细电火花加工机床的组成

2.1.1 微细电火花加工机床的组成

2.1.2 基于直线电机的微细电火花加工伺服系统

2.2 微细电火花加工数控系统的总体设计

2.2.1 数控系统的功能分析

2.2.2 数控系统的软硬件界面划分

2.2.3 数控系统的软硬件开发平台

2.3 本章小结

第3章 基于PMAC的微细电火花加工数控系统

3.1 PMAC 简介

3.2 基于PMAC 的数控系统体系结构

3.2.1 硬件体系结构

3.2.2 软件体系结构

3.3 基于PMAC 的直线电机运动控制

3.3.1 直线电机运动控制的分析

3.3.2 基于PMAC的直线电机运动控制

3.4 基于PMAC 的直线运动定位误差补偿

3.4.1 直线运动定位精度的分析

3.4.2 基于PMAC的直线运动定位误差补偿

3.5 PMAC 运动程序设计

3.5.1 运动轨迹缓冲

3.5.2 运动轨迹分段

3.6 基于Linux 的用户空间程序设计

3.6.1 基于lex和yacc的译码程序设计

3.6.2 基于MySQL 的工艺数据库设计

3.6.3 基于Qt 的人机交互程序设计

3.7 本章小结

第4章 基于机器视觉技术的微细电极在线检测

4.1 微细电极的在线制作和检测

4.2 光源照明系统

4.3 光学成像系统

4.3.1 光学成像系统的分辨率

4.3.2 显微成像系统的分辨率

4.4 图像传感系统

4.5 基于V4L2 的图像采集

4.6 基于OpenCV的图像处理

4.6.1 QImage和IplImage之间的转换

4.6.2 边缘检测

4.7 机器视觉系统的安装和标定

4.7.1 机器视觉系统的安装

4.7.2 机器视觉系统的标定

4.8 本章小结

第5章 微细电火花加工的实验研究

5.1 实验平台的建立

5.2 微细电极的在线制作

5.2.1 径向进给的块电极电火花磨削

5.2.2 微细电极的在线测量

5.3 微三维结构的电火花铣削

5.3.1 微细电火花铣削的电极等损耗模型

5.3.2 微细电极的在线补偿

5.4 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

哈尔滨工业大学博士学位涉密论文管理

致谢

个人简历