具有连续加加速度与误差自适应特性的高效柔性数控算法研究与设计

摘要

高精度数控加工设备应用广泛，其控制软件中的算法是其最为核心的技术，目前在这一领域国内外的技术差距较为明显。流行的梯形加减速算法及S形加减速算法存在着加速度或者加加速度的断裂，且电机启停即以最大加速度为达成目标，在面对曲率较高需要频繁加减速的高柔性加工场合，往往导致效率低下、机床震动，产品的过切、欠切等不良结果，且长时使用也会导致电机的磨损加剧、寿命下降；普通的直线与圆弧插补算法种类类繁多，但都很难在精度与资源消耗上获得妥协，且往往忽视段间过渡的重要性，在一定程度上影响了效率和成品质量。在这两个方面，国外的研究工作较为扎实且卓有成效，相关技术大幅领先国内，其核心成果作为机密级材料被严格保密，成为技术壁垒。本文研究并提出了基于高次多项式速度模型的加减速算法以及误差自适应的前瞻插补算法，结合完整的段间过渡算法，应用于自行研发的基于DSP+CPLD开发板，并做了较为详细的测评，对国内该领域的技术突破提供了一个综合优化解决方案。
　　论文首先对比了梯型、S型、指数型等传统加减速算法，指出各算法存在的弊端和优势，针对技术点提出改进方法和思路；列举了迭代插补、直线插补、圆弧插补等具有普适性的插补算法，分析各自存在的问题和矛盾，提出综合优化方案。
　　接着，建立标准五次多项式加减速速度模型，做到速度、加速度、加加速度的连续执行，并在此基础上提出基于改进的双曲正切函数的可变Jmax调速机制，使得在提升机体加工效率的同时，进一步增强系统柔性，并在仿真测试中加以验证。
　　在此基础上，为了应对连续变化曲率的现实加工环境，对不同的加工角度提出了不同的过渡处理机制。然后，建立了基于三分法的自适应误差模型，提出了优化的误差自适应圆弧插补算法，结合了等参数法和等误差法优势，使得在不占用大量资源的情况下，获得较高的精度，并大幅提升加工效率。
　　再次，设计了基于DSP+CPLD的硬件测试板卡，给出了设计思路与实施方案，包括原理图、PCB图及基本的设计流程，并对制作的硬件板卡进行了仿真测试。
　　最后，搭建仿真环境与测试平台。经验证，本套算法具备更强的柔性，在提高效能及精度的同时，确保了适当的资源消耗，并加强了对电机系统的保护，具有实际的工业应用价值。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪论

1.1 背景及意义

1.2 数控技术现状与发展趋势

1.3 主流算法分析

1.4 主要研究内容

1.5 本章小结

第二章 基于五次项速度模型的实时可调Jmax加减速算法

2.1 5次项算法模型

2.2 方程推导与曲线求解

2.3 实时可变Jmax机制

2.4 本章小结

第三章 基于3分法的段间平滑过渡机制

3.1 小型夹角模式

3.2 中型夹角模式

3.3 大型夹角模式

3.4 本章小结

第四章 误差自适应插补算法

4.1直线拟合原理与插补计算

4.2 非对称误差自适应模型与插补算法

4.3 本章小结

第五章 系统方案设计

5.1 插补系统总体方案设计

5.2 方案分析与依据

5.3 本章小结

第六章 控制板设计

6.1 DSP技术

6.2控板硬件架构

6.3 芯片选型

6.4 电源系统设计

6.5 接口电路设计

6.6 版图与高速线仿真

6.7 本章小结

第七章 仿真实验与测试

7.1 验证方案

7.2 仿真验证

7.3 本章小结

第八章 总结

8.1 总结

8.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文

答辩决议书