基于GMA的异形孔精密镗削控制系统下位机软硬件开发

摘要

超磁致伸缩材料(Giant Magnetostrictive Material，GMM)具有磁致伸缩应变大、响应速度快、输出力大及可靠性好等特点，广泛应用于精密加工、精密仪器、振动控制等微驱动领域。
　　活塞是汽车发动机的关键部件之一，其性能优劣将直接影响到发动机乃至整个动力、传动系统的性能指标。活塞异形销孔能够显著改善其应力分布、提高活塞的使用寿命和性能，但由于活塞异形销孔结构的特殊性，增加了其精密加工的难度。为此，课题组基于超磁致伸缩执行器(GMA)开发活塞异形孔精密镗削控制系统，用于实现活塞异形销孔的精密加工。本文针对应用于活塞异形孔精密镗削控制系统的下位机进行研究和开发工作。
　　本文首先通过调研国内外文献，概述了超磁致伸缩执行器的国内外研究现状和异形孔加工控制系统的研究现状，并确定了本文主要研究内容。然后，深入了解活塞异形销孔精密镗削控制系统的被控对象特性和组成，并基于课题组自主研发的嵌入式GMM智能镗杆开发用于精密镗削异形孔的控制系统下位机，主要包括硬件设计和控制系统软件开发两方面。硬件设计的内容主要有:选择控制系统下位机的控制器F2812;设计并制作了其外围电路，包括基于SPI通信协议的双路D/A转换电路、电涡流传感器输出信号处理电路和数字信号隔离电路;设计了对刀块及其电路;对机床电气控制电路进行优化。软件设计的内容主要有控制系统下位机软件框架的建立;镗刀刀尖位移和坐标检测算法的设计及程序实现;基于逆模型前馈补偿的PID闭环控制算法的设计及程序实现;控制系统软件具体模块的程序实现，主要包括系统初始化、SCI通信模块、SPI通信模块、A/D模块等的具体程序实现。之后，本文对控制系统下位机关键模块的软硬件功能进行了相关实验，并通过闭环控制实验验证控制系统下位机对典型异形孔加工控制的有效性。

目录

声明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景及研发意义

1．2 超磁致伸缩执行器国内外研究现状

1．2．1 超磁致伸缩执行器国外研究现状

1．2．2 超磁致伸缩执行器国内研究现状

1．3 数控系统研究现状

1．4 异形孔加工解决方案研究现状

1．4．1 异形孔加工方法对比

1．4．2 数控变形镗杆控制系统研究现状

1．5 论文的研究内容和组织结构

1．5．1 主要研究内容

1．5．2 论文结构

1．6 本章小结

第2章 控制对象分析及控制系统下位机总体方案设计

2．1 活塞异形孔数控加工成形原理

2．1．1 活塞异形销孔几何特征和数学描述

2．1．2 活塞异形销孔数控加工成形原理

2．2 嵌入式GMM智能镗杆构件方案分析

2．2．1 超磁致伸缩机理及材料特性

2．2．2 嵌入式GMM智能镗杆加工异形孔原理

2．3 活塞异形销孔精密镗削控制系统下位机的总体方案设计

2．3．1 活塞异形销孔精密镗削控制系统硬件组成

2．3．2 活塞异形销孔精密镗削控制系统下位机功能需求分析

2．3．3 活塞异形销孔精密镗削控制系统下位机设计指标及整体方案建立

2．4 本章小结

第3章 活塞异形销孔精密镗削控制系统下位机硬件设计

3．1 下位机DSP控制器选型

3．1．1 DSP芯片介绍

3．1．2 ICTEK-F2812-A评估板介绍

3．2 基于SPI通信协议的双路D／A转换接口电路设计

3．2．1 D／A转换器件选型

3．2．2 双路D／A转换接口电路设计

3．3 电涡流传感器输出信号处理电路设计

3．4 光电编码器和感应同步器数字信号隔离电路设计

3．5 对刀块结构和电路设计

3．5．1 现有机床对刀过程及对刀精度分析

3．5．2 对刀块工作原理及方案设计

3．5．3 对刀块精密机械结构设计

3．5．4 对刀块电路设计

3．6 活塞异形孔精密镗削控制系统下位机接口电路PCB设计

3．6．1 PCB设计要点

3．6．2 下位机接口电路PCB设计

3．7 机床加工自动化控制电路设计

3．7．1 原机床加工控制过程及电气原理图分析

3．7．2 机床自动化加工控制需求分析及其电气线路改造

3．7．3 机床自动化加工控制模块设计

3．8 本章小结

第4章 活塞异形销孔精密镗削控制系统下位机软件设计

4．1 活塞异形销孔精密镗削控制系统下位机软件框架

4．1．1 控制系统下位机软件功能需求分析

4．1．2 活塞异形销孔精密镗削控制系统下位机软件框架建立

4．2 控制系统下位机软件的检测算法

4．2．1 镗刀刀尖坐标检测算法

4．2．2 镗刀刀尖位移检测算法

4．3 控制系统下位机软件的微位移控制算法设计

4．3．1 PID控制算法介绍

4．3．2 闭环控制算法设计

4．4 控制系统下位机软件开发

4．4．1 下位机软件总体规划

4．4．2 系统初始化

4．4．3 SCI通讯模块程序设计

4．4．4 A／D模块程序设计

4．4．5 对刀块信号采集程序设计

4．4．6 光电编码器信号采集程序设计

4．4．7 感应同步器信号采集程序设计

4．4．8 SPI通讯模块及D／A信号输出程序设计

4．4．9 输出机床运动控制信号程序设计

4．4．10 自动加工控制程序设计

4．4．11 加工过程控制程序设计

4．5 本章小结

第5章 活塞异形销孔精密镗削控制系统下位机实验和分析

5．1 控制系统下位机关键模块测试实验

5．1．1 下位机输出模块控制精度测试实验

5．1．2 模拟信号输入模块的采集标定和校准实验

5．1．3 对刀块模块实时性实验

5．2 GMA微进给机构径向微位移测试实验

5．3 基于逆模型前馈补偿的PID闭环控制实验

5．3．1 PID参数整定

5．3．2 闭环控制实时性测试与分析

5．3．3 闭环控制实验

5．4 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献