面向模具高速切削加工全软件数控系统若干共性基础问题研究

摘要

模具制造工业在一定程度上代表了一个国家加工制造业的水平，模具加工现代化是国内外模具业发展的趋势，现代模具制造技术正朝向高速度、精密制造的方向发展。为了提高模具加工的效率和精度，避免热处理工艺造成模具变形，越来越多的模具都在热处理之后进行高精度高速切削加工。高速切削技术具有加工效率高、切削力小、加工精度高、工序集约化等一系列优点，将高速切削技术充分应用在模具加工中，是模具制造业一个重要的研究方向。高速切削加工数控系统是提升模具加工效率和质量的一个重要因素，在数控系统研究方面，北美有OMAC计划，欧洲有OSACA计划，日本有OSEC等国家级的研究计划在进行，与国外相比，目前我国在这方面的研究具有很大的差距。随着PC技术，软件开发技术的日渐成熟与稳定，基于PC平台的高速切削开放式数控系统的研究与开发受到了学术界与工业界的普遍关注。特别是近年来运行于PC上的实时操作系统的大量涌现，使得开发全软件型开放式数控系统成为可能，本文正是在该领域所作的一次有益的探索和尝试。 高速切削数控系统要求优良的数据通讯模式、高速度的插补进给系统、高性能的柔性加减速处理、高效率的伺服控制器等。本文作者在分析国内外数控技术发展的现状和趋势的基础上，针对模具加工中有较高要求的几个共性基础问题进行了深入的研究： 1．结合PC技术、软件工程技术以及构建现代高速切削数控系统需要遵循的共性原则，提出了合理的全软件开放式数控系统软、硬件体系结构；通过建立数控系统工作模式管理模块的有限状态机模型，引入模型驱动开发思想，指导数控系统开发，使得整个系统的开发从概念设计，详细设计到原型实现都可预见，降低了系统的开发风险和系统修改、更新与维护的效率及成本。 2．NURBS(Non．uniform Rational B-spline、)插补与数控系统结合是高速切削数控系统发展的方向，是满足模具复杂型腔CAD／CAM／CNC高速高精度一体化制造的要求。本文在保证速度稳定、误差合理以及考虑机床的加速度能力的基础上，针对曲线的两种常见特征(小曲率半径过渡和尖角过渡)，通过设计合理的数据结构，实现了一种实时自适应NURBS插补算法，相比传统插补算法，提高了插补的速度和精度；进一步结合机床刀具的动态信息，提出了实时柔性加减速处理方法，避免了高速切削加工的刀具振动，满足模具复杂型腔高速高精度的要求，同时将柔性加减速的处理集成到NURBS插补算法中，使两者成为一个有机的整体，真正实现了NURBS曲线的实时自适应插补。 3．充分利用PC在计算方面的强大功能，提出了基于RTLinux的全软件伺服控制器。采用两步可行性试验方案(第一步设计测试位置环、速度环，第二步设计测试电流环)，基于RTLinux的运行平台，对相应功能的软件模块在用户空间和内核空间进行分配，开发了一个包含三层软件结构(主控层、辅助层和公用层)的全软件伺服控制器，依次测试了位置环、速度环及电流环的伺服控制策略和性能，实现了满足高速高精度切削加工的高性能全软件伺服控制器。 4．构建适合高速高精度切削加工的伺服控制系统。在以直线永磁同步电机(Linear Permanent Magnet Synchronous Motor，简称为LPMSM)为控制对象的全软件伺服控制器的试验平台上，按照规划的两步可行性研究试验方案，对开发的全软件伺服控制器进行了伺服控制性能和实时性能的测试，验证了所设计的全软件伺服控制器的良好控制性能。 5．基于以上的工作，构建了基于RTLinux操作系统的全软件数控原型系统。为了检验原型系统的设计，需要对全软件数控系统的核心部分(NURBS插补算法和全软件伺服控制器)进行了整体测试。本文以直线永磁同步电动机十字运行试验平台为控制对象，实现了原型系统的核心模块测试试验。利用自适应NURBS插补算法产生位置参考，利用基于RTLinux的全软件伺服控制器实现对直线永磁同步电动机十字运行平台的二维位置控制。对原型系统的插补性能、位置伺服控制性能以及被控对象的电流特性进行了试验和分析，验证了所开发的原型系统核心模块的可行性和优良的控制性能。

目录

文摘

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第一章绪论

第二章高速切削全软件数控系统体系结构研究

第三章实时自适应NURBS曲线插补研究

第四章实时柔性加减速处理研究

第五章基于RTLinux全软件伺服控制研究

第六章全软件伺服控制系统试验研究

第七章数控系统原型试验研究

第八章结论与展望

致谢

作者在攻读博士学位期间完成的论文及工作项目

上海交通大学学位论文答辩决议书