開放式智能數(shù)控系統(tǒng)及其在線控制相關(guān)技術(shù)研究.pdf

1、機床的智能化是提高機床加工效率、降低加工成本、確保工件加工精度以及改善工件表面加工質(zhì)量的有效途徑之一,已經(jīng)得到國際上許多國家的重視和研究。當(dāng)前,數(shù)控系統(tǒng)所采用的是一種專用的封閉式體系結(jié)構(gòu),其以固定參數(shù)形式設(shè)定加工過程變量,在整個制造過程中CNC只是一個封閉式的開環(huán)執(zhí)行機構(gòu)。隨著現(xiàn)代制造業(yè)向信息化、敏捷制造模式的發(fā)展,越來越暴露出其固有的缺陷,而應(yīng)用在線監(jiān)督、控制機床的狀態(tài)可以提高切削效率和加工的安全性。為此,本文對智能型模塊化開放式數(shù)控

2、系統(tǒng)的實現(xiàn)技術(shù)以及數(shù)控銑削參數(shù)的在線智能控制技術(shù)進(jìn)行了深入的研究。
　　研究開發(fā)了基于OMAC標(biāo)準(zhǔn)的開放式智能型銑削數(shù)控系統(tǒng)平臺,該平臺能實現(xiàn)插補控制和外部切削參數(shù)的實時采集及控制。對構(gòu)建智能數(shù)控系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)做了研究和介紹,包括硬件設(shè)備和軟件支持技術(shù)。智能控制器軟件系統(tǒng)設(shè)計為七個功能模塊,包括:人機交互模塊、任務(wù)生成模塊、任務(wù)協(xié)調(diào)模塊、自適應(yīng)控制模塊、離散邏輯控制模塊、軸組模塊和軸運動模塊。研究規(guī)劃了各個功能模塊的任務(wù)和模塊間的

3、邏輯關(guān)系,同時研究了外部加工參數(shù)的在線實時采集及系統(tǒng)實現(xiàn)方案,方案要求采集過程具有“硬實時”特性,即能保證參數(shù)采集的準(zhǔn)確、定時,更要保證模塊間的任務(wù)協(xié)調(diào)、可控制,還能為在線過程參數(shù)的智能控制預(yù)留編程接口。研究了基于SERCOS通訊模式時驅(qū)動器技術(shù)參數(shù)在線實時反饋至控制器的實現(xiàn)方案,技術(shù)參數(shù)主要包括機床的進(jìn)給速度和主軸轉(zhuǎn)速。智能數(shù)控系統(tǒng)平臺和相關(guān)技術(shù)的研究為過程參數(shù)的在線智能控制奠定了基礎(chǔ)。
　　銑削力是銑削過程中重要的物理參數(shù)之一

4、,它不僅決定了銑削過程中所消耗的功率,而且還直接影響銑削熱的產(chǎn)生,而銑削熱影響銑削溫度,銑削溫度易加速刀具的磨損或破損,最終影響刀具的使用壽命。為此,本文以提高粗銑削的加工效率為前提,研究且實現(xiàn)了基于銑削力約束的在線過程參數(shù)自適應(yīng)智能控制的相關(guān)技術(shù)。在構(gòu)建機床適應(yīng)控制仿真模型的基礎(chǔ)上,對銑削適應(yīng)控制進(jìn)行了仿真研究。首先,利用實驗樣本對設(shè)計的基于 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的切削系統(tǒng)環(huán)節(jié)進(jìn)行了訓(xùn)練,研究并編寫了自調(diào)整因子的模糊控制器函數(shù),通過仿真實驗驗

5、證了控制器和控制算法的正確性。其次,為了在開放數(shù)控系統(tǒng)中實現(xiàn)基于切削力約束的在線變進(jìn)給速度控制,利用有限狀態(tài)機技術(shù)對控制器進(jìn)行了行為建模,設(shè)計使用改變進(jìn)給速度倍率來改變加工過程進(jìn)給速度的方法,并提出使用“雙共享內(nèi)存”技術(shù)實現(xiàn)插補加工和智能過程控制的同步與協(xié)調(diào)。最后,對臺階形鋁合金工件進(jìn)行了加工實驗,驗證了實現(xiàn)開放式智能數(shù)控系統(tǒng)在線變速切削技術(shù)的正確性和優(yōu)越性。
　　由于斷續(xù)銑削力的循環(huán)變化、銑刀幾何條件決定的瞬時切削厚度的變化,都

6、會增大切削振動,引起切削質(zhì)量不穩(wěn)定。而切削過程的動態(tài)特性和機床—刀具—工件系統(tǒng)的模態(tài)特性之間的相互作用會導(dǎo)致顫振。顫振不僅限制了金屬切削過程中的效率,還降低了工件的表面質(zhì)量,增加了刀具磨損的速率,造成了加工噪聲。因此,金屬切削過程中避免和抑制顫振非常重要。為此,本文研究了變主軸轉(zhuǎn)速在線抑制顫振的相關(guān)技術(shù)。首先,研究了顫振領(lǐng)域常用的傳感器監(jiān)控技術(shù),尤其是三向切削力和振動加速度傳感器的各向分量在顫振監(jiān)控過程中的時域和頻域敏感信號特征。其次,

7、針對監(jiān)控信號的頻域特性,研究了快速傅立葉變換技術(shù)及在顫振過程中對信號有效信息的提取技術(shù)。研究了變主軸轉(zhuǎn)速抑制顫振的算法,并建立了顫振頻率與主軸轉(zhuǎn)速間的關(guān)系模型,為實現(xiàn)顫振抑制提供了理論基礎(chǔ)。最后,研究了在開放式數(shù)控系統(tǒng)中實現(xiàn)變主軸轉(zhuǎn)速在線抑制顫振的相關(guān)技術(shù),提出了基于位置模式和可重構(gòu)設(shè)計的速度模式兩種控制方案,并研究了其在控制器模塊間的數(shù)據(jù)實現(xiàn)流程。對連續(xù)變切削深度鋁合金工件進(jìn)行了在線顫振抑制加工實驗,實驗驗證了開放式智能銑削數(shù)控系統(tǒng)在

8、線抑制顫振技術(shù)的有效性。
　　目前,含有復(fù)雜曲面的產(chǎn)品和零件在現(xiàn)代制造業(yè)中所占的比例越來越大,同時對加工的精度和效率的要求也越來越高。為此,本文對自適應(yīng)NURBS插補技術(shù)進(jìn)行了研究。分析并開發(fā)了基于限定弓高誤差的自適應(yīng)NURBS插補算法,并對具有梯形、S型加減速的自適應(yīng)NURBS插補算法進(jìn)行了研究和仿真加工。研究了自適應(yīng)NURBS插補的S型加減速的簡化算法。針對基于限定弓高誤差的自適應(yīng)NURBS插補算法在曲率半徑波動處易出現(xiàn)加速度