開放式智能數控系統(tǒng)及其在線控制相關技術研究.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量的有效途徑之一,已經得到國際上許多國家的重視和研究。當前,數控系統(tǒng)所采用的是一種專用的封閉式體系結構,其以固定參數形式設定加工過程變量,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。隨著現代制造業(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控

2、系統(tǒng)的實現技術以及數控銑削參數的在線智能控制技術進行了深入的研究。
　　研究開發(fā)了基于OMAC標準的開放式智能型銑削數控系統(tǒng)平臺,該平臺能實現插補控制和外部切削參數的實時采集及控制。對構建智能數控系統(tǒng)的相關技術做了研究和介紹,包括硬件設備和軟件支持技術。智能控制器軟件系統(tǒng)設計為七個功能模塊,包括:人機交互模塊、任務生成模塊、任務協(xié)調模塊、自適應控制模塊、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和模塊間的

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

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,研究且實現了基于銑削力約束的在線過程參數自適應智能控制的相關技術。在構建機床適應控制仿真模型的基礎上,對銑削適應控制進行了仿真研究。首先,利用實驗樣本對設計的基于 BP神經網絡的切削系統(tǒng)環(huán)節(jié)進行了訓練,研究并編寫了自調整因子的模糊控制器函數,通過仿真實驗驗

5、證了控制器和控制算法的正確性。其次,為了在開放數控系統(tǒng)中實現基于切削力約束的在線變進給速度控制,利用有限狀態(tài)機技術對控制器進行了行為建模,設計使用改變進給速度倍率來改變加工過程進給速度的方法,并提出使用“雙共享內存”技術實現插補加工和智能過程控制的同步與協(xié)調。最后,對臺階形鋁合金工件進行了加工實驗,驗證了實現開放式智能數控系統(tǒng)在線變速切削技術的正確性和優(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速在線抑制顫振的相關技術。首先,研究了顫振領域常用的傳感器監(jiān)控技術,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及在顫振過程中對信號有效信息的提取技術。研究了變主軸轉速抑制顫振的算法,并建立了顫振頻率與主軸轉速間的關系模型,為實現顫振抑制提供了理論基礎。最后,研究了在開放式數控系統(tǒng)中實現變主軸轉速在線抑制顫振的相關技術,提出了基于位置模式和可重構設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據實現流程。對連續(xù)變切削深度鋁合金工件進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控系統(tǒng)在

8、線抑制顫振技術的有效性。
　　目前,含有復雜曲面的產品和零件在現代制造業(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NURBS插補技術進行了研究。分析并開發(fā)了基于限定弓高誤差的自適應NURBS插補算法,并對具有梯形、S型加減速的自適應NURBS插補算法進行了研究和仿真加工。研究了自適應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NURBS插補算法在曲率半徑波動處易出現加速度