面向模具高速切削加工全軟件數(shù)控系統(tǒng)若干共性基礎(chǔ)問題研究.pdf

1、模具制造工業(yè)在一定程度上代表了一個(gè)國家加工制造業(yè)的水平，模具加工現(xiàn)代化是國內(nèi)外模具業(yè)發(fā)展的趨勢，現(xiàn)代模具制造技術(shù)正朝向高速度、精密制造的方向發(fā)展。為了提高模具加工的效率和精度，避免熱處理工藝造成模具變形，越來越多的模具都在熱處理之后進(jìn)行高精度高速切削加工。高速切削技術(shù)具有加工效率高、切削力小、加工精度高、工序集約化等一系列優(yōu)點(diǎn)，將高速切削技術(shù)充分應(yīng)用在模具加工中，是模具制造業(yè)一個(gè)重要的研究方向。高速切削加工數(shù)控系統(tǒng)是提升模具加工效率和質(zhì)

2、量的一個(gè)重要因素，在數(shù)控系統(tǒng)研究方面，北美有OMAC計(jì)劃，歐洲有OSACA計(jì)劃，日本有OSEC等國家級(jí)的研究計(jì)劃在進(jìn)行，與國外相比，目前我國在這方面的研究具有很大的差距。隨著PC技術(shù)，軟件開發(fā)技術(shù)的日漸成熟與穩(wěn)定，基于PC平臺(tái)的高速切削開放式數(shù)控系統(tǒng)的研究與開發(fā)受到了學(xué)術(shù)界與工業(yè)界的普遍關(guān)注。特別是近年來運(yùn)行于PC上的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的大量涌現(xiàn)，使得開發(fā)全軟件型開放式數(shù)控系統(tǒng)成為可能，本文正是在該領(lǐng)域所作的一次有益的探索和嘗試。 高

3、速切削數(shù)控系統(tǒng)要求優(yōu)良的數(shù)據(jù)通訊模式、高速度的插補(bǔ)進(jìn)給系統(tǒng)、高性能的柔性加減速處理、高效率的伺服控制器等。本文作者在分析國內(nèi)外數(shù)控技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀和趨勢的基礎(chǔ)上，針對(duì)模具加工中有較高要求的幾個(gè)共性基礎(chǔ)問題進(jìn)行了深入的研究： 1．結(jié)合PC技術(shù)、軟件工程技術(shù)以及構(gòu)建現(xiàn)代高速切削數(shù)控系統(tǒng)需要遵循的共性原則，提出了合理的全軟件開放式數(shù)控系統(tǒng)軟、硬件體系結(jié)構(gòu)；通過建立數(shù)控系統(tǒng)工作模式管理模塊的有限狀態(tài)機(jī)模型，引入模型驅(qū)動(dòng)開發(fā)思想，指導(dǎo)數(shù)控系

4、統(tǒng)開發(fā)，使得整個(gè)系統(tǒng)的開發(fā)從概念設(shè)計(jì)，詳細(xì)設(shè)計(jì)到原型實(shí)現(xiàn)都可預(yù)見，降低了系統(tǒng)的開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)和系統(tǒng)修改、更新與維護(hù)的效率及成本。 2．NURBS(Non．uniform Rational B-spline、)插補(bǔ)與數(shù)控系統(tǒng)結(jié)合是高速切削數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的方向，是滿足模具復(fù)雜型腔CAD／CAM／CNC高速高精度一體化制造的要求。本文在保證速度穩(wěn)定、誤差合理以及考慮機(jī)床的加速度能力的基礎(chǔ)上，針對(duì)曲線的兩種常見特征(小曲率半徑過渡和尖角過渡)，

5、通過設(shè)計(jì)合理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了一種實(shí)時(shí)自適應(yīng)NURBS插補(bǔ)算法，相比傳統(tǒng)插補(bǔ)算法，提高了插補(bǔ)的速度和精度；進(jìn)一步結(jié)合機(jī)床刀具的動(dòng)態(tài)信息，提出了實(shí)時(shí)柔性加減速處理方法，避免了高速切削加工的刀具振動(dòng)，滿足模具復(fù)雜型腔高速高精度的要求，同時(shí)將柔性加減速的處理集成到NURBS插補(bǔ)算法中，使兩者成為一個(gè)有機(jī)的整體，真正實(shí)現(xiàn)了NURBS曲線的實(shí)時(shí)自適應(yīng)插補(bǔ)。 3．充分利用PC在計(jì)算方面的強(qiáng)大功能，提出了基于RTLinux的全軟件伺服控制器

6、。采用兩步可行性試驗(yàn)方案(第一步設(shè)計(jì)測試位置環(huán)、速度環(huán)，第二步設(shè)計(jì)測試電流環(huán))，基于RTLinux的運(yùn)行平臺(tái)，對(duì)相應(yīng)功能的軟件模塊在用戶空間和內(nèi)核空間進(jìn)行分配，開發(fā)了一個(gè)包含三層軟件結(jié)構(gòu)(主控層、輔助層和公用層)的全軟件伺服控制器，依次測試了位置環(huán)、速度環(huán)及電流環(huán)的伺服控制策略和性能，實(shí)現(xiàn)了滿足高速高精度切削加工的高性能全軟件伺服控制器。 4．構(gòu)建適合高速高精度切削加工的伺服控制系統(tǒng)。在以直線永磁同步電機(jī)(Linear Perm

7、anent Magnet Synchronous Motor，簡稱為LPMSM)為控制對(duì)象的全軟件伺服控制器的試驗(yàn)平臺(tái)上，按照規(guī)劃的兩步可行性研究試驗(yàn)方案，對(duì)開發(fā)的全軟件伺服控制器進(jìn)行了伺服控制性能和實(shí)時(shí)性能的測試，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的全軟件伺服控制器的良好控制性能。 5．基于以上的工作，構(gòu)建了基于RTLinux操作系統(tǒng)的全軟件數(shù)控原型系統(tǒng)。為了檢驗(yàn)原型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，需要對(duì)全軟件數(shù)控系統(tǒng)的核心部分(NURBS插補(bǔ)算法和全軟件伺服控制器