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1、 博士学位论文博士学位论文 开放式智能数控系统及其在线控制 相关技术研究 RESEARCH ON RELATED TECHNOLOGIES OF AN OPEN ARCHITECTURE INTELLIGENT CNC SYSTEM AND ONLINE CONTROL 李茂月李茂月 哈尔滨工业大学 2012 年年 5 月月 国内图书分类号：TP273.5 学校代码：10213 国际图书分类号：621.9-52 密级：公开 工学博士学位论文工学博士学位论文 开放式智能数控系统及其在线控制 相关技术研究 博 士 研 究 生：李茂月 导 师：富宏亚教授 申请学位：工学博士 学科：机械制造及其自动化
2、 所 在 单 位：机电工程学院 答 辩 日 期：2012 年 5 月 授予学位单位：哈尔滨工业大学 Classified Index: TP273.5 U.D.C: 621.9-52 Dissertation for the Doctoral Degree in Engineering RESEARCH ON RELATED TECHNOLOGIES OF AN OPEN ARCHITECTURE INTELLIGENT CNC SYSTEM AND ONLINE CONTROL Candidate： Li Maoyue Supervisor： Prof. FU Hongya Academic
3、 Degree Applied for： Doctor of Engineering Speciality： Mechanical Manufacturing and Automation Affiliation： School of Mechatronics EngineeringDate of Defence： May, 2012 Degree-Conferring-Institution：Harbin Institute of Technology 摘 要 - I -摘 要 机床的智能化是提高机床加工效率、降低加工成本、确保工件加工精度以及改善工件表面加工质量的有效途径之一，已经得到国际
4、上许多国家的重视和研究。当前，数控系统所采用的是一种专用的封闭式体系结构，其以固定参数形式设定加工过程变量，在整个制造过程中CNC只是一个封闭式的开环执行机构。随着现代制造业向信息化、敏捷制造模式的发展，越来越暴露出其固有的缺陷，而应用在线监督、控制机床的状态可以提高切削效率和加工的安全性。为此，本文对智能型模块化开放式数控系统的实现技术以及数控铣削参数的在线智能控制技术进行了深入的研究。 研究开发了基于OMAC标准的开放式智能型铣削数控系统平台，该平台能实现插补控制和外部切削参数的实时采集及控制。对构建智能数控系统的相关技术做了研究和介绍，包括硬件设备和软件支持技术。智能控制器软件系统设计为
5、七个功能模块，包括：人机交互模块、任务生成模块、任务协调模块、自适应控制模块、离散逻辑控制模块、轴组模块和轴运动模块。研究规划了各个功能模块的任务和模块间的逻辑关系，同时研究了外部加工参数的在线实时采集及系统实现方案，方案要求采集过程具有“硬实时”特性，即能保证参数采集的准确、定时，更要保证模块间的任务协调、可控制，还能为在线过程参数的智能控制预留编程接口。研究了基于SERCOS通讯模式时驱动器技术参数在线实时反馈至控制器的实现方案， 技术参数主要包括机床的进给速度和主轴转速。智能数控系统平台和相关技术的研究为过程参数的在线智能控制奠定了基础。 铣削力是铣削过程中重要的物理参数之一，它不仅决定
6、了铣削过程中所消耗的功率，而且还直接影响铣削热的产生，而铣削热影响铣削温度，铣削温度易加速刀具的磨损或破损，最终影响刀具的使用寿命。为此，本文以提高粗铣削的加工效率为前提，研究且实现了基于铣削力约束的在线过程参数自适应智能控制的相关技术。在构建机床适应控制仿真模型的基础上，对铣削适应控制进行了仿真研究。首先，利用实验样本对设计的基于 BP 神经网络的切削系统环节进行了训练，研究并编写了自调整因子的模糊控制器函数，通过仿真实验验证了控制器和控制算法的正确性。其次，为了在开放数控系统中实现基于切削力约束的在线变进给速度控制，利用有限状态机技术对控制器进行了行为建模，设计使用改变进给速度倍率来改变加
7、工过程进给速度的方法，并提出使用“双共享内存”技术实现插补加工和智能过程控制的同步与协调。最后，对台阶哈尔滨工业大学工学博士学位论文 - II -形铝合金工件进行了加工实验，验证了实现开放式智能数控系统在线变速切削技术的正确性和优越性。 由于断续铣削力的循环变化、铣刀几何条件决定的瞬时切削厚度的变化，都会增大切削振动，引起切削质量不稳定。而切削过程的动态特性和机床刀具工件系统的模态特性之间的相互作用会导致颤振。颤振不仅限制了金属切削过程中的效率，还降低了工件的表面质量，增加了刀具磨损的速率，造成了加工噪声。因此，金属切削过程中避免和抑制颤振非常重要。为此，本文研究了变主轴转速在线抑制颤振的相关
8、技术。首先，研究了颤振领域常用的传感器监控技术，尤其是三向切削力和振动加速度传感器的各向分量在颤振监控过程中的时域和频域敏感信号特征。其次，针对监控信号的频域特性，研究了快速傅立叶变换技术及在颤振过程中对信号有效信息的提取技术。研究了变主轴转速抑制颤振的算法，并建立了颤振频率与主轴转速间的关系模型，为实现颤振抑制提供了理论基础。最后，研究了在开放式数控系统中实现变主轴转速在线抑制颤振的相关技术，提出了基于位置模式和可重构设计的速度模式两种控制方案，并研究了其在控制器模块间的数据实现流程。对连续变切削深度铝合金工件进行了在线颤振抑制加工实验，实验验证了开放式智能铣削数控系统在线抑制颤振技术的有效
9、性。 目前，含有复杂曲面的产品和零件在现代制造业中所占的比例越来越大，同时对加工的精度和效率的要求也越来越高。为此，本文对自适应NURBS插补技术进行了研究。分析并开发了基于限定弓高误差的自适应NURBS插补算法，并对具有梯形、S型加减速的自适应NURBS插补算法进行了研究和仿真加工。研究了自适应NURBS插补的S型加减速的简化算法。针对基于限定弓高误差的自适应NURBS插补算法在曲率半径波动处易出现加速度和加加速度突变且易超出允许值的情况，提出了一种基于曲率变化特性的柔性加减速的自适应NURBS插补方法，并将插补过程分为加速、基于曲率的自适应调整、最后制动三个阶段。 将提出的基于曲率变化特性
10、的自适应NURBS插补算法集成至开发的智能数控系统控制器中，并通过加工实验验证了其正确性。 关键词：开放式数控系统；智能控制器；在线过程控制；铣削力；颤振抑制；自适应 NURBS 插补 Abstract - III -Abstract The intelligence of machine is one of an effective way in improving machining efficiency, reducing processing cost, ensuring work-pieces machining accuracy and improving the surface
11、processing quality, and it has been accounted and studied in many countries. At present, a kind of enclosed structure for numerical control system is used, which sets process variables with fixed parameters form. Therefore, CNC is only an enclosed and open-loop actuator in the manufacturing. With th
12、e development of information, agile manufacturing mode in modern manufacturing, more and more inherent defects have been imposed. It can improve cutting efficiency and manufacturing safety by using on-line supervision and controlling the state of the machine. So some technologies have been deeply re
13、searched for realization of an intelligent modular open architecture CNC system and cutting parameters on-line intelligent control in milling. An open architecture intelligent milling CNC platform has been studied and developed based on open modular architecture controller, which can realize interpo
14、lation control and external parameters real-time acquisition and control. Related technologies about realizing intelligent CNC system have been studied and introduced, including hardware equipment and software supporting technologies. The software composition is divided into seven modules, including
15、 human machine interface module, task generator module, task coordinate module, adaptive control module, discrete logic control module, axis group module and axis module. At the same time, the task for each module and logic relationships among modules have been planned. A scheme about external param
16、eters on-line real-time acquisition and realization of the CNC system have been studied and developed. There are several demands in this scheme, including the character of hard real-time in the process of acquisition, which needs to acquire accurately and timely, to assure the tasks coordinate and be controllable. On the other hand, it should reserve the programming interface for
