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五自由度高檔數(shù)控系統(tǒng)

本項(xiàng)目的目標(biāo)是開發(fā)新一代全數(shù)字化高檔數(shù)控系統(tǒng)（五軸），研究相關(guān)軟硬件核心技術(shù)，提升南通市及我國(guó)高檔數(shù)控系統(tǒng)的自主技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化能力，在高速立、臥式加工中心，精密立、臥式加工中心，五軸聯(lián)動(dòng)加工中心，高速數(shù)控車床及車削中心，臥式車銑復(fù)合加工中心等高檔數(shù)控機(jī)床上配套應(yīng)用，形成批量生產(chǎn)能力。可達(dá)技術(shù)指標(biāo)序號(hào)名稱規(guī)格1插補(bǔ)周期1ms2最小分辨率脈沖模式，1um；總線模式，0.1um3前瞻段數(shù)10004聯(lián)動(dòng)軸數(shù)五軸，三個(gè)直線軸、兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸5伺服驅(qū)動(dòng)接口脈沖、SERCOS III、Mechatrolink II6曲線插補(bǔ)Nurbs曲線插補(bǔ)7RTCP刀具中心點(diǎn)控制8空間刀具補(bǔ)償多種空間刀具補(bǔ)償模式，補(bǔ)償建立、取消9平面C型刀具補(bǔ)償256組10螺距誤差補(bǔ)償單向、雙向螺距誤差補(bǔ)償11反向間隙補(bǔ)償多種條件補(bǔ)償模式12加減速功能直線型和S型13G代碼標(biāo)準(zhǔn)兼容Fanuc標(biāo)準(zhǔn)14宏程序功能Fanuc A類宏程序15PLC功能兼容Fanuc標(biāo)準(zhǔn)，最大支持1024輸入/1024輸出點(diǎn)，128個(gè)定時(shí)器，128個(gè)計(jì)數(shù)器16現(xiàn)場(chǎng)總線接口CAN、RS485 一、系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù) 高速高精多軸運(yùn)動(dòng)控制算法研究： (1) 基于前瞻功能的連續(xù)微小線段軌跡運(yùn)動(dòng)控制算法基于超聲波加工運(yùn)動(dòng)特性及動(dòng)力學(xué)特性分析，提出“速度規(guī)劃單元”和“速度等級(jí)”概念。實(shí)現(xiàn)了具有前瞻功能的連續(xù)微小線段軌跡速度規(guī)劃算法。該算法根據(jù)讀入軌跡段的幾何特性及動(dòng)力學(xué)特性自適應(yīng)實(shí)現(xiàn)超聲波加工軌跡插補(bǔ)中的速度控制，在保證軌跡精度的前提下，盡可能地提高超聲波加工速度；根據(jù)微段速度規(guī)劃策略，實(shí)現(xiàn)了針對(duì)連續(xù)微小線段軌跡的插補(bǔ)算法。插補(bǔ)算法可正確確定微段插補(bǔ)過程中每一步的軌跡坐標(biāo)，并解決插補(bǔ)過程中的終點(diǎn)判斷問題。 (2) 柔性加減速控制算法實(shí)現(xiàn)了對(duì)插補(bǔ)軌跡進(jìn)行精確控制以及對(duì)加速度和加加速進(jìn)行控制。優(yōu)異的加減速控制算法可以避免超聲波加工中心的沖擊、振動(dòng)，并在不增加系統(tǒng)運(yùn)算量的情況下使得整個(gè)插補(bǔ)過程能夠平滑快速執(zhí)行。本部分工作實(shí)現(xiàn)了直線型加減速、S型加減速。此外由于軌跡插補(bǔ)和速度規(guī)劃的離散性，重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了軌跡末端的速度平滑處理，即“尾巴處理”，使整個(gè)插補(bǔ)過程平滑進(jìn)行。 (3) NURBS曲線插補(bǔ)及速度平滑控制實(shí)現(xiàn)了具有軌跡預(yù)讀功能的NURBS曲線運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法。針對(duì)NURBS曲線的軌跡幾何特征，實(shí)現(xiàn)了基于“規(guī)劃單元”的速度規(guī)劃和參數(shù)插補(bǔ)算法。給出NURBS預(yù)讀策略和速度規(guī)劃算法，通過規(guī)劃單元的預(yù)讀、規(guī)劃單元間轉(zhuǎn)接速度的調(diào)整和規(guī)劃結(jié)果的及時(shí)輸出保證了插補(bǔ)的實(shí)時(shí)性；實(shí)現(xiàn)了NURBS曲線規(guī)劃單元的參數(shù)插補(bǔ)方法。為了適應(yīng)采用的軌跡預(yù)讀算法，提出“重疊拼接法，實(shí)現(xiàn)了相鄰兩個(gè)NURBS曲線的光滑轉(zhuǎn)接。機(jī)床精度補(bǔ)償技術(shù)研究： (1) RTCP技術(shù) 實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)刀具中心點(diǎn)編程RTCP(Rotation Tool Centre Point)。RTCP功能采用將以往在CAM中的由機(jī)床配置引起坐標(biāo)變換移植到CNC控制器中在坐標(biāo)插補(bǔ)之后進(jìn)行的策略,即采用先插補(bǔ)后轉(zhuǎn)換的機(jī)制來徹底消除坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)而引起的非線性誤差，提高加工精度。 (2)空間刀具補(bǔ)償技術(shù) 實(shí)現(xiàn)了空間刀具補(bǔ)償。測(cè)量超聲波工具直徑與伸出長(zhǎng)度，并確定最佳工作間隙，以及在此工藝條件下去除的材料厚度，將三者之和作為“工具補(bǔ)償參數(shù)”通過分析超聲波頭與零件之間關(guān)系，開發(fā)適應(yīng)不同情況的刀具補(bǔ)償矢量計(jì)算方法。根據(jù)補(bǔ)償指令方法的使用方式，實(shí)現(xiàn)了工具補(bǔ)償?shù)慕⑴c取消方法。實(shí)現(xiàn)了補(bǔ)償過程中由于補(bǔ)償平面的改變而引起的工具干涉情況。 (3)誤差補(bǔ)償技術(shù) 除了RTCP和空間刀補(bǔ)外，實(shí)現(xiàn)了反向間隙補(bǔ)償、螺距誤差補(bǔ)償。控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)研究： (1) 運(yùn)動(dòng)控制總線實(shí)現(xiàn)了與伺服驅(qū)動(dòng)器的通信。運(yùn)動(dòng)控制總線的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)較多，在不開發(fā)伺服驅(qū)動(dòng)器的條件下，只能采用某一國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：(1)基于以太網(wǎng)物理層的SERCOS III標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)是歐系數(shù)控系統(tǒng)的主力標(biāo)準(zhǔn)，有大量的高性能伺服驅(qū)動(dòng)器可供選擇；(2)基于RS485物理層的Mechatrolink II標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)由安川開發(fā)，伺服驅(qū)動(dòng)器價(jià)格相對(duì)低，具有成本優(yōu)勢(shì)。 (2) 位置控制算法實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)的位置控制。本系統(tǒng)采用目前成熟穩(wěn)定的帶有前饋的PID控制實(shí)現(xiàn)位置環(huán)，閉環(huán)周期100ms。傳統(tǒng)的PID是典型的反饋控制，雖然具有穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，但是需要誤差已經(jīng)產(chǎn)生后才能改變輸出，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)值的跟蹤，因此從根本上是無法避免跟蹤誤差的。而前饋控制可以將目標(biāo)值處理后直接向前傳遞，達(dá)到系統(tǒng)快速響應(yīng)和跟蹤的目的，理論上可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)值的零誤差跟蹤。 (3) PLC相關(guān)技術(shù) 實(shí)現(xiàn)了梯形圖的編輯、編譯、運(yùn)行、調(diào)試功能。同時(shí)提供PC Windowns環(huán)境下的梯形圖編輯、編譯環(huán)境。二、對(duì)國(guó)家產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)影響通過本項(xiàng)目的實(shí)施，將極大促進(jìn)我國(guó)自主高檔數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)的整體進(jìn)步，形成打破國(guó)外技術(shù)壟斷和產(chǎn)品封鎖的知識(shí)產(chǎn)權(quán)利器，使國(guó)產(chǎn)高檔數(shù)控機(jī)床及高檔數(shù)控系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上具有核心競(jìng)爭(zhēng)力和自主權(quán)。應(yīng)用范圍：本項(xiàng)目的目標(biāo)是開發(fā)新一代全數(shù)字化高檔數(shù)控系統(tǒng)，研究相關(guān)軟硬件核心技術(shù)，提升我國(guó)高檔數(shù)控系統(tǒng)的自主技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化能力，在高速立、臥式加工中心，精密立、臥式加工中心，五軸聯(lián)動(dòng)加工中心，高速數(shù)控車床及車削中心，臥式銑車（車銑）復(fù)合加工中心等高檔數(shù)控機(jī)床上配套應(yīng)用，形成批量生產(chǎn)能力。

北京交通大學(xué) 2021-04-13

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