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運動控制控制器-高平穩數控運動控制算法與系統
制造業是國民經濟的基礎,具有重要的戰略位置,其信息化、柔性化和全球化的趨勢促使現代數控機床朝著高速、高精、復合和智能的方向飛速發展。瞄準新一代高性能數控系統的實際需求,論文以提高數控運動平穩性為主線,以實現高精度高效率運動控制為目標,從理論研究和工程實現兩個方面,圍繞柔性加減速前瞻規劃、高速短線段加工、參數曲線插補、高平穩運動指令輸出和軟件系統體系結構等高性能數控系統關鍵技術問題進行了深入研究。

主要創新成果如下:(1)針對目前廣泛研究的S形加減速前瞻算法普遍存在運算量大運動控制控制器、實時性差的不足,設計了一種適于工程化的嵌套式自適應前瞻算法。給出了S形速度規劃曲線構造和校驗兩主要運算階段的解析解,使S形加減速的工程推廣和向中低檔數控系統普及成為可能。

(2)針對高速短線段加工需求,為有效避免加工路徑直接轉接對運動平穩性的沖擊,提出了空間圓弧和Ferguson樣條兩種過渡算法,能在保證加工精度的同時顯著提高加工效率、減小振動、改善工件表面質量。其中,空間圓弧過渡法與提出的任意空間圓弧插補算法相結合,算法簡捷、通用性好,適合于中低端數控系統使用;Ferguson樣條過渡法進一步提高了路徑的連續性,效率更高、過渡更平穩,但采用此算法的數控系統需要有參數曲線插補功能的支持,更適合應用于全功能高檔數控系統。

(3)提出了變周期參數曲線插補方法,采用嵌套規劃和逐步遞推兩種方法實現了S形加減速條件下的實時前瞻與高平穩插補。自適應變化的插補周期保證了前瞻路徑和插補軌跡的統一,全面解決了參數曲線插補過程中速度波動控制、精度控制和前瞻處理問題,實現了NURBS等參數曲線加工的高平穩運動控制。

(4)研究了脈沖進給系統的運動平穩性控制問題,在建立插補輸出模型的基礎上,從時域和頻域剖析了其平穩性問題的本質;分析揭示了傳統數控脈沖進給系統存在的精度、效率和平穩性之間的制約關系,給出了實現平穩運動控制的途徑;并從改變插補周期及多軸聯動方式入手,突破傳統數控的插補控制模式,提出了全新的高平穩運動控制方案——隨機周期獨立軸自適應插補控制,為改善此類數控設備的運動平穩性提供了理論依據和全新途徑。運動控制控制器

(5)借鑒軟件引擎的思想,通過對數控系統功能、算法和結構的抽象分析,提出了基于模塊、框架和腳本的數控引擎,并從基礎系統構建、增強系統構建、創新系統構建和特殊運動控制系統構建等方面探討了數控引擎的工程應用方法,能有效兼顧數控系統的執行效率、開放性和持續發展性的統一。所提出的高平穩數控運動控制算法在高檔數控系統和對平穩性有特殊要求的場合具有通用意義。基于對平穩性運動控制有典型要求的金屬和非金屬數控銑雕機系統樣機平臺,驗證了論文所提出算法的工程有效性以及軟件引擎系統的可行性。論文研究成果為新一代高性能數控系統的研究與開發奠定了良好的理論和工程開發基礎。