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五自由度高檔數控系統

本項目的目標是開發新一代全數字化高檔數控系統（五軸），研究相關軟硬件核心技術，提升南通市及我國高檔數控系統的自主技術創新和產業化能力，在高速立、臥式加工中心，精密立、臥式加工中心，五軸聯動加工中心，高速數控車床及車削中心，臥式車銑復合加工中心等高檔數控機床上配套應用，形成批量生產能力。可達技術指標序號名稱規格1插補周期1ms2最小分辨率脈沖模式，1um；總線模式，0.1um3前瞻段數10004聯動軸數五軸，三個直線軸、兩個旋轉軸5伺服驅動接口脈沖、SERCOS III、Mechatrolink II6曲線插補Nurbs曲線插補7RTCP刀具中心點控制8空間刀具補償多種空間刀具補償模式，補償建立、取消9平面C型刀具補償256組10螺距誤差補償單向、雙向螺距誤差補償11反向間隙補償多種條件補償模式12加減速功能直線型和S型13G代碼標準兼容Fanuc標準14宏程序功能Fanuc A類宏程序15PLC功能兼容Fanuc標準，最大支持1024輸入/1024輸出點，128個定時器，128個計數器16現場總線接口CAN、RS485 一、系統關鍵技術高速高精多軸運動控制算法研究： (1) 基于前瞻功能的連續微小線段軌跡運動控制算法基于超聲波加工運動特性及動力學特性分析，提出“速度規劃單元”和“速度等級”概念。實現了具有前瞻功能的連續微小線段軌跡速度規劃算法。該算法根據讀入軌跡段的幾何特性及動力學特性自適應實現超聲波加工軌跡插補中的速度控制，在保證軌跡精度的前提下，盡可能地提高超聲波加工速度；根據微段速度規劃策略，實現了針對連續微小線段軌跡的插補算法。插補算法可正確確定微段插補過程中每一步的軌跡坐標，并解決插補過程中的終點判斷問題。 (2) 柔性加減速控制算法實現了對插補軌跡進行精確控制以及對加速度和加加速進行控制。優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，并在不增加系統運算量的情況下使得整個插補過程能夠平滑快速執行。本部分工作實現了直線型加減速、S型加減速。此外由于軌跡插補和速度規劃的離散性，重點實現了軌跡末端的速度平滑處理，即“尾巴處理”，使整個插補過程平滑進行。 (3) NURBS曲線插補及速度平滑控制實現了具有軌跡預讀功能的NURBS曲線運動規劃算法。針對NURBS曲線的軌跡幾何特征，實現了基于“規劃單元”的速度規劃和參數插補算法。給出NURBS預讀策略和速度規劃算法，通過規劃單元的預讀、規劃單元間轉接速度的調整和規劃結果的及時輸出保證了插補的實時性；實現了NURBS曲線規劃單元的參數插補方法。為了適應采用的軌跡預讀算法，提出“重疊拼接法，實現了相鄰兩個NURBS曲線的光滑轉接。機床精度補償技術研究： (1) RTCP技術實現了旋轉刀具中心點編程RTCP(Rotation Tool Centre Point)。RTCP功能采用將以往在CAM中的由機床配置引起坐標變換移植到CNC控制器中在坐標插補之后進行的策略,即采用先插補后轉換的機制來徹底消除坐標旋轉而引起的非線性誤差，提高加工精度。 (2)空間刀具補償技術實現了空間刀具補償。測量超聲波工具直徑與伸出長度，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“工具補償參數”通過分析超聲波頭與零件之間關系，開發適應不同情況的刀具補償矢量計算方法。根據補償指令方法的使用方式，實現了工具補償的建立與取消方法。實現了補償過程中由于補償平面的改變而引起的工具干涉情況。 (3)誤差補償技術除了RTCP和空間刀補外，實現了反向間隙補償、螺距誤差補償。控制系統體系結構研究： (1) 運動控制總線實現了與伺服驅動器的通信。運動控制總線的國際標準較多，在不開發伺服驅動器的條件下，只能采用某一國際標準。本系統實現了兩個標準：(1)基于以太網物理層的SERCOS III標準，該標準是歐系數控系統的主力標準，有大量的高性能伺服驅動器可供選擇；(2)基于RS485物理層的Mechatrolink II標準，該標準由安川開發，伺服驅動器價格相對低，具有成本優勢。 (2) 位置控制算法實現了對電機的位置控制。本系統采用目前成熟穩定的帶有前饋的PID控制實現位置環，閉環周期100ms。傳統的PID是典型的反饋控制，雖然具有穩定的優點，但是需要誤差已經產生后才能改變輸出，進而實現對目標值的跟蹤，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值處理后直接向前傳遞，達到系統快速響應和跟蹤的目的，理論上可以實現對目標值的零誤差跟蹤。 (3) PLC相關技術實現了梯形圖的編輯、編譯、運行、調試功能。同時提供PC Windowns環境下的梯形圖編輯、編譯環境。二、對國家產業結構影響通過本項目的實施，將極大促進我國自主高檔數控機床產業的整體進步，形成打破國外技術壟斷和產品封鎖的知識產權利器，使國產高檔數控機床及高檔數控系統在國內外市場上具有核心競爭力和自主權。應用范圍：本項目的目標是開發新一代全數字化高檔數控系統，研究相關軟硬件核心技術，提升我國高檔數控系統的自主技術創新和產業化能力，在高速立、臥式加工中心，精密立、臥式加工中心，五軸聯動加工中心，高速數控車床及車削中心，臥式銑車（車銑）復合加工中心等高檔數控機床上配套應用，形成批量生產能力。

北京交通大學 2021-04-13

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