开放式数控系统关键技术的研究及应用

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1、开放式数控系统关键技术的研究及应用摘要(目前，大部分机床的数控系统仍由特定制造商以封闭的结构方式提供解决方案。这些数控系巯的功能扩充由于极其复杂，只能依赖于该系统的制造商才能完成。同时，从一个制造商的数控系统转移到另一个制造商的数控系统，或者一个数控系统制造商的同一类产品的升级都面临许多困难。基于这种现状，产生了对开放式数控系统的需求。开放式数控系统的提出适应了现代技术不断发展的需要，模块化的设计使系统在不必重新设计专用硬件和软件的情况下，能够重新配置、修改和扩充，使得来自不同销售商的模块化部件能迅速组装成为一套完整的系统。是适合中小批量加

2、工、具有良好柔性和多种加工功能制造系统需求的基础，满足了快速适应市场变化和数控技术飞速发展的需要。因此，结合数控系统的发展趋势，研究开放式数控系统体系结构及其关键技术具有重要的现实意义和实用价值。t／本文在对开放式数控系统的研究现状、基于PC的开放式数控系统的发展进行全面分析与总结的基础上，提出全软件型的开放式数控系统实现形式。f研究了建立开放式数控系统体系结构的完整过程及实现方式，应用面向对象的技术及其建模语言UML完成了开放式数控系统体系结构的静态和动态建模，得到了描述一个完整的软件型数控系统模型的重要组成部分——类(包)、接口、用例及

3、它们的实例。给出了构造开放式数控系统的过程和分工，并详细阐述了构筑系统所用到的一些核心技术。文本文结合实际科研项目，在分析现有技术研究现状的基础上，就开放式数控系统包含的三个关键技术：参考轨迹插补、伺服控制、轮廓控制进行了深入系统的研究：1．分析了现有数控系统插补方式中存在的问题，借鉴Look—ahead技术和超级形状复原的基本思想，提出了参考轨迹插补的新思路。在综合考虑伺服进给速度尽可能平稳、由曲线变化引起的各运动轴速度及其变化率不超过伺服系统驱动能力、以及速度变化时的平滑加减速控制等因素下，实现了沿运动轨迹的有效进给速度曲线的合理确定，

4、解决了伺服系统进给运动高速、平滑控制的关键问题。2．在对一个两轴联动数控机床的伺服系统进行理论建模的基础上，基于最小二乘原理，结合实验辨识的方法得到了系统的动力学模型。利用系统的根轨迹对伺服系统的稳定性进行了分析．在证明系统状态的可控性和可观性的基础上，提出基于现代控制理论的最优二次型伺服控制器设计，与常规基于古典控制理论的反馈控制器相比，本文提出的控制器基于开放式数控系统平台，充分利用了伺服系统的全部状态信息和指令信息，实现了伺服系统对指令输入的最优跟踪控制。3．将交叉耦合控制成功地应用到本文提出的开放式数控系统的轮廓控制中，分析对比了几

5、种前人提出的交叉耦合控制器结构，指出交叉耦合控制在传统数控系统中应用的局限性。基于开放式数控系统的平台，利用参考轨迹离线插补的优势，提出了一个实时轮廓误差的求解模型和误差补偿策略。l轮廓跟踪实验表明，交叉耦合控制与最优伺服控制相结合可以LI有效地提高系统的轮廓控制精度。十在理论研究与开发工作的基础上，本文应用通用工业Pc，选用标准的工业接口卡，在LOM机床上研制成功了一套基于Pc的开放式主从结构数控系统——RPcNc系统，给出了详细的研制过程和系统组成：在分析LOM机床数控系统控制任务的基础上，应用集成计算机辅助建模方法IDEFO，建立了L

6、OM机床数控系统的功能模型。嗵过系统功能的细化分解，清晰地表达了所有功能模块的活动与整个系统之间的关系；在功能分析的基础上，得到了面向对象的系统实现模型，同时，基于实时操作系统，应用c++语言在下位IPC上开发了实时控制系统。在上位IPC上基于Windows，应用VisualBasic语言完成了一个测试软件。4、本文在一台LOM机床上对RPCNC系统进行了控制性能测试，对机床定位精度、单轴跟随及双轴联动轮廓跟随分别进行了实验和测试。【结果表明RPCNC系统控制性能良好。同时，应用RPCNC系统与LOM机床的原数控系统进行了加工对比实验，结果

7、表明，无论伺服系统的运动速度、运动的平稳性，还是轮廓控制方面，RPCNC系统都有明显的优势。乜关键词：数控系统开放式结构离线插补，伺服系统．轮廓控制系统辨识，分层物体制造i6LOM7lIResearchonKeyTechnologyofOpenArchitectureCNCandApplicationABSTRACTNumericalcontrolsystemshavebeenandeVentodayBxemainlyofferedasclosedmanufacturer-specificsolutions．Suchsystemsarech

8、aracterizedbythefactthat，ontheonehand，functionenlargementsarenotoronlypossibleinacomplica