开放式智能数控系统及其在线控制相关技术研究

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1、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RESEARCHONRELATEDTECHNOLOGIESOFANOPENARCHITECTUREINTELLIGENTCNCSYSTEMANDONLINECONTROL李茂月哈尔滨工业大学2012年5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

2、业大学ClassifiedIndex:TP273.5U.D.C:621.9-52DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringRESEARCHONRELATEDTECHNOLOGIESOFANOPENARCHITECTUREINTELLIGENTCNCSYSTEMANDONLINECONTROLCandidate：LiMaoyueSupervisor：Prof.FUHongyaAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：Mechanica

3、lManufacturingandAutomationAffiliation：SchoolofMechatronicsEngineeringDateofDefence：May,2012Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要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

4、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

5、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，它不仅决定了铣削过程中所消耗的功率，而且还直接影响铣

6、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

7、加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-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文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。

8、为此，本文研究了变主轴转速在线抑制颤振的相关技术。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