超快激光数控机床控制系统的研究与开发
发布时间：2022-08-23 18:08
激光加工技术具有效率高、材料消耗低、环保等诸多优点,自诞生之日起就引起人们的高度关注,为此,用于激光加工的数控机床的开发成为数控机床发展的重要发展方向之一。相比于传统数控机床,激光数控机床对机床控制系统提出了更高的要求。本文结合国家重大专项课题,针对航空发动机叶片等关键零件的特种加工需求,开展超快激光机床控制系统的开发,实现无重铸层等高精度加工需求。基于此,本文主要从以下四方面开展研究:针对激光数控机床的控制要求及激光数控机床的专用性强等特点,研究开发基于模块化特点的软硬件体系结构,该方案采用集中控制与分布式控制相结合的模式,将系统不同的功能分别由不同的子模块实现,并开发协调控制模块实现各子模块的任务同步处理。针对五轴联动中旋转轴运动所带来的非线性误差等问题,通过开展五轴加工实时插补技术的开发,实现五轴联动的高速平滑运动控制。研究了系统各模块间的可靠通信技术。由于控制系统具有实时多任务并行执行的特点,为此,保证各个优先级、实时性要求、通信协议不同的任务能够相互协调、有条不紊的运行是非常必要的。针对超快激光加工专业性较强的工艺特点,进行超快激光加工工艺技术的研究,并结合以上工艺需求,开发...
【文章页数】：139 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
abstract
第1章 绪论
1.1 课题研究的背景及意义
1.2 超快激光加工的特点
1.3 超快激光数控机床的国内外研究现状
1.4 课题难点分析
1.5 本文主要研究工作
1.6 本文的组织结构
第2章 基于分层网络化的超快激光控制系统体系结构设计
2.1 引言
2.2 超快激光控制系统需求分析
2.2.1 机床结构介绍
2.2.2 功能需求分析
2.3 超快激光控制系统总体架构设计
2.3.1 协同控制方案总体设计
2.3.2 总体硬件架构设计
2.3.3 控制系统软件总体设计
2.4 系统各模块控制任务划分
2.4.1 主控设备的任务
2.4.2 数控系统的任务
2.4.3 协同控制单元的任务
2.5 本章小结
第3章 五轴超快激光数控机床的轨迹平滑技术研究
3.1 引言
3.2 轨迹平滑处理的基本思想
3.3 轨迹平滑处理技术
3.3.1 直线与直线间拐角过渡
3.3.2 圆弧与直线间拐角过渡
3.3.3 直线与圆弧间拐角过渡
3.3.4 圆弧与圆弧间拐角过渡
3.4 基于速度前瞻加减速处理
3.4.1 满足期望长度的各运动段前瞻处理
3.4.2 运动段间转接速度的确定
3.4.3 基于运动段长度及转接速度的前瞻处理
3.4.4 运动段内速度的实时计算
3.5 本章小结
第4章 五轴超快激光数控机床的旋转轴运动光顺性研究
4.1 引言
4.2 五轴加工的运动学建模
4.2.1 坐标转换矩阵表示
4.2.2 五轴机床通用运动学模型构建
4.2.3 超快激光数控机床运动学模型
4.3 旋转轴平滑技术研究
4.3.1 旋转轴定向平滑处理
4.3.2 奇异点的处理
4.4 算法验证
4.5 本章小结
第5章 基于中间件的系统模块间交互技术研究
5.1 引言
5.2 中间件及其结构
5.3 基于中间件技术的通信机制
5.3.1 基于NML的通信机制
5.3.2 基于HAL的通信机制
5.4 基于中间件的通信技术研究
5.4.1 基于NML技术的数控系统内部通信
5.4.2 基于HAL技术的设备间通信
5.5 工控机与数控系统间通信的软件实现
5.5.1 Modbus通信协议
5.5.2 软件实现
5.6 本章小结
第6章 系统工艺软件开发及设计
6.1 引言
6.2 控制系统软件工艺模块的开发
6.2.1 工艺模块的组成
6.2.2 工艺模块的开发
6.3 本章小结
第7章 超快激光加工实验及验证
7.1 引言
7.2 实验环境
7.2.1 硬件平台
7.2.2 软件平台
7.3 加工实验
7.3.1 喷油杆油孔加工
7.3.2 空心涡轮叶片气膜孔的加工
7.3.3 与电火花制孔的工艺对比
7.4 本章小结
第8章 结论与展望
8.1 主要结论
8.2 研究展望
参考文献
致谢
作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]五轴线性刀路的转接光顺及轨迹生成算法[J]. 赵欢,张永红,丁汉. 机械工程学报. 2018(03)
[2]探索超快激光奥秘 开创超精细技术新领域[J]. 王慧颖. 现代传输. 2017(06)
[3]构建跨平台的通信模型及其基于RCS库的实现方法[J]. 廉梦佳,刘荫忠,王俊霖. 计算机系统应用. 2017(02)
[4]面向连续短线段高速加工的圆弧转接前瞻控制算法[J]. 张君,张立强,张凯. 中国机械工程. 2015(15)
[5]AB双摆角数控铣头运动误差分析[J]. 王增新,孙彩霞,李初晔. 航空制造技术. 2014(14)
[6]一种R-test球头球心检测装置结构优化设计方法[J]. 刘大炜,郭志平,宋智勇. 机械工程学报. 2013(23)
[7]双摆角铣头几何精度检测及五轴补偿[J]. 于春明,刘波. 制造技术与机床. 2013(11)
[8]数控运动相邻加工段拐角的平滑转接方法[J]. 黄建,宋爱平,陶建明,尹玮中. 上海交通大学学报. 2013(05)
[9]超快激光成丝现象的多丝控制[J]. 高慧,赵佳宇,刘伟伟. 光学精密工程. 2013(03)
[10]数控机床RTCP精度的分析[J]. 张翔,程志. 自动化与仪器仪表. 2012(05)
博士论文
[1]微小线段高速加工的轨迹优化建模及前瞻插补技术研究[D]. 金永乔.上海交通大学 2015
[2]五轴车铣复合加工功能关键技术的研究[D]. 刘峰.中国科学院研究生院（沈阳计算技术研究所） 2014
[3]数控系统五轴联动轨迹平滑技术研究与应用[D]. 耿聪.中国科学院研究生院（沈阳计算技术研究所） 2014
[4]适用于复杂形面加工的多轴运动控制系统设计理论与方法研究[D]. 乔志峰.天津大学 2012
硕士论文
[1]涡轮叶片气膜孔超快激光加工精确控形方法研究[D]. 李晓琳.厦门大学 2017
[2]超快激光数控机床中电气系统协同控制的研究与实现[D]. 何忠锴.中国科学院大学(中国科学院沈阳计算技术研究所) 2017
[3]五轴机床RTCP运动姿态及刀尖点误差同步测量系统研究[D]. 黄鸿坤.电子科技大学 2017
[4]五轴数控系统RTCP及倾斜面加工功能的研究与实现[D]. 邹翔翔.天津大学 2017
[5]五轴联动机床RTCP控制及其结构参数测量研究[D]. 顾潇.华中科技大学 2016
[6]面向连续短线段高速加工的平滑转接及前瞻控制研究[D]. 张君.上海工程技术大学 2016
[7]叶轮五轴联动数控加工后置处理技术的研究与应用[D]. 陈亮.西安建筑科技大学 2015
[8]用于微加工的超快激光光源及应用研究[D]. 李冬娟.中国科学院研究生院（西安光学精密机械研究所） 2013
[9]连续小线段前瞻插补算法的设计与实现[D]. 田林.哈尔滨工业大学 2012
[10]五轴数控系统轨迹平滑处理技术的研究与实现[D]. 赵世强.中国科学院研究生院（沈阳计算技术研究所） 2012
本文编号：3678241
【文章页数】：139 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
abstract
第1章 绪论
1.1 课题研究的背景及意义
1.2 超快激光加工的特点
1.3 超快激光数控机床的国内外研究现状
1.4 课题难点分析
1.5 本文主要研究工作
1.6 本文的组织结构
第2章 基于分层网络化的超快激光控制系统体系结构设计
2.1 引言
2.2 超快激光控制系统需求分析
2.2.1 机床结构介绍
2.2.2 功能需求分析
2.3 超快激光控制系统总体架构设计
2.3.1 协同控制方案总体设计
2.3.2 总体硬件架构设计
2.3.3 控制系统软件总体设计
2.4 系统各模块控制任务划分
2.4.1 主控设备的任务
2.4.2 数控系统的任务
2.4.3 协同控制单元的任务
2.5 本章小结
第3章 五轴超快激光数控机床的轨迹平滑技术研究
3.1 引言
3.2 轨迹平滑处理的基本思想
3.3 轨迹平滑处理技术
3.3.1 直线与直线间拐角过渡
3.3.2 圆弧与直线间拐角过渡
3.3.3 直线与圆弧间拐角过渡
3.3.4 圆弧与圆弧间拐角过渡
3.4 基于速度前瞻加减速处理
3.4.1 满足期望长度的各运动段前瞻处理
3.4.2 运动段间转接速度的确定
3.4.3 基于运动段长度及转接速度的前瞻处理
3.4.4 运动段内速度的实时计算
3.5 本章小结
第4章 五轴超快激光数控机床的旋转轴运动光顺性研究
4.1 引言
4.2 五轴加工的运动学建模
4.2.1 坐标转换矩阵表示
4.2.2 五轴机床通用运动学模型构建
4.2.3 超快激光数控机床运动学模型
4.3 旋转轴平滑技术研究
4.3.1 旋转轴定向平滑处理
4.3.2 奇异点的处理
4.4 算法验证
4.5 本章小结
第5章 基于中间件的系统模块间交互技术研究
5.1 引言
5.2 中间件及其结构
5.3 基于中间件技术的通信机制
5.3.1 基于NML的通信机制
5.3.2 基于HAL的通信机制
5.4 基于中间件的通信技术研究
5.4.1 基于NML技术的数控系统内部通信
5.4.2 基于HAL技术的设备间通信
5.5 工控机与数控系统间通信的软件实现
5.5.1 Modbus通信协议
5.5.2 软件实现
5.6 本章小结
第6章 系统工艺软件开发及设计
6.1 引言
6.2 控制系统软件工艺模块的开发
6.2.1 工艺模块的组成
6.2.2 工艺模块的开发
6.3 本章小结
第7章 超快激光加工实验及验证
7.1 引言
7.2 实验环境
7.2.1 硬件平台
7.2.2 软件平台
7.3 加工实验
7.3.1 喷油杆油孔加工
7.3.2 空心涡轮叶片气膜孔的加工
7.3.3 与电火花制孔的工艺对比
7.4 本章小结
第8章 结论与展望
8.1 主要结论
8.2 研究展望
参考文献
致谢
作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]五轴线性刀路的转接光顺及轨迹生成算法[J]. 赵欢,张永红,丁汉. 机械工程学报. 2018(03)
[2]探索超快激光奥秘 开创超精细技术新领域[J]. 王慧颖. 现代传输. 2017(06)
[3]构建跨平台的通信模型及其基于RCS库的实现方法[J]. 廉梦佳,刘荫忠,王俊霖. 计算机系统应用. 2017(02)
[4]面向连续短线段高速加工的圆弧转接前瞻控制算法[J]. 张君,张立强,张凯. 中国机械工程. 2015(15)
[5]AB双摆角数控铣头运动误差分析[J]. 王增新,孙彩霞,李初晔. 航空制造技术. 2014(14)
[6]一种R-test球头球心检测装置结构优化设计方法[J]. 刘大炜,郭志平,宋智勇. 机械工程学报. 2013(23)
[7]双摆角铣头几何精度检测及五轴补偿[J]. 于春明,刘波. 制造技术与机床. 2013(11)
[8]数控运动相邻加工段拐角的平滑转接方法[J]. 黄建,宋爱平,陶建明,尹玮中. 上海交通大学学报. 2013(05)
[9]超快激光成丝现象的多丝控制[J]. 高慧,赵佳宇,刘伟伟. 光学精密工程. 2013(03)
[10]数控机床RTCP精度的分析[J]. 张翔,程志. 自动化与仪器仪表. 2012(05)
博士论文
[1]微小线段高速加工的轨迹优化建模及前瞻插补技术研究[D]. 金永乔.上海交通大学 2015
[2]五轴车铣复合加工功能关键技术的研究[D]. 刘峰.中国科学院研究生院（沈阳计算技术研究所） 2014
[3]数控系统五轴联动轨迹平滑技术研究与应用[D]. 耿聪.中国科学院研究生院（沈阳计算技术研究所） 2014
[4]适用于复杂形面加工的多轴运动控制系统设计理论与方法研究[D]. 乔志峰.天津大学 2012
硕士论文
[1]涡轮叶片气膜孔超快激光加工精确控形方法研究[D]. 李晓琳.厦门大学 2017
[2]超快激光数控机床中电气系统协同控制的研究与实现[D]. 何忠锴.中国科学院大学(中国科学院沈阳计算技术研究所) 2017
[3]五轴机床RTCP运动姿态及刀尖点误差同步测量系统研究[D]. 黄鸿坤.电子科技大学 2017
[4]五轴数控系统RTCP及倾斜面加工功能的研究与实现[D]. 邹翔翔.天津大学 2017
[5]五轴联动机床RTCP控制及其结构参数测量研究[D]. 顾潇.华中科技大学 2016
[6]面向连续短线段高速加工的平滑转接及前瞻控制研究[D]. 张君.上海工程技术大学 2016
[7]叶轮五轴联动数控加工后置处理技术的研究与应用[D]. 陈亮.西安建筑科技大学 2015
[8]用于微加工的超快激光光源及应用研究[D]. 李冬娟.中国科学院研究生院（西安光学精密机械研究所） 2013
[9]连续小线段前瞻插补算法的设计与实现[D]. 田林.哈尔滨工业大学 2012
[10]五轴数控系统轨迹平滑处理技术的研究与实现[D]. 赵世强.中国科学院研究生院（沈阳计算技术研究所） 2012
本文编号：3678241
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/jiagonggongyi/3678241.html
