基于开放式数控平台的复杂曲面加工研究

论文摘要

随着计算机技术和微电子技术的飞速发展,可重构、模块化数控系统已成为数控技术发展的必然趋势。开放式数控系统的研究适应这一发展方向,自从上世纪90年代以来,已成为世界制造领域的研究热点。本文开发了具有曲面仿真加工功能的软件系统,该系统遵循OMAC API接口标准,满足功能可扩充、模块可置换性等开放式数控系统的要求。基于此开放式数控平台,进行了复杂曲面加工的研究。本文进行的主要研究工作如下：本文首先通过对国际上三大标准的比较,选用美国的OMAC标准作为开发开放式数控系统的标准。数控系统内部模块与模块之间的相互通讯,以及数控系统与外界的信息传递都是通过相应标准接口实现。从而可以使多个厂商的产品协调地组合在一起,满足可互换、可扩展、可移植和互操作等开放性要求。本课题基于COM组件技术系统静态建模技术与有限状态机模型的系统动态行为建模技术构建了开放式数控平台。由于采用了组件化技术对系统进行了静态建模,可以实现组件二进制级代码重用。当所有的组件开发完成之后,把它们组合起来就得到了完整的应用系统,提高了数控系统软件模块的重用性、灵活性和可扩展性。另外,使用有限状态机模型化机床的行为,使控制流与机床的机械部分分离开来,从而使机床的控制程序能被单独改变。将机床的特定行为和操作局限于控制程序的局部,因此极大地提高数控系统的开放性。定义了模块的基本接口并基于UML语言进行了系统主要模块的建模分析,UML语言的使用使系统开发满足可视化、易于调试等优点。提出了最大间距等参数线路径规划算法。路径规划算法的优劣直接影响其加工精度和加工效率。该算法同时具备等残留高度法加工效率高和等参数线法生成刀具轨迹简单的优点,而且可以显著减少曲面路径规划的刀具路径冗余,从而提高曲面加工的效率。提出了基于刀触点的插补算法。该算法可以减小多轴联动加工中非线性误差并且使进给速度在插补过程中根据曲率半径的变化自动地进行调整,将弓高误差限制在允许的范围内,保证了曲线轮廓的加工精度。此外,在算法实现方面,本文研究了NURBS曲线基函数及其导数的简化算法,用于改善系统的实时性能。提出了空间刀补算法,该算法基于双摆头五轴铣床确定了空间刀具补偿方向矢量,实现了曲面加工中刀具半径及刀具长度补偿。很好地解决了多坐标联动数控系统中对于空间刀具补偿功能的要求。在前面介绍的开放式数控系统的基本理论及实现技术的基础上,实现了用于曲面加工仿真的五轴系统软件开发,该系统具有可扩展性、可互换性等开放性性能。最后,基于VERICUT软件对复杂曲面的加工进行了仿真,验证了所开发系统对复杂曲面的加工能力。并且基于华中开放式数控平台,对限定弓高误差的NURBS曲线插补算法进行试验研究。实验结果表明,变进给限定弓高插补算法满足NURBS曲线加工高速、高精的要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 数控系统的发展
• 1.1.1 数控技术的发展历程
• 1.1.2 现代数控系统的技术特征
• 1.2 开放式数控系统产生的背景
• 1.3 开放式数控系统的特征
• 1.4 国内外开放式数控系统的研究现状
• 1.4.1 国外研究现状
• 1.4.2 国内研究现状
• 1.5 复杂曲面加工的研究现状
• 1.6 本课题的研究意义
• 1.7 课题来源
• 1.8 主要研究内容
• 第2章 开放式数控平台的构建
• 2.1 开放式数控系统接口的分类
• 2.1.1 外部接口
• 2.1.2 内部接口
• 2.2 数控系统开放层次
• 2.3 国际化标准的开放式体系结构
• 2.3.1 欧盟的OSACA工程
• 2.3.2 日本的OSEC工程
• 2.3.3 美国的OMAC工程
• 2.3.4 三种方案的比较
• 2.4 基于COM框架的数控系统静态模型建立
• 2.4.1 组件的基本概念
• 2.4.2 基于组件的软件开发方法的特点
• 2.4.3 基于COM框架的数控系统组件化设计
• 2.4.4 数控系统的组件化集成
• 2.5 基于有限状态机数控系统动态模型建立
• 2.5.1 有限状态机的基本原理
• 2.5.2 FSM的实现
• 2.5.3 基于FSM的系统行为构建
• 2.5.4 基于FSM的系统功能扩充
• 2.6 本章小结
• 第3章 基于UML语言的系统分析
• 3.1 UML的发展历程
• 3.2 UML的定义内容
• 3.3 基于OMAC API协议的系统基本接口
• 3.3.1 IOmac接口
• 3.3.2 IFSM接口
• 3.3.3 ITask接口
• 3.3.4 IProgram接口
• 3.4 系统主要模块的UML建模分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 复杂曲面加工路径规划
• 4.1 曲面表示及其性质
• 4.1.1 曲面定义
• 4.1.2 曲面切平面与法矢量计算
• 4.1.3 短程线曲率半径计算
• 4.2 曲面加工的基本理论
• 4.2.1 曲面加工的刀具类型
• 4.2.2 曲面加工的基本概念
• 4.3 最大间距等参数线路径规划算法
• 4.3.1 数控加工刀具路径规划
• 4.3.2 最大间距等参数线法基本思想
• 4.3.3 最大间距等参数线算法各参数确定
• 4.3.4 最大间距等参数线规划算法实现
• 4.4 本章小结
• 第5章 基于刀触点NURBS曲线插补算法
• 5.1 NURBS曲线插补
• 5.1.1 传统CNC插补方法的缺点
• 5.1.2 NURBS插补的优点
• 5.2 NURBS曲线的性质及表示
• 5.2.1 NURBS曲线的性质
• 5.2.2 NURBS曲线的表示
• 5.3 参数曲线的时间分割插补算法
• 5.4 基于刀位点插补的非线性误差分析
• 5.5 基于刀触点的插补算法
• 5.5.1 误差可控插补步长计算
• 5.5.2 刀具偏置算法
• 5.5.3 机床运动反求
• 5.6 程序实现
• 5.7 本章小结
• 第6章 复杂曲面加工的空间刀补
• 6.1 刀具补偿原理
• 6.2 刀具补偿的研究现状
• 6.2.1 平面刀具半径补偿
• 6.2.2 平面刀具长度补偿
• 6.2.3 现行空间刀具补偿研究的不足
• 6.3 五轴刀具半径补偿
• 6.3.1 基本原理
• 6.3.2 半径补偿方向矢量运算
• 6.3.3 五轴刀具半径补偿运算
• 6.4 五轴刀具长度补偿运算
• 6.5 空间刀补算法实现
• 6.6 本章小结
• 第7章 曲面仿真加工系统软件开发
• 7.1 曲面仿真加工系统软件构成
• 7.2 系统各软件模块的开发
• 7.2.1 任务生成模块
• 7.2.2 任务协调器模块
• 7.2.3 轴组模块
• 7.2.4 HMI模块
• 7.3 本章小结
• 第8章 加工仿真及实验
• 8.1 数控加工仿真的分类
• 8.2 基于VERICUT的曲面加工仿真
• 8.2.1 VERlCUT的仿真功能
• 8.2.2 复杂曲面零件的加工仿真
• 8.3 NURBS曲线插补算法实验
• 8.4 本章小结
• 第9章 结论与展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间所发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历