基于STEP-NC的开放式数控系统若干关键技术研究

论文摘要

随着数控技术的快速发展,开放化、智能化、标准化、网络化、高速高精度已成为数控系统发展的主要趋势。然而,目前的数控系统仍然使用IS06983（G、M代码）作为NC编程的数据接口,这种编程接口不包含除刀具运动信息以外的任何其他信息,已成为阻碍制造系统信息集成的瓶颈,严重制约着数控系统乃至制造业的发展。为此,新的数控编程接口标准STEP-NC被提出,它是STEP标准向数控加工领域内的扩展,其核心思想是实现了产品信息描述的标准化与完整性。STEP-NC的出现,不但为实现智能化、柔性化和开放式的CNC系统奠定了基础,而且也为CNC系统与其它系统间的信息交流和共享提供了条件。随着STEP-NC的不断发展与完善,如何将STEP-NC标准应用在数控系统的开发中,以及如何实现STEP-NC相关技术,克服IS06983的缺点,满足先进数控系统的发展需求,仍然是目前数控加工领域内待解决的问题。本文基于STEP-NC数据模型,从开放式智能化数控系统体系结构入手,对STEP-NC数控系统相关关键技术展开了深入研究,并通过仿真、实验和综合分析对所研究的方法、技术进行了验证,为STEP-NC数控系统的构建提供了理论基础,为STEP-NC相关技术的实现提供了技术基础。全文的主要研究内容如下：（1）论述课题研究的背景及STEP-NC数控系统关键技术国内外发展现状,通过分析当前数控系统存在的问题,以及STEP-NC对数控技术乃至制造业的影响,指出研究新型的基于STEP-NC的开放式数控系统及其关键技术的必要性和前沿性。（2）针对STEP-NC数控系统的开放性问题,分别从硬件系统、软件系统、数据模型等三个方面进行解决。采用“PC+运动控制器”的嵌入式双CPU硬件体系结构来解决硬件系统的开放性问题；采用基于调度软件的分层体系结构,来解决软件系统的开放性问题,并简化数控系统的开发工作。采用STEP-NC数据模型来构建数控系统,从数据模型层面解决数控系统的开放性问题。（3）针对NURBS曲线直接插补中存在的进给速度波动问题,采用自适应修正插补算法对插补点的计算精度进行控制,并对插补过程进行了仿真,结果表明该算法在保证插补周期的前提下减小插补进给速度波动率,提高插补精度；针对NURBS直接插补进给速度规划过程中所存在的计算复杂、计算量大的问题,采用基于进给速度预处理曲线的进给速度规划方法,减小实时插补周期计算任务量,从而提高插补实时性,获得更加光滑的进给速度曲线。（4）针对复杂参数曲面五轴加工刀具路径规划过程中所存在的计算量大、加工效率低以及加工精度不一致等方面的问题,采用基于等照度线的刀具路径规划方法,一定程度上减小了计算量,提高了规划效率和精度。采用基于坐标变换的五轴加工刀具干涉检测方法,解决传统的距离检测法所存在的计算量大,效率低的问题,大大减少了检测过程中的计算量,提高了加工效率。（5）针对NURBS曲线曲面求值求导计算复杂,计算量大的问题,采用基于B样条基函数系数矩阵的NURBS快速递推算法,从而减小了NURBS的曲线插补算法和刀具路径规划算法中所涉及的NURBS大量求值求导计算量,提高了插补器的性能。（6）建立STEP-NC数控加工程序的可加工性评价体系,判断目标机床是否具备加工的条件。在此基础上,采用参数自适应协同粒子群优化算法对加工参数进行多目标优化,有利于发挥机床的最大性能,同时提高加工效率、降低加工成本。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.1.1 当前CNC存在的问题
• 1.1.2 STEP-NC相对旧标准的改进
• 1.2 相关技术国内外研究现状
• 1.2.1 STEP-NC标准研究概况
• 1.2.2 数控系统体系结构研究概况
• 1.2.3 复杂曲线曲面直接插补技术研究概况
• 1.2.4 五轴加工刀具路径规划技术国内外研究概况
• 1.2.5 加工参数多目标优化技术研究概况
• 1.3 论文研究的目的及意义
• 1.4 论文结构框架及主要内容
• 1.5 本章小结
• 第二章 基于STEP-NC的开放式数控系统体系结构的研究
• 2.1 STEP-NC标准
• 2.1.1 STEP-NC标准简介
• 2.1.2 采用STEP-NC标准对数控加工技术的影响
• 2.2 开放式数控系统的定义及分类
• 2.2.1 开放式数控系统的定义
• 2.2.2 开放式数控系统的类型
• 2.3 STEP-NC数控系统开放性分析
• 2.3.1 开放式数控系统需求分析
• 2.3.2 STEP-NC的开放性优点
• 2.4 基于调度软件的STEP-NC开放式数控系统的构建
• 2.4.1 基于STEP-NC的数控系统的功能结构
• 2.4.2 基于调度软件模块的STEP-NC开放式数控系统体系结构
• 2.5 基于调度软件的STEP-NC开放式数控系统硬件结构
• 2.5.1 PMAC卡介绍
• 2.5.2 系统硬件体系结构
• 2.6 本章小结
• 第三章 NURBS曲线实时直接插补技术研究
• 3.1 当前自由曲线曲面插补技术及存在的问题
• 3.2 NURBS直接插补技术及其优点
• 3.3 支持NURBS功能的STEP-NC数控系统
• 3.4 NURBS曲线插补原理
• 3.4.1 NURBS曲线的定义和性质
• 3.4.2 NURBS曲线在数控加工中的应用
• 3.5 NURBS直接插补算法研究
• 3.5.1 进给速度波动问题
• 3.5.2 NURBS实时插补算法实现
• 3.5.3 基于自适应修正法的速度波动率的控制方法
• 3.6 实时插补进给速度规划算法研究
• 3.6.1 NURBS曲线几何特性对进给速度的影响
• 3.6.2 基于进给速度预处理曲线的进给速度规划算法
• 3.7 仿真验证
• 3.7.1 基于自适应修正插补算法的仿真验证
• 3.7.2 基于进给速度预处理曲线的进给速度规划算法仿真验证
• 3.7.3 仿真验证结论
• 3.8 本章小结
• 第四章 NURBS求值求导快速算法研究
• 4.1 NURBS插补计算问题分析
• 4.2 NURBS的理论基础
• 4.2.1 B样条基函数的定义及性质
• 4.2.2 B样条基函数的导数
• 4.2.3 B样条曲线的定义及性质
• 4.3 基于系数矩阵的B样条基函数快速递推算法研究
• 4.3.1 B样条基函数的系数矩阵的推导
• 4.3.2 B样条基函数的系数矩阵快速递推算法
• 4.3.3 B样条基函数系数矩阵的递推计算过程
• 4.3.4 采用基于系数矩阵的B样条基函数快速递推算法优点
• 4.4 仿真验证
• 4.4.1 基于系数矩阵的B样条基函数快速递推算法计算效率实验
• 4.4.2 算法实例与仿真分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 五轴加工刀具路径规划技术研究
• 5.1 基于STEP-NC的刀具路径规划的优点
• 5.2 STEP-NC与NURBS曲面
• 5.2.1 NURBS曲面定义
• 5.2.2 STEP-NC中NURBS曲面的定义
• 5.2.3 STEP-NC中铣削数据模型的定义
• 5.3 刀具路径规划技术研究
• 5.3.1 常用方法分析
• 5.3.2 曲面等照度线划分
• 5.3.3 刀具路径计算方法
• 5.4 刀具干涉检测及姿态调整
• 5.4.1 曲面的划分
• 5.4.2 五轴加工刀具干涉检测
• 5.4.3 干涉的避免
• 5.4.4 刀具干涉实例仿真
• 5.5 基于STEP-NC的五轴加工刀具路径规划仿真与实验验证
• 5.5.1 STEP-NC数据模型在五轴加工中应用仿真
• 5.5.2 刀具路径规划的应用实验
• 5.6 本章小结
• 第六章 基于STEP-NC的加工参数多目标优化技术研究
• 6.1 STEP-NC程序可加工性评价
• 6.1.1 零件可加工性评价方法
• 6.2 基于参数自适应协同粒子群算法的加工参数多目标优化
• 6.2.1 粒子群算法简介
• 6.2.2 粒子群算法参数对优化结果的影响
• 6.2.3 基于参数自适应协同粒子群优化算法研究
• 6.2.4 加工参数优化模型的建立
• 6.2.5 基于WCVPSO算法的加工参数多目标优化方法实现
• 6.3 仿真验证
• 6.3.1 STEP-NC程序可加工性评价方法仿真验证
• 6.3.2 基于WCVPSO的优化算法仿真验证
• 6.4 基于WCVPSO的多目标优化算法实验验证
• 6.5 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 攻读博士学位期间参与的科研项目
• 作者简介