叶片混联磨抛机床控制系统研究

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叶片类零件广泛应用于汽轮机、水轮机、航空发动机等能源动力设备中,数量大、种类繁多,叶片加工质量直接影响能源动力设备的性能。叶片类零件的成形加工一般是数控铣削,然后通过磨抛达到要求的表面质量。吉林大学智能精密制造课题组针对叶片类零件的磨抛加工,开发了一台叶片混联磨抛机床,该机床属于串并混联式运动构型,共配置了五个运动自由度。本文在已经设计完成的机床机械结构基础上,从机床运动控制方法、控制系统硬件平台构建、控制系统软件开发、并联机构标定等方面开展叶片混联磨抛机床控制系统的研究工作。并联机构动平台的运动规律与各并联驱动杆的运动规律是一种复杂的非线性映射关系,因此并联机构运动控制通常都是采用两级式插补策略:在动平台位姿构成的轨迹空间中一次插补,把动平台运动轨迹曲线离散;在各驱动杆长度构成的驱动空间中二次插补,把驱动杆的运动规律曲线离散。对于叶片混联磨抛机床的运动控制,本文也采用两级式插补的思想。首先根据轨迹文件提供的原始轨迹点进行轨迹点优化调整,运动学逆解后得到驱动杆的运动规律曲线上的点,最后利用控制器的插补功能完成驱动空间的插补。在确定运动控制方法的基础上,分别对机床运动学和轨迹点优化调整方法进行了研究。本文推导了叶片混联磨抛机床的运动学模型,建立轨迹曲线与机床各轴运动之间的映射关系,用于完成运动控制和机床位置显示。在分析并联机构运动学特性的基础上,借鉴中点采样思想提出了轨迹点优化方法,该方法可以根据精度和曲线曲率的不同调整轨迹点的位置和数量,有效地控制了轨迹逼近误差。通过对比分析控制器提供的多种插补方式,选择出合适的插补方式完成驱动空间的插补。由于叶片混联磨抛机床构型特殊,无法采用成熟的商业数控系统,本文采用PC+PMAC形式的开放式硬件平台。控制系统硬件分成PMAC系统和交流伺服系统两个部分,PMAC系统包括Turbo PMAC2控制器、双端口RAM存储器、ACC-8S电机接口电路板,交流伺服系统包括伺服驱动器和伺服电机。对于PMAC系统重点研究了其结构、功能和特性,在此基础上对Turbo PMAC2的参数进行合理配置以满足机床控制系统的使用要求。对于交流伺服系统,重点研究其连接方法和伺服驱动器参数配置。控制系统软件分为PC机软件和PMAC软件两个部分。PC机软件在Windows环境下采用Visual C++平台开发,分为手动控制、自动加工、信息显示、参数设置、辅助操作五个模块。PC机软件通过调用PMAC的库函数完成对PMAC的操作和通讯,通过OpenGL库函数完成加工轨迹的三维显示。利用Windows的多线程技术实现了PC机软件的多任务同步处理功能,各个任务之间独立程度高,便于任务的修改和添加。PMAC软件包括其系统软件和用户开发的运动控制程序两部分,PMAC的系统软件完成对PMAC的任务管理和操作响应等,用户自行开发的运动程序完成自动加工模式下的驱动空间插补。并联机构在制造和装配过程中难免会有误差,导致机床的实际运动学模型与理论运动学模型之间有差异,且运动学模型的参数的实际值也不等于其理论值。在考虑制造和装配误差的情况下,推导出修正的并联机构运动学模型。对于运动学模型参数的实际值,一般都是通过标定的方法来获得。标定方法有基于运动学逆解的和基于运动学正解的两种,考虑到测量设备测量能力的限制,本文采用基于正解的标定方法对并联机构进行参数标定。把参数标定问题转化为多设计变量的优化问题,建立其数学模型,并采用遗传算法求解优化问题。给出了两种可用于参数标定的优化目标函数函数,最终通过实验验证了标定算法的有效性,并对两种目标函数的标定效果进行了对比分析。
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