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圆弧刃金刚石刀具刃磨机摆轴控制系统设计

作　者: 徐战波
导　师: 孙涛
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 刃磨机 UMAC 数控系统 MATLAB仿真
分类号: TG711
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

金刚石超精密切削技术是超精密加工技术的一个重要组成部份,在合适的机床和环境条件下,用圆弧刃金刚石刀具车削可以加工出超光滑表面,在国防和民用等领域得到广泛应用。圆弧刃金刚石刀具的质量是影响加工质量的重要因素,然而,我国的圆弧刃金刚石刀具研磨设备还无法与国际上的尖端设备相比,刀具的进口不仅价格昂贵,高水平的刀具还受到国外的禁运。所以,依靠自己的力量来研制高水平的圆弧刃金刚石刀具刃磨设备,开发控制系统提高控制性能,对我国金刚石超精密切削领域的发展具有重要意义。本文针对“圆弧刃金刚石刀具刃磨机摆轴”控制,参考目前国内外流行的数控系统,考虑刃磨机的具体功能需求,提出了上下位机控制方案,并对具体的实施方案进行了研究。首先,参考国内外先进的数控机床和刃磨机床的数控系统,采用“PC+运动控制器”的控制方案,PC机采用工控机,运动控制器采用功能强大的UMAC控制器,并对系统的硬件进行了设计。其次,伺服驱动设计了经典的三环控制系统,采用直流力矩电机直接驱动空气静压轴系,降低传动误差。为了提高系统的指令跟踪能力,采用加前馈的复合PID控制策略,建立基于MATLAB/Simulink模块的伺服系统仿真模型,证明前馈PID伺服控制的优越性。然后,基于UMAC运动控制器的编程环境,包括PEWIN执行程序、变量、指令、程序的应用,以及利用Pcomm.dll与UMAC的通讯方式,编写了人机交互软件,对各个模块的实现方法进行了详细阐述。最后,通过提出速度/加速度前馈的复合PID控制的参数的调节方法,进行了参数调节实验。通过实验结果表明与仿真结果一致,带有速度/加速度前馈的伺服控制策略可以显著减小系统的跟随误差,提高系统跟踪指令信号的能力。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-16
  1.1 课题背景来源及研究的目的意义  9-10
    1.1.1 课题来源  9
    1.1.2 课题背景及研究的目的意义  9-10
  1.2 国内外金刚石刀具刃磨设备发展状况  10-11
    1.2.1 国外金刚石刀具刃磨设备发展状况  10-11
    1.2.2 国内金刚石刀具刃磨设备发展状况  11
  1.3 国内外开放式数控系统发展现状  11-14
    1.3.1 国外开放式数控系统发展现状  13
    1.3.2 国内开放式数控系统发展现状  13-14
  1.4 本文研究目的及主要内容  14-16
第2章控制系统总体方案及硬件设计  16-27
  2.1 引言  16
  2.2 刃磨机总体结构设计  16-17
    2.2.1 刃磨机结构总体布局  16-17
    2.2.2 摆轴总体设计  17
  2.3 刃磨机控制系统方案设计  17-21
    2.3.1 刀具圆弧刃磨对控制系统的要求  17-18
    2.3.2 数控系统方案设计  18-20
    2.3.3 总体控制方案设计  20-21
  2.4 主要硬件设计  21-26
    2.4.1 工控机(IPC)  21
    2.4.2 运动控制器  21-23
    2.4.3 UMAC 板卡及其功能  23-24
    2.4.4 伺服电机及驱动器  24-25
    2.4.5 反馈系统设计  25-26
  2.5 本章小结  26-27
第3章伺服系统设计及仿真  27-46
  3.1 引言  27
  3.2 伺服控制系统构成  27-28
    3.2.1 伺服系统控制要求  27-28
    3.2.2 伺服系统总体设计  28
  3.3 伺服系统设计实现  28-34
    3.3.1 摆轴伺服系统设计  28-30
    3.3.2 机床回零功能  30-31
    3.3.3 机床急停功能  31-32
    3.3.4 正交编码反馈  32-33
    3.3.5 安全功能设置  33-34
  3.4 伺服控制策略  34-38
    3.4.1 前馈PID 复合控制原理  34-35
    3.4.2 UMAC 内置前馈PID 控制  35-38
  3.5 前馈复合PID 控制Matlab 仿真  38-45
    3.5.1 直流无刷电机模型建立  38-39
    3.5.2 电流环仿真设计  39-41
    3.5.3 转速环仿真设计  41-43
    3.5.4 位置环仿真设计  43-45
  3.6 本章小结  45-46
第4章软件设计及系统调试  46-61
  4.1 引言  46-50
    4.1.1 执行程序  46
    4.1.2 动态链接库  46-47
    4.1.3 变量  47-49
    4.1.4 指令  49-50
    4.1.5 程序  50
  4.2 软件结构设计  50-51
  4.3 软件功能模块划分  51-52
    4.3.1 系统管理模块  52
    4.3.2 作业规划模块  52
    4.3.3 机床控制模块  52
  4.4 软件主要功能的实现  52-54
    4.4.1 信息显示模块  53
    4.4.2 控制操作模块  53
    4.4.3 程序管理模块  53-54
    4.4.4 变速研磨功能  54
  4.5 伺服控制系统调试  54-60
    4.5.1 伺服系统PID 参数调试  54-55
    4.5.2 阶跃信号调节PID 参数  55-57
    4.5.3 抛物线信号调节前馈系数  57-59
    4.5.4 伺服控制系统性能测试  59-60
  4.6 本章小结  60-61
结论  61-62
参考文献  62-65
攻读硕士学位期间发表的学术论文  65-67
致谢  67

圆弧刃金刚石刀具刃磨机摆轴控制系统设计

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