【摘要】：三維激光切割技術(shù)的發(fā)展使其在航空航天、汽車制造等工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。我國(guó)的激光工業(yè)基礎(chǔ)較薄弱使得三維激光切割機(jī)床在制造水平、軟件水平等方面與國(guó)際先進(jìn)設(shè)備存在一定差距,目前國(guó)內(nèi)的三維激光切割機(jī)也多購(gòu)入國(guó)外專用系統(tǒng)或在通用的數(shù)控系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā),成本很高,因而研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的三維激光切割數(shù)控系統(tǒng),對(duì)滿足國(guó)內(nèi)主要行業(yè)對(duì)三維激光切割設(shè)備需求,提高我國(guó)裝備制造業(yè)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力具有重要意義。所以本文采用PC+I/O的開放式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并基于Windows系統(tǒng)平臺(tái),對(duì)三維激光切割數(shù)控系統(tǒng)的雙控制器硬件體系與軟件架構(gòu)進(jìn)行構(gòu)建,并對(duì)其關(guān)鍵功能實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了研究。首先為體現(xiàn)三維激光切割數(shù)控系統(tǒng)的特點(diǎn),分析了三維激光切割數(shù)控系統(tǒng)雙控制器硬件體系及數(shù)控軟件功能需求,對(duì)數(shù)控軟件功能按執(zhí)行位置及實(shí)時(shí)性進(jìn)行了劃分。將系統(tǒng)劃分為兩個(gè)主要模塊來明確表述數(shù)控系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)、功能組成及模塊間的數(shù)據(jù)流走向,完成了系統(tǒng)軟件架構(gòu)的建立。進(jìn)而利用用戶管理模塊多任務(wù)調(diào)度結(jié)構(gòu)模型及數(shù)控內(nèi)核模塊“雙線程-中斷響應(yīng)”任務(wù)調(diào)度結(jié)構(gòu)模型描述系統(tǒng)對(duì)多任務(wù)的調(diào)度機(jī)制,滿足系統(tǒng)多任務(wù)協(xié)調(diào)控制需求。在系統(tǒng)軟件架構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)控系統(tǒng)功能模塊的設(shè)計(jì)與開發(fā)。為實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)基本功能開發(fā)界面計(jì)算機(jī)及內(nèi)核計(jì)算機(jī)的通用功能模塊。針對(duì)進(jìn)行激光切割控制的關(guān)鍵功能模塊進(jìn)行研究。為實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控系統(tǒng)I/O狀態(tài)點(diǎn)及系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的統(tǒng)一管理并實(shí)現(xiàn)部分用戶邏輯控制功能,研究軟PLC模塊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義和運(yùn)行機(jī)制。通過研究網(wǎng)絡(luò)通信模塊的運(yùn)行機(jī)制并確定通信指令及通信參數(shù),實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信功能�；跀�(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)結(jié)構(gòu)研究微步距插補(bǔ)功能模塊,開發(fā)硬件DDA插補(bǔ)算法及伺服驅(qū)動(dòng)算法使系統(tǒng)滿足激光切割高速高精度運(yùn)動(dòng)控制需求。為提高激光切割速度并保證切割過程穩(wěn)定、切縫光滑,研究軌跡插補(bǔ)及速度預(yù)測(cè)與平滑功能,提出連續(xù)切割軌跡段的運(yùn)動(dòng)參數(shù)約束條件及平滑規(guī)則,并實(shí)現(xiàn)速度平滑算法。最后設(shè)計(jì)加工控制模擬實(shí)驗(yàn)并分析運(yùn)行結(jié)果,驗(yàn)證數(shù)控系統(tǒng)軟件架構(gòu)、多任務(wù)調(diào)度模型的可行性及各功能模塊開發(fā)的有效性。分析微步距插補(bǔ)仿真波形并設(shè)計(jì)勻速段運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn),根據(jù)實(shí)際控制脈沖波形驗(yàn)證微步距插補(bǔ)模塊功能的正確性。設(shè)計(jì)三維軌跡加工算例并利用MATLAB模擬軌跡插補(bǔ)及速度預(yù)測(cè)與平滑算法,分析數(shù)值仿真生成的平滑后運(yùn)動(dòng)段速度及加速度曲線,驗(yàn)證軌跡插補(bǔ)及速度預(yù)測(cè)與平滑功能的正確性。
[Abstract]:With the development of three-dimensional laser cutting technology, it has been widely used in aerospace, automobile manufacturing and other industrial fields. The weak foundation of laser industry in our country makes the 3D laser cutting machine have a certain gap with the international advanced equipment in manufacturing level, software level and so on. At present, the domestic three-dimensional laser cutting machine also buys the foreign special system or carries on the second development on the basis of the general numerical control system, so the research and development of the three-dimensional laser cutting numerical control system with independent intellectual property right is very high. It is of great significance to meet the demand for three-dimensional laser cutting equipment in main domestic industries and to improve the international competitiveness of our country's equipment manufacturing industry. In this paper, the dual controller hardware architecture and software architecture of 3D laser cutting numerical control system are constructed based on PC I O open CNC system structure and Windows system platform, and the key functions of the system are studied. In order to reflect the characteristics of three-dimensional laser cutting numerical control system, the hardware system of dual controller and the functional requirements of numerical control software are analyzed, and the functions of numerical control software are divided according to the position of execution and the real-time performance. The system is divided into two main modules to clearly describe the hierarchical structure, functional composition and data flow direction between the modules, and complete the establishment of the system software architecture. Then, the user management module multi-task scheduling structure model and the NC kernel module "double thread-interrupt response" task scheduling structure model are used to describe the scheduling mechanism of the system to meet the multi-task coordination control requirements of the system. On the basis of system software architecture, the function module of NC system is designed and developed. In order to realize the basic function of NC system, the general function module of interface computer and kernel computer is developed. The key function module of laser cutting control is studied. In order to realize the unified management of the I O state point and the running state of the NC system, and to realize some user logic control functions, the data structure definition and operation mechanism of the soft PLC module are studied. By studying the operation mechanism of the network communication module and determining the communication instructions and communication parameters, the network communication function of the NC system is realized. The micro-step interpolation module is studied based on the data sampling interpolation structure. The hardware DDA interpolation algorithm and servo-driven algorithm are developed to meet the needs of high-speed and high-precision motion control for laser cutting. In order to improve the cutting speed and keep the cutting process stable and smooth, the function of trajectory interpolation, velocity prediction and smoothing is studied. The constraint conditions of motion parameters and smoothing rules for continuous cutting track segment are proposed, and the speed smoothing algorithm is realized. Finally, the simulation experiment of machining control is designed and the running results are analyzed to verify the software architecture of NC system, the feasibility of multi-task scheduling model and the effectiveness of the development of each functional module. The simulation waveform of micro-step interpolation is analyzed and the uniform-speed motion experiment is designed to verify the correctness of the micro-step interpolation module according to the actual control pulse waveform. A 3-D trajectory machining example is designed and the velocity and acceleration curves generated by numerical simulation are analyzed by using MATLAB simulated trajectory interpolation and velocity prediction and smoothing algorithm. The correctness of trajectory interpolation and velocity prediction and smoothing function is verified.
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TG48

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本文編號(hào)：2436016