【摘要】：三維激光切割技術的發(fā)展使其在航空航天、汽車制造等工業(yè)領域得到廣泛應用。我國的激光工業(yè)基礎較薄弱使得三維激光切割機床在制造水平、軟件水平等方面與國際先進設備存在一定差距,目前國內的三維激光切割機也多購入國外專用系統(tǒng)或在通用的數(shù)控系統(tǒng)基礎上進行二次開發(fā),成本很高,因而研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權的三維激光切割數(shù)控系統(tǒng),對滿足國內主要行業(yè)對三維激光切割設備需求,提高我國裝備制造業(yè)國際競爭力具有重要意義。所以本文采用PC+I/O的開放式數(shù)控系統(tǒng)結構并基于Windows系統(tǒng)平臺,對三維激光切割數(shù)控系統(tǒng)的雙控制器硬件體系與軟件架構進行構建,并對其關鍵功能實現(xiàn)進行了研究。首先為體現(xiàn)三維激光切割數(shù)控系統(tǒng)的特點,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,對數(shù)控軟件功能按執(zhí)行位置及實時性進行了劃分。將系統(tǒng)劃分為兩個主要模塊來明確表述數(shù)控系統(tǒng)層次結構、功能組成及模塊間的數(shù)據(jù)流走向,完成了系統(tǒng)軟件架構的建立。進而利用用戶管理模塊多任務調度結構模型及數(shù)控內核模塊“雙線程-中斷響應”任務調度結構模型描述系統(tǒng)對多任務的調度機制,滿足系統(tǒng)多任務協(xié)調控制需求。在系統(tǒng)軟件架構的基礎上進行數(shù)控系統(tǒng)功能模塊的設計與開發(fā)。為實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)基本功能開發(fā)界面計算機及內核計算機的通用功能模塊。針對進行激光切割控制的關鍵功能模塊進行研究。為實現(xiàn)對數(shù)控系統(tǒng)I/O狀態(tài)點及系統(tǒng)運行狀態(tài)的統(tǒng)一管理并實現(xiàn)部分用戶邏輯控制功能,研究軟PLC模塊的數(shù)據(jù)結構定義和運行機制。通過研究網(wǎng)絡通信模塊的運行機制并確定通信指令及通信參數(shù),實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)網(wǎng)絡通信功能�；跀�(shù)據(jù)采樣插補結構研究微步距插補功能模塊,開發(fā)硬件DDA插補算法及伺服驅動算法使系統(tǒng)滿足激光切割高速高精度運動控制需求。為提高激光切割速度并保證切割過程穩(wěn)定、切縫光滑,研究軌跡插補及速度預測與平滑功能,提出連續(xù)切割軌跡段的運動參數(shù)約束條件及平滑規(guī)則,并實現(xiàn)速度平滑算法。最后設計加工控制模擬實驗并分析運行結果,驗證數(shù)控系統(tǒng)軟件架構、多任務調度模型的可行性及各功能模塊開發(fā)的有效性。分析微步距插補仿真波形并設計勻速段運動實驗,根據(jù)實際控制脈沖波形驗證微步距插補模塊功能的正確性。設計三維軌跡加工算例并利用MATLAB模擬軌跡插補及速度預測與平滑算法,分析數(shù)值仿真生成的平滑后運動段速度及加速度曲線,驗證軌跡插補及速度預測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.
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TG48

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