NC指令解釋的高次可微分算法及其實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、數(shù)控裝備是一種典型的機(jī)電系統(tǒng)，是裝備制造業(yè)的基礎(chǔ)。目前，組成數(shù)控裝備的數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)處于獨(dú)立研究和發(fā)展?fàn)顟B(tài)，忽視了彼此之間的內(nèi)在聯(lián)系及相互影響，不利于數(shù)控裝備整體性能的進(jìn)一步提高。本文從機(jī)電一體化全局優(yōu)化設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，從NC指令解釋、伺服控制系統(tǒng)及被控機(jī)構(gòu)三者之間的內(nèi)在聯(lián)系分析入手，對(duì)面向軌跡控制NC指令解釋的輸出信息對(duì)時(shí)間域的高次可微分算法及同周期多軸控制系統(tǒng)展開研究。（為便于表述，文中將“NC指令解釋的輸出信息對(duì)時(shí)間

2、域的高次可微分”簡(jiǎn)寫為“NC指令解釋高次可微分”，即文中所指的NC指令解釋具有高次可微分性，均指NC指令解釋的輸出信息對(duì)時(shí)間域具有高次可微分性。）
　　論文從數(shù)控裝備整體性能優(yōu)化角度出發(fā)，建立被控機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型，利用該模型對(duì)被控機(jī)構(gòu)的無誤差軌跡跟蹤進(jìn)行研究，分析出基于無誤差軌跡跟蹤模型的NC指令解釋應(yīng)具有高次可微分的性質(zhì)，并對(duì)其展開深入研究；在此基礎(chǔ)上，考慮伺服系統(tǒng)時(shí)序特征，給出基于加速度信息的圓弧逼近軌跡曲線插補(bǔ)方法；（以上研究

3、的實(shí)現(xiàn)，是以同周期控制為前提的。）最后，給出實(shí)現(xiàn)NC指令解釋高次可微分性及同周期控制的有效途徑。
　　在軌跡規(guī)劃中由于位置、速度和加速度需同時(shí)滿足邊界條件，因此當(dāng)采用插補(bǔ)周期對(duì)速度曲線進(jìn)行離散化處理時(shí)將會(huì)存在精度損失，針對(duì)該問題，論文提出了減速階段雙加速度處理直線加減速控制算法，并基于該算法提出了移動(dòng)平均加減速控制算法，滿足對(duì)速度和加速度曲線進(jìn)行平滑控制的要求，通過對(duì)該算法進(jìn)行擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)了NC指令解釋的高次可微分性；同時(shí)，提出算法

4、的位置不變性推論，并利用數(shù)學(xué)推導(dǎo)對(duì)算法的位置不變性及推論和高次可微分性進(jìn)行了證明。此外，為了解決算法在單片機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)所帶來的精度損失問題，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高性能控制，對(duì)浮點(diǎn)數(shù)-整數(shù)(F-I)混合數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行了研究。最后，利用提出的加減速控制算法對(duì)基本輪廓曲線進(jìn)行指令解釋，并對(duì)基本輪廓曲線NC指令解釋的高次可微分性進(jìn)行仿真，證明了論文提出算法的有效性。
　　為實(shí)現(xiàn)NURBS曲線高次可微分性控制指令的生成，論文采用提出的NC指令

5、解釋高次可微分加減速控制算法對(duì)NURBS曲線進(jìn)行插補(bǔ)算法研究。利用位置不變性推論，對(duì)直線加減速處理后所獲得的連接點(diǎn)和極值點(diǎn)附近插補(bǔ)點(diǎn)的速度及位置進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，使其在進(jìn)行移動(dòng)平均處理后不影響系統(tǒng)插補(bǔ)性能。根據(jù)調(diào)整后的信息對(duì)曲線進(jìn)行區(qū)間劃分，并對(duì)各區(qū)間直線加減速控制算法的速度分布類型進(jìn)行研究，完成預(yù)插補(bǔ)信息的生成。在實(shí)時(shí)處理階段，論文利用預(yù)插補(bǔ)信息采用移動(dòng)平均處理方法實(shí)現(xiàn)對(duì)曲線控制指令的生成，對(duì)算法實(shí)現(xiàn)流程進(jìn)行設(shè)計(jì)，并通過實(shí)例仿真證明NUR

6、BS曲線指令解釋的高次可微分性，同時(shí)也證明了算法的可行性。
　　論文對(duì)同周期多軸控制系統(tǒng)軟件構(gòu)架進(jìn)行了設(shè)計(jì)，建立了NC指令解釋同周期多軸控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，基于實(shí)驗(yàn)室已研制成功的交流永磁同步伺服驅(qū)動(dòng)器，分別對(duì)控制系統(tǒng)的主控卡（數(shù)控系統(tǒng)）、從控卡（伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)）、集成供電電源卡及并行通訊接口卡進(jìn)行了研究，為同周期控制的實(shí)現(xiàn)提供保證。通過在伺服控制器與數(shù)控系統(tǒng)之間采用雙端口RAM進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，提高了數(shù)據(jù)傳輸效率

7、；并對(duì)指令傳輸協(xié)議進(jìn)行了研究，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃赃M(jìn)行了驗(yàn)證。
　　綜合上述研究結(jié)果，論文對(duì)同周期多軸控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)性、指令解釋的高次可微分性及指令解釋與編碼器數(shù)據(jù)反饋進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)指令解釋的高次可微分性及同周期控制，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)對(duì)指令很好的跟蹤，從而進(jìn)一步驗(yàn)證了算法設(shè)計(jì)前期理論分析的正確性及對(duì)加減速控制算法、插補(bǔ)算法設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的有效性。本文的研究工作也將為數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)一步深入研究提供可以借鑒的理論