开放式数控系统网络接口技术研究

数控系统网络接口技术是实现数控机床实时信息采集的基础,是确保数控系统开放式、网络化及智能化的关键技术.通过对数控系统传统信息采集接口和基于网络的MTConnect标准的对比研究,基于后者在兼容性、跨平台性、可读性方面存在的优势,围绕开放式数控系统体系框架,本文设计一种基于MTConnect标准的开放式数控系统网络采集接口.同时,为兼容传统信息采集接口,提出一种可拓展的通用接口架构,阐述架构间模块的功能及互联方式,并从数控系统数据项抽取、数据项适配器(Adapter)、接口代理(Agent)等方面重点阐述接口的设计.最后,在自主研发的数控系统上实现网络接口,并对相关时间延迟开展了测试与分析,表明了该通用接口的正确性与实用性.

组件技术及其在可重构数控系统中的研究

作为一种开放式数控系统,可重构数控系统不仅可以加工各种类型的产品,而且可以根据需要改变自身的系统结构,以满足特殊的应用需求.为了实现可重构数控系统,本文对组件技术进行了深入研究,提出适合可重构数控系统的组件模型.在此基础上,设计并实现了通信管理层,以提供各组件所需的系统功能服务和可重构功能.最后,本文搭建了一个可重构数控系统的基本原型,并进行了相应的测试与实验.

基于MAS技术的开放式数控系统软件体系结构的研究

文章详细分析了开放式数控系统的特征,指出了传统系统构建方法在满足数控系统智能化需求上的不足。在上述理论研究的基础上提出了基于多智能体技术(MAS)的开放式数控系统软件体系结构,并以两个典型智能体为例,论述了系统中各智能体的功能结构和设计方法,最后对系统中各智能体间的通信机制进行了研究和设计。引入多智能体技术,为构建开放式系统提供了一种可行方法,对深入研究开放式数控系统体系结构具有一定的参考价值。

数控系统现场总线可靠通信机制的研究

现场总线的应用是数控系统发展的必然趋势。为满足数控系统的高可靠通信需求,在分析数控系统加工精度与可靠通信关系的基础上,设计一种现场总线可靠通信机制。针对该机制,建立数控系统通信可靠性评价的指标,提出以无故障通信时间来衡量现场总线通信的可靠程度;通过概率统计方法,对该机制的可靠性进行数学分析,得出现场总线通信可靠性与通信站数目及最大重发次数的关系,并分析各自的影响程度;通过仿真试验,验证理论分析结果的正确性,同时将该可靠通信机制应用到数控系统现场总线中,通过实际电磁干扰测试,证明该机制的有效性。该理论研究和试验结果,对数控系统通信的可靠性设计和分析具有重要的指导作用。

基于异构多核处理器的嵌入式数控系统研究

针对传统嵌入式数控系统性能差、可扩展性差、人机界面不友好等特点,结合异构多核技术和现场总线技术的优点,提出并开发了一种基于异构处理器和现场总线技术的嵌入式数控系统。该数控系统运行在异构多核处理器之上,通过在不同的处理器核心上同时运行通用系统和实时系统,采用静态划分的方式将数控系统内部的任务分配到不同的处理器核心上,使用现场总线技术实现嵌入式数控系统与伺服电机之间的连接,简化数控系统与伺服驱动器之间的连线。实验证明,开发的数控系统具有良好的实时性和扩展性,验证了设计的合理性。

数控连续加工中轨迹段间平滑转接方法的研究

为了实现加工轨迹段间高速平滑转接,根据空间矢量理论和机床加工的离散周期特征,提出了一种基于S曲线的矢量转接算法。首先,分析了S曲线和矢量转接算法原理,把相邻轨迹段按照S曲线规律进行插补的位移进行矢量求和,求和的结果作为机床的进给位移,形成转接曲线;然后建立了机床加工精度与转接开始的最大允许速度之间的关系;最后探讨了一种对转接算法进行优化的方法,约束控制转角处的速度v、加速度a、加加速度J。实验证明,该算法在满足加工精度的前提下,能够实现轨迹段间高速平滑的转接,从而提高了加工效率和精度。

组件技术在开放式控制系统中的研究

开放式是目前嵌入式控制系统的一个重要发展方向.通过采用开放式系统结构,有利于降低控制系统各部分之间的耦合度,提高软件的复用能力,方便添加新功能.因此,开放式控制系统和组件技术成为了近年来的研究热点.本文根据开放式控制系统的结构特点以及组件技术,提出了基于组件技术的开放式控制系统结构框架;并以蓝天数控系统为基础,对其进行组件化,降低应用程序模块间的耦合度,满足开放式控制系统的要求.最后在蓝天CNC上进行测试,对该结构进行验证和分析.

基于实时发布订阅模式的数控总线通信机制研究

在研究传统通信机制基础上,针对数控总线特点,本文提出一种新型基于实时发布订阅模式的数控总线通信机制.详细阐述该机制的核心部件消息中间件的设计过程,采用形式化方法对这种机制进行分析,构建出基于概率时间自动机的系统状态转换模型,最后通过模型验证器PRISM对该机制的稳定性与实时性进行了验证.结果表明该机制满足数控总线通信要求.

基于多核嵌入式数控系统的速度前瞻算法研究

为了构建基于ARM和DSP多核架构的嵌入式数控系统,需要依据所采用的DSP硬件系统,将现有的数控系统的运动控制算法移植到DSP的开发环境中。文章详细阐述了基于多核架构的嵌入式数控系统平台软硬件环境,研究了CNC自适应速度前瞻算法的基本原理与实现,并针对C64X+系列DSP对CNC自适应速度前瞻算法进行了优化。最后,针对算法运行效率进行了实验对比,并对其实际应用进行了测试,结果表明,该优化后的动态速度前瞻算法完全可满足ARM和DSP双核架构的嵌入式数控系统的性能需求。

永磁同步电机转动惯量在线辨识关键技术研究

针对工程实践中电机转动惯量在线辨识方法中输入参数的异步性和噪声干扰,采用基于模型参考自适应的转动惯量辨识方法,并使用跟踪微分器对输入参数进行预处理来解决以上问题。对模型参考自适应和跟踪微分器这两种关键技术进行研究,为工程应用中普遍得不到理想转动惯量辨识结果的在线辨识方法提供了一个比较好的解决思路。实验表明:经过跟踪微分器预处理后,基于模型参考自适应的转动惯量在线辨识方法能获得比较理想的辨识效果。

开放式数控总线标准中数据链路层研究

在制定开放式数控系统总线接口与通信规范标准的基础上,针对数控系统的特点,提出一种基于抽象数据链路层和实际数据链路层的双子层数据链路层结构模型,讨论抽象数据链路层的服务和协议规范以及与实际数据链路层间的封装与映射机制,并实现应用层和实际数据链路层间的服务与协议转换。

基于嵌入式数控系统速度前瞻算法的研究与实现

数控系统中由于运动轨迹复杂,加工速度频繁变化,如果处理的不好,很容易造成系统的抖动,对机床具有很大的冲击,影响了数控系统的加工效率。论文分析了自适应前瞻算法的核心要点,研究了基于实际加工路径曲率的自适应速度前瞻算法以及基于实际加工路径速度递减为零的自适应速度前瞻算法的基本原理,在基于ARM+DSP的嵌入式数控系统上设计并实现了这两种自适应速度前瞻算法,对这两种算法的实际的加工性能以及算法的执行时间作了性能评估,分析了两种自适应算法的优劣。

轴控制系统通信技术的研究与实现

为解决工业智能化过程中可编程轴控制器与外设之间的通信技术问题,在分析轴控制器实时可靠通信需求的基础上,对基于Modbus协议的轴控制系统通信技术进行研究。实现了可编程轴控制器与上位PC机之间的可靠通信;轴控制器与被控设备之间的实时可靠通信。最后通过应用验证了该技术方法的有效性。该技术对工业轴控制通信系统的设计具有重要参考价值。

面向数控系统的反馈调度算法的研究

传统的数控系统使用静态的、开环的任务调度策略,在其运行过程中系统的资源不能被充分地利用。为提高数控系统的资源利用率,论文设计了一种针对软实时任务的闭环反馈调度算法。该反馈调度算法通过监控当前系统的负载和任务的截止期错失率,能够自动调整软实时任务的时间参数,使系统资源可以被充分利用,并使系统在各种负载的情况下都能获得较好的性能。通过实验对该反馈调度算法进行验证,结果表明,该调度算法能够显著提升数控系统的CPU利用率,同时还能保证数控系统的稳定性。

基于STM32的伺服控制器接口技术研究

分析了伺服控制器对硬件接口的性能要求,提出了接口性能的评测指标,为伺服控制器接口性能评测提供了基础。针对目前主流的STM32高性能通用微控制器的接口特点,设计了基于STM32F405的伺服控制器实验平台,并通过实验验证了接口的性能,实验结果表明STM32F405的接口性能良好,可以满足伺服控制器实时性和准确性要求,对基于STM32的伺服控制器接口技术研究具有一定的参考价值。

伺服系统速度环参数整定技术的研究

为解决伺服系统速度环参数整定这一难题,文中首先提出了一种精确易实现的转动惯量辨识算法;然后根据伺服系统数学模型,利用辨识的转动惯量得到速度环控制器的初步PI参数。考虑到实际系统中不可避免的存在非线性和各种干扰,接着利用遗传算法对计算的PI参数近一步优化,最终得到最优速度控制器参数。理论分析和实验验证了方法的正确性和实用性。

高性能伺服系统电流环关键技术研究

电流环是影响整个永磁同步电机伺服系统控制性能的核心,而其控制品质由多种因素决定。在永磁同步电机矢量控制电流环控制模型基础上,通过对影响电流环性能的多种因素进行综合分析和研究,提出了抗噪声的电流采样优化策略和抗反电势干扰的控制优化策略。理论分析和实验结果表明,所提方案能有效克服噪声和反电势的干扰,提高电流环的动态性能。

基于工控机的激光数控机床控制系统的研究

针对航空发动机微孔冷加工所需的超快激光数控机床设计了一种基于工控机的控制系统。文章采用工控机作为整个激光数控机床的主控制设备,将控制软件运行于工控机上。控制软件与工控机、数控系统、协同控制单元等组成控制系统,控制系统的主要控制任务包括:初始化激光器和复合光束扫描模块、向数控系统传送光束指向调整电机的位置信息、配置协同控制单元完成恒重叠螺旋扫描和非圆形面扫描控制等。控制系统还包含简单的工艺数据库同时实现对工艺数据库的增、删、改、查以及维护,并为整个激光数控机床提供简单易操作的人机交互交界面。整个系统最终能达到机床的控制要求,满足加工需求。

EtherCAT时钟同步技术的研究

为了解决工业控制领域中分布系统的同步问题,基于EtherCAT网络线形拓扑结构,分析了EtherCAT分布时钟的同步机制和主从站间的通信时序,深入研究了SYNC信号周期与发送同步帧的时间间隔的稳定性对同步质量的影响。设计了基于ARM的分布时钟的主站同步算法及仿真程序,并在搭建的测试平台上进行测试。测试结果表明,EtherCAT同步精度足以满足同步性的需求。

工业控制网络的研究现状及发展趋势

工业控制网络在工业通信及先进制造领域起到关键性作用。回顾了工业控制网络的发展历程,重点分析了工业以太网的实时通信技术,针对通信实时性的强弱性质将目前主流工业以太网进行了分类研究,将其划分为软实时、硬实时以及同步硬实时3类,重点探讨了各自的实时通信机制。同时阐述了正在进入工业控制领域的实时异构网络及无线网络,最后讨论了工业控制网络研究的技术难题,并提出了新的发展方向。