S10533曲超平 学位论文.docx

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S10533曲超平学位论文

学号：

S1*******3

基于UMAC的加工高次非球面数控系统研究。

曲超平

硕士学位论文

基于UMAC的加工高次非球面数控系统研究

研究生姓名：

曲超平

学科、专业：

控制科学与工程

二○一五年三月

分类号：

TP273+.3密级：

可公开

UDC：

621.3编号：

基于UMAC的加工高次非球面数控系统研究

PROCESSINGHIGH-ORDERASPHERICNUMERICAL

CONTROLSYSTEMRESEARCHBASEDONUMAC

学位授予单位及代码：

长春理工大学（10186）

学科专业名称及代码：

控制科学与工程（081100）

研究方向：

检测技术与过程控制申请学位级别：

工学硕士

指导教师：

耿振野副教授研究生：

曲超平

论文起止时间：

2013.10—2014.11

长春理工大学硕士学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的硕士学位论文，《基于UMAC的加工高次非球面数控系统研究》是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。

除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。

作者签名：

曲超平2015年3月31日

长春理工大学学位论文版权使用授权书

本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版权使用规定”，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕士学位论文全文数据库和CNKI系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权长春理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。

作者签名：

曲超平2015年3月31日

导师签名：

耿振野2015年3月31日

基于UMAC的加工高次非球面数控系统研究

摘要

随着科技的进步，无论是在军用或是民用方面，光学元件逐渐成为了一样不可或缺的必需品。

但是如何高效率获取高精度非球面加工零件成为了困扰各国科学家的难题。

现阶段数控加工光学元件都会在表面留下波纹误差，切线法理论的提出可以有效避免这类问题出现。

其核心就是要保证加工过程中磨轮始终与工件处于相切状态。

为此，本文对切线法机床整个控制系统进行了研究，并在轨迹插补控制中提出了基于典型PVT算法为基础的改进PVT插补算法，从而提高了机床的加工精度。

本课题机床硬件结构采用基于UMAC控制器的开放式数控系统搭建而成，并在UMAC自带PVT算法基础上设计了三轴联动速度插补控制系统，软件结构采用基于Windows操作系统下，对PWIN32软件利用VC++6.0进行二次开发设计，从而构成NC+PC模式开放式数控系统。

同时对典型PVT算法进行了深入分析，结合切线法原理需要，解决了初速度问题，并为保障机床加工精度，避免随机误差带来的精度下降，提出引入HMM模型的改进PVT算法。

通过对加工元件的数据分析，证明了改进PVT补偿方法的可行性。

关键词：

非球面，切线法，UMAC控制器，HMM算法，改进PVT算法

Processinghigh-orderasphericnumericalcontrol

systemresearchbasedonUMAC

Abstract

Withthedevelopmentoftechnology,opticalelementhasgraduallybecomeanecessarypartbothinmilitaryandcivilianfield.Buthowtoobtainhigh-precisionasphericelementhasbecomeaproblemwhichperplexscientistsfromallovertheworld.Atpresent,Thesurfaceofopticalelementwillproducecorrugatederrorduringthenumericalcontrolprocessing.Thetheoryoftangentmethodcaneffectivelyavoidtheproblem.Itscoreistoensurethattheprocessofgrindingwheelandworkpiecemustbeinthetangentstate.Thus,ThecontrolsystemoftheAsphericCNCbytangentmethodisstudiedinthisthesis.AndprovidetheimprovedPVTalgorithmreplacethetypicalPVTalgorithmfortrajectoryinterpolationcontrol,themachiningaccuracycanimprovebythiswaysequentially.

ThemachinehardwarestructureofthispaperwhichwasbasedonUMACcontrollerinopenCNCsystemwasbuilt，andthetriaxiallinkageinterpolationspeedcontrolsystemwasdesignedbythePVTalgorithm.ThesoftwarestructurebasedonthesoftwarePWIN32,wasmadethesecondarydevelopmentbyusingVC++6.0intheWindowsoperatingsystem,andtoconstituteanopennumericalcontrolsystem，theNC+PCmode.CarryingonthethoroughanalysisofthetypicalPVTalgorithm,combiningwiththeprincipleoftangentmethodtosolvetheproblemoftheinitialvelocity,toensurethemachiningaccuracyandavoidtherandomerrorofprecision,animprovedalgorithmofPVTintotheHMMmodelwasputforward.Throughtheanalysisofthedataofprocessingcomponents,thefeasibilityoftheimprovedPVTcompensationmethodwasproved.

Keywords:

Aspheric，Tangentmethod，UMACController，HMMalgorithm

ImprovedPVTalgorithm

目录

第1章绪论1

1.1课题的来源及研究的意义1

1.2数控加工非球面技术的发展1

1.2.1国外技术的发展1

1.2.2国内加工技术的发展3

1.3开放式数控系统4

1.3.1开放式数控系统的含义及特点4

1.3.2开放式系统的发展现状5

1.3.3开放式数控系统的结构6

1.4课题研究主要内容7

第2章Hermite插值及PVT插补理论8

2.1Hermite插值理论8

2.1.1三次Hermite插值定义与特点8

2.1.2三次埃尔米特插值多项式矩阵法求取9

2.2PVT插补算法10

2.2.1目前数控插补算法的发展10

2.2.2PVT插补算法及优越性11

2.3PVT算法在切线法机床中应用13

2.3.1初速度问题的提出13

2.3.2解决方案提出及仿真分析14

2.4本章小结16

第3章数控系统的硬件结构设计17

3.1数控系统的总体结构17

3.2切线法机床控制系统硬件配置18

3.2.1UMAC运动控制器18

3.2.2面板式工控机19

3.2.3Aerotech电机及驱动器19

3.3伺服轴控制系统选取20

3.4机床限位功能的设定21

3.5机床回零运动设置21

3.6机床电气控制图设计22

3.6.1UMAC与伺服系统连线22

3.6.2机床输入输出模块设计24

3.7本章小结25

第4章切线法机床的控制系统软件结构26

4.1数控系统软件构成26

4.2软件各模块及总体结构设计26

4.2.1人机交互界面控制系统设计27

4.2.2通讯驱动程序系统设计30

4.3改进PVT算法的提出31

4.3.1隐马尔可夫模型定义31

4.3.2隐马尔可夫算法优越性分析32

4.3.3隐马尔可夫算法在切线法机床中的应用35

4.4本章小结39

第5章插补误差分析40

5.1插补误差分析40

5.2高次非球面面型检测分析42

5.3本章小结44

第6章总结与展望45

6.1工作总结45

6.2未来展望45

参考文献46

作者简介及科研成果48

致谢49

第1章绪论

1.1课题的来源及研究的意义

非球面光学元件因其具有优良的光学性能成为了诸多学者研究的课题[1]。

其在我们日常生活的光电子产品中都有着很广泛的应用，并在无论是我们的工业领域甚至是国防科技领域等几乎所有的工程应用方面都有广泛的应用前景。

在军用领域以美国为主的西方国家在70年代开始研制并生产军用光电系统，如微光夜视头盔、军用激光装备、热成像装备、红外扫描装备和各种变焦镜头[2]。

在日常民用光电系统方面，大到如为飞机提供实时飞行数据的显示系统；我们使用摄像机中的取景器和镜头；小到在医院医生看病用的眼底镜、内窥镜等，以及拍照用的数码相机、上网使用的电脑、投影仪等产品都在其光电成像系统中大量的运用了各种规格的非球面零件。

如今，非球面光学零件还在航空、航天领域如空间精密遥感系统、激光制导系统、卫星惯性制导及惯性导航系统等国防科技工业中担当越来越重要的角色[3]。

这也说明在现代光学零件需求量日益剧增的今天，如何采用高精度低成本的加工方法生产出高质量的非球面光学零件成为了当今国内外学者争相研究的热点，许多国家政府也看到了非球面光学零件的重要性也都在加大支持力度，越来越多的新方法正在被研制出来。

数控技术的发展推进了非球面加工技术的变革，国内外都在研究利用先进的数控技术来加工非球面，目前加工非球面以数控车削和磨削为主要手段，但是目前的数控车削和磨削技术均是以直线插补原理进行加工[4]。

就目前高精密机床而言，基本是用插补方法来保证加工零件的整体面形精度，但零件表面的波纹等局部误差难于消除，切线回转法加工可以有效避免这一问题。

但因为切线法成型加工要实现三轴速度联动，所以为了减小数控系统给非