开放结构控制器的研究及其在活塞加工中的应用

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1、山东大学博士学位论文开放结构控制器的研究及其在活塞加工中的应用姓名：王恒申请学位级别：博士专业：机械制造及其自动化指导教师：刘镇昌;张承瑞20031023摘要里里里巴里里压口里理皿曰....访问子层中的总线通讯时序、同步机制、错误处理、系统初始化过程。实现了SCOM协议的主控卡，给出了主控卡的电气原理图。给出了SCOM主控卡的用户接口层的API,及主控卡在实时操作系统RTLinux下的驱动程序结构。实现了SCOM协议的从站适配卡，包括电机驱动适配卡、模拟和数字UO适配卡。SCOM不但解决了传统控制器结构中的问题并为实现下一

2、代数字驱动器接口提供了途径，而且解决了由于实时操作系统定时基准抖动引起的控制系统时间的漂移，为实现控制系统的高速、高精度性能莫定了基石出。由于内燃机活塞的工作条件异常严酷，活塞的型面一般设计为复杂的三维立体曲面以提高内燃机的性能。在分析了目前所使用的活塞形线的基础上，建立了两种可能的运动学模型—信号分离型和信号合成型运动学模型。横向形线的工程设计按规则形线和非规则形线进行，设计点间隔较大。这样，在控制系统实现中各种横向形线统一成非规则横向形线进行处理—采用三次非均匀B样条插值曲线对设计点进行拟合，然后，按沿圆周方向等角度间

3、隔求取曲线上的密化点。通用数控机床的进给伺服系统的频宽一般为10--20Hz，活塞典型加工时要求的刀架运动频率为100Hz，所以必须开发专用的伺服刀架系统。本文选用液压伺服驱动系统。建立了刀架的物理模型，即伯努利一欧拉梁，具有复杂边界条件:一端固定，一端带有附加质量。根据泛函分析求取了刀架的等价刚度及一阶固有频率。根据刀架的物理模型建立了其二阶动力学模型，给出了刀架设计时的注意点。最后，根据流量连续性原理、四通滑阀的线性化特性及液压缸活塞上的力平衡方程，分析给出了液压伺服刀架系统的动力学模型—由一个一阶惯性环节和一个二阶振

4、荡环节串联组成的三阶系统。开放结构控制器除了在软件平台上具有开放性外，其硬件平台亦应具有开放性。而基于PC的开放结构控制器能够满足开放性的要求。根据活塞加工的运动学分析，活塞加工控制系统由车床控制系统和异型外圆加工控制系统组成。车床控制系统是基于PC硬件平台和SCOM现场总线实现的。考虑到活塞外圆曲线的复杂性及加工的高速高精度要求，异型外圆加工控制系统的运动控制模块是SCOM的一个从站，由高速DSP模块完成。这样，系统的数据管理及预处理均由PC平台完成。根据活塞加工中车床控制的功能要求主要实现了运动控制功能模块。根据运动控

5、制模块中的数据流即命令对象在运动控制模块中的传递路径，实现了译码组件、遥动学组件、轨迹规划组件、轨迹控制组件。由于工作条件要求，活塞的纵向形线在一定圆周角上通常呈直线或曲线变化规律。本文首次提出了一种异型外圆活塞曲面片来表达活塞曲面的方法。横向形线和径向收缩量变化规律均由弦长参数化表示的双参数矢函数来表示活塞曲面。然后，用横向形线按角度均匀插值和径向收缩量沿活塞纵向变化按等弦长插值，将活塞曲面离散化，形成了异型外圆活塞曲面片。并提出了一种快速活塞曲面滤波法，减小了加工时活塞曲面的失真。山东大学博士学位论文根据液压伺服刀架系

6、统的动力学模型，采用频率响应法对系统进行了辨识。由实验得到的幅频特性曲线辨识了数学模型的参数.但是，根据数学模型得出的相频特性曲线与实验所得的相频特性曲线在高频段存在一个近似线性的相角差。可以断定，这个相角差是由传递滞后引起的。这样，系统的数学模型串联一个延迟环节后，得到了系统完整的传递函数。根据系统在时域中的瞬态和稳态性能指标，给出了PID校正方案，经Matlab仿真后，应用于实际加工，零件加工精度满足设计要求。关键词开放结构控制器;现场总线;软靠模;电液伺服系统ABSTRACTABSTRACTNCisthefounda

7、tionandcoretechnologyofadvancedmanufacturing,andreflectsanation'smanufacturingandindustrylevel.Nowadays,openarchitecturecontrollerandfieldbusformotioncontrolarethehotspotsintheareaofnumericalcontrolsystem.InordertowinthenewcompetitionofNCtechnologyintheworld,wemus

8、tdevelopadvancedNCsystemwithourownintellectualproperty.Hence,thepaperfocusesontheresearchofopenarchitecturecontrollerandfieldbusformotioncontrol.Thearch