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五轴联动运动控制仿真技术研究.pdf

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分类号U D C 密级学校代号学 号广东工业大学硕士学位论文工学硕士1 1 84521 10801023五轴联动运动控制仿真技术研究黄邹亚指导教师姓名、职称 直筮强量4数援企业导师姓名、职称 玉专业或领域名称 扭越剑造毽墓自动丝学生所属学院 扭电工程堂院论文答辩日期 星Q生鱼旦A Dissertation ted to Guangdong University ofTechnology for the Degree of Master of Engineering ScienceStudy in Five--axis Motion Control SimulationTech nology一一Master CandidateHuang ZouyaSupervisorProf.Gao Weiq iangJune 201 1School of Electro--mechanical EngineeringGuangdong University of TechnologyGuangzhou,Guangdong,P.R.China,51 0090运动控制算法是整个五轴联动数控机床的核心,一部高档的数控机床性能的好坏以及能否加工出高精度的工件主要决定于该数控机床的系统的运动控制算法。在运动控制算法应用到机床之前,需要通过仿真技术来验证算法的正确性与可靠性。数控仿真技术就是利用计算机图形显示技术模拟实际加工过程,本文建立了模拟五轴联动运动控制系统的数学模型和几何模型,通过数值仿真和几何仿真模拟系统的运动控制过程,观察仿真过程中的运动特性,位移曲线、速度曲线和加速度曲线是否满足理论要求并达到预期效果;并通过三维实体几何仿真观察切削过程中的刀具动作及切削状态,同时对过切、欠切现象以及刀具与工件、刀具与夹具之间的碰撞干涉情况能够实现可视、定量的验证,并且可以直观、形象地模拟数控运动控制的全过程,这样有助于我们对机床的加工轨迹、加工速度和加速度进行验证和优化,进而提高数控加工的质量和效率。本文以五轴联动双转台机床为研究对象,以五轴联动运动控制算法为理论基础,着重研究了五轴联动控制过程的数学仿真和几何运动仿真,主要的工作如下1.建立五轴联动运动控制系统,以NC代码为输入,以各伺服轴的运动控制信息为输出,总结了加减速速度控制策略,速度拐点及区域轨迹连续加减速控制,五轴联动插补算法等,并以这些算法为基础建立了五轴联动运动控制的数学模型。2.以Matlab为仿真平台,对五轴机床加工过程的速度规划、加减速控制和联动插补算法进行计算,绘制了机床刀具.工件的运动学关系曲线,仿真了五轴联动插补控制过程,即合成位移、合成速度、合成加速度均可以满足机床的要求,五个轴分别所对应的位移曲线、速度曲线、加速度醢线也满足机床的要求。3.在机床结构运动学的基础上,以双回转台五轴机床结构为研究对象,根据机床各运动轴之间的运动和约束关系,建立双回转台五轴联动数控机床的运动学模型,并在3D参数化CAD系统上建立了几何仿真模型。4.通过高级语言开发的数控仿真系统,从输入的插补点代码中提取运动参数,应用T.Flex CAD系统提供的OLE机制,传送给T.Flex CAD系统中的参数表,从而驱动五轴机床的几何运动模型,最终实现机床加工运动的三维动画效果。广东工业大学硕士学位论文以上五轴联动数控加工运动控制算法的关键技术已经成功地经过数学仿真和几何仿真的验证。从整个仿真情况来看,算法能够完成五轴联动的线性插补,插补能够连续进行,曲线间能够平滑过渡,能够达到预期的结果,证明了算法的可行性、合理性。关键词五轴联动;数控机床;数值仿真;几何仿真;Matlab;T-FLEXIIBefore the motion control algorithm is applied to the machine,you need to verifyaccuracy and reliability of the algorithm by simulation.Numerical simulation technologyis to simulate the actual process by computer graphics technology.In this paper,mathematical model and geometric model were founded which simulated five·axismotion control system.It simulates motion control process by numerical and geometrysimulation,then observe if the motion characteristics,the displacement curves,velocitycurves and acceleration Curves meet the theoretical requirements.Observe the cuttingaction and the state by three·dimensional solid geometry simulation,at the same time itsimulates intuitively the whole process of CNC motion contr01.It will help US verify andoptimize the processing track,proeessing speed and acceleration to improve CNCmachining quality and efficiency.In this paper,making five·axis dualturntable machinetools as the study object and five·axis motion control algorithm as the theory,it focuseson mathematical simulation and geometric motion simulation of the five-axis controlprocess,the main work is as follows1.Summarize the acceleration and deceleration speed control strategy,and regionaltrack speed continuous turning point acceleration and deceleration control,fiveaxisinterpolation algorithm and other algorithms.The NC code for and the servo axismotion control ination for output,a five·axis motion control model is established.The NC code for and the servo axis motion control ination for output,2.Matlab as the simulation plat,it calculates the rate of five-axis machiningprocess planning,acceleration and deceleration control interpolation algorithm anddraws the machine toolworkpiece kinematics curve,then simulates five-axisinterpolation control process.Synthesis displacement,synthesis rate,synthesis jerk meetthe requirements of the machine tool,and corresponding to the five-axis displacementIII广东工业大学硕士学位论文curve,velocity curves and acceleration cui ves also meet the requirements of the machinet001.3.Based on kinematics of the machine tool structure and five.axis machine tooldouble rotary-tables as a research object,a geometric simulation model is created in the3D parametric CAD system by the movements of the machine axes and constraints.4.By high-level language development,the motion parameters are extracted fromthe five-axis NC program,then are transferred T-Flex CAD system parameter table bythe OLE mechanism the T-Flex CAD system provides,to drive five-axis machine toolgeometric motion model and achieve the threedimensional motion animation.NC motion control algorithms have been successfully simulated by mathematicaland geometric simulation.Judging from the simulation,the fiveaxis linear interpolationCan be completed continuously,curves can be transited smoothly,and the accuracy Canmeet the requirements.In the all,it achieves the expected results and demonstrates thefeasibility of the algorithm.KeywordsFive-axis;NC machine tool;Numerical simulation;Geometrical simulation;Matlab;T-FLEXIV目 录摘 要..IABSTRACTIII目 录.VCONTENTSVIII第一章绪论11.1引言l1.2国内外研究现状和趋势l1.2.1国外五轴联动数控机床发展现状..11.2.2国内五轴联动数控机床发展现状.21.2.3五轴联动数控机床的发展趋势.31.3五轴联动数控机床运动控制及其仿真技术综述41.3.1插补分类及速度控制原理.41.3.2仿真技术概述。51.4课题研究背景及来源.71.5课题研究的内容与意义71.5.1课题研究意义.71.5.2课题研究内容.8第二章五轴联动数控机床结构形式及运动学模型102.1五轴联动数控机床的种类和结构形式一lO2.1-1五轴数控中的坐标轴的定义102.1.2五轴联动数控机床的种类及性能特点112.2双回转台五轴联动机床的运动学模型一132.3五轴联动数控加工的坐标变换数学处理方法..152.4五轴联动数控加工的进给速度G93、G94问题.172.5本章小结18第三章五轴联动数控加工运动控制技术19V广东工业大学硕士学位论文3.1五轴数控加工速度控制策略概述。193.2多轴联动运动控制系统中的速度控制模型..203.2.1直线加减速速度控制模型203.2.2指数加减速速度控制模型213.2.3 S曲线加减速速度控制模型..223.2.4多项式加减速速度控制模型233.3速度拐点判别和区域轨迹连续加减速控制模型..243.3.1问题的提出243.3.2区域连续段轨迹代码加减速处理算法原理243.4五轴联动数控插补算法的理论研究263.4.1数据采样插补概述263.4.2五轴联动插补算法.273.5本章小结一30第四章五轴联动数控加工运动控制的数值仿真3l4.1五轴联动数控加工运动控制数值仿真的总体思路..314.2数学仿真模型的建立..334.3 MATLAB数值仿真平台.354.4数值仿真程序设计364.4.1仿真程序结构364.4.2速度控制策略和区域轨迹处理的程序设计374.4.3联动插补的程序设计384.5数值仿真结果分析。394.5.1速度控制策略和区域轨迹处理的试验与仿真实例394.5.2联动插补的试验与仿真实例414.6本章小结..50第五章基于参数化三维实体CAD技术的五轴联动数控加工几何运动仿真.515.1五轴联动数控加工几何运动仿真总体思路..515.2几何运动仿真模型的建立。525.3仿真平台的选择..555.4基于OLE自动机制的三维实体几何运动仿真.56Vl
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