PMAC-based Tracking Control System for 8-axis Automated Tape-laying Machine

This article introduces a computer numerical control (CNC)-based open hardware architecture system to realize the special functions of automated tape-laying (ATL) in a numerical control system. It associates a programmable multi-axis controller (PMAC) as the motion control unit with programmable numerical controllers (PCL-725, PCL-730) for on-off control. To bring about synchronized movements of the main 5-axis tape-laying head system and the 3-axis ultrasonic tape-cutting sub-system, the tracking-control method associated with time-based mode attributed to PMAC is applied in different cases. In addition, with the goal of realizing real-time tasks in the software system such as synchronizing motion control and on-off control, the real-time Win 2000 system is adopted. As a device driver for PMAC and PCL, a user graphical interface and a numerical control program interpretation module are also designed. This system is helpful to solve complicated problems in designing numerical controls for ATL such as ensuring high requirements for precise machine control and synchronization of motion control and on-off control.     

S形加减速的嵌套式前瞻快速算法

前瞻处理功能是现代数控系统的标志性功能之一,前瞻算法设计直接关系到数控机床的加工效率和运动平稳性。针对目前广泛研究的S形加减速前瞻算法复杂、难以满足实时性要求的问题,从工程实现的角度设计了嵌套式自适应前瞻算法。依据S形加减速曲线的对称性建立了速度规划模型,通过对加速度等效曲线逼近提高了模型求解效率,给出了S形速度规划曲线构造和校验两主要运算阶段的解析解。以连续短直线加工为例,给出了完整的嵌套式快速前瞻算法和实例加工验证。实验结果表明,所提出的算法能获得全局最优运动效率,计算量不足传统方法的30%,结果精确,耗时稳定,能满足现代数控系统甚至是高速高精度数控系统对前瞻处理的实时性要求。给出的解析结果对S形加减速模型的求解有通用意义,可适用于连续短直线、二次曲线以及非均匀有理B样条曲线(NURBS)等参数曲线的S形加减速前瞻速度规划。     

高效强力复合铣A轴的动力学建模与自适应滑模控制

A轴单元作为五轴数控机床的关键功能部件,其控制精度直接影响工件的加工精度和表面质量。针对系统参数摄动和不确定性切削负载对A轴伺服系统控制精度的影响,分析了A轴驱动系统的动静态性能,讨论了驱动扭矩、负载扭矩、运动方向和系统参数之间的相互关系,并建立了系统的非线性动力学模型。基于该动力学模型,设计了自适应模糊滑模控制器（AFSMC）,采用模糊系统对滑模控制律中的非线性函数项进行自适应逼近,并基于Lyapunov理论设计了模糊系统中可调参数的自适应律,同时,在滑模控制（SMC）的切换控制部分采用了指数趋近律。实验结果表明,所设计的AFSMC对不确定性负载扭矩和系统参数摄动具有较强的鲁棒性。与传统滑模控制（TSMC）相比,其在有效减小控制输入抖振的同时,使得跟踪控制精度提高了14.54%。     

整体叶盘高效强力复合铣A轴高精度控制技术研究

A轴单元作为五轴数控机床的关键功能部件,其控制精度直接影响整体叶盘的加工精度和表面质量.针对摩擦、齿隙、参数摄动和测量噪声等非线性干扰对A轴伺服系统控制精度的影响,提出了基于线性二次型最优控制(LQC)和滑模控制(SMC)相结合的鲁棒控制算法(LQSMC).该方法以系统状态空间表达式及LQC为基础,通过引入基于卡尔曼滤波器和控制输入的状态估计,对系统状态空间模型进行改进并定义新的滑模面方程,使得改进后的控制算法在性能上接近LQC并能有效抑制SMC的抖振.仿真分析和实验结果表明,LQSMC算法具有控制精度高、鲁棒性强和抑制干扰能力强等优点,其能有效提高A轴伺服系统的定位精度和跟踪精度,使整体叶盘型面加工精度和表面一致性得到保证,并显著降低了表面粗糙度.     

数控布带缠绕机关键技术

 多功能数控布带缠绕机是集机械、电子、气动、控制、软件和数控等技术一体化的多学科交叉综合应用的复杂设备。从提高参数控制精度及匹配精度的角度出发,详细地介绍了一种新型布带缠绕机的结构、组成及实现方式,并对机床本体、张力控制系统、温度控制系统、压力控制系统及数控系统的设计与开发中的关键技术做了较为深入的探讨。将该技术应用于多功能布带缠绕设备中,采用专用数控系统、先进机械装置及控制算法,既实现了缠绕成型过程的自动化,又保证了缠绕制品的质量,解决了复合材料零部件成型过程的关键制造技术难题。     

Z-pin自动植入数控系统研制及性能研究

为实现Z-pin的数控自动植入,以可编程多轴控制器PMAC作为运动控制的核心、附卡控制辅助开关量,设计了基于开放式数控系统的X-cor芯材成型专用CNC硬件体系。试制了多种规格的X-cor夹层结构试样,分别研究了Pin直径、Pin植入角以及Pin分布密度等参数对X-cor夹层结构压缩性能、剪切性能的影响。结果表明,Pin可以大幅度提高X-cor夹层结构的压缩性能,同时提高了断裂韧性。     

机器人力/位并环混合运动学分析研究

提出用大系统理论进行复杂的机器人力控制研究,介绍了与之相应的智能力／位并环控制新策略,针对力控制中未知环境约束运动的特点,详述了力控制大系统智能新策略中核心：根据腕力传感器输出的三维力,考虑摩擦力的影响,推导了动态求解机器人终端与环境接触点的法向--力控方向和切向--位控方向的公式,从而建立了基于力反馈的运动学模型,有效解决了长期遗留的未知环境约束运动中的难题。     

基于华中数控系统的复合加工机床控制系统

为了提高机身大部件在装配过程中钻孔铆接的效率,并满足高精度制孔要求,设计了由五轴机床和末端执行器组成的自动化协同钻铆控制方案。机床本体及高精度转台采用华中数控系统控制,末端执行器采用倍福PLC程序控制。在明确钻铆需求后设计了基于工业网络的硬件组态和基于多软件平台的软件组态,并利用Microsoft Visual Studio开发平台编写了上位机集成控制软件。控制系统分别采用Ethernet和Ether CAT工业以太网实现上位机控制系统和华中数控系统、倍福PLC控制程序的通信连接。在集成控制软件中通过套接字进行以太网通信接口开发,并在复合加工机床上进行试验验证。该控制系统具有稳定性好、集成度高、响应快、效率高的特点,能够满足钻铆需求。     

一种通用型无人机飞行控制与导航系统

介绍一种通用型智能化无人机的飞行控制与导航系统的设计,阐述了系统组成、飞行控制功能、飞行管理功能和导航功能的实现,以及利用Tornado集成开发环境设计的软件系统。该飞行控制与管理系统,采用数字计算机作为核心控制部件,配以GPS导航系统、各种机载传感器、垂直陀螺和舵机等构成。具有手动遥控飞行、程控飞行和远距遥控加载数据三种飞行模式。手动飞行采用独创的开关指令式控制,可减轻操纵员的工作强度,提高飞行的可靠性、安全性。整个系统体积小、重量轻、可移植性高,适用于各种中小型无人机。该系统已用在某型无人机上,经过试飞验证,性能良好,可靠性强。     

Adaptive sliding mode control of the A-axis used for blisk manufacturing

As a key assembly in the 5-axis CNC machine tools, positioning precision of the A-axis directly affects the machining accuracy and surface quality of the parts. First of all, mechanical structure and control system of the A-axis are designed. Then, considering the influence of nonlin- ear friction, backlash, unmodeled dynamics, uncertain cutting force and other external disturbance on the control precision of the A-axis, an adaptive sliding mode control （ASMC） based on extended state observer （ESO） is proposed. ESO is employed to estimate the state variables of the unknown system and an adaptive law is adopted to compensate for the input dead-zone caused by friction, backlash and other nonlinear characteristics. Finally, stability of the closed-loop system is guaran- teed by the Lyapunov theory. Positioning experiments illustrate the perfect estimation of ESO and the stronger anti-interference and robustness of ASMC, which can improve the control precision of the A-axis by about 40 times. Processing experiments show that the ASMC can reduce the waviness, averaKe error and roughness of the nrocessed surface by 35.63%, 31.31% and 30.35%, respectively.     

基于A3200控制器的超精密机床控制系统的设计与应用

以一种新型的运动控制器—A3200控制器为核心搭建了数控系统硬件平台,对控制器的控制函数及直接命令进行了研究,基于机床的需求开发了数控系统软件平台。同时,结合A3200控制器与伺服系统参数整定与优化方法,对伺服系统参数进行了整定和优化,提高了系统的精确性和稳定性。最后,对半球谐振子进行了加工试验,验证了数控系统的控制性能及加工精度。     

大气层内导弹姿态控制方法研究

本文以大气层内导弹为研究对象,对导弹的姿态控制方法进行研究.根据大气层内导弹运动方程组及空气动力方程等得出导弹的姿态控制系统数学模型.由于导弹的姿态控制数学模型是强耦合、非线性的,因而在控制器设计之前,采用小扰动理论进行线性化处理,得到俯仰、偏航、滚转三个通道的传递函数.针对特征点,采用PD控制方法分别设计三通道的控制律,在此基础上,进一步设计了基于增益调度的PD控制规律.仿真结果表明,提出的姿态控制方法可以实现大气层内导弹的姿态控制,满足指标要求.     

基于PMAC开放式数控系统的研究与应用新进展

介绍了基于PMAC的开放式数控系统硬件、软件结构及系统软件开发的关键技术,并对自由曲面加工开放式数控机床结构、人机对话界面的编制、CNC应用程序的处理、PLC程序的编写、DLL应用程序与PMAC间的通讯等进行了较为深入的探讨。     

一种环境探测球形移动机器人的运动控制

 球形移动机器人具有结构紧凑、运动灵活等特点,在环境探测等应用领域具有独特优势。介绍了一种新型的、带有双摄像头的环境探测球形移动机器人BHQ-2的结构与运动原理,并对其运动控制问题进行了研究。由于该球形机器人属于非完整约束系统,其不存在位置级的运动学逆解,因此从速度级上讨论了它的运动控制问题。基于旋量理论推导了该球形移动机器人的速度雅可比矩阵,采用广义逆的解法求得了它的速度逆解,并采用可控性李代数证明了BHQ-2球形移动机器人系统是满秩的,因此该机器人系统是完全非完整的并且是可控的。基于运动学速度逆解对BHQ-2球形移动机器人进行了直线和圆形运动轨迹的仿真和实验,仿真和实验结果验证了该球形机器人的可控性及速度逆解的正确性。     

航空火力控制系统智能自动化检测系统设计

研究了对作战飞机的航空火力控制系统进行智能自动化检测的方法，设计了一种基于虚拟仪器技术的微机数据采集与控制系统，详细介绍了系统的组成，说明了硬件、软件的结构和功能，并讨论了应用超文本技术定义被测设备的数学模型的方法。     

基于586-Engine的无人机飞控系统的设计与实现

以微控制模块586-Engine为核心,设计了用于某小型无人机的一种飞行控制系统,该系统具有小型化、高集成度等特点。详细介绍了该系统的体系结构和各模块的作用,给出了相应的飞行控制策略;还介绍了飞控软件的开发环境和相应的软件流程图。半物理仿真实验表明,该无人机的飞控系统功能完善,具有较高的控制精度。     

飞机表面爬行机器人轨迹跟踪控制方法研究

针对飞机蒙皮铆钉缺陷无损检测移动机器人进行了运动学和动力学建模,并且基于该移动机器人的模型,设计了双闭环轨迹线性化控制器(trajectory linearization control,TLC)。同时设计了逻辑控制算法保证机器人运动轴在达到完整约束临界点时进行状态切换。该方法解决了在飞机特殊表面环境下,对基于X-Y平台的新型爬行机器人如何完成轨迹跟踪控制的问题。实验结果表明,该控制器具有较好的动态性能,能够在满足系统实时性要求的前提下实现爬行机器人距离精确性和速度稳定性控制。     

轻型自主爬行制孔系统集成控制技术

针对机身筒段大部件的装配需求,设计了由自主多足移动机构与多功能末端执行器两大功能模块组成的轻型自主爬行制孔系统。基于集成控制的总体需求,设计了上下位机分层控制体系。利用Microsoft Visual Studio平台开发了上位机集成控制软件,用以规划整个钻铆系统的加工任务,监测现场加工任务的执行情况。利用德国倍福软PLC技术实现对整个系统终端硬件的实时控制。在明确了集成控制的总体方案后,设计了基于工业网络的硬件组态和基于多软件平台的软件组态。最后,在不同倾斜角度的曲面工装上进行了机器人的行走和钻孔试验。试验结果表明轻型自主爬行制孔系统结构设计合理,集成控制系统性能稳定,能够稳定实现行走和钻孔功能,制孔质量满足要求。     

分段拓扑修形齿轮的成形磨削与试验

基于成形磨削的几何原理和机床运动学原理,提出了斜齿轮副的一种分段拓扑修形方法.通过改变齿顶和齿根处渐开线的发生线长度实现齿廓分段修形;给砂轮附加一个抛物线+直线的径向进给运动实现齿向分段修形.推导出基于成形磨削过程中拓扑修形齿面的计算公式,对修形齿面的边界进行了划分,建立成形磨齿机各伺服轴的运动方程.根据齿面的数值模拟结果,在五轴数控(CNC)成形磨齿机上进行磨削加工与在机拓扑测量,验证了成形法实现齿面拓扑修形的可行性. 对给定转速和负载工况下的齿轮箱进行加载试验,齿轮箱振动能量级幅值下降0.008dB,噪声减小约2dB.研究表明分段拓扑修形有利于降低齿轮传动振动和噪声.      

Development of a PC-based Open Architecture Software-CNC System

As a key technology in the field of advanced manufacturing, an open architecture controller is studied. In order to develop an open architecture software-CNC system on personal computer (PC) according to open modular architecture controllers (OMAC). First, the software and hardware platform is chosen and software realization methodology for the CNC system is determined. Second, static mod- eling methods of an open architecture controller inclusive of object-oriented (OO) programming technology, dynamic link library (DLL) technology and system modules partition are investigated. Third, the dynamical behavioral modeling and the data flow representation of open architecture controller are discussed, which are both described in hierarchy finite state machine (FSM) model. Fourth, a reusable software module model is established to develop software function module library. Finally, a 3-axis milling machine tool test-bed, named for HIT-CNC, is successfully designed by means of the constructed software function module library and the system configuring method. The experimental results show that, besides increasing the degree of reusability and openness, application of above-mentioned method- ology leads to significant decrease of development time as well as maintenance cost.