[01249104]仿人高效研抛自由曲面专用机床嵌入式控制系统的研究

一、任务来源

吉林省科技发展计划项目：仿人高效研抛自由曲面专用机床嵌入式控制系统的研究。编号：20040325。

二、应用领域和技术原理

本项研究应用领域是模具自由曲面自动化研抛加工装备。仿人高效研抛自由曲面专用机床嵌入式控制系统的研究，本质上是基于个人PC机的仿人高效研抛自由曲面专用机床的开放式控制系统，主要有基于嵌入式系统的DSP运动控制系统、DSP运动控制系统设备驱动程序、基于PC机的仿人高效研抛自由曲面专用机床的运动控制应用软件三部分组成。

该项目采用核心技术关键攻关和系统研制相结合、硬件设计与软件设计交叉进行的总体技术路线展开工作。

具体分成嵌入式运动控制器的硬件开发，嵌入式运动控制器的采样插补及实时控制程序，嵌入式运动控制器的应用程序接口的研究（PC机程序），模具自由曲面的分片规划、片内研抛工具轨迹规划和加工过程控制参数优化的算法设计，仿人研抛五坐标专用机床的机械机构优化修改、控制电气设计、制造及调试，手腕式二自由度弹性研抛工具系统的开发，控制机构与算法的研制，集成分片规划和片内轨迹规划算法并具有轨迹/压力混合适应控制的五坐标插补算法设计与数控软件开发，五坐标数控加工自动编程软件与加工过程仿真软件开发等，最后汇总到五坐标专用机床软、硬件集成、装备综合调试和研抛加工实验问题上。

三、性能指标

1、嵌入式运动控制器控制轴数：1～6轴；

2、控制输出形式：±10V模拟量或数字脉冲输出可选；

3、位置控制精度：编码器脉冲±1/4；

4、具有三维直线插补、二维圆弧插补功能，以及力/轨迹混合适应控制功能。

四、与国内外同类技术比较

“精密自动研抛加工模具自由曲面的虚拟轴专用机床”的数控系统采用美国Delta Tau公司的可编程多轴控制器(PMAC卡)，但是相对于整个数控设备的造价来说，PMAC卡的价格较高；另外考虑到Delta Tau公司提供的函数库的封闭性，对于研抛算法的完善，如自由曲面的轨迹/压力混合适应控制和分片研抛轨迹规划等算法的集成等，较为困难项目所开发的嵌入式控制系统可作为仿人高效研抛自由曲面专用机床的控制系统，并可在短期内形成产业化。

另外，该项目研究的五坐标轨迹/压力混合适应控制、仿人分片研抛自由曲面的新技术和装备，突破了机机器人工作空间与刚度、精度的矛盾，同时利用了机器人结构简单、响应速度快等优点。所开发的力与五坐标运动同步适应控制及数控软件、仿人研抛自由曲面的分片规划和区域轨迹规划新学术思想及其软件、从三维CAD信息自动生成包含分片研抛轨迹优化和工具姿态优化信息的自由曲面五坐标数控加工自动编程软件等，都具有自主知识产权，在国内外均属首创。

五、成果的创造性和先进性

1、研发了六轴五联动研抛专用控制系统。

2、建立自由曲面研抛加工的运动轨迹/压力混合适应控制模型，设计具有法向恒压适应性控制功能的硬件结构和软件。

目前技术先进国家虽然已经研制出几种模具自由曲面研抛精加工装备，但从整体来说，该领域的研究尚在发展初期阶段，成型的装备价格昂贵，即使在日本这样的发达国家也难以推广应用，我国作为发展中国家大量引进设备及成套技术在经济支撑方面不现实。

由于模具需求日益增加，模具自由曲面的自动化研抛技术应用前景很好，在可预见的将来，模具自由曲面自动化加工装备的需求将日益增加。

中国一汽是中国汽车最大的企业集团，拥有直属专业厂10家，分公司3家，全资子公司36家，控股子公司16家，参股公司29家，其中包括一汽轿车、一汽四环等股份上市公司和一汽－大众、一汽－大宇（烟台）等22家合资企业，在汽车生产中使用大量的模具 ，将为该项目的研究成果提供广阔的应用空间和很好的应用示范。

该项目开发的轨迹/压力混合适应控制数控软件、提出的实现仿人分片研抛自由曲面规划和区域轨迹规划的学术新思想及其算法软件，开发的根据三维CAD信息或自由曲面识别信息自动生成包含分片研抛轨迹优化和工具姿态优化的五坐标数控加工控制软件，都具有自主知识产权，并将填补国内这一领域空白国内外市场的模具自由曲面自动化研抛加工装备的总需求预测在1700台以上，按每台约100万人民币计算，就有17亿人民币元的市场。

该项目所开发的嵌入式控制系统可作为仿人高效研抛自由曲面专用机床的控制系统，并可在短期内形成产业化。研究成果作为产品推广后，预计在大规模推广前的几年内，每年能生产15台以上，按每台价值100万人民币计算，年产值1500万人民币元。