（机械电子工程专业论文）车轮踏面数控加工系统的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文麓要铁路运输是我国交通的重要组成部分之一，在图民经济建设中发挥着十分纛要的作用。目前，我国的铁路交通跟不上缀济快速发展的需要。因此，火车提速对于缓解运力紧张秘筵遴经济发溪跫卡分必要鑫奄。毽是疆翱火车提速一令主要甄溷是钦鼹维护和检修装备比较落后，特剐是火车轮对修复装备。阑内大多数车轮车床都不楚数控车床，工人劳动强度大、修复精度不高。如果购买国外先进的数控设备不但价格离而且设套维护不方便，屋此，开发叁主毫性能数控车轮窜藤势在必行。本文綮台实瓣颈霆，围绕火车车轮踏萄数控搬工系统的开发进行了系统深入豹研究。本文在以下方面开展了研究工作：( 1 ) 针对车轮踏蘑数控修复的要求，建立了车枣 踏西数控搬王鲍数学模型；( 2 ) 缀合车轮露嚣瓣形虢特征，研究了数控车轮车庆的在线检测技术。并针对测量的效率、误差等问题进行了深入的研究；( 3 ) 研究了车轮踏麟的数控加工方法，对加工蛉刀具轨迹规划、工艺、刀具的选择及补绥技术彝热工谯麓筹蠲遂恣邋行了：嚣； 究；( 4 ) 研究了火车车轮车床加工的安全保障技术；( 5 ) 针对车轮踏面修复的需求，在华中“世纪屡”数控系统平台上二次开发了车轮蘸蚕掺笈注裁系鲮。关键词：车轮车床检测火车车轮踏面加工仿真_ _ _ _ _ _ _ 一_ 一。ll华中科技大学硕士学位论文a b s t r a c tr a i l w a yt r a n s p o r t a t i o ni so n eo f t h ei m p o r t a n tc o m p o n e n t so f t h et r a f f i ci no u rc o u n t r y ,a n dp l a ) sav e r yi m p o r t a n tr o l ei nn a t i o n a le c o n o m i cc o n s t r u c t i o n a tp r e s e n t ，t h er a i h v a yt r a f f i co fo u rc o u n t r yc a n n o tc a t c hu pw i t ht h en e e do ff a s t d e v e l o p i n ge c o n o m y i ti sv e r ye s s e n t i a lt or a i s et r a i ns p e e df o ra l l e v i a t i n gt r a n s p o r t a t i o na n db r i n g i n ga b o u te c o n o m yp r o g r e s s ，o n em a i nr e a s o nt h a tr e s t r a i n st r a i nf r o mr a i s i n gs p e e di sr e l a t i v e l yb a c k w a r dr a i l w a ym a i n t a i n i n ge q u i p m e n te s p e c i a l l yt r a i nw h e e l - r e p a i r i n ge q u i p m e n t m o s tw h e e lt o o li sn o tn u m e r i c a lc o n t r o lt 0 0 1 t h el a b o ri n t e n s i t yi sh e a v y , a n dt h er e p a i r i n gp r e c i s i o ni sl o w f o r e i g na d v a n c e dn u m e r i c a lc o n t r o le q u i p m e n ti se x p e n s i v ea n di n c o n v e n i e n tt om a i n t a i n s o ，i ti si m p e r a t i v et od e v e l o pt h eh i g h p e r f o r m a n c en u m e r i c a lc o n t r o lw h e e lt o o li n d e p e n d e n t l y r e s e a r c hh a sb e e nm a d eo nt h et r a i nw h e e lt o o lc o m b i n i n gt h ea c t u a lp r o j e c ti nt h i sp a p e r t h ef o l l o w i n gr e s e a r c hi sm a d ei nt h i sp a p e r ：1 a c c o r d i n gt ot h en e e do fn u m e r i c a lc o n t r o lp r o c e s s i n g ，t h em a t h e m a t i c sm o d e lo ft r a i nw h e e lh a sb e e ne s t a b l i s h e d 2 a c c o r d i n gt ot h ef e a t u r eo ft h es u r f a c eo ft h et r a i nw h e e l ，t h eo n l i n em e a s u r et e c h n o l o g y ，m e a s u r i n ge f f e c ta n dm e a s u r i n ge r r o ro f t h en ct r a i nw h e e la r es t u d i e d 3 t h en u m e r i c a lc o n t r o lp r o c e s s i n gm e t h o do ft h ew h e e ls u r f a c ei ss t u d i e d ；t h et o o l - p a t h ，p r o c e s s ，t o o la n de r r o rc o m p e n s a t i o na r es t u d i e dt o o 4 ，t h es a f e t yg u a r a n t e et e c h n o l o g yi ss t u d i e d 5 t h ec o n t r o ls y s t e mo f t h et r a i nw h e e lm a i n t e n a n c ei sd e v e l o p e db a s e do nh u a z h o n gc n cs y s t e ma c c o r d i n gt ot h en e e do f t h ew h e e ls u r f a c em a i n t a i n i n g k e s 嘲, o r d ：t r a i nw h e e lt o o ls u r f a c eo f t h et r a i nw h e e lm e a s u r i n gp r o c e s s i n ge m u l a t i o n1 1独创性声明本人声鞠辑羔交的学位论文是我个人在昌雾纂指导下进行豹硬究王作及取得的研究成果。尽我所知，除文中飘经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文静研究徽漱贡献懿个人稻集体，均已在文中以明确方式标确。本入完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：年胃强学位论文版权使用授权书本学佼论文作者宪全了解学校霄关保留、使籍学位论文的规定，即；学校有权保留并向国家有关部门戚机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被粪阕翻借阕。本人授权华孛科技大学霹以将本学位论文戆全部藏部分肉容编入有关数据瘁避行检索，可戳采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密曩，在年鳞密舞逶震本授权书。本论文属于不镙密西。( 请在以上方框内打“4 ”)学位论文作者签名：措释教师签名：年月e 1年胃舀华中科技大学硕士学位论文i 绪论本耄奔缮了漾蘧韵锈究麓景、瓣豹琴瑟意义；蜀痰井车轮车床静按木臻获；本谦题的技术实施方案：最厝详细介绍了论文所做的工作。1 1 研究背景、目的和意义近年来，在不断出现的新技术设备的推动下，许多国家竞相研制高速列车，使人们乘火警靛旅行对润大大缩斑。风辘毫擎豹日本新干线，对蘧超过2 0 0 公墨的德潜、法国高速铁路，让国人羡慕不已。中国旅客列车最高运聋亍速度始终徘徊在每小时8 0至l l o 公里之间，货物列车墩高运行速度在每小时7 0 公里左右。在发达国家火车平均对逮达到】公里鲶今天，中营火莩已经浸褥令久戆滚，已满是不了亘楚经济笈震和建设的舞求。艇于上述情况，国家已对火车进行过四次提速，2 0 0 1 年的第四次提避，使火车酌平均辩速眈1 9 9 7 年提速前提高了1 3 8 公里，提速里程超过9 6 0 0 公里，提速投资( 仪线路) l 万元公墼。按“十五”趣划，我国铁路枧车还将在2 0 0 5 年对火车进行撮速。未来三年内，铁道部将投资3 5 0 0 亿打造全国的现代化铁路系统，箕孛2 7 0 0 钇用于铁路建设，8 0 0 亿用来购买火车车辆。随着我国铁路机车全丽掇速，对火车安全性能的要求就更离了。火车轮对是火车高速运行与铁轨接触的部件，其轮对轮缘踏面的好坏将随接影响到火车的运行状态。为凝僳涯极举囊速、安全憝逶j 童备耱岔l 夔稻弯邀，又麓据毫车轮静使用寿命，雹家有关部门对机车车轮的修复加工的簧求越来越严格。在一般人的眼中车轮是个比较租的零粹，但根据国家有关擎轮踏面的标准来看却并非如此，薅中l m 型轮缘踏面就是应用比较广泛的转，由于长期与铁孰接魁运行，特剐是转弯与利霸豹磨按，会造成车轮轮缘宽度变窄，而车轮轮缘宽度有定的尺寸范围，当轮缘宽腹磨损到一定程度焉就必须进 亍修复热互，要不然严重痞损静踏西在铁鞔上行鞭时会产生蔺欹往韵轮轨冲击力，其幅度值随磨损程度的不同而不同，实验表明异常憾况下的轮孰冲击力是正情况下的几倍甚至几十倍。作用于钢轨上的冲击力，沿道床向路基的内层传递破坏力，是镬镪软，混凝辘撬錾裂懿主要蘸戮之一，并量产生懿轮魏力 龟是造成轮辘疲劳冷切，轴承破损的重要原园，也严霾影响广大人民群众的生命财产安全。因此，只华中科技大学硕士学位论文有加工出高质、高精的火车车轮踏面，才能保障铁路快速运输交众。而传统的机械靠模的手工操作机床无法保证轮对轮缘踏蕊的加工精发鞍质量，只肖采用检测、c a d 和数控热工秫豹数字纯火孳车轮踏面修复控素l 系统方是实褒兹缘籍西高效、裔藏、高精的必要保证，也是火车提速的前提条件之一。“3l 。2 国内夕| 、牵轮车床技术发震臻浚火车轮对窜床在国外已有产品，水平最高的怒德潮赫裉沙伊特公司的产晶，该公司生产机车、肇箱所有系列的火车轮对车床，国内禽档的全自动火车轮对车床基举上都是从该公司邂口，但箕价格太高，台高档火车轮对车床( 粲检测、c a d 和数控期王一律) 大终癸7 0 0 万入瓮薅。在火车轮对车床鹩控割系统软俘厂寨国务主嚣有谣门- t - 、f a n u e 等公词的产品，其技术代袭是由西门子8 0 5 数控系统和套s 5 一1 1 5 up l c系统组成豹集稔溺、c a d 帮数控搠工一锩不解体稔对控翻系统，软件价格在4 0 7 0万人民蘑。委建囊于晷外该炎车痣秘数羧系统夔甏馀，大大双利了麓糖灾车车轮车瘴( 集检测、c a d 和数控加工一体) 的酱及和应用。可见，发展国产化具备检测、c a d程数控热王一体弱火擎轮怼数字纯控镪系绞霉在螫行。国内进行辕对车床翦控毒系统软传磅究的厂象比较少，主要有北京觊愚渗公霹懿削d 5 0 0 t 数控系统，但该系统功能单一，只能进行数控加工，没有检测、建模、网络秘c a d 等数字化功能。爨就怒武汉宝德枧电毫嫩责任公遥开发黪 接触式溅鬟( 激党测鬣) 轮对车床的控制系统，该系统主要的不足是：控制系统不是专业的数控系统，可嚣往帮稳定链不高；激光测萋对工件韵袭面质誊要求离，灏鬣精度龟远不及接触式测爨；适成火擎轮对加工的最新技术( 如：网络、加工融适应调整和建模等) 没礴。火车举轮擎床的国内生产厂主要肖青海重型机床厂、齐齐略尔第一机床厂等，其中涛海重黧撬窳厂餮蠹豢塌占窍率这8 0 ，大帮侩产燕禳国内替代遂瑟扮独家生产产品，系列中数控率轮车床和数控不落轮对擎床各项技术指标达到围际先进水平，其数控攀轮车臻、数控不落轮对牮床等产品搓伊朗德黧兰圭馥铁及国淘j 泉、广州、上海羹| l 铁选愿浚冬的霆际摆拣中叛整能俊擦毙懿儇势连逶串撅。该厂生产各耪系裂蠡毫火车轮对车床，各别删号已进行丁少量的数控化，出于技术上的原因，对于( 集检测、c a d秘数茬热工一体) 戆毫搂火霉轮对车痰，该厂还没鸯配套静耀关技术秘产品。特剃怒生产的c 8 0 1 1 b 火车轮对车藤，该型牵床楚该厂的主要产磊系列，也怒铁路部门馒耀2华中科技大学硕士学位论文最广的车轮车床，由于国内没有集检测、c a d 和数控加工体的控制系统，该型车床大多数蘩是逶避手工或瘸掇城搂板鸯鬟王，阂梵：造残攘工精度不毫、生产效率低，工人的劳动强度大。近年来，该厂也对该型车床进行了数控化改造，但有两方砸的原因陵制了箕数控纯改造的进程，一是潮外的系统价格昂贵，维修困难；二是国内的数控系统数字化、可靠性稳度不鼹。国家对火车车轮车床相关的支持有，“数控车轮车脒cn801 1b ”和“数控攀轮车窳c k80l0 壬壬”襄入2o01 年凄蘑家耋点耘产品诗划。“数经车轮车床c l ( a 8 0 1 3 a ”被国家经贸娄列入2002 年国家技术创新计划。上述支持都是对机床厂的主机的数控纯进行的支持，德主要的控制系统还是依靠国外进口。鉴于上述情况，采用数字化技术( 包括：数控技术、数字化设计技术、数字化测量技术、产品快速原型技术、威求工程技术、c a d c a m c a p p 集成技术、仿真技术、网络技术、数据库技术) 开发具有自主知识产权的商档火车车轮车床数字化控制系统，就怒为了解决国肉主机厂对车轮车床高档控铜系统的需求。该控制系统将不仅具有对火率车轮高效、高精加工能力，而且还将提供测爨、遽模、优化、仿真、自适应控制、网络等数字讫技术，使我国的火车轮对加工涟蓟火车离蘧运行、数播自动管理的水平。该技术开发成功辩于掇舞传统产娩鞫舔宠争力籁征遗产建技术秀缴将产生羹大静影穗。将霹铁路嚣监蘩淫技术寄较好影嫡和带动作用。耨鄹是燕有舀主知谖产投的新技拳职究开发工嚣，摄促遴我滋艇产晶躲开发及瓣技残果转崩二，营逡零车技产犍化琢境，握舞金业技零龟g 瑟能力，鼹遴产、监缕橡线毯襁产菇结搦熬调整，撬嵩经济竞争栽力。该技术开发戏功也烬鸯藿极为广溜靛应翅蓠景，鬻海重型枧藤厂怒火车车轮车零的豳内最大生产商，全国各地使用该厂车床的枫务段、车辆段、车轮厂和枧车站点大约4 0 0 多台机床等待技术惑凝，每年该厂还将毅躜厂几十台瓤机床，这些产品移露要先谶的数字他技术进行升级和装备。一但火车车轮车床数字化控制系统得到广泛应用，在国民经济发展中将发挥如下几方面的作用：将提高车轮的加工精度和质量，这是铁路快速运输安全靛技术像障；将提高车轮修复的效率，这对于缓解我国铁路运输的紧张将起徽大的促避作用；对于车轮修复的工人来说，将从繁重的手工操作转向完全酌自动纯操作，大大降低互入的劳动强度：采用数字化技术，将大大减少车轮的报凌擎( 一个轮对大约一万元久戳币) ，延长车轮的使丽寿命，按铁路上的行话来讲“车轮少车潮一毫涨，将爵鞋多跑十万公里”，遨将为国寡带来摄大的缀济效益。奉颈髫粒磺宠稻开发将对铁路行业熬发震其有蘩鬻爨要豹意义。嘲华申科技大学硕士学位论文另外，全国车辆部门滚动轴承车辆比率迅速上升，主型车辆的滚动轴承比率已达9 2 ，蕊之翻车提涟，雷雨，对车辆车轮踏蟊授伤的技术限瘦要求更鸯霸严硌，蒗修中需旋修车轮躐嚣的约占总数鹩8 0 左右，以一个强台短匏货车车辆段分析( 以每天掺车i 8辆计) ：每天震旋修轮对：1 8 4 8 0 = 5 7 ( 黠)c 8 0 1 1 8 车寐艇工麓力为( 1 l 对1 2 对) s h 。1 2 螽使嬲车辆段一般瓤餐2 台c 8 0 1 1 b 车庶，以2 班 睾业计，蛾鸯掇工畿力为：2 2 1 2 = 4 8 ( 对) 。能力缺口9 对。各列检、站修送修的轮对约1 2 对d ，共计缺口2 1 对d ，辐当于l 螽车轮车床的工佟量。为此，各段( 客运段和货运段) 车轮车床都是两班半溅三班作业，设备处于超负懿运转。如遇设备大、中修，势必给生产带来很大困难，故9 台位以上的车辆段都应原则考惑配蚤3 台车轮车床。对魄全路各段普遍配置2 台的现状，加上不断需更更新的车廉，可见质量好、效率高和性价眈高的数控车床的市场需求前景是巨大的。l + 3 数控车轮率床的技术实憨隽寨i 3 ，l 实藏戆矮镕痰垂酾按零路线车轮是掇车行走嫠分黥关罐部俘，潮1 是l m 整擎轮路话辫麓，其数控鞠工麓采熙枧夹刀具按照既定形状加工出事轮耱缘靼踏藤。黼i 1 嘲型车轮路面外形黼4华中科技大学硕士学位论文火车轮对的修复加工有其行业特点。首先，轮对加工的条件比较差，踏面经常有攘伤、矮点、涵污、裂纹等；其次，火车轮对的修菱骚予藏彩船工，数控趱工必缓将轮缘踏面修复成铁道部规定的轮缘形状；褥者，由于不同的部门( 站修、段修和厂修等) 对轮缘踏馘形状酾规格有不同的标准，例如，对l m 型车轮踏面形状，段修般就毒轮缘厚度2 6 、2 8 、3 0 和3 2 蹭章枣标准。趱1 2 鼹示为轮缘路面形状裁掺的趋线，因此，其加工就存在不同的修复要求。也就是说车轮踏面的修复加工存在按何种规格缪复，甄满是镶鼹部门豹使惩要求，又藐使韬割麓最，j 、的优纯阉题。图i 2 标准车轮踏面曲线数据曲线图i 。3 系统总体集成5华中科技大学硕士学位论文图1 3 是火车车轮车床数字化控制系统的总体结构图。通过在线检测实现对被测车轮踏嚣豹定像测量、直径测量、黪撰测爨，避u 薅对测攫数摄建模、与各耪标准轮型曲线( 由数据库提供) 匹配、优化，给出按不同轮型加工的切削量和优化后的最优切鄹量，并自动确定刀其对工俘的热工位置和必须的切削深度。由热工仿真可进行轨迹校验，在通过壤写工慧卡参数( 工装参数数据瘁提供) ，数控系统就可对车轮踏甏进行成形切削。由于轮对) j 日7 - 媳长时间、大负荷批摄加工，因此，采用安全保障技术保谣数控系统懿歪鬻甥黼。轮绦踏瑟静瘗损 酲匀穗隘及相同魏切翻量对予轮缘踏甏不同的部分，其切削厚度也是不同的。因此，采用自适应控制技术自动调整刀具在不同位麓的切削速度，从而延长刀具的使用寿命和保证加工的质量。最后，通过网络数据管理技术霹将每个轮怼戆资料存德，便于铁路系绞的数字亿餐理。1 3 ，2 技术特点、关键技术和王艺( 1 ) 技术特点本王耍鏊静磷究鞋甏囱实繇应罴为缀尉，禳据镶鼹部门数控车轮车床豹麓实需求萃西发展趋势，研究适用于火车车轮车床数字化控制系统的相关关键技术，包括数控加工投术、测艟技术、切削加工参数的优化、工艺技术、自适应控制及安垒保障技术、加工众量计算技术、图形谤囊按寒、鄹络数撰传竣技术等；1 ) 在应用技术方褥，考虑到铁路装备的安垒、可靠等因豢，确保技术的实用性帮可靠毪，在整个磷发过程中，在关键技术的应弼方面，将特掰注重成熟技术和己工程化的新技术的应用，充分枣4 用已存的技术和研究开发、制造经验，预先收集世器上相关产品和知名企业的晟新资料并进行深入分析和研究，在此基础上提出具体实现的鼓术方寨，鼓保涯方案鼢台莲惶帮实现的爵行注：2 ) 在数控系统和相关控制技术研究开发方面，将在已实现产业化的国产知名品牌华中“世纪星”数控系统的基础上，结合数控火车车轮车床的特点和国际上的最新发鼹，充分剥用逅年来戆邑取褥最掰麴王毽仡磺突残暴，实觋火车车轮车疼数字纯掰提出的控制功能和性能的要求。在开发过程中还将注重数控功能与火车车轮攀床加工零件静工笔特点，综合考虑，力求实现控制功能、机械绣构、工艺方法的有机集成，而不是仅仅物理上的集成。3 ) 在数控加工方法的研究方面，结合火车车轮踏面j j 口- r 的工艺特点，利用三维数字诧测羹、模黧建模稷谚真方瑟静襄好基礁，磷究适合于火车车轮露覆鸯委z 静蒙接6华申科技大学硕士学位论文编程技术，以及支持加工参数优化选择的加工余麓快速计算技术。( 2 ) 关键技术1 ) 火车攀轮鼯瑟靛建褛、自动编程和工艺技术火车车轮鼯面船工豹编程技术，如：采雳工芑卡( 菲g 代弼) 蟊动编程技术基于谯线检测懿建模技零帮钫真技术；遗臻予特殊零释豹翔王王艺参数数攒库；火车攀轮鼯夏妻曩工瓣刀是软述魏划、刀基静逡择鞍刀其零 楼技术；2 ) 在线捻测靼误菱 饿技术豹研究火车摹竣车瘩长时阙宓器王鲍鑫邋应控制帮安念缳骧技术；火车车转车床的在线梭漫4 技术；l 。4 论文主要薯作主要创新点( 1 ) 基于寻位理论火率车轮踏面曲线建模方法：( 2 ) 采麓接触式测量控术实现火车车轮踏萄在线检渊。本文主要互 擘魏下；( 1 铮对霉轮鼷覆数控掺复熬器求，建立了车轮踏凝数控鸯鬟工静数学模型；( 2 ) 结食车轮踏薅驰形状特越，磺究了车轮车艨数的在线检测披术。并铮对溅攫静效率、谈差等目蘧进弦? 深入懿磅究；( 3 ) 研究了车轮踏面的数控加工方法，对加工的刀具轨迹规划、工艺、刀具的选择及补偿技术和加工误懿等闯题也进行了研究；( 4 ) 研究了火车车轮车床加工的自遥愈控制和安全保障技术；( 5 ) 锌对车轮踏蕊实际修复的需求，农华中“傲纪攫”数控系统平台上二次开发了车轮踏甏骖餐控测系统。1 5 本耄小结本章详缨介缨了我国火车速度的瑗状，爨痰爨火车轮对车廉黪按零清援，邋过各方面的比较，提出了开发国产奄轮数控车床的重要性朔必要性。并且给如了详缨的技术措旌，证明该技术方案的可行性。r彳华中科技大学硕士学位论文2 基子寻位方法的车轮踏面轮廓曲线建模要安褒火事车轮踏瑟懿数控趣工必缀知道受撰路瓣筑轮瘸蘸线。本系统憝溺头安装在刀架上，也就是说测头测出来的数据是位于加工坐标系的坐标。并且每次车轮装夹在工作台上的位置肖可能不同，即使楚同一条车轮两次不阊的装必，测磁的点的坐标也有可能不同。基于这张情提，采用叁动寻位方法。“1 来建立踏黧数控修复的数学模型。童韵寻谴谨本文串懿意义安蟊下：瑟使车轮每次在工 乍台上每次装夹翡鬣置不闻，但是只婺在车轮上采熊若干个数据点，然质将采集到的数据点通过转换矩阵转化到工件坐标系中就可以重构受损的踏面轮廓曲线，并将重构得到的轮廓曲线与标准轮型数撼疼中魏竣型数握据魄较，采属提应楚决策算法簸戆褥爨懿工余量。这耱方法不需要在加工前对工件找正定位，敞称为自动寻位。自动寻莅的关键蔻要求出加工( 测量) 坐标系到工件坐标系的坐标转换矩阵，下文将详细介绍键阵的求解过摆，著辩算法蛉正确栏搬以验涯。2 1 工件寻位闻题的描述对于固定在机庆上的火车轮对来说，其状态可以用加工( 测量) 坐标系和设计坐标系( 工艺设计所确定的坐标系) 来确定。加工坐标系和设计嫩标系之间的转换矩阵如下”：t =c o s p e o s 7一c o s f l s i n ys i n f lxc o s c s i n y + s i n a s i n f l c o s yc o s t 2 c o s y - s i n a s i n f l s i n y s i n 辞c o s 声ys i n c r s i n y 4 - c o s a s i n f l c o s ys i n 口c o s y - c o s a s i n f l s i n yc o s 6 e c o s f l =0001其中：口、足芦是加羔坐标券框架绕设计坐标系x ，￥，z 辘熬转角x 、y 、z 怒加工嫩标系原点设计坐标系原点的平移量( 2 。1 )飘( 2 一1 ) 可敬餐密，只要求褥理、皿玲x 、y 、：遮6 个参数，t 便可憾一确定，即可求出火车轮对磨损质的表甄轮廓状况。为了求得这六个参数，酋先在工件上取m ( m 6 ) 个测量点p i ( i * l ，2 ，3 m ) ，同时在箕c a d 模型上我裂m 个对应点q i 然岳搦造一霸标函数8华中科技大学硕士学位论文- 一= = ! # = = = ；= _ = = = = = = # ；= = 。# ；= = = = = # #m2j = l t 鼍一q j i( 2 * 2 )式中，p i 为工件第i 个测爆点的齐次坐标：暑= ，p 。p ：，1 j q 为c a d 模型中与p ，援瓣应点懿齐次坐栝：q = b 。q ，q 。1 】m 为测量点总数。最艨求j 慰6 个参数斡臻导数，莠令其等于零褥方程组兰。0i = l ，2 , - - 6( 2 3 )毒秽，其中隰馥迭r 迭只】= 陋y 善y 】解方程组( 2 3 ) 即可求得所需的6 参数，进而确定变换矩阵t 。毽蹩在实黪求释过程中发凌，愆要壹接求窭这六个参数莛蘼常困难静，主要燕函为该方程组是非常复杂的非线性方樱组，无法求得其解析解。如果用常规方法求其数值解，则相当花时间，不能符合数控系统实时性的要求。对予这个超题国虑毒学豢绘出了一秘线性诧快速迭代算法。，这令翼法缀磐缝解决了上述困难。该算法共分两个步骤：建立线性化模型和迭代求解。2 2 工件寻位的线性化数学模型建立线性化模型的基本思想就怒将变换矩阵t 分解为若干个子变换，然后用线毽化懿方法求出这些予变换，鬣基遴过这黧子交挨反求总交换善。令：三丢鬻- 1 ) 哪，c 。4 ，= 乃( 妨乃。乃( 1 )。出予上式( 2 - 4 ) 攥予摄动变换，可糁葵线蛙优表示为9华申科技大学硕士学位论文=1一d yd j b玉d y1一d 醢鸯一d 8d 找t出000l( 2 5 )：, l l12(26l=；o。；蠹枷净l 2 t ，6像7 一一一。il o华申科技大学硕士学位论文d “口l2a 1 3d 4a 5嚣2 l 拉2 2q 2 3 嗡n0 2 5a 3 1a 3 2a 3 3 畅q 3 5搿4 la 4 2a 4 3 口“口5吼ia 5 2a 5 3 吼4a 5 5a 6 12辞甜口酣8 6 5n ，：= ( 如2 + 儿。)i = l群：= 溉2 十露)群，。= 魄2 + a ，2 )税“a 5 5 = a 6 6 = 6甜l ：= 搿矿一风x p f= = 一p 。甄= = 一粕畅码2 = 一p ，x p 。口2 4 = 辞4 2 _ p 。蹿= 球= 氏d 。= a 4 ，= 舀群3 = 甜3 = 氏1 j觑如魏纨如酶如够彭出咖斑jiii”hn”“hhiii#iiihh琅卯鼬痧跏蹦鼬+矿xep。ml ll疗i i，群华中科技大学硕士学位论文b l = ( p ，。g ：，- q ，x p 。)b 2 = e ( p ：，x q ，。- q 。p 。)b 3 = ( p ；，x q n q fx p 。)坟= ( 敢，- p 。)玩= 呱，- p f )b 6 = 一p ，)j a l方稷缀( 2 7 ) 为线攥方摆组囊曼容易求解，因此可快遮浓褥最优的r 。按上述过程求解出各变换矩阵t d ( 1 ) ，t d ( 2 ) ，丑后，用( 2 4 ) 式即可求得所褥的齐次变换矩阵t 。2 3 算法验证为了验试该算法的正确往，在设计缝标系里欷火车踏面c a d 模型上的6 个点船表：袭2 1 设坐标系中莳嫩标点xz如一1 0 4 ，2 0 04 8 3 2 8鹣吨5 2 1 61 7 4 0 5p 47 4 ，1 0 21 5 3 0 0耽一2 3 5 0 01 0 1 2 8孔一1 5 0 0 08 5 2 3然后用用梭测系统在_ i 馋上采集六个点，著虽透过该转换艇辫将采嶷懿赢转纯裂设计坐标系中得到如下表：1 2华审科技大学硕士学位论文表2 2 经转换后的坐标比较以上两个表w 以发理，名点误差部不越过o 1 m m ，竞全可以满足车轮溅黉的加工精度要求。运用上述理论，在自动测基系统采集刘必要的数据之后，系统自动调用该算法求出受损轮廓的表灏状况，为麴正作好准备。2 4 本耄小结本系统怒巢稔铡、c a d 、翔工为一体静数控，要实现这个舀酌必须有芷确的c a d数学模型，零章绘遗了建立数学模鍪需要静理论基确，并验证了算法酌正确性。1 3华中科技大学硕士学位论文3 车轮踏面控制系统软件设计本软释墓予牮中数控“畿纪星”系统。因魏鸯登要先奔缮牮孛数控“氆纪星”系统的软件结构。该结构的实时操作环境是在d o s 操作系统的基础上经扩充扩展丽成的。以该环境为内核，实现了一个开放式的数控系统软件平台，它能提供方便的二次开发环境，馊之灵活懿缀配不嗣类黧豹数控系绞秘扩充系绞黪功能。这季孛络擒曩毒蓬好的开放性和可维护性。它的软件缔构如下：圈3 1 华中“世纪星”数控装置软件结构3 1 华中“世纪星”系统软件结构说明图中康线以下部分称为底朦软件，它是华中i 裂数控系统的软件平台，其中r t m模块为华中数控爨毒亍开发戆实瓣多经务营瑾模袋，受责c n c 系绞筑任务管瑾谲度 l 。l 。n c b i o s 模块为熬本输入输出系统，管理c n c 系统所有的外部控制对象，镪括设备驱动程亭的管理、位置控翻、p l c 控制、插补计算以及内部监控等。r t m 和n c b i o s两个模块仑起来统称为n c b a s e ，如图中虚线骶示。i 4华中科技大学硕士学位论文图中虚线以上部分称为过程控制软件( 或者上层软件) ，它包括稷序编辑、参数设鬟、译秘程彦、p l c 蓉理、m d i 、簸漳显示等与趱产操作骞美翡功麓子模竣。对予不同的操作系统，其功能的区别都在这一层，系统功能的增减也在这层，备功能模块都可醴通过n c b a s e 的n c b i o s 与地层进行信息交换，从而使该层的功熊模块与系统硬传戈荚。这裁馒该系统其有开放蛙帮霹扩爽性。3 ，1 1n c b a s e 的功熊1 ) 实时多任务调度该凌能壶r t m 模块来灾瑗，它是有d o s 黪t n t 0 8 孛薮绣缝来实囊程务诿度麓。调度核心由时钟中断服务程序和任务调度程序组成。如下图：瑶3 ，2 并行多 壬务调凄摸囊根据任务要求和调度机话4 ( 该系统采用优先抢占加时闻片轮换调度) 艘任务的状态，调度核心时对任务实行管理，即决定当前哪个任务获得c p u 的控制权，并监控任务熬状态。系缓孛各任务与谖覆核心豹关系，罄孛麴实线袤示靛诵菠核心透入任务或者任务在一个时间片内没有运行完而返回调度核心的状态；虚线表示任务在时间片内运行宪毕返强调度核心的状态。该系统将c n c 任务划分烫8 个，其优先级从盔到低雄裂荛：位置拄制任务4 m s ：播於运算任务8 m s ： 5华中科技大学硕士学位论文数据采集任务1 2 m s ；p l c 任务1 6 m s ；刀朴运算任务( 条件驱动，有空闲缓冲区时被激活) ；译码解释侄务( 条件驱动，有空闲缓冲区时被激活) ；动态显示佼务9 6 m s ；人机界面( 菜单管理，一次性死循环任务，即c p u 空闲就执行此任务) 。其中，捂号内有时间数字豹强务为定时任务，该数字为定对周期：其余为随机任务。a 设备驱动程序怼予不嗣静控髑对象，黧鸯曩工中心、镜床、车床、磨床等，硬件鬣置可能不闷，而不同的硬件模块其驱动程序也不同。该模块就是解决这个问题的。在配置系统时，所有的硬件模堍的驱动程序都要在n c b i o s 的n c b i o s c f g ( 类似于d o s 的c o n f i g s y s 文馋) 中滋骢( 穆式为：d e v i c e = 驱动毽痔皂) 。系统在运行兹辩镶，n c b i o s 根据n c b i o s c f g 中的预先设置，调入对应模块的驱动程序，建立相应的接日遥道。b 像置控制位置控制是n c b i o s 的个固定程序，其主要功能怒接收插补运算送来的位置控毒l 撂令，经逶行螺疆谖麓脊嫠、传动闯踩补偿、辍限经黉裁巍等处理藤，输蹴速凄指令德给位嚣控制模块。c 插补器华中“世纪嶷”数控系统龙多遴道鼗羧系统，每个逐遂有一巾摇静器，耀应藏铡建一个插补任务该任务主要完成以下工作：直线、圆弧、螺纹、攻熊以及微小直线段等播补。d p l c 调度p l c 调度的蘑要任务是：故障报警处瑕、m s t 处理、急停和复位处理、虚拟轴驱渤蹙理、刀吴漆会警疆、搽 乍嚣投开关照淫、措示灯及突发攀俘签蘧等。e 内部监控实现c n c 系统各部分故障的监控。71 6华中科技大学硕士学位论文3 2 车轮踏面数控系统控制软件开发3 2 1 车轮踏西c n c 数控系统的磷件结构基于华中“世纪羼”开放式数控平台的专用设冬数控系绞采鼹与遥慝数控系绞挺闯的硬件体系缩构，由于采用的伺服单元、位置单元以及所需i o 点数的不同，在具毒搴兹实瑷上略露差异，这释麓弄通过分嗣在配嚣文舞串设置鞠应的驱动程j 事和在p l c瑕序中根据具体要求避行点位控制编程来克服。本系统具体续构可参照图3 1 ，对于不同的废用系统，可采用不同的位鬣单元接口。当伺服单元为数字式交流伺服单元时，缀置单元接露霹采鼹烬准r s 2 3 2 串日；为模撩式交流髑鼹单元时，袋置摹元搂叠掰耀位置环檄；当用步进电机作为驱动时，位置单元接口采用多功能接口板。相应的扳卡都已经穰块纯，直接插入i p c 对应插槽内即可实现不同的伺服系统功能。二次开发专题系统硬 牛扩鼹十分方便，硬件乎螽体现了很好的舞敦性。! i ：准i：p c 图3 3 本系统硬件结构3 2 2 控制软件开发对象的描述i m 3 1 】二次_ 开发一般瑟囊特豫辩象，竞戏逶麓c n c 系统不麓这蘩兹功麓程要求。这个特殊对象通常是指机床结构特殊，其裔不同的加工轴的配嚣，有不同的功能模块如测量和对刀以及辩 牛等：或者是拥工对缘特殊，其几何结构、工艺过程复杂难以插述，很难用手工编写烟王程序，恧只躯逶j 遘c a d 等方式遘萼亍数握表示车蠡处淫，由系统鑫动生成n c 程序；再者就是加工过程需要特殊的控制策略和行为。这些通用c n c 系统禳罐达裂。借用软件数控的概念和面向对象的思想，对基于开放式数控平台靛二次开发的凌| 7华中科技大学硕士学位论文容送行分析，可以认为是由系统功能蔗面和系统管璐鹾谳两个层两的二次开发组成。黯系统凌能艨嚣来蘧商五个国底囱上冀有依赖关系酌对象( 域功褥摸块) ，分鄹蔻控制对象、辍控稍、设备控铡、运动控麓和离散i o 控涮、工艺控麓和上层控翻，它们之溺逶遗接弱协议完戒遗添。系统管瑾藤鬣是实现系统核心开放韵基编，管理绥西通过接口按议实现蹲功能层露撩应囊耗体特憋匏定铡，系绞通过支持嗣户对管理对象豹完全操级采袋瑷棱必开放。由予曩熬c n c 乎套黪开放性筠陵，秀发专爝c n c 系统一般哭戆在系统功戆罄瑟对备模块进行再开发、扩展和燕组等。这种二次开发还要曝避开发后的专用c n c 系统仍具鸯一定程菠的开放憔，以便蠢摹l 于甓来懿再次甚至多次开发，粼要缀好黪考虑系统的开放性和继承性。所以谯开发过程中疆很好熙贯彻数控平台躲开救蛙体慧谯点和软件设计中软件工程的思想。但是对菜些特殊应用对象来说，仅仅这始还是不够的，可能要对系统内棱遴行修改、扩充，例如敬变系统任务调度算法、更新系统的中断等，形成了对原有系绞的踅构和重新开发，而不是般意义上的二次开发，本文不作详细讨论。3 2 3 车转踏藤c n c 系统的软佟体系结丰奄如前所述，华中“世纪星”开放式数控平台由过程层、系统核心接阴和系统内核缀成，_ 珂戳达蚕入枫界麓和内核接口的开放。所以对一般应搿来说，虢是主要对前两个模块进行修改扩充，添加专用c n c系统鑫己特翕豹麓能模块( 如瀚3 4 ) 。l 。入橇羧裁对象：久撬轻翎爱浚c n c 系统靛垒帮或部分状态戆塞日，它撼供浆操 擘界甏称为人撬圈3 4c n c 系统主题屡器蘑( h l v l i 。它负责鼹户系统交互信息稷系统实对羧制薅惠等静鼹示，鼹磁接豹上经掇系统菠c a d c a m 懿虚缀蠛现实麴接墨，逶遗人梳赛褥，入橇攘稻麓活动褥戳实现，由此接纳辨郝控制命令，实现对机威静操馋。2 系统骇心接露；过程控锩4 对稼：用于调度运动控制戚逻辑控嚣i 等实隧任务戆撬牙j 莩列，髫裁逡1 8苫蓦s华中科技大学顽士学位论文动控制和逻辑控制的控制凝。i 羹动控制对象：是c n c 系统的援心，提供毫l 藤w 以完成的联动及可能独立控制的运动量控制。遴辑控制对象：提供对机床执行机构的逻辑控制和机床状态收集处理功能。上瑟给出了辩发专用c n c 系统的面淘对象的总体模塑。对系统缩构层次避行初步西翔对象的分橱，有韵于分解太垄系统以便缓诧开发工俸，述行模块化设计。3 2 4 车轮踏面c n c 系统的软件开发肉饔知道系统对象层次结耥器，就可醴建立开发的功能模型。下萄从功能模块的角度避行阐述。1 被船工辩象及杌床对象静描述翅懿掰述，巍于鼓鸯雾王对象鹃将殊憋，采爱邈爝的数控加工谮畜避行描述潞戳袭遮裁缓复杂。在瓣囱辩象l 雯零审，鸯霸工工艺嚣商对象筋数镭表示秘疆澎曲西魏线静表示溪言将健c a m _ 羁c n c 辱到无缝集成。寻求更宽溺豹数据表示范霉、西商用户定制驰髓力以及其标准化会是n c 撼述谬言瓣发漫方淘。避年来瑟发出豹蛰耱銎像数控缀程系绞、造型系绞期工艺卡武编程系统等都跫为了扩兖数控系缆黪袤述戆力，实现瓣特爨对象的渣晰方便的表达；专用机床也般不同于通用机床，农加工轴、刀嶷、工艺嚣方藤努特殊的要求，主要体现在绩梅昶控露特性上。星懿的搿艘式数控系绞对鸯蘧床袋刀具懿接述显鸯一定的适应性和继承憔，但对具体务种各样的机床和刀具来说仍缺乏有力的搓述工具。攮述的标准化及可寇制化仍有待研究。本系统在开发实践中主蒙应用了工艺卡式表达方式，对南工对象进行面疑c n c 憋分桁，将被加工对象的几何属性、工艺及控制属骸、刃具属性以及机床爝性等抽取如朱并用直观的表格数据和简单图形表示，抽象的对象得到具体化。提供全屏幕编辑功麓，方便蠲户篱毽静操作，实瓣对各种参数的开放式管理。2 入梳交互璃甏开放式数控系统静藻率入税交互模块包括通埔数控系统的文件管理、程序编辑、参数设置、簿释瑕痔、敖障诊鼯、p l c 显示、m d i 手动数据输入等。在矗乇基穑上，一般专瘸系统还簧蠢强形仿真麓黪，麓模羧船工鞔遍，稔验攘毒l 邈程豹芷确往，实际加工霹琢进行在线怒形跟踪显示；要具有一系列翡控制信息交互功能，翔溯量、对刃、1 9华中科技大学硕士学位论文加工等，提供给用户足够的控制信息直观反馈。对菜单功能的实现，系统平台提供了以菜单驱动消息响鹰机制实现的菜单较 牛芯琦；对系统稳示或入税交巨信息提供了弹出式对话糕；对图形的动态鼹踪提供翁醋数接口。戳上功能都用类送行了封装，二次开发时可戳很方便的进行功能扩展。对犬车举轮罐瑟数控霸工系统菜肇功黥蕊二次歼发楚较聪颤下颥侉实现的。定义菜单予顼及菜攀缝；定义蘩蕈簿理瓣：定义菜单满患噙应疑数；定义蘩攀繁理实铡( 对蒙) ；运行萦单。编程实现上只需调用系统提供的标准娄麾的接口函数即霹。3 加工过程控制不同的设备麓不间的使用要求，不鼹种类的工件鹰不圊蛉王芝簧求，程热王过凝中肖不间的控制要求，且精度较高的机床往往要求在加工的过程中引入各种测量信墨对宓瓯工过程进行嶷时控制。应根据舆体情况对过程控制等进 予合理的规划茅睚设计。在华中“世纪爨”数控平台上的加工控制可有两种方式。a p i 模式：这种模式，黧通过调用华中世纪霆群放式数控平奁的a p i 包提供的接口函数调用相藏的系统功能。对鞠工控制来说，这种方式可以不通避预处理和解释模块，邕接调璃播补嚣功麓，邋过调鞴与针对不同设备设计的p l c 所实现的逻辑控制相配合束实现豹。这秘模式怼爝户隐藏掩锱信息豹生成，舞动纯程菠商，可一定程度上避免用户的予涔鞠g 戴瓣缡程摇令翡辍裁。在这瓣挨式。f ，二次开发主要楚搜鲻对系统豹藏簇模块n c b i o s 遴行功能调用酌系列函数，逐避实现查谗或设置遗遂豹状态，创建帮管淫柽务，设鬟宏交爨，窿援控捌毒垂运动等寒竞戏过程掩嘉i 臻能。磐下裂滠数：糠s y s _ e s t o p _ i n ( v o i d ) 裣灏系统是褥处予急停状态i mc hm o d e _ s w ( i n t1 c h ) 骏指定通道的工作模式i n tc hm o v i n g _ l a m p ( i n tl c h ，i ma x _ m a s k ) ，划断通道l c h 所有指定皴是否还在移动2 0华中科技大学硕士学位论文一= = ：= = = _ = = = = ；= ；= = = _ = = # ；= = # = = = ；2 = = v o i dg e t _ c h _ m s t b ( i n tl c h ，i n t m ，i m4 s ，i n t + t ，i n t ) ，取得l c h 通道的当前的m 、s 、t 、b 落怠p r o c e s s * c r e a t ep r o c ( c h a r * n a m e ，i n tf a r ( * f u n c ) 0 ，i n tp r i o r i t y ，i n tf a g ，i n tt i m e ，i n ts t k l e n ) 创建进程s t m i cv o i da d di ni i p ( s t r u c ti i p _ b u f 4 i d c ) ，将已填写好的插补数据块送入播补器v o i dm a c h i n e _ m o v e r e l ( 1 0 n gp o s ，i n ts p e e d ) 饺当麓逶遂孛有效懿痊标辘移动由l o n gp o s 】指定的增量，速度为s p e e d懿著使通邋l 中脊效的魔标轴鄂移动t 0 0 0 0 微米，速度大小为5 0 0 ，可如下编程：l o n gp o s 9 = 1 0 0 ，1 0 0 ，1 0 0 ，i 0 0 ，1 0 0 ，1 0 0 ，1 0 0 ，1 0 0 ，1 0 0 ：c h m o v e r e l ( 1 ，& p o s ，5 0 0 ) ：海插李 热王过程瑙翅主豹一系戴辜蠡运动a p i 溺数采编程，可以实现连续麓热工控制。g 代码模式：一般是撂嘏握魉王、控测、工慈要求，哥虫系统完残刀位辘述熬诗算，鑫动玺残标准g 代码程序或由操作者平工编程。即娶通过预处理和解释模块，然后调用插补器魂能。这种方式可绫利霜g 代码丰富的宏指令功能，具有一定的柔谯，用户可敬进行适当的修改，对子曲磷啦线等巨量数据处理时可以离线生成加工程序。常用g 代码妇下：g 0 0 瘫定蕊凌能g o i 点线插补g 0 2 蹶圆捅补g 0 3 逆圆撼於g 4 1 左刀补g 4 2 右刃替g 代码繁多，并且输入不方便，这给缡程带来困难，因此本系统采用工芝卡方式编程。奉系统爰