基于嵌入式技术的精密进给工作台控制系统研究与应用

论文摘要

随着计算机技术的快速发展,嵌入式技术及系统己广泛应用于工业、国防、医疗和通信等领域。精密与超精密磨削是先进制造技术的重要内容之一,将嵌入式技术用于精密与超精密磨削控制系统,对提高机床的加工精度、频率响应等,具有重要意义。本文以上海科技攻关项目“面向精密磨床的压电驱动超精密定位工作台研制”为背景,结合精密与超精密磨削加工的特点与需求,采用ARM9内核的微处理器代替8位单片机作为控制核心,压电陶瓷作为驱动执行部件,电感式微位移传感器作为位移测量装置,研制了面向超精密磨削的精密进给系统DH-UPFS-3,并分别从硬件、软件和控制算法三个方面对系统研发进行了分析及论述。论文的主要内容包括:1、磨削加工精密进给工作台需求分析,并说明了现有基于单片机的微进给系统存在的问题及本课题的研究意义。2、压电陶瓷驱动性能分析,讨论了压电陶瓷的位移、响应速度、共振频率、推力与刚度及迟滞、蠕变特性。3、基于嵌入式技术的控制系统总体方案设计,重点介绍了基于迟滞非线性模型的前馈补偿与PID调节结合的复合控制算法,并简要说明了系统的位移检测方法。4、精密进给控制系统的硬件需求分析与设计,详细阐述了系统中各个模块的电路设计,简要说明了设计中采取的抗干扰措施。5、系统软件设计,主要是嵌入式Linux系统下的应用程序设计,包括数模、模数转换程序与控制算法的实现以及基于QT/Embedded用户图形界面的开发。6、超精密进给工作台控制系统在磨床上的应用以及性能测试,并对实验结果进行了分析。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 超精密进给系统的发展现状
• 1.2 磨削加工精密进给工作台需求分析
• 1.3 嵌入式技术发展概况
• 1.4 课题来源与研究目标和意义
• 第二章 压电陶瓷驱动性能研究
• 2.1 压电致动器的位移
• 2.2 压电致动器响应速度
• 2.3 压电致动器的共振频率
• 2.4 陶瓷致动器的推力与刚度
• 2.5 压电陶瓷的迟滞、蠕变特性
• 2.6 本章小结
• 第三章 系统整体方案设计
• 3.1 系统需求分析
• 3.2 嵌入式系统的设计
• 3.2.1 软硬件系统协同设计
• 3.2.2 嵌入式处理器的选型
• 3.2.3 嵌入式操作系统的选择
• 3.3 控制方法分析
• 3.3.1 超精密进给工作台动力学模型
• 3.3.2 压电陶瓷控制方法分析
• 3.3.3 控制系统设计方案
• 3.4 位移检测设备
• 3.4.1 精密定位测量技术
• 3.4.2 系统位移检测设备
• 3.5 本章小结
• 第四章 控制系统硬件电路设计
• 4.1 硬件需求分析及规划
• 4.2 控制系统硬件电路设计
• 4.2.1 数模转换电路
• 4.2.2 模数转换电路
• 4.2.3 外部中断电路
• 4.2.4 CAN总线通信电路
• 4.2.5 系统电路抗干扰设计
• 4.3 本章小结
• 第五章 软件系统设计
• 5.1 嵌入式软件开发简介
• 5.2 系统软件开发环境
• 5.3 boot Loader程序及其作用
• 5.4 控制系统的应用程序开发
• 5.4.1 设备驱动程序的编写
• 5.4.2 模数转换程序的实现
• 5.4.3 数模转换驱动的实现
• 5.5 图形用户界面QT编程
• 5.5.1 嵌入式GUI系统的分析与比较
• 5.5.2 QT/Embedded开发环境构建
• 5.6 本章小结
• 第六章 精密进给系统的应用
• 6.1 精密进给系统工作过程
• 6.2 超精密进给系统在磨床上的应用研究
• 6.1.1 超精密磨床控制系统工作原理
• 6.1.2 数控精密磨床控制流程
• 6.3 精密进给系统性能测试
• 6.4 实验结论
• 6.5 本章小结
• 第七章 论文工作总结及展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 工作展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢