数控机床进给系统建模与仿真软件的设计与开发

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数控机床进给系统的高精度建模与仿真技术是提升机床运动控制性能的重要方法,当前进给系统建模通常需要研究人员利用Simulink等专业软件来进行,难以在车间中应用。为此,本文将建模与仿真过程的技术环节进行规范和约简,在数控系统中开发一款智能化的建模与仿真软件(Cyberfeeding),降低建模的实现难度,直接在数控机床上实现基于其自身模型的仿真和补偿功能。针对当前常用的数控机床进给系统的建模工具过于专业化的问题,本文将建模时用于激励的G代码进行了标准化和参数化,使得操作者只需设置少量的参数就可启动建模流程;将建模所需的重复度评估、参数辨识、样本提取、模型训练环节进行封装,并约简仿真和补偿环节的人机交互操作,提高了模型建立、运动仿真和补偿值生成等过程的自动化程度。进给系统建模与仿真过程包含原始数据、样本数据、模型和补偿代码等多种数据类型,各类数据的相互关系较为复杂。对此,本文设计了Cyberfeeding的数据模型和数据结构,建立了各类数据之间的映射关系,并为各类数据设计了规范的存储结构,也为扩展更多形式的进给系统建模数据奠定了基础。为了增强程序的可重用性和可移植性,本文将各个功能用不同的类进行封装,降低了模块之间的耦合度,也降低了开发与维护的难度。利用缓存机制实现数据采集,减少内存消耗;采用多线程实现参数辨识、训练和仿真等,优化软件调度机制;将一部分神经网络模型部署在AI芯片中进行推理运算,提高仿真效率;利用融合模型对补偿值进行迭代优化,提高补偿代码的补偿效果。本文在最后对Cyberfeeding的设计方案进行开发与验证,利用华中9型二次开发平台证实该软件设计方案的可行性,并根据数控系统特点设计软件人机交互界面。测试和分析结果表明,Cyberfeeding能够按照预期评估进给系统的动态重复度并对进给系统进行建模,并利用模型进行仿真和生成补偿代码。
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