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研究生: 張育誠
Chang, Yu-Cheng
論文名稱: 混合並聯式五軸工具機PC-Based CNC系統設計與實現
Design and Implementation of PC-Based CNC System for Five-DOF PKM
指導教授: 陳響亮
Chen, Shang-Liang
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 電機資訊學院 - 製造工程研究所
Institute of Manufacturing Engineering
論文出版年: 2003
畢業學年度: 91
語文別: 中文
論文頁數: 107
中文關鍵詞: PC-Based 控制器NURBS插補逆向運動解D-H座標轉換矩陣並聯式工具機
外文關鍵詞: PC-Based controller, NURBS, interpolation, inverse kinematic, D-H notation, parallel kinematic machine tool
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  • 平行連桿機構由於具有結構剛性高與各桿件連結之累積誤差量較小的優點,而成為國內外工具機大廠積極投入研究發展的重要構型之一,其中控制器系統具有相當關鍵性,影響產品成敗甚巨。然而大部份CNC控制器市場由日本FANUC與德國SIEMENS佔有。雖其功能佳,但頗為昂貴,且相關核心技術無法自主。有鑑於此,本研究將以核心系統軟體為發展目標並配合相關原理之探討,經構型分析、軟體架構設計至系統整合,設計與開發一套能適應平行連桿機構需求的PC-based CNC系統。
    本研究針對混合並聯式五軸工具機之CNC系統原理進行研究,在構型分析中,將西門子控制器所提供之可調參數定義為混合並聯式五軸工具機的誤差源,再利用理想化機台之D-H座標轉換矩陣依據誤差源之設定進行機構之逆向、順向運動解的推導,獲得刀尖點位置與各機件間之數學通式。再透過已建立之誤差模型進行誤差靈敏度分析,藉由變化工具機誤差參數之設定來模擬工件曲面的微量誤差,探討在不同之誤差參數對工具機造成不同之定位精度影響。同時,將逆向運動誤差模型嵌入控制器中,當機台存在誤差時,操作者即可透過本研究所設計之控制器的誤差補償功能模組進行即時誤差參數調校,以軟體補償之方式提升整體加工精度。
    在軟體架構設計方面,將以VC++軟體建構一人機介面,其中包含了CNC系統及插補系統二大部分:CNC系統分為參數設定(set)、手動(jog)、程式編修(edit)、自動(auto) 、顯示(display);插補系統接收路徑所構成的點資料,利用第三章所推導之切削路徑插補演算法,以路徑函式與進給率的關係插值計算路徑位置,接著利用第二章所推導之機台逆向運動解依路徑位置計算各進給軸相對的進給量,最後將各軸的進給關係以程式呼叫控制卡之運動函式將路徑命令送出,以驅動馬達使其運轉。
    在系統整合的方面,將整合逆向運動學解、逆向運動學解誤差模型、CNC系統、插補系統、外部週邊I/O系統,最後再以PC-Based 控制系統發展設備進行“混合並聯式五軸工具機”的實機測試,以驗證本研究所開發之控制系統之可用性與正確性。

    Due to Parallel Kinematics Machine Tool has the advantages of high mechanism stiffness and low accumulated errors, they are one of the most important machine tools developed and researched actively by factory owners in the recent years. The key component of this machine tool is controller. Therefore, a core of the system software of the five-DOF PKM is investigated in this research. In the meanwhile, this research will collocate related theories to design and develop a new PC-Based CNC system which can be applied to parallel kinematics machine tool from analysis of the machine type, design of the software structure, to system integration.
    In the analysis aspect, the parameters provided by the Siemens controller are defined as the error sources of the five-DOF PKM. The D-H notation method is adopted to solve the inverse and forward kinematics error models of this machine tool to get general formulas of the relationship between cutting locations and each of the driving axis. Furthermore, this paper will proceed the sensitivity analysis of error parameters based on the deriving result to investigate the effect between the tool ender of the position accuracy and the error parameters will be proceeded in this paper. Finally, the inverse kinematics error models will be built in CNC controller, the client can adjust error parameter immediately via the error compensation module of the CNC system that this paper developed.
    In the software design aspect, the CNC system including the interpolation algorithm is programmed by Visual C++ programming language. There are five function modules in the developed CNC system including parameter setting module, manual module, editing module, auto module, and display module. The simulation result for NURBS curve, NURBS surface interpolation can be displayed by the CNC system. The interpolation parameters can be on-line input and modified on the CNC system.
    In the system integration aspect, the controller system integrates inverse kinematics non-error and error model, CNC system, human machine interface, interpolation system, and the input/ouput control system of the peripheral. Finally, the CNC controller system are performed on a EPCIO-6000 motion control card of ITRI and act in the developed equipment of the PC-Based control system and five-DOF PKM to verify the usability and validity of the control system this paper developed.

    中文摘要 II ABSTRAT IV 誌謝 VI 目錄 VII 表目錄 X 圖目錄 XI 符號說明 XIV 第一章 前言 1 1-1研究背景與動機 1 1-1-1混合並聯式五軸工具機 1 1-1-2誤差補償 2 1-1-3 NURBS插值 3 1-1-4 PC-based控制器 4 1-2文獻回顧 5 1-2-1平行機構運動學 5 1-2-2誤差分析與補償 6 1-2-3路徑插值 7 1-2-4 CNC控制器系統 7 1-3研究方法與預期目標 8 1-4章節瀏覽 10 第二章PC- BASED CNC系統之誤差補償功能模組與手動功能模組實現 13 2-1概述 13 2-2機件位置分析 14 2-2-1自由度推導與座標系定義 14 2-2-2逆向運動解誤差模型之建立 16 2-2-3包含誤差參數之α、β、γ角度關係式 19 2-2-4順向運動解誤差模型之建立 21 2-3誤差參數靈敏度分析 23 2-3-1各個誤差參數的靈敏度分析 23 2-4誤差補償控制器實現 25 2-5利用逆向運動解規劃混合並聯式五軸工具機之手動功能模組 25 2-6結論 30 第三章PC- BASED CNC系統之NURBS插補功能模組實現 48 3-1概述 48 3-2利用曲線擬合與曲面擬合由資料點推求曲線參數 49 3-2-1擬合(Fitting)原理 49 3-2-2節點向量 51 3-3 NURBS曲線插值演算法 52 3-3-1參數化曲線之微分 56 3-4 NURBS曲面插補演算法 57 3-4-1 NURBS曲面數學模型 57 3-4-2刀具路徑規劃 58 3-4-3 加工路徑切線、法線及副法線關係 59 3-4-4 刀具中心 60 3-4-5 等參數法加工法 60 3-5結果討論 61 3-5-1 NURBS曲線/曲面插值器實現 61 3-5-2 NURBS曲線/曲面插值器之驗證 62 第四章 PC-BASED CNC控制器系統架構規劃與軟體實現 71 4-1 概述 71 4-2硬體設備 71 4-3軟體架構 74 4-3-1人機界面單元(MMI) 74 4-3-2 系統解譯單元(INTERPRETER) 77 4-3-3系統運動控制單元(MOTION) 78 4-3-4系統邏輯控制單元(MLC) 79 4-4結果與討論 82 第五章 結論與建議 104 5-1 結論 104 5-2 未來研究方向 105 參考文獻 107

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    下載圖示 校內:2004-07-28公開
    校外:2004-07-28公開
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