（机械电子工程专业论文）基于windows三坐标数控系统控制方法的研究.pdf

山东理t 大学硕l ：学位论文摘要 摘要 数控机床在经济发展中的地位举足轻重，基于p c 的开放式数控系统是目前数控领域 研究的热点之一。 本文对基于p c 的开放式数控系统的开发进行了研究，分析了在基于w m d o 耐f 台下 开发数控系统所面临的问题。由于w m d o w s 系统对底层操作采取了屏蔽的策略，因而如 何实现加工的实时控制便成为一个技术难题。本文通过定时中断硬件接1 ：2 电路的设计和 w m d o w s 核心层设备驱动程序的开发，解决t w m d o w s 下加工控制系统的硬件访问和实 时控制难的问题。 插补及半径补偿是数控系统的重要功能模块，决定了数控系统的性能优劣。本文针 对这两方面做了研究并给出了一种空间曲线插补算法，实现了数控机床的空间三维曲线 轨迹插补。空间三维曲线有两种数学表达形式：隐式方程曲线及参数方程曲线隐式方 程曲面交线采用的是建立在进给选择原理基础上的插补算法，而且保证了该算法的位置 误差不超过一步；参数方程空间曲线用小直线段逼近的插补算法，这种线性化方法对插 补空闯参数曲线而言具有高效的优点。 论文还在本数控系统的差分插补算法的基础上对二次曲线c 功能刀具半径补偿问题 进行了研究；采用矢量法求二次曲线等距曲线交点。大大降低了计算的复杂性；用曲线 合成插补理论间接实现任意直线和二次曲线( 圆、椭圆、双曲线、抛物线) 的等距曲线的 插补，有效地避免了传统的计算等距曲线产生的计算误差，提高了机床的加工精度。 最后，作者总结了本论文的主要研究工作，并指出了一些有待于进一步深入研究的 问题。 关键词：丌放式数控系统，实时控制。刀具半径补偿 尘耋罂：查：璺! ：兰竺鎏兰 2 ：罂 a b s t r a c t n u m e r i c a l l yc o n t r o l l e dm a c h i n e sp l a y 锄i m p o r t a n tr o l ei nt h e e c o n o m i cd e v e l o p m e n t i n r e c e n ty e a r s 。咄m a i n s t r e a mo fc n ct e e l m o l o g yl 燃h e si st od e s i g nt h eo p e n - a r e h i t c e t a 勰 c n cs y s t e mb a s e d p c 。 r e s e a r c h so nh o w t 6 d e s i g nt l ”c n cs y s t e mo f o p e n - a r e l a i t e e t u r eb a s e d o np c 雠m a d e i nt h ep a p e r , a n dd i f f i c u l t i e st od e v e l o pt h ec n cs y s t e mb a s e d0 1 1w m d o w ss y s t e m 越 a n a l y z e d i ti sd i f f i c u l tt or e a l i z et h er e a l - t i m ee o n l z o lb a s e do nw i n d o w ss y s t e mb e c a u s ei t s h i e l d st h eo p e r a t i o nt ob a s i ce q u i p m e n t b yt h ed e s i g no f r e g u l a ri n t e r r u p t i o no i lt h eh f l l d w a t e i n t e r f a c ea n dt h ed e v e l o p m e n to fw i n d o w sd e v i c ed r i v e ri nt h ec o f c ，t h ed i s s e r t a t i o na c h i e v e s t h er e q u e s to f v i s i t i n gt h eh a r d w a r ea n dm e e t st h er e q u i r e m e n to f r e a l - t i m ec o n t r o la th a r d w a r e l e v e lo f t h ec n c s y s t e m i n t e r l l a t i o n a n dr d d i t l sc o m p e n s a t i o n 黜t w oi m l ，o r t a n tf l l n c t i o t l so ft h ec n c s y s t e m 1 1 i c yd e t e r m i n et h ep r o p e r t yo f t l a ec n cs y s t e m i nt h ep a p t h ea u t h o rs n 】d i 髂t h e m a n dp r o p o s e sa l le f f i c i e n ta n da c c u r a t em e t h o df o rd e v e l o p i n gac l a s so fp r e c i s ei n t e r p o l a t i o n a l g o r i t h m sw h i c hc a nd r i v et h ec u t t e ro fac n cm a c h i n ea l o n gt h r e e - d i m e n s i o n a l ( 3 d ) t r a j e c t o r i e s t h e r ea 托t w ok i n d so f f i l ec i u v cd e f i n i t i o n s ：i m p l i c i ta n dp a r a m e t r i c n 嵋n l c t h o d u s e st h ei m p l i c i td e t m i t i o nt oi n t e r p o l a t et h ei n t e r s e c t i o n ( ：u i v oo nt h eb a s i so f s t e ps c l c c l i o n r u l e s sm e t h o dg t t a r a l l t c e sap o s i t i o ne r r o ro f a tm o s t0 1 1 es t e p f o rt l a ep a r a m e t r i cc i , u v e t h em e t h o di su s i n gs t r a i g i t - l i n es c g m e n l st oa p o r o x i m a t et h ed e s i r e dp a t h 1 1 l i sl i n e a r i z 蜘o n h a so b v i o u sa d v a n t a g eo f h i 曲e f f i c i e n t q u a d r i l oc l j e sc - t o o lc o l r n p c n s a t j o n t h eb a s i so fd i f f e r e n c ei n t e r p o l a t i o no ft h ec n c s y s t e mi sa l s os t u d i e di n t h i sp a p e r 1 1 把m e t h o do fv e c t o ri su s e di nc a l c u l a t i n gt h e i n t e r s e c t i o n - p o i n to fq u a d r i ee q u i d i s t a z 雠c u r y e s i tg r e a t l yr e d u c e st h ec o m p l e x i t yo f c a l c u l a t i n g ；w i t ht h es y n t h e t i ci n t e r p o l a t i o nt h e o r y ，a n ys t r a i g h tl i n ea n dq u d r i ec t l r , e s ( e i r e l e 、 e l l i p s e 、p a r a b o l d 、l a y p e r b o l d ) e q u i d i s t a n c ec i i i v i ：咖b ei n t e r p o l a t e di n d i r e c t l y , e q u i d i s t a t 悦 a l r v e st r a d i t i o n a lc a l c u l a t i n ga t l o i sa 旺a v o i d e da n dc o n t r o l l e dp r e c i s i o ni si m p r o v e d f i n a l l y , t h ea u t h o rc o n c l u d e st h er e s e a r c hw o r ka n dp o i n t so u tt h eq u e s t i o n sw h i c hn e e d e d t ob er e s o l v e di nt h ef u r t h e rr e s e a e h k e yw o r d s ：o p e n - a r c h i t e c t u r ec n c ，r e a l - t i m ec o n t r o l ，t o o lc o m p e n s a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得山东理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名： 闳赫 0 时间：二d 吖年6 月6 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解山东理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送 交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅：学校可以用不同方式在不同媒体上发 表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇 编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：p 酒铲 时间：呼月6 同 别帷辄袁引训咖：竹钿厂日 j 山东理t 大学硕i 学位论史第一章绪论 1 1 数控技术的发展 第一章绪论 2 0 世纪5 0 年代，随着机械制造业和控制技术的发展，诞生了数控技术。数控技术 是用数字化信号对机床的运动及其加工过程进行控制的一种方法，简称数控( n c ) 。它是 随着电子技术、计算机技术、自动控制技术以及精密测量技术的迅速发展而发展起来唧 的，广泛应用于各种机械加工机床和专用生产机械的控制中，如数控机床、机器人、三 坐标测量机、快速原型制造机、线切割机床、电火花加工机床、绘图机、雕刻机、火焰 切割机、贴片机等。数控系统从产生到现在，主要经历了以下几个阶段： ( 1 ) 第一代数控系统，以美国麻省理工学院研制的三座标数控系统为标志，系统全部 采用电子管元件，逻辑运算与控制采用硬件电路完成。 ( 2 ) 第二代数控系统，以晶体管元件和印刷电路板广泛应用于数控系统为标志。 ( 3 ) 第三代数控系统，6 0 年代中期，由于小规模集成电路的出现，使其体积变小，功 耗降低，数控系统的可靠性得以进一步提高，推动了数控系统的进一步发展。 以上三代，都属于硬逻辑数控系统，称为n c ( n u m c r i c a lc o n t r 0 1 ) 。 ( 4 ) 第四代数控系统，7 0 年代初，随着微电子技术的发展，小型计算机的价格急剧下 降，小型计算机逐渐取代数控中的专用计算机，使许多控制功能可以依靠编制的专用程 序来完成，实现了软件控制，不必依靠硬件电路，大大提高了数控系统控制的灵活性和 数控设备的可靠性。1 9 7 0 年在芝加哥展览会上，首次展出了采用小型计算机的计算机数 控c n c ( c o m p u t e rn u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) 装置，标志着计算机数控技术的问世，数控系统发 展到了第四代。 ( 5 ) 第五代数控系统，2 0 世纪7 0 年代后期，中，大规模集成电路技术所取得的成就， 促使价格低廉，体积更小，集成度更高，工作可靠的微处理器芯片的产生，并逐步应用 于数控系统，进一步简化了c n c 系统的硬件结构。降低了c n c 机床的成本。至此产生 了以微处理器为数控系统核心的第五代数控系统。其后l o 多年中，大规模集成电路的进 一步发展，使微处理器的性能不断提高，软件功能日益增强，c n c 系统随着外围电路和 接口配置的不断完善，以及软件技术在交互式人机对话中和图形显示技术方面所取得的 成就而得到发展。 6 ) 进入9 0 年代以后，受通用微机技术发展的影响，数控系统正朝着以个人计算( p c ) 为基础，向着开放化，智能化，网络化等方面迸一步发展。基于p c 的开放式数控系统 由于可以充分利用p c 机丰富的软硬件资源和适于p c 机的各种先进技术，因此它己成为 数控技术的发展趋势和潮流。 当奎竺! ；盎兰竺! 茎竺兰圭釜= 主丝笙 1 。2 开放式数控系统及其发展现状 目前对于开放式数控的具体定义还存在着争议，定义开放式数控系统为；“具有下列 特性的系统可以被称为开放系统：符合系统规范的应用，可以运行在多个销售商的不同 平台上，可以与其它的系统应用互操作，并且具有一致风格的用户交互界面”。开放式体 系结构普遍采用模块化，层次化的结构，并向外提供统一的应用程序接口，具有可移植 性，可扩至性，互操作性等特点。开放式数控应具有以下基本特性： ( 1 ) 开放性提供标准化环境的基础平台，允许开发商的不同软，硬件模块介入。 ( 2 ) 移植性不同应用程序模块可运行于不同生产商提供的系统平台，同时，系统软件 可运行于不同特性的硬件平台之上。 ( 3 ) 扩展性系统的功能模块可以灵活设置，方便修改，可根据使用的要求不同，增加 或减少功能模块，以满足不同场合对数控系统的要求。 ( 4 ) 互换性不同性能。可靠性的功能模块可以替代，并且不影响系统的j f 常协调运行 ( 5 ) 互操作性标准化的接口，通讯和交互模式。由于以往的数控系统采用的是专用 的计算机系统，软硬件对用户都是封闭的，并且各数控系统厂家的产品软硬件也不兼容。 同时专用控制器的软硬件技术落后于p c 技术发展，系统无法随着p c 技术的发展丽升级。 与之相比较的是在p c 领域，如计算机出现了任何软硬件问题，都可以从市场买到它的 新产品予以替换，迅速解决问题。这在传统封闭式数控系统中是无法实现的i ”一。 开放式数控系统的提出是为了适应不断发展的现代技术需求，使得系统能够重新配 置、修改、扩充和改装，允许模块化地集成传感器、加工过程的监视与控制系统，而不 必重新设计硬件和软件。另外，机床制造商为了保护他们的投资，往往不希望仅依赖于 单一数控系统供应商，希望能够在系统中增加自己的一些特定功能而无需向数控系统供 应商支付高昂的升级费用，同时又不希望存在泄漏技术的风险，这种需求促使他们纷纷 选择开放式数控系统。要实现开放数控系统，通常是建立一个体系结构，每个开发者都 按照这个体系结构来开发自己的系统模块。这样，各种模块都能在这个体系结构中找到 自己合适的位置。这种结构就是开放式体系结构。开放式数控系统与传统数控系统相比 具有优越性。如表1 1 所示： 2 山东理t 大学硕i 学位论文第一章绪论 表1 1 传统数控与开放式数控系统的比较 比较项目 传统数控系统开放式数控系统 软件的继承性 每次推出新的数控系统软件都软件具有模块化特点，提高数 要重新编写控系统性能无需改写软件 软件开发的难易 必须使用制造商开发的专用软高级语言和高级集成环境如 性件，开发工时庞大。核心处理部 v i s u a lc + + 编写 分成为“暗箱” 软件的封闭性软件为数控系统制造商独有，机机床制造商及用户可容易的 床制造商和用户难以体现其独开发具有个性的应用软件 立性 组网难易程度由于包含制造商专用硬件和通现场总线如c a n ，p r o f i b u s 讯方式，组网成本高等以及i n t e r n e t 等网络。 易于组网 面向未来性需要开发专用的硬件来追随硬模块化，标准化，易于二次开 件的进步，一般相对滞后。 发 “ 系统功能与性价功能单一化适用于机床行业，性 功能多元化。适用于广大机械 比 价比好 行业，性价比好。 运动执行部件 采用专用伺服接口，制造商指定采用标准化、通用化的伺服接 的特定产品。口，可以灵活选用驱动装置和 电机 数控功能部分三轴或多轴插补，速度快多轴驱动，多轴插补，速度更 快 1 2 1 国外数控系统研究现状 开放式数控系统目前还没有统一的标准，欧美及日本都进行了大量的研究工作，并 给出了各自的开放式体系规范l i 】。 ( 1 ) 美国的n o , c ( 下一代控制器) 和o m a c c o p e nm o d u l a r a r c h i t e c t u r ec o n t r 0 1 ) 计划 n g - c 的首要目标是开发开放式系统体系结构标准规范s o s a c ( s p e c i f i c a t i o nf o r o p e ns y s t e ma r c h i t e c t u r es t a n d a r d ) ，用来管理工作站和机床控制器的设计和结构组织。 该计划已于1 9 9 4 年完成了n g c 原形研究，并已转入工业开发应用。例如三大汽车公司 联合研究了o m a c 开发计划，从用户需求出发，提出了系统基础框架、信息库管理、 任务调度、人机接口、运动控制、传感器接口等满足用户需求的体系结构。 ( 2 ) 欧共体的o s a c a ( o p e ns y s t e ma r c h i t e c t u r ef o rc o n t r o lw i t ha u t o m a t i o ns y s t e m s ) 山东理t 人学硕i 学位论立第一章绪论 o s a c a 参照开放式系统及其互联模型提出了一个“分层的系统平台+ 结构化的功能 单元”的体系结构，保证了各种应用系统与操作平台的无关性极相互间的互操作性。开 放性是十分明确的，并明确规定了不同的开放层次：应用层开放、核心层( 与o s a c a 部分兼容) 和全部开放( 与o s a c a 全部兼容) 。o s a c a 的软件结构中有三个主要组成 部分：通讯系统、参考结构和配置系统。 ( 3 ) 控制器系统丌放系统环境o s e c 计划是在日本国际机器人和工厂自动化研究 中心i r o f a ( i n t e r n a t i o n lr o b o t a n df a c t o r y a u t o m a t i o n c e n t e r ) 建立的开放式数控委员会 的倡导下，由三个机床厂( 东芝机械，丰田工机，山崎) 、一个系统厂( 三菱电机) 和两 个信息公司( s m l ，只本i b m ) 发起的。其目的是开发基于p c 平台的，具有高性能价 格比的开放式体系结构的新一代数控系统。o s e c 讨论的重点集中在n c ( 数字控制) 本 身和分布式控制系统上。 1 2 2 国内数控系统研究的发展过程及现状 我国研究数控技术已有四十多年历史，其问经历起步、停滞、引进和消化、开发和 创新等几个阶段1 9 1 。 从1 9 5 8 年起，一些科研院所、高等学校和少数机床厂开始进行数控系统的研制和开 发。由于受到当时国产电子元器件、加工工艺技术落后、经济等因素的制约，未能取得 较大的发展，科研和生产基本处于停滞状态。 1 9 8 0 年歼始，我国先后从日本和德国引进数控制造技术合作生产数控机床，打破了 国产数控技术徘徊不l i 的局面。此后，经过“六五”( 1 9 8 1 1 9 8 5 ) 的技术引进、散件组装， “七五”( 1 9 8 6 1 9 9 0 ) 期日j 的消化吸收、国产化，“八五”( 1 9 9 1 1 9 9 5 ) 国家组织的科技攻 关和“九五”( 1 9 9 6 - 2 0 0 0 ) 国家组织的产业攻关，使我国的数控系统技术获得了质的飞跃， 开发出一批具有自主版权的中高档数控系统。中国珠峰数控公司的中华i 型( 型号 c m e 9 8 8 ) 采用工业p c 机作为主控板( i p c a 8 6 d x 3 3 ) ，c p u 为3 2 位4 8 6 微处理器，实现了 多功能控制系统。北京航天数控集团自行开发的航天i 型( 型号c a s n u c 9 1lm c ) 采用与 通用p c 机体系结构兼容的总线式、模块化、开放型嵌入式结构，构成了典型的前后台 结构数控系统，较好地解决了实时多过程控制。华中科技大学开发的华中i 型( n n c i ) 以 3 2 位工控机为硬件主体，配置了具有曲面造型与自动编程的c a d 功能软件，能进行复 杂曲面的造型、数控加工规划、n c 程序生成、干涉检验和加工仿真。并实现了曲面直 接插补功能i 引。此外，中科院沈阳计算所研制的蓝天i 型、北京航空航天大学的c h 2 0 1 0 也都是基于p c 平台的数控系统，各具特色。这些拥有自主版权的高档数控系统的开发 成功，表明我国己经具备开发、生产中、高档数控系统的能力，为我国高档数控机床的 发展提供了技术支撑，在技术上和战略上都具有重要意义。 在开放式数控系统方面，到目前为止我国还没有制定出开放式数控系统的标准规范 4 山东理丁大学硕l + 学位论史 第一章绪论 但从“八五”开始也对此做了一些有益的探索工作，并开发出了自主知识产权的数控系 统，如上面所述几种系统它们均是以p c 为平台构成的总线式、嵌入式、多通道的结构， 虽有一定的开放特性。但还不具备开放数控的本质特征，主要问题在于没有解决开放式 数控系统的平台问题【4 6 】。各系统所采用的体系结构仍是自成体系，相互之间缺乏兼容性 和互换性，所谓开放仍停留在p c 平台的开放层次上。其次是软件开发思想与技术落后， 没有充分利用面向对象、软件重用等软件工程的新理论、新技术，而这些正是实现数控 系统开放性的关键所在。 1 3 开放式数控系统的发展趋势 开放式系统的研究目前还没有一个统一的规范，共同点都是在p c 机上构建数控系 统，但是结构形式各异。目前主要有下面几种形式1 3 ，4 j ： 1 、n c 板插入i p c 这种数控系统是将数控的核心功能插卡化，并将其插入i p c 中。 i p c 将实现用户接口、文件管理以及通讯功能等，n c 插卡将全面负责机床的运动控制和 开关量控制。这种数控系统通常由厂家选用通用p c 的功能部件，将其集成到c n c 中，i p c 与c n c 之间采用专用的总线进行快速数据传输。采用这种结构形式是传统数控系统制造 商不愿意放弃多年来积累的数控软件技术，又想利用计算机丰富的软件资源，由此而开 发了这种数控产品。这种数控系统尽管具有一定的开放性，但由于它的n c 部分仍然是传 统的数控系统，其体系结构还是不开放的。因此，用户无法进入数控系统的核心。 2 、i p c + 运动控制卡【i i 】这是目前采用较多的一种结构形式，其中以工业i p c 为主控 计算机，组件采用商用标准化模块，总线采用p c 总线形式，同时以多轴运动轴控制器作 为系统从机，进而构成主从分布式的结构体系。运动控制器通常以i p c 硬件插件的形式 构成系统，完成机床插补运算、运动控制、逻辑控制等实时性要求高的功能。瑾c 作为 系统的主处理器，主要完成人机接口、系统管理等任务。此种形式也是有限度的开放用 户只能调用开发商提供的接口函数，没有办法加入自己的算法。 3 、全软件c n c t 5 , 6 1 2 l这种c h i c 装置的主体是i p c 机，充分利用c p u 不断提高的运 算速度、不断扩大的存储量，实现机床控制中的运动轨迹控制和开关量的逻辑控制。软 件化数控系统就是把以自口有硬件实现的功能，现在由软件来实现，如运动控制，逻辑控 制等。同时，软件数控系统更加向计算机技术靠拢，并力图使数控技术成为先进制造上 层应用的标准的设备驱动代理。这种结构形式的数控系统，其主要功能部件均表现为应 用软件的形式，这是实现形式上的一种技术变革。这样的数控系统f l j p c + 通用接口板卡+ 数控软件组成，这种形态的机床控制器将具有不可匹敌的价格优势和可扩展性，有广阔 的前途。目前商品化全软件数控系统有美国制造数据系统公司的o p e i l c n c 1 等。 综上所述，全软件式数控是开放式数控的高级阶段，这种实现形式上的变革使得系 统可以更方便、更广泛地应用计算机技术的先进成果，简化系统实现难度，缩短研发周 山东理t 大学硕i 学位论文 第一章绪论 期，有助于技术创新；软件化实现也大大增强了系统的伸缩性和可调节性，从而使其体 系结构高度开放性的实现成为可能。随着处理器性能的进一步发展和实时操作系统的逐 步应用，这种硬件功能软件化的结果不仅不会导致系统性能损失，而且软件实现的灵括 性和硬件平台无关性将有利于系统实现更深层次的开放。这也正是全软件数控是未来发 展潮流的原因。 1 4 课题的提出和意义 本课题来源于企业委托科研项目“基于w i n d o w s 数控系统的研制”，该课题为其中 的数控系统软件部分。 本论文的主要任务是以开放式c n c 体系为指导思想，在w i n d o w s 操作系统下开发 三坐标c n c 系统。早期的数控系统许多功能采用专用硬件电路来实现，可维护性、可 扩展性比较差。另一方面，现在通用p c 机的运算速度随时间以指数规律不断提高。而 且通用p c 机应用广泛，有完善和开放的标准，有众多外围硬件设备和丰富的软件资源 的支持。因此借助通用p c 机或工业控制机做数控系统的开发可达到事半功倍的效果。 在本课题中，采用了i p c 机，w i n d o w 开发平台，将c h i c 软件分成了译码、插补、c 刀具半径补偿等模块进行设计开发，并解决了w i n d o w s 系统下实现c n c 实时控制的问 题。 开放式c n c 系统是对传统封闭式数控结构的根本突破，是当今数控技术的发展主 流和研究热点，更是新一代数控的关键技术。三坐标数控机床是比较有代表性的一种机 床。在导师的指导下，我选择“基于g r m d o w s 三坐标数控系统控制方法的研究”作为硕 士论文题目，以“开放式软件数控系统”为指导思想，进行这一课题的研究。希望本论 文的研究能对开放式数控系统的发展做出一定贡献。 1 5 本论文主要研究内容 本论文主要是以开放式c n c 体系为指导思想，在w i n d o w s 下开发三坐标数控系统 软件部分。 1 c n c 系统实时模块设计：介绍了w i n d o w s 操作系统工作机制以及控制系统的实 时性要求，通过定时中断硬件接口电路的设计以及w i n d o w s 核心层设备驱动程序和用户 层应用程序的开发，解决了w i n d o w s 下加工控制系统的硬件访问和实时控制难的问题。 2 本文提出一种空间曲线插补算法，实现了数控机床的空间三维曲线轨迹插补。 空白j 三维曲线有两种数学表达形式：隐式方程曲线及参数方程瞳线。隐式方程曲面交线 采用的是建立在进给选择原理基础上的插补算法，而且保证了该算法的位置误差不超过 一步：参数方程空间曲线用小直线段逼近的插补算法，这种线性化方法对插补空问参数 6 山东理t 大学硕i 。学位论文第一章绪论 曲线而言具有高效的优点。 3 本文还在本数控系统的差分插补算法的基础上对二次曲线e 功能刀具半径补偿问 题进行了研究：详细讨论了刀具半径补偿时轨迹转接的分类及转接类型的判断；采用矢 量法求二次曲线等距曲线交点，大大降低了计算的复杂性；用曲线合成插补理论间接实 现任意直线和二次曲线( 圆、椭圆、抛物线、双曲线) 的等距曲线的插补，有效地避免了 传统的计算等距曲线产生的计算误差，提高了机床的加工精度。 1 6 本章小结 本章总结了数控技术的发展历程、国内外研究现状、发展趋势，得出研究开放式结 构的c n c 系统是当今数控领域研究的热点；阐述了本论文提出的意义、所要做的主要 工作及所用的研究方法。 7 山东理t 大学硕i ：学位论文 第二章三坐标c n c 系统软件总体结构设计 第二章三坐标c n c 系统软件总体结构设计 2 1c n c 系统软件特点 c n c 系统是一个多任务实时控制系统，要求在规定时自j 内，系统可以对外部信息进 行快速反应和处理【1 3 1 。c n c 系统通常作为一个独立的过程控制单元用于工业自动化生产 中，它的控制软件必须完成管理和控制两大任务。管理部分包括代码输入、i o 处理、 显示和诊断；控制部分包括译码、刀具补偿、速度处理、插补、位置控制。所以，c n c 系统具有多任务性。c n c 系统多任务并行处理如图2 1 所示。 图2 1c n c 多任务并行处理图 插t l , l ( 1 代表选定的进给单位长度) 插补曲线时，如果插补点在曲线上则满足方程( 3 i ) ，如果插补点不在曲线上则离曲 面越远偏差越大，j 下负值则取决于插补点在曲面的哪一侧。本文在研究插补方法时发现： j 6 山东理t 大学硕i 学位论文第三章插补算法的研究 要使插补点逼近方程曲线必须首先逼近曲线所在的曲面。要使插补点逼近曲面必须满足 相邻的两个插补点在曲面的两侧或至少一个点在曲面上。数学表达式如( 3 3 ) 所示： 袭2 j 嚣篙 s ， 【g 弘2 ) 如+ 出y + 咖z + 哟o 一” 但是直接求解方程( 3 3 ) 过于复杂，为了确定d x , 咖出，引入曲面法向量g r a d 厂，g r a d g 及微分变量莎，国。 微分变量o f ，国数学表达式如( 3 4 ) 所示： 8 f ：g r a d f ；：- - 笔d x + 霎方+ 墨出 vdvo z 始：删g ；：搴凼+ 妻砂+ 乏a g 出 3 4 c 舅咖宓 如咖d z e _ l ，o ，l 】，l d r 砂d z l 2 1 微分变量是曲面法向量与一次步进选择的向量积。 由泰勒公式可得： 然然 s ，l g ( x + 如j ，+ 办z + d 0 = 罟( j 乃z ) + 西+ 酽g ” 由于v 2 厂，v 2 9 是高阶微分，值很小可以忽略，不影响方程( 3 3 ) 实际计算结果。因此数 学表达式( 3 5 ) 可以表达为如下等价方程： f 厂( + 驴) 0 1 9 ( g + 国) o ( 3 。6 ) 但是仅仅满足方程( 3 6 ) 并不能确定唯一的插补点，要确定插补点，在满足( 3 6 ) 的 条件下每一次步进选择还必须尽量与所插补的曲线切线方向相一致( 最大程度的平行于 曲线的切线方向) ，这样才能保证沿曲线方向进行插补。曲线切线向量t = 吃，乞】与 两个曲面厂，g 在这点的法向量垂直因此方程( 3 7 ) 成立： 1 7 t = g r a df g r a dg = ( 3 7 ) 岛= 雾喜一鬈考， 勺= 差妻一篆警， 乞= 篆考一善罢 如如应卜1 ，o ，l 】，i d x i + i d y l + l & l l 满足插补方向条件的数学表达式如( 3 8 ) 所示： m a x ( s r ) ( 3 8 ) ( 注意：方程( 3 8 ) 必须首先满足方程( 3 6 ) ) 即求s 与t 的向量积在满足方程( 3 6 ) 的条件下的最大值( 当两向量方向一致时，值最 大) 。 因此步进选择的数学表达式为 i f ( 厂+ 8 f ) o ，g ( g + 占g ) 0 1m a x g 级+ d y + t ：d z ) ( 3 一) 由于起始点厂，g 均为o ( 因为起始点在曲线上) 所以第一次步进选择时8 f ，8 9 只需 要满足方程( 3 8 ) 。当第二次步进选择时厂，g 分别等于8 f ，国。这样每次步进选择 都有数学公式( 3 1 0 ) 成立： 厶i = 彳+ 研，吕+ l = 蜀+ 瞻 ( 3 1 0 ) 当前的厂，g 等于上一次的值加上矿，8 9 。同理酽，8 9 。，t y ，乞采用相同的迭加 算法，大大简化了计算量。但是因为方程( 3 6 ) 有很小的舍入误差所以累积误差不能忽略。 因此每步进选择一定次数，需要将当前点的值代入，g 中校正一次。 每步进选择一次后的位置为当前插补点的位置加坐标增量。给出空间曲线的插补初 始点，插补步迸过程在新的插褂点计算，重复插补过程，直至到最终空间曲线上的插补 终点，插补过程结束。流程图如图3 2 所示。 1 8 山东理t 人学硕i 擘位论文第三章插补算法的研究 n 开始 给出方程表达式 曲线的起始点和终点 计算曲线切线向量i 和嚣国 的表达式。 将插补点代入方程( 3 9 ) ，计算 d x ，d y ，d z 的值，插补曲线 到终点? 结束 图3 2 参数方程曲线插补流程图 3 3 空间参数方程曲线的插补算法 随着几何造型技术的发展，现在大多数c a d ，c a m 系统中使用参数曲线或曲面来表 示工件外形，而尤其在复杂形面的加工中，c a d c a m 系统是以直线代替曲线进行轨迹 拟合，生成的数控代码往往由许多微小直线段g 代码组成，再经过系统解释执行控制机 械平台的运动。可以看出，数控插补中的多坐标联动插补可以直观的通过参数值联系起 来。因为数控系统的插补过程实质是一个连续求点的坐标的过程，而参数曲线上的点是 与参数值相对应的，所以参数曲线插补可以转化为连续求解一系列参数值的问题。 空间曲线的参数方程表达式为： f x = x ( t ) y = y ( t ) ( 3 1 1 ) 【z = z ( t ) 曲线的增量方程如公式( 3 1 1 ) 所示： 1 9 山东理t 大学硕i ：学位论文第三章捅朴算法的研究 酊8 x ：= y x ( ( t t + + t a t ) ) 一- y x ( ( t t ) ) 【8 z - - - - z ( t + a t ) 一z ( t ) 而哥i 丽丽乩 ( 3 1 2 ) ( 3 1 3 ) l 是拟合的直线段的长度，l 的取值与实际加工的插补精度和运算速度有关，精度要 求较高时则l 可以取较小值，如果偏重于运算速度则l 可取值较大，这都取决于加工的 具体要求。 在插补开始时计算t ，t 的求解有两种方法：当方程( 3 1 3 ) 并不复杂时可以直 接求解方程，求出a t ；当方程复杂时采用预测校正算法，即先赋给方程一个大约合理 的估计初值，然后利用线性化校正的方法求得t 。 ，。! 。+ ：1 1 。一 a t = 出* l , 4 ( 8 x ) 2 + ( 西，) 2 + ( 出) 2 ( 3 1 4 ) 方程( 3 1 4 ) 线性化校正的原理是：对于光滑曲线，在插补点附近的微小曲线段近似 为直线( 直线插补点附近的微小线段仍为直线) ，因此当插补点处的t 值固定时，t 在 较小的范围变化，l 的值是近似于线形变化的。 当拟合n l ( 大小取决于实际加工的需要) 段小直线后，对t 进行校正计算一次，保 证了拟合线段长度的均匀稳定性。这样空问复杂曲线可以拟合为一段一段的小直线，计 算量小，插补运算速度快，而且直线段的两端点都在曲线上，因此保证了直线段之间没 有累积误差，这样算法的误差值被限制在了一个很小的范围，不会超过一个步进单位。 流程图如图3 3 所示 山东理 = 丈学硕i 学位论文第三章插补算法的研究 图3 ，3 隐式方程曲线插补流程图 3 4 插补算法误差分析 空间隐式方程曲线插补算法的误差由数学公式推导证明不超过1 个进给单位，由于 证明过程是纯粹的数学推导过程并且证明过程较为繁琐这里不再给出证明；空问参数方 程曲线的插补算法有两种误差，用弦逼近弧的拟合误差占：r ：矛= j 弓i 万( r 为插 补点处曲率半径) 和插补微小直线段的误差万( 不超过一个脉冲当量) 。因此总误差s 满 足j 占j 喀s 矧占- i - 拶i 。当取的直线段较短尤其是当曲线的曲率半径较大时。占 2 l 山东理t 人学硕i ：学位论文第三章插补算法的研究 是很小的，可以获得较高的加工精度。 在探索空间曲线插补算法时。本文给出了这样一种将曲线分为隐式方程曲线和参数 方程曲线，然后分别进行插补的算法。本插补算法的最大优点在于它适用于一般空间曲 线，在精度达到生产要求的同时可以达到较高的速度。有较高的应用价值。 3 5 本章小结 本章主要介绍了空问曲线插补算法原理。插补技术是c n c 系统实现轨迹控制的基 础，是数控机床实现高速，高精度加工的控制核心。空间曲线插补是研究开发高性能c n c 系统的一项关键技术和发展目标，具有广阔的应用前景。 山东理t 大学顾f + 学位论史 第叫章w i n d o w s 平台下实时中断控制的研究 第四章w i n d o w s 平台下实时中断控制的实现 4 1 数控系统实时性及操作系统开发平台 4 1 1 数控系统实时操作系统概念及实时眭要求 数控系统的操作任务包括控制和管理两大判1 3 】。控制可以分为运动控制和逻辑控 制，运动控制是数控系统最核心的任务，主要有轨迹插补、刀具补偿、速度处理、位置 控制、限位急停等。其中实时响应要求最快的任务如插补、位置控制为1 2 毫秒b 3 。 逻辑控制在软件数控中由软p l c 实现，完成开关量的控制，其实时性要求为2 0 5 0 毫 秒。系统管理主要包括系统配蜀与重构、参数设置、加工程序输入与编辑、故障诊断、 加工信息等显示以及与外部通讯等任务，这类任务实时性要求不高。 数控系统工作过程中，必须同时执行多个任务，如显示工作状态、插补、刀具补偿、 速度位置控制以及对限位与急停等开关量的检测等都是同时进行的。这些特点要求操作 系统必须是多任务操作系统，同时具备足够的实时任务处理能力。 实时操作系统( r 1 0 s ) 是指计算机能及时响应外部事件的请求 3 4 1 ，在规定的严格的 时间内完成对该事件的处理，并控制所有实时设备和实时任务协调一致工作的操作系统。 其行为必须具有确定性和可预测性，并与系统当前的运行负载无关。它至少应满足以下 几个方面的基本要求： 1 操作系统必须是多任务和可抢先的。 2 任务必须支持优先级概念并具有足够多的优先级别。 3 任务亩j 的同步与切换必须是可预测的，支持可预测的同步机制。 4 操作系统的性能( 中断延迟、线程切换延迟等) 必须是已知的或可预测的。 5 锁定内存的能力。 4 1 2 开放式数控系统的操作系统开发平台 开放式数控系统是近年来许多国家的研究热点，如美国o m a c 计划、欧盟o s a c a 计划，日本o s e c 计划等。虽然这些计划都各有特点，但基本思想却十分一致：系统基 于通用p c 平台，充分利用p c 机硬件发展迅速和软件资源丰富的优势。选用p c 机作为 数控系统的硬件平台，就涉及到操作系统的选择【4 9 】。一般有以下三种选择d o s 、l i n u x 、 w i n d o w s 三种操作系统。下面就三种操作系统作一分析。 山东理t 人学恸i 学位论史 第叫章w i n d o w s 甲台下实时中断挖制的研究 1 、基于d o s 平台 d o s 是单任务、过程式操作系统，允许通过中断机制直接与系统的硬件进行信息交 互，实时性较强。但d o s 下的任务运行在实模式下，提供的资源非常有限，不适合复 杂的数控系统；内存有6 4 0 k b 的“瓶颈”限制，网络功能欠缺，缺乏保护机制，没有充 分利用8 0 x 8 6 体系的硬件资源，软件开发工具也相对落后，如不支持可视化开发工具。 使得开发者花费大量的精力在界面制作和适应系统上。因此可移植性差，开放程度有限， 适用于中、低档数控系统的开发。 2 、基于l i n u x 平台i l 8 3 5 1 当自u 在l i n u x 操作系统下开发数控系统也是一个热点。由于源代码开放，开发人员 能够从根本上掌握数控系统的核心技术，而不受制于外国公司的技术限制。但是采用 l i u n x 操作系统也有以下缺点：l i n u x 尚未获得设备厂商广泛的支持。控制所需要的接口 板卡，例如各种i 0 板、脉冲板等，可能需要自行开发驱动程序，这不仅加大了数控系 统开发的工作量，还增加了开发难度。同时软件开发工具相对较少。其它软件资源也较 少，这也给开发者和使用者带来不便。 3 、基于w i n d o w s 平台 目前，w i n d o w s 已经成为p c 平台上最为通用的操作系统。其人机界面友好、软件 资源丰富、具有强大的资源管理能力，所以基于w m d o w s 开发数控系统一直是研究热点 d 7 4 2 , 4 8 1 。 采用w i n d o w s 操作系统具有如下优点： ( 1 ) w m 3 2 应用程序接口( a p p li c a t i o np r o g r a m m e ri n t e r f a c e ，a p i ) 己经成为软件开 发的事实标准。许多软件开发人员均能很好地理解并熟练运用。 ( 2 ) 图形用户界面( g r a p h i cu s e ri n t e r f a c e ，g u i )