（机械电子工程专业论文）开放式数控实验平台的机械装置设计与代码编译系统研究.pdf

摘要 随着电子技术、计算机技术和自动控制技术的飞速发展，数控系统不断更 新换代，开放式数控系统已经成为数控系统发展的主流。今后，数控系统还将 朝着高速、高精度、智能化和网络信息化方向迈进。 本文介绍了开放式数控系统在国内外的发展状况，以及在数控系统中编译 技术的发展。针对开放式数控系统的特点，本文设计了数控实验平台的机械模 块、译码模块和插补模块。目的是组成一个开放的、可扩展的、廉价的开放式 数控平台，可以基于本系统平台进行二次开发，扩展数控系统现有的功能。本 文的主要工作包括以下几个方面： ( 1 ) 本文根据设计要求确定了数控实验平台的总体结构方案，详细地分析了 实验平台的总体布局、运动方式和各零部件的设计。利用s o l i d w o r k s 工程软件 建立平台各零部件的3 d 模型和装配体模型并进行干涉检查；利用a n s y s 软件 对关键零部件进行受力分析。 ( 2 ) 论文分析了数控平台的译码模块的功能需求，给出了译码模块的总体结 构，对其中各个子模块的功能进行了说明。还对数控代码和编译原理的相关知 识以及开发环境进行介绍。 ( 3 ) 论文给出了数控平台译码模块的具体实现过程。由于不同数控系统数控 指令不同，本文设计了可修改可扩充的功能字符表，实现对不同数控系统指令 的通用性和开放性：然后研究了g r e t a 正则表达式的应用，将其用于译码模块 的词法分析和语法分析中，保证了词法和语法检查的快速性和准确性。译码过 程完成了词法分析和语法分析并存储加工信息以用于插补模块。本文设计的译 码模块，可以快速、准确地检查出数控程序中的词法和语法错误；并能对a s c i i 码状态的数控代码进行读取和识别，从而得到刀具运动轨迹的坐标值和其他有 关信息。 ( 4 ) 论文对加工指令代码的执行模块插补模块进行了研究。给出了直线 插补和圆弧插补的实现方案。 本文提出并完成了开放式数控平台的部分设计，没有完成全部具体工作， 但为后续工作打下良好的基础。从总体上看，该平台具有一定的实用价值。 关键字：数控平台，译码，插补，g r e t a a b s t r a c t c n cs y s t e mu p d a t e dc o n t i n u o u s l y 谢mt h er a p i dd e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i c t e c h n o l o g y , c o m p u t e rt e c h n o l o g ya n da u t o m a t i cc o n t r o lt e c h n o l o g y o p e nc n c s y s t e mh a sb e c o m et h em a i n s t r e a mi nt h ed e v e l o p m e n to fn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m i nt h e f u t u r e ，c n cs y s t e m w i l lm a k ef o r h i g hs p e e d ，h ig hp r e c i s i o n ， i n t e l l e c t u a l i z a t i o na n dn e t w o r ki n f o r m a t i o n t h et h e s i si n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n t a ls t a t u so fo p e nn cs y s t e mi n l a n da n d o v e r s e a s ，a n dt h ed e v e l o p m e n to fc o m p i l i n gt e c h n o l o g yi nn cs y s t e m i na c c o r d a n c e 埘n lt h ec h a r a c t e ro ft h eo p e nn cs y s t e m ，e x p e r i m e n t a lp l a t f o r mf o rn u m e r i c a l c o n t r o l ，w h i c hi n c l u d e sm e c h a n i c a lm o d u l e ，d e c o d i n gm o d u l ea n di n t e r p o l a t i o n m o d u l ei sd e s i g n e d i t sp u r p o s ei st oc o m p o s eo n eo p e n ，e x p a n d a b l ea n di n e x p e n s i v e o p e ns t y l en u m e r i c a lc o n t r o lp l a t f o r m ，t h e nw em a yc a i t yo nt h er e - d e v e l o p m e n t b a s e do nt h i ss y s t e mp l a t f o r m ，t h ee x p a n s i o nn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e me x i s t i n g f u n c t i o n t h em a j o rw o r ki ss u m m a r i z e da sf o l l o w s ： f i r s t l y , t h ew h o l es t r u c t u r ep l a no fn cp l a t f o r mi sd r o w nu pi nt h i sp a p e r t h e o v e r a l la r r a n g e m e n t ，t h em o v i n gm o d ea n dt h ed e s i g no ft h ep a r t sa r ea n a l y z e d 3 d m o d e lo fe v e r y p a r to f t h ep l a t f o r mi ss e tu pu s i n gs o l i d w o r k sp r o j e c ts o f t w a r e ，a n d t h ee n t i r em a c h i n ea s s e m b l yb o d ym o d e li se s t a b l i s h e da n dt h ei n t e r f e r e n c ec h e c ki s m a d e i ti sa n a l y z e dt h es t r e s so ft h ek e y c o m p o n e n t s s e c o n d l y , t h ep a p e ra n a l y z e sr e q u i r e m e n to fd e c o d em o d u l a r , t h e nd e s i g n st h e o v e r a l ls t r u c t u r eo fi t ，a n di l l u s t r a t e ss u b - m o d u l eo fi t i na d d i t i o nt ot h i s ，t h i sp a p e r i n t r o d u c e sr e l e v a n tk n o w l e d g eo fn cc o d ea n dc o m p i l e rp r i n c i p l e sa n dd e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n t t h i r d l y ，t h ep a p e rd e m o n s t r a t e sr e a l i z a t i o no fd e c o d em o d u l a r b e c a u s en c s y s t e m sa r ed i f f e r e n t ，n cc o d e sa r ed i f f e r e n t ，t h e nt h i sp a p e rd e s i g n sf u n c t i o nw o r d l i s tw h i c hc a nb em o d i f i e da n de x p a n d e d ，a n do p e n n e s sa n dc o m m o n a l i t yo fd i f f e r e n t n cs y s t e mc o d e sa r er e a l i z e d t h e ni ts t u d i e st h eu s e so fg r e t a r e g u l a re x p r e s s i o n a n du s e si ti nl e x i c a la n ds y n t a c t i ca n a l y s i s l e x i e a la n ds y n t a c t i ca n a l y s i sa r e r a p i d l ya n dc o r r e c t l y t h ec o d i n gp r o c e s sa c c o m p l i s h e sl e x i c a la n a l y s i s ，s y n t a c t i c a n a l y s i sa n dp r o c e s s i n gi n f o r m a t i o ns t o r a g et oi n t e r p o l a t i o nm o d u l a r t h en cc o d e i n t e r p r e t e ri nt h i st h e s i sc a nc h e c kn cc o d er a p i d l ya n da c c u r a t e l y , c a nr e a da n d r e c o g n i z et h ea s c i i s t a t u sn cp r o g r a m m e r s ，a n dt r a n s l a t ei n f o r m a t i o no fn c p r o g r a mi n t ot h ec u r e rp a t hc o o r d i n a t e sa n dr e l e v a n td a t a f i n a l l y , t h ep a p e rs t u d i e si n t e r p o l a t i o nm o d u l a r w h i c hi se x e c u t i n gm o d u l eo f n cc o d e i ti l l u s t r a t e sr e a l i z a t i o no fl i n e a ri n t e r p o l a t i o na n dc i r c u l a ri n t e r p o l a t i o n t h ep a p e rh a sp r e s e n t e da n dp a r t l y c o m p l e t e dt h ed e s i g no fe x p e r i m e n t a l p l a t f o r mf o rn u m e r i c a lc o n t r 0 1 i th a sp r o v i d e dt h e9 0 0 df o u n d a t i o nf o rt h ef u t u r e w o r k o v e r a l l ，t h i sp l a t f o r mh a ss o m ep r a c t i c a lv a l u e k e yw o r d s ：n cp l a t f o r m ，d e c o d i n g , i n t e r p o l a t i o n ，g r e t a i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本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，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一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) ：至群日期2 业i 学位论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武 汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会 公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 研蛐蚴：姐车聊躲扯吼半乒 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题研究的意义 第1 章绪论 数控技术是集传统的机械制造技术、计算机技术、现代控制技术、传感技 术、网络通讯技术、光机电技术于一体的综合技术，是制造业实现自动化、柔 性化、集成化生产的技术基础，集成制造、柔性制造、智能制造、数字制造、 网络制造等都是以数控技术为基础的。数控水平的高低，直接影响到制造业的 现代化程度。 开放式数控系统是对传统封闭式数控结构的根本性突破，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。采用开放式体系结构的 控制系统，无论对控制系统开发商、机床厂还是最终用户均有益处。对控制系 统开发商，可在共同的标准平台上建立广泛的合作，实现厂家的协作式开发， 这将大大缩短系统的开发周期，减少投资，增强产品竞争力。对于机床生产厂， 不仅可以根据需要配置合适的控制系统，而且可以将自己独特的软件集成到系 统控制器中，形成自己的产品特色。最终用户可以说是开放式控制系统的最大 受益者。他们可以最大限度地按照自己的需要选择产品，配备合适的功能部件， 实现系统的继承和扩展。此外，控制系统结构的开放性也为数控技术能持续不 断地吸收日新月异的计算机软硬件最新成果创造了条件，有利于数控产品自身 的更新换代、提高性能、增强竞争力。这也正是开放数控系统之所以被发达国 家视为重要的战略技术，纷纷投入研究的主要原刚。 我国是一个机床生产和应用的大国，但数控技术的应用水平还很不高，严 重制约着我国制造业水平的提高。国际上的相关开放计划对我国数控技术的发 展提出了严峻的挑战，同时也带来了机遇。因此我们应该抓住机遇，坚持走数 控系统开放化的技术路线，跟踪掌握数控技术的最新进展，解决其中的关键技 术，为新一代的国产开放式数控系统的研制打下坚实的基础。 1 2 开放式数控系统 所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向 武汉理工大学硕士学位论文 机床厂家和最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象( 数控功能) ，形成系列 化，并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现不 同品种、不同档次的开放式数控系统，形成具有鲜明个性的名牌产品。个性的 名牌产品。目前开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行 平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。 1 2 1 开放式数控系统的特征 针对开放式数控系统的应用需求，普遍认为，开放式数控系统具有以下五 个基本特征，这也是衡量数控系统开放程度的准贝, t j t 2 0 j ： ( 1 ) 可互换性i n t e r c h a n g e a b i l i t y 系统高度模块化，并且这些功能模块具有完 全开放的标准接口。不同厂商的功能模块可相互替代，具有互换性，在构成系 统时可根据各部件的性能、价格等因素选择不同厂家的产品，无须受唯一供应 商的控制。 ( 2 ) 可移植性p o r t a b i l i t y 这是指系统的计算机平台无关性，源代码要最大限 度地兼容多种计算机平台。 ( 3 ) 可伸缩s c a l a b i l i t y 包括两重的含义：一方面是指一种系统可以运行在不 同规模的计算机平台上，另一方面是指其规模完全是可定制的，集成商可以根 据控制对象( 机床) 的特性、加工条件或用户的要求，增减系统的功能模块或调 节系统参数，实现控制目标。 ( 4 ) 互操作性i n t c r o p c r a b i l i t y 主要包括系统内部标准部件之间的互操作性， 不同系统之间的互操作性，系统和外部应用之间的互操作性。这不仅要求系统 的各个功能部件具有开放的数据接口，而且要求系统的实现要完全遵循支持数 据交换的软件规范，如面向网络、面向对象等。 ( 5 ) 可扩展性e x p a n d a b i l i t y 可由用户或集成商扩展部分部件的功能，使系 统具有增强的性能表现。例如，在一个可扩展的r s 2 7 4 数控语言解释器中，可 由用户按照自己的需求或爱好，扩充新的n c 代码。 1 2 2 开放式数控系统在国内外发展现状 目前，国际上与开放式数控研究相关的报导不少，最有代表性的仍是美国 的n g c 和o m a c 计划、欧盟的o s a c a 计划以及日本的o s e c 计划【4 ，6 1 ，这三 2 武汉理工大学硕士学位论文 个计划的发展基本上反映了国外开放性数控的发展现状。在以上几个开放式数 控系统研究计划的基础上，许多公司还推出了一些开放式数控系统产品： s i e m e n s a g 在8 4 0 d 数控系统中采用了开放式结构：利用双p c 来完成人机接口 和实时控制工作，人机接口采用基于w i n d o w s 的图形接口，实时控制则采用r i s c 或p c 和实时控制内核来完成。在同一系统中提供了各种结构机床的控制算法和 c + + 开发工具，用户可以根据需要来选择或自行开发控制算法。美国的d e l t a t a u 公司提供了单台p c 的解决方案和系统的插补运算、伺服控制以及p l c 控制等 实时控制功能，在一般的单台数控机床和机器人的控制上取得了较好的效果。 而t e c h n o l o g y8 0 公司也采用单p c 的方案，但它用p c 机完成插补和p l c 控制 功能，因此控制效果不如d e l t at a u 公司的产品。b r i t i s hc o l u m b i a 大学的 ya l t i n t a s 等人研究开发了基于p c 总线的开放式数控系统，为用户提供两块d s p 板。运动控制模块用于基本的n c 插补和伺服运动控制功能，智能加工模块用于 传感器数据采集、刀具监控、温度补偿等功能。日本f a n u c 新推出的高性能 3 0 im o d e l a 型数控系统，其软件可配合控制4 0 轴，2 4 轴联动控制，同时执行 1 0 个不同的c n c 程序，是世界上单个c n c 控制器可控轴数之最。 与国际先进水平相比，国内的开放式数控系统的研究还处于初级阶段。目 前，在国内市场中，中、高档产品主要被进口产品占据，而在较抵挡的经济型 数控机床市场我国的产品占据主要地位。随着国际学术界对开放式数控系统研 究的日益深入，我国的相关研究也越来越受到重视。经过多年的技术攻关，已 经有一批产品和成果涌现出来。在这些产品中，有些是将原有的系统移植到p c 平台上，如北京机床所的中华系列、沈阳计算所的蓝天系列等。武汉华中数控 股份有限公司推出的华中i 型数控系统，是利用p c 平台通过串行总线和自行开 发的数字交流伺服系统开发的。该系列数控系统产品是目前国内比较成功和富 有特色的基于p c 的数控系统。华中世纪之星是在华中i 型高性能数控装置的基 础上，为满足市场要求而推出的高性能数控装置，此装置可实现五轴联动，是 目前国内比较先进的数控系统。北京航空航天大学采用a r c n e t 网络连接全数字 交流伺服系统和p l c ，在p c + w i n d o w s 环境下开发出了多通道多轴联动的开放 式数控系统，并在四坐标锥度线切割机等设备上得到了成功的应用。四川成都 广泰公司推出的“g t x 3 e 4 e ”铣床数控系统是以铣床为代表的l 四坐标联动、开 环控制普及型全数字式数控系统，此系统采用最新d s p 、大规模可编程门列阵 p l d 技术和现场工业级高速c p u ，具有实时控制高速度、高精度等特点，在国 武汉理工大学硕士学位论文 内应用也比较广泛。虽然我国的数控技术有了一定发展，但从总体上看与国外 相比还存在很大差距，很大程度上是由于原有数控系统的封闭性及国内软硬件 的基础薄弱，限制了发挥，数控基本控制模块的稳定性、可靠性、适应性、开 放性方面尚不如人意，数控模块之间缺乏统一的标准等问题。因此要坚持走数 控系统开放化的技术路线，为新一代的国产开放式数控系统的研制打下坚实的 基础。 1 2 3 开放式数控系统发展趋势 今后开放式数控系统的发展趋势主要有以下几个方面： ( 1 ) 基于p c 的开放式【7 】【8 】 基于p c 所具有的开放性、成本低、高可靠性、软硬件资源丰富等特点，更 多的数控系统生产厂家会走上这一条路。至少采用p c 机作为它的前端机，来处 理人机界面、编程、联网通信等问题，由原有的系统承担数控的任务。p c 机所 具有的友好的界面，将普及到所有的数控系统。远程诊断和维修将更加普遍。 日本、欧盟和美国等针对开放式的c n c ，正在进行前后台标准的研究。另外， 随着串行总技术的进步，如今串行总线的数据传输速率有了质的飞跃，达到 1 2 m b p s ，由于它引线少，连接简单，成本低，因此串行总线系统将逐渐取代并 行总线系统。 ( 2 ) 高速化和高精度化【8 l 这是适应机床高速和高精度方向发展的需要。要求数控系统高速处理并计 算出伺服电机的移动量，并要求伺服电机能高速地做出反应。为能在极短的空 程内达到高速度和在高行程速度下保持高的定位精度，必须具高加、减速度和 高精度的位置检测系统和伺服品质。通过减少数控系统的误差和采用补偿技术 来提高精度。 ( 3 ) 智能化 。 随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展，数控系统的智能化程度将 不断提高。应用自适应控制技术数控系统能检测过程中一些重要信息，并自 动调整系统的有关参数，达到改进系统运行状态的目的。引入专家系统指导 加工将熟练工人和专家的经验，加工的一般规律和特殊规律存入系统中，以工 艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统。当前己开发出模糊逻辑 4 武汉理工大学硕士学位论文 控制和带自学功能的人工神经网络电火花加工数控系统。引入故障诊断专家 系统。智能化数字伺服驱动装置可以通过自动识别负载，而自动调整参数， 使驱动系统获得最佳的运行。 ( 4 ) 网络化与信息化【9 】【i o 】 网络化：未来的车间的概念将不再是“有许多带计算机的机床”而是“由 许多计算机构成的网络，上面挂着各种各样的机床 。工作人员和管理人员可以 在远程甚至在家里通过网络连到本地局域网上，实时地监控每台机床地工作状 态，并做出变更与调整，加工程序和开发工具软件都放在服务器上，通过一台 计算机，每个人都可以用这些软件，并控制每一台机床。当增加一台机床时， 只需一根网线将其接入网络，需要时可在对它进行控制的计算机上安装驱动程 序，计算机就会自动识别这台新设备。从而机床就成为即插即用的计算机外部 设备，就像网络共享打印机一样。 信息化：未来的、进一步开放的数控系统将成为加工数据中心，他们从 机床采集加工数据，并实时地提供给整个企业的信息系统使用。管理人员能够 获取生产过程中的大量实时信息，从而即时地做出正确的决策，可以大大提高 生产率，并节省成本。美国m d s i 公司的o p e nc n c 就是这样一种完全基于软件 的数控系统，它可以跟踪机床的工作循环，包括转向时间和装卸停机时间等， 一旦某个环节出现问题，可以立刻做出针对性的调整，不用等到事后再来分析 信息，查找原因并采取措施。开放结构的新一代p c n c 由于采用了标准化的软 件和硬件，它还可以从外部获取各种信息，直到接受控制。 1 3 数控代码编译系统的研究 1 3 1 数控代码编译系统的发展类型 随着开放式数控系统的发展，数控代码编译系统得到不断发展，其任务从 简单的提取数控加工刀具位置和加工信息发展到对各种表达形式的数控加工程 序进行语言错误检验等处理分析，并可将一种数控语言转化成另外一种规格的 数控编程语言，输出目标代码文件以备后续运动控制模块的使用。数控代码编 译系统发展至今，已经涌现出许多类型。 首先，按其实现n c 代码处理的方法不同可分为两类：i n - 1 2 】 5 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 解释法，即系统采用解释技术，对代码源程序进行逐行处理，进行词法 和语法检查后，即提取加工信息发送到后续运动控制模块处理，其优点是结构 简单，可操作性和开放性好。缺点是效率较其他形式低，但是实时性较好。随 着p c 软硬件的发展，效率问题已不再是主要矛盾。这种方式为大多数数控系统 所采用，因此，n c 语言编译系统通常被称为n c 代码解释器。 ( 2 ) 编译法，即系统首先对加工程序进行编译处理，然后再将其交下一部分 处理。这种方法的效率较高，但软件结构较之复杂，开放性差，需要较大的内 存，用于缓冲编译和加工之间的时间间隔较大，实时性差，很难解决海量程序 的处理。一般为离线仿真数控软件，如c a d c a m 软件所使用。 其次，按其使用范围和处理对象的不同可分为以下三种类型：【1 3 1 6 】 ( 1 ) 专用n c 代码编译器，即只能针对专门的数控系统进行加工程序的解释， 不能被用于其他数控系统；其优点是对于处理专用数控系统程序的信息比较全 面，缺点为缺乏开放性，适应性差。如目前众多的专用数控系统产品皆属于此 种类型。 ( 2 ) 通用n c 代码编译器，即能对许多不同类型数控系统进行提取代码信息 的处理，其优点是适用范围广，缺点是由于各种数控代码间存在差异性而导致 部分重要信息的遗失，但随着开放式数控系统的发展，通用n c 代码编译器也将 成为n c 代码编译器的发展趋势。 ( 3 ) 开放式n c 代码编译器，这种编译器的发展与开放式数控系统的发展密 切相关，其充分利用了p c 技术及其算法，是开放式数控系统数控应用软件的重 要组成部分。这种编译器具有通用编译器的特点，又可以满足专用数控系统的 特殊要求，具有良好的二次开发性。 1 3 2 数控代码编译系统在国内外的研究现状 最早对数控代码错误检查的方法为人工检查法，优点是比较方便、灵活， 但不适用于大而复杂的程序，且易出错。为提高数控代码编译效率，采用高级 语言式编译技术开发数控编译系统。国内外对此作了许多研究工作。 国外在n c 代码编译方面的研究已经比较成熟，如日本灿k o l ( ua l p h a 公司 的s u p e rv e r i f y 是一个很好的n c 代码编译和检验( 仿真) 软件，它不仅能验证 n c 程序的正确性，并可进行代码优化，缩短加工时间。其适用范围广，包括车 6 武汉理工大学硕士学位论文 削、铣削、车铣等从两轴到五轴联动的多种加工形式，集成了大多数知名的n c 控制系统，并支持多种包含宏子程序等功能在内的n c 代码格式【1 7 】。 美国n c c s ( n u m b e r i c a lc o n t r o lc o m p u t e rs c i e n c e s ) 公司最初只是一个n c 服 务机构，现已发展成为美国西海岸最大的n c 服务中心，其服务范围也扩展到多 轴n c 加工、几何建模、后处理、n c 代码检验和机床仿真等诸多方面。其开发 的多轴加工软件p o s t w o r k s 是一个通用后处理软件，其范围可覆盖从二轴到十轴 的车、铣、车铣、线切割、激光等加工，它可对n c 代码进行词法、语法检查， 进行加工过程全景仿真，并支持不同格式n c 代码之间的转捌1 。7 1 。 与此同时，国内在此研究领域也作了很多尝试，我国己有几家高等院校实 现了针对单一n c 系统的代码编译器，目前应用情况良好。 清华大学国家c i m s 工程中心开发了n c 代码翻译器，该翻译器的主要工作 概括起来有两个：检错和翻译。检错，即按照该数控系统的编程规定和有关数 控加工的常识，对n c 代码进行词法分析、语法分析、语义分析，从而检查出该 n c 代码的词法错误、语法错误、逻辑错误( 其中包括数据不合理，加工状态不 合理等) 。经过检错阶段，若n c 代码未被查出错误，则进入翻译阶段，即从n c 代码中提取控制机床部件运动的有关命令动作和状态信息，将运动的数据按照 位移和速度的变化划分成一系列时间片段，计算出各时间片段机床各坐标的位 移【1 引。 华中科技大学数控技术研究所提出了n c 程序的“资源重叠流水处理 解释 方法，该方法具有节约系统资源，便于并行处理的特点，并能充分利用和发挥 了w i n d o w s 平台“弱实时性和多任务”的优势【】。另外华中理工大学开发的n c 程序检验仿真系统n c c p v s s ，能实现对n c 程序编制过程中出现的错误进行离 线检验，可提高n c 设备的调试手段和效掣1 6 l 。 此外国内还有很多的院校、企业及研究机构和个人开展了这方面的研究， 如浙江大学、大连铁道学院、西北工业大学等。与国外同行相比，我国在实现 n c 代码编译方面的主要问题集中在实现其通用性、开放性等方面。所以开发新 型的开放式数控编译系统有重要意义。 1 4 本论文的主要工作 本文首先设计开放式数控实验平台的机械装置，该机械装置根据实用性、 7 武汉理工大学硕士学位论文 可重组性、可扩展性和成本低廉的原则设计。并且利用s o l i d w o r k s 工程软件建 模仿真，对关键部件采用a n s y s 进行受力分析。其次对数控代码编译系统进行 研究，主要是译码模块和插补模块的研究。由于p c 机具有良好通用性，价格便 宜，互换性好，体系结构开放等优点，因此本文利用p c 机的丰富资源对数控程 序译码。最后对数控代码插补模块进行研究，实现直线插补和圆弧插补功能。 本文共分六章，具体内容及安排如下： 第l 章为绪论。讨论了课题的研究目的和意义，介绍了开放式数控系统的 特征，国内外的发展现状以及以后的发展趋势，论述了开放式数控系统中编译 系统的国内外研究现状、编译技术及其应用发展状况，介绍了本文研究的主要 研究内容和工作。 第2 章为数控实验平台的机械系统分析与结构设计。根据开放式数控系统 的特点，研究并设计了数控平台的机械部分。首先根据设计要求，确定总体布 局以及运动方案，完成总体设计。接着进行传动系统的详细设计与计算以及零 部件的选用。最后采用s o l i d w o r k s 三维设计软件建模并检查干涉情况，对关键 部件侧壁采用a n s y s 进行受力分析。 第3 章为数控平台译码模块的总体设计以及数控代码和编译原理相关知识 介绍。本章首先分析了译码模块的功能，接着数控代码相关知识的介绍以及编 译程序整个过程的说明，完成了译码模块的总体设计。最后对开发环境的选择 进行说明并介绍了如何在v c + + 中正确使用g r e t a 类库。 第4 章为数控实验平台译码模块的具体实现。本章首先设计了功能字符表， 通过修改功能字符表实现数控代码的通用性和兼容性。接着数控代码的读入和 预处理，删除数控加工程序中不必要的符号如空格、注释语句、空语句等。将 g 】矾正则类库引入词法分析和语法分析模块中，检查程序中的错误。检查成 功后存储加工信息以供插补模块使用。 第5 章为数控平台插补模块的设计与实现。根据实际加工需要，本文主要 研究直线插补和圆弧插补的算法并实现了该算法。 第6 章全文总结与展望。本章首先对全文研究的内容进行了总结，然后对 本课题进一步研究展望。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章实验平台机械系统分析与结构设计 本章的主要任务是开放式数控实验平台的机械装置设计。该机械装置将由 p c 机控制，步进电机驱动，实现三轴直线运动。该平台的设计必须考虑到既要 实现功能，又要尽可能减少成本，具有开放性，模块化，易于拆卸重组的特点。 2 1 数控实验平台机械装置设计要求 本文设计的数控实验平台机械装置主要有x 、y 、z 三个方向的直线运动单 元和一个主轴旋转单元组成，每个直线运动单元通过电机控制实现一维直线运 动，加工范围为( 3 0 0 x 2 0 0 x 8 0 ) i i l i n ，用于制作电路板，软材料模型及模具，刻 字等。该机械装置设计时主要考虑以下几个方面： ( 1 ) 首先必须满足加工范围、工作精度、生产效率等各方面要求。 ( 2 ) 确保实现既定工艺方法所要求的工件和刀具的相对位置与相对运动。在 经济、合理的条件下，尽量采用较短的传动链，以简化机构，提高传动精度和 传动效率。 ( 3 ) 应便于观察加工过程；便于操作、调整和维修；便于输送、装卸工件和 清理；注意防护，确保安全。 ( 4 ) 结构简单，合理可靠，便于加工、装配和重组。 ( 5 ) 体积小，重量轻，节约原材料，降低制造成本，缩小占地面积，外型美 观大方。 2 2 数控平台机械装置总体方案 数控实验平台机械装置的总体方案主要包括总体布局和运动系统的分析、 主运动方案和进给运动方案的确定、电机类型的确定以及主运动和进给运动的 传动方式和支承导向装置的确定等。 2 2 1 总体布局分析 经过调查，结合实际情况，机械装置的基本布局形式采用龙门框架式结构。 9 武汉理工大学硕士学位论文 目前龙门框架式结构的基本布局通常有如图2 1 所示的两种方案。 布局( 1 ) 方案中，工作台固定，刀具作横向和上下移动，龙门架作纵向移动。 由于工作台不动，承载能力好，适合加工较重的工件。在使用外伸支架支撑纵 向长工件进行批量加工时，支点高度相同，故支架支撑调整方便。 布局( 2 ) 方案中，龙门架固定，刀具作横向和上下移动，工作台作纵向移动。 由于工作台移动，承载能力较布局1 方案差。若设计所承载的工件较轻，这种 布局方式所需电机功率和传动件的尺寸较小，移动较轻便。在使用外伸支架支 撑纵向长工件进行批量加工时，支点高度相同，故支架支撑调整方便，但支架 结构较布局( 1 ) 方案略显复杂。 ( 1 ) 工作台固定( 2 ) 工作台移动 图2 1 龙门框架式结构图 经过以上两种方案的比较，充分考虑到设计的基本要求、影响布局的基本 因素及机械装置的设计参数，本文采用布局( 1 ) 方案。数控实验平台的机械装置 采用龙门式结构，工作台固定，刀具作横向和上下运动，龙门架做纵向运动。 2 2 2 运动系统分析 数控实验平台的数控系统包括主运动系统和进给运动系统两部分。根据伺 服系统的被调量有无检测和反馈可分为开环控制、闭环控制和半闭环控制。开 环控制数控系统不带检测装置，也无反馈电路，以步进电机为驱动元件。闭环 控制数控系统是利用位置检测元件测出机床进给传动链的执行元件的实际位移 量，并将测量值反馈给数控装置，与指令值比较，求得误差，依此驱动执行元 件运动以补偿误差。半闭环控制系统中的位置检测元件不直接安装在进给坐标 的最终运动部件上，而是在伺服电机的轴或数控机床的传动丝杠上装有角度检 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 测装置，通过检测丝杠的转角间接地检测进给坐标上最终运动部件的实际位移， 然后反馈到数控装置中，对误差进行修正。该系统应满足工作精度、调速性能、 负载能力、响应速度和稳定性的要求。 采用直流或交流伺服电机驱动的闭环控制方案的优点是可以达到很好的机 床精度，能补偿机械传动系统中的各种误差，消除间隙干扰等对加工精度的影 响。但它结构复杂、技术难度大、调试和维修困难、造价高。采用直流或交流 伺服电机驱动的半闭环控制，其性能介于开环和闭环控制之间。由于调速范围 宽、过载能力强，又采用反馈控制，因此性能远优于以步进电机驱动的开环控 制。由于反馈环节不包括大部分机械传动元件，调试比闭环简单，系统和稳定 性较易保证，所以比闭环容易实现。但是，采用半闭环控制，调试比开环复杂， 设计上也要有自身特点，技术难度较大。因为本设计任务的目标精度不是很高、 负载变化不大，加之开环控制具有结构简单、设计制造容易、控制精度较好、 容易调试、价格便宜、使用维修方便等优点，开环控制应优先选用。 综上所述，数控平台的主运动系统采用以直流电机驱动的开环控制；进给 运动系统采用以步进电机驱动的开环控制。主运动系统和进给运动系统组成原 理图如图2 2 和图2 3 所示。 指令广 广 厂 = = 爿数控装置l = 爿直流电机i 二爿主轴组件i 输入l 一l 一l 一 图2 2 主运动系统组成的原理图 指令广 广 广 二= 爿数控装置i = = 爿步进电机i = 爿滚珠丝杠l 输入l 一l 一l 一 图2 3 进给运动系统的组成原理图 2 2 3 数控平台机械装置总体设计 数控实验平台的机械装置由三个直线运动模块和一个主运动模块组成。刀 具的安装采用主轴前端用弹性夹头夹持的方法传递扭矩，不同夹持直径的刀具 可更换与之配套的弹性夹头。 ( 1 ) 主运动方案 由于直流电机具有以下特点【1 9 1 ：调速范围宽。其转子转速可在宽广的范 武汉理工大学硕士学位论文 围内连续调节并稳定运行。特性呈线性。不论机械特性还是调节特性都呈现 良好的线性度。即在整个调节范围内，转速随转矩的变化关系或是转速随控制 电压的变化关系都是线性的。快速反应。在输入控制信号的作用下，转子能 迅速地反应动作，时间常数小。 所以数控实验平台的主运动方案采用直流电机带动主轴机构做旋转切削运 动。 ( 2 ) 进给运动方案 由前所述，工作台固定，龙门架移动实现相对运动的方式。刀具在龙门架 上实现横向移动和上下移动，龙门架实现纵向移动。 由于步进电机的主要特点如下：电机的旋转角度与输入脉冲数成比例， 角度的误差小，而且不会产生累积误差。可以用数字脉冲信号做开路方式控 制，避免复杂的反馈控制电路，降低系统制作成本。利用输入脉冲的频率高 低即可作转速的调整。电机的启动、停止、加速、减速容易控制。步进电 机的结构简单，可靠性高，几乎不须太多的保养，使用寿命长。本文采用步进 电机作为动力源。 把步进电机的旋转运动转化为滑块的直线运动有以下几种传动方式：齿轮 齿条传动、履带式传动和丝杠传动。齿轮齿条传动结构简单，紧凑，效率高， 但是可靠性不高，且易于磨损。履带式传动振动小，牵引力大，可以实现过载 保护，但需要制作的零件数量较多，传动不精确，误差较大。而滚珠丝杠副具 有以下特点【1 9 】：传动效率高。高达8 5 0 0 , - - 9 8 ，对机械小型化、减少启动后颤 动和滞后时间以及节约能源等方面具有重要意义。运动平稳。工作过程中摩 擦阻力小，灵敏度高，而且摩擦系数几乎与运动速度无关，启动和运动的摩擦 力矩差别不大。所以运动平稳，启动无颤动，低速无爬行。传动可逆性。正 传动与逆传动的传动效率几乎相同。可预紧。通过对螺母施加预紧力能消除 滚珠丝杠副的间隙，提高轴向接触刚度，摩擦力矩却增加不大。定位精度和 重复定位精度高。由于滚珠丝杠副具有传动效率高、运动平稳、可预紧等特点， 所以在工作过程中温升较小，无爬行。并可消除轴向间隙和对之进行预拉伸以 补偿热膨胀，能获得较高的定位精度和重复定位精度。同步性好使用寿命 长。滚珠丝杠和螺母的材料均为合金钢，螺纹滚道经过热处理和磨削达到所需 的精度和表面粗糙度。使用可靠，润滑简单，维修方便。 鉴于实验平台需要精确控制，且要求可靠性较高，所以每个直线进给模块 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 都采用滚珠丝杠传动。步进电机通过联轴器和滚珠丝杠副直接连接，使保证运 动的传递平稳，结构较为紧凑。 支承导向装置有燕尾槽、v 型槽、三角形导轨和圆柱导轨等。数控系统三个 坐标方向运动的导轨均采用圆柱导轨，因为圆柱导轨有加工方便、加工费用低 的特点，同时也减少整机重量。为防止过定位造成的运动不畅，对支撑块设计 了调整校准机构。选用圆柱传动完全可以满足要求，且结构简单，安装方便， 可以承受径向载荷，实现导向作用。因此每个传动链的支承件都采用圆柱导轨。 2 3 机械结构具体设计 本节详细介绍数控实验平台机械部分的主要零部件，如主轴电机、控制电 机、传动部件和支承部件的详细设计计算和选型过程。 2 3 1 切削力、切削扭矩和切削功率的计算 数控实验平台考虑的主要加工材料是塑料和铝铜合金等软材料，这些材料 具有较强的强度和良好的塑性。本文以硬质合金直柄立铣刀( d o = 6 唧) 在铝板上进 行铣削为例，分别进行切削力、切削扭矩和切削功率的计算，以此进行设计计 算，选择合适的元件。 由机械加工工艺手册【2 0 1 知， 计算切削力、切削扭矩和切削功率的公式分别是： 铣削力：疋= 等c f n x p n y f n 。fk ( 2 - 1 ) 扭矩：m ：! 錾 ( 2 2 ) 2 l u 。 铣削功率：己2 云寿( 2 - 3 ) 由于铣削的工件材料是铝合金，铣削力按照加工碳钢的公式计算并乘系数 0 2 5 。 由机械加工工艺手册查表2 1 7 8 有： o = 1 1 6 ，砟= 1 0 ，蚪= 0 7 5 ，“f = o 8 5 ，w ，= - - 0 1 3 ，q f = o 7 3 代入已知参数进行简化，可得到仅与切削深度、进给速度和铣刀转速有关 的计算公式。 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 铣削力：f c = 4 2 7 6 a e v o 7 5 刀m 6 2 ( ) 扭矩：m