（测试计量技术及仪器专业论文）数控车床及测量设备防碰撞系统的研究.pdf

中文摘要 数控机床是由n c 程序控制加工的，其可由手工编写、软件自动生成等，不 可避免含有错误，将会导致刀具损坏或设备事故，因此在实际加工之前都要进行 n c 程序可靠性的验证。目前数控程序检验方法主要有试切和刀具轨迹仿真。试 切法成本高、周期长，不符合经济生产的要求。而刀具轨迹仿真没有考虑机床加 工环境，直观性较差。因此三维动态模拟数控机床加工过程是一个重要的研究方 向。 在智能坐标测量机的零件位姿识别系统中，为使虚拟零件与实际零件的摆 放位姿一致，须建立起精确的零件坐标系，因此需要获得零件在工作台上的放置 位置以及放置方向。零件中心位置以及放置方向已经利用零件图像的边缘矩得以 解决，详细请见赵金才的博士论文。然而要达到零件的精确定位，仍需要获得零 件各个角点在机器坐标系下的坐标。 本文主要工作包括以下几个方面： 1 提 h 数控车床防碰撞检测系统的总框架，并在v c 环境下开发了n c 程 序检错与纠错模块，对n c 程序进行了语法检查和防碰撞检查，经实验验证，系 统已经满足基本要求。 2 采用传统t s a i 非共面标定算法标定安装在坐标测量机上的摄像机，利 用坐标测量机的精确移动和白色陶瓷标准球的良好光学特性，巧妙设计了标定数 据采集方案，通过开发数据采集程序以及标定程序使整个标定过程自动化，操作 简单、精度高，且只有几分钟就可以完成标定。 3 结合标准h o u g h 算法和最小二乘直线拟合法检测零件角点在图像帧中 的坐标，经过摄像机的坐标转换可得到角点在机器坐标系下的坐标；并利用图像 帧中的角点坐标反求了零件上表面的z 坐标。算法稳定性好，精度高，通过实验 验证满足精度要求。 关键词：n c 程序碰撞检查摄像机标定t s a i 非共面标定算法角点检测 h o u g h 直线检测算法 a b s t r a c t t h en u m e r i c a lc o n t r o l ( n c ) l a t h ei sc o n t r o l l e db yn cp r o g r a m ，w h i c hi s w r i t t e nb yh a n d ，o rg e n e r a t e db yt h es o f t w a r ea u t o m a t i c a l l y i tc o n t a i n st h em i s t a k e u n a v o i d a b l y , w i l lc a u s et h ed a m a g eo ft h ec u t t e ro re q u i p m e n ta c c i d e n t ，a n dm u s tb e v e r i f i e db e f o r ec o m i n gi n t ou s e a tp r e s e n t ，t h em a j o rm e t h o d so fv e r i f y i n gn c p r o g r a m sa r e t r i a lc u t a n d c u t t e ro r b i te m u l a t i o n t r i a lc u t m e t h o dc o s t sh i g h a n dh a sal o n gc y c l e ，s oi td o e s n tm e e tt h en e e d so fe c o n o m i cp r o d u c t i o n c u r e r o r b i te m u l a t i o n m e t h o dd o e s n tc o n s i d e rm a c h i n e sc o n d i t i o n t h e r e f o r et h e t h r e e - d i m e n s i o nd y n a m i cs i m u l a t i o no fn cl a t h ep r o c e s s i n gi sa ni m p o r t a n tr e s e a r c h d i r e c t i o n i nt h e r e c o g n i t i o ns y s t e m o f p a r t l o c a t i o no fi n t e l l e c t u a lc o o r d i n a t e m e a s u r e m e n tm a c h i n e ( c m m ) i no r d e rt om a k et h ev i r t u a lp a r t sp o s i t i o na c c o r d w i t ht h er e a lo n e s ，t h ep o s i t i o na n dd i r e c t i o no ft h er e a lp a r tm u s tb eg o a e nt os e tu p a na c c u r a t ec o o r d i n a t es y s t e m t og e tt h ec e n t e rp o i n ta n dd i r e c t i o no fap a r t , p l e a s e r e f e rt oz h a oj i n c a i sd o c t o rt h e s i s t h i sa r t i c l ef o c u s e so no b t a i n i n gt h e c o o r d i n a t e o fa n g u l a rp o i n t sf o ra c c u r a t ep a r tl o c a l i z a t i o n t h ef o l l o w i n gw o r kh a sb e i n gd o n ei nt h i st h e s i s ： 1 p u tf o r w a r dt h ew h o l ef r a m eo f t h ea n t i - c o l l i s i o ns y s t e mo f t h en cl a t h e ，a n d d e v e l o pe r r o rc h e c k i n ga n dc o r r e c t i n gm o d u l et od og r a m m a rc h e c k i n ga n dc o l l i d i n g d e t e c t i n g ，i ti sp r o v e db ye x p e r i m e n t st ob ea b l et oc o v e rt h eb a s i cr e q u i r e m e n t s 2 a d o p tt r a d i t i o n a lt s a in o n - c o p l a n a rc a l i b r a t i o na l g o r i t h mt oc a l i b r a t ec a m e r a s e to nt h ec m m t h es c h e m eo fg a t h e r i n gc a l i b r a t i o nd a t ai sd e s i g n e du t i l i z i n g a c c u r a t em o v e m e n to ft h ec m ma n dt h eg o o do p t i c sc h a r a c t e r i s t i co fw h i t es t a n d a r d b a l l b yd e v e l o p i n gd a t ac o l l e c t i n ga n dc a l i b r a t i n gp r o g r a m s ，t h ew h o l ep r o c e s si s m a d ea u t o m a t e d ，s i m p l ea n dp r e c i s e ，w h i c hc a nb ed o n ew i t h i nf e wm i n u t e s 3 d e t e c ta n g u l a rp o i n t si nt h ep a r t s i m a g e sw i t hs t a n d a r dh o u g ha l g o r i t h ma n d l e a s ts q u a r em e t h o d ，a n dc a l c u l a t et h ezc o o r d i n a t eo fu p p e rs u r f a c eo fp a r tw i t ht h e a n g u l a rp o i n t s t h ea l g o r i t h mh a sh i g ha c c u r a c ya n ds t a b i l i t y k e yw o r d s ：n cp r o c e d u r , c o l l i s i o nc h e c k , c a m e r ac a l i b r a t i o n ，t s a i n o n - c o p l a n a rc a l i b r a t i o na l g o r i t h m ，c o m e rd e t e c t i o n ，h o u g ha l g o r i t h m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他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。 学位论文作者签名：囱括 签字日期：乒哆年堋7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨叠盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨叠盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：白夺厶 导师签名： 签字日期：知哆年月7 e t签字日期： 甫拨 年上月甲 日 | 第一章绪论 1 1 数控技术发展 1 1 1 国外发展概况 第一章绪论 数控技术是2 0 世纪4 0 年代后期为适应加工复杂外形零件而发展起来的一种 自动化加工技术，其研究起源于飞机制造业。1 9 5 2 年，美国的帕森斯公司和麻 省理工学院成功研制出世界上第一台数控机床三坐标立式铣床，揭开了数控 加工技术的序幕。此后，数控机床在世界各国迅速发展起来。在数控机床发展的 早期，采用专门的逻辑部件组成专用计算机来实现机床加工的要求。期间经历了 电子管元件、晶体管元件、集成电路，超大规模集成电路等几个阶段。此时，数 控系统均为硬件式数控，大多数功能是由硬件电路来完成的。7 0 年代初，小型 计算机逐渐普及并被应用于数控系统，数控系统的许多功能由软件实现，计算机 数控( c n c ) 技术从此问世。1 9 7 4 年，以微处理器为基础的c n c 系统问世。从8 0 年代开始，数控技术又进入了一个新的发展时期。由于市场的急剧化和竞争的日 益加剧，对适合中小批量加工、具有柔性和多功能的制造系统的需求已逐步超过 对大型单一功能的制造系统的需求。数控技术在注重单机高速、高效、高精度、 高可靠性发展的同时，为了适合现代化的制造模式，开始向着开放性、智能化、 网络化等方向发展。数控技术的发展开始更多的着眼于整个制造系统。这一变化 导致了对新一代数控系统的研究。9 0 年代以来，受通用微机技术飞速发展的影 响，数控系统正朝着以通用计算机( p c ) 为基础、体系结构开放化和智能化的 方向发展。1 9 9 4 年，基于p c 的数控控制器在美国问世并迅速发展。由于基于p c 的开放式数控系统可充分利用通用微机丰富的软硬件资源和适用于通用微机的 各种先进技术，己成为数控技术发展的潮流和趋势。 1 1 2 国内发展概况 我国从1 9 5 8 年开始研究数控技术，开发数控产品。但在1 9 5 8 年到1 9 7 9 年 的2 1 年时间里一直处于封闭阶段，数控技术发展非常缓慢。自1 9 8 0 年起，我国 的数控技术开始有了重大发展。经过“六五”引进技术、“七五”消化吸收、“八 第一章绪论 五开发自主版权数控系统三个五年计划的技术攻关和专项技术改造，我国初步建 立起了数控机床产业体系。进入9 0 年代以来，我国进入了市场竞争阶段，数控 机床和数控系统发展很快。经过“八五”的技术攻关，“九五”的数控产业化， 我国开发了多种具有自主版权的高级型数控，如中华i 型9 8 系列、蓝天l 型 ( t 5 0 8 3 9 1 c m e 8 ) l 8 2 5 0 系列、航天型( c a s n u c l m c ) 系列等。这些数控系 统都是具有多轴联动的高性能c n c 系统，具有9 0 年代的技术水平，为我国独立 自主的开发数控机床创造了条件。我国通过攻关突破，掌握了多项数控前沿技术 和关键性技术，其中以p c 】6 i l 为基础的总线式、模块化、开放型、嵌入式的硬件体 系结构和多通道软件技术建立起的具有我国自主版权的数控系统平台对我国数 控技术的进一步发展具有十分重大的意义。但是由于我国的工业基础相对薄弱， 经济基础差，我国的数控技术与工业发达国家相比差距仍然很大。许多业内人士 认为：数控系统是我国数控机床发展的最大“瓶颈”。尽管数控技术的攻关项目相 对集中在数控系统的研发和产业化方面，但我国数控系统的技术和产业化水平与 世界水平相比仍存在很大差距。国产数控机床和数控系统的市场占有率很低，据 统计，国产数控机床的国内市场占有率徘徊在2 0 , - - - 3 0 之间。数控系统的国内市 场占有率为：普及型约1 0 ，高级型约5 附。 1 2 数控技术的发展趋势 ( 1 ) 高精度、高速度 速度和精度是数控设备的两个重要指标，他们是数控技术永恒追求的目标， 因为它直接关系到加工效率和生产质量。通过提高进给率、主轴转速、刀具转换 速度实现整体运行高速化。通过提高机械设备的制造和装配精度、数控系统的控 制精度、以及采用误差补偿技术来实现加工高精度化。 ( 2 ) 软硬件的进一步开放 数控系统在出厂时并没有完全决定其使用场合和控制加工的对象，更没有决 定要加工的工艺，而是由用户根据自己的需要对软件进行再开发，以满足用户的 特殊需要。在硬件上根据不同的功能需求，将基本模块，如c p u 、存储器、位 置伺服、p l c 、输入输出接口，通讯等，做成标准化系列模块，通过功能裁剪和 模块数量的增减，构成不同档次的数控系统。密西根大学对开放式数控的各种定 义进行了调查研究，认为硬件无关性、功能模块的互换性、易于升级扩展可能会 更能代表人们对开放式数控的一般看法。 ( 3 ) p c - - n c n c 正在被更多的数控系统生产商采用。它不仅有开放的特点，而且结构简 第一章绪论 单、可靠性高。但是作为发展方向似乎并未被普遍认同，且将来向着超精密和超 高速的极限发展对动态实时检测和动态实时误差补偿要求很高时，它未必就是发 展方向。不过，目前作为一个发展分支还是一种趋势。 ( 4 ) 网络化 便于远距离操作和监控，也便于远程诊断故障和进行调整。不仅有利于数控 系统生产厂家对其产品的监控和维修，也适于大规模现代化生产的无人化车间， 实行网络管理，还适于在操作人员不宜到现场的环境( 如对环境要求很高的超精 密加工和对人体有害的环境) 中工作。 ( 5 ) 智能化 随着人工智能技术的不断发展，并且为满足制造生产柔性化、制造自动化发 展需求，数控技术的智能化程度不断提高。具体表现在以下几个方面：( a ) 加工过 程的自适应控制：通过监控加工过程中的切削力、进给电机的功率、电流、电压 等信息，实时修调加工参数( 主轴转速，进给速度) ，使设备处于最佳运行状态。 ( b ) 加工参数的智能优化与选择：基于工艺专家或技工的经验、零件加工的一般 及特殊规律构造“加工参数的智能优化与选择器”，利用它获得优化的加工参 数，从而达到提高编程效率和加工工艺水平，缩短生产准备时间的目的。( c ) 智能 故障诊断和自修复技术：智能化不仅贯穿生产加工的全过程( 如智能编程、智 能数据库、智能监控) ，还要贯穿产品的售后服务和维修中。 1 3 数控技术目前存在的问题 数控车床加工是靠编制n c 程序来控制完成的，n c 程序可由手工编写并以 机床控制器可以接受的代码语言表述，也可以用其他语言编写或使用计算机图形 进行编译，然后经过后置处理器转化。为了防止在加工过程中刀具与零件、车床 发生干涉和碰撞，进而导致刀具损坏或设备事故，在实际加工之前都要进行n c 程序可靠性的验证。目前数控程序检验方法主要有试切和刀具轨迹仿真。 传统的方法是在车床上试切蜡模等材料来检查是否发生了碰撞，当试切完 成后，再通过手工或测量仪器对零件进行测量以检验数控程序的正确性。这种方 法成本高，周期长。随着加工自动化程度的不断提高，传统的检验方式已经不能 满足高效率，低成本的要求。目前很多软件通过二维动画显示刀具轨迹来检验 n c 程序的正确性，刀具轨迹仿真法通过读取刀位数据文件检查刀具位置计算是 否正确，加工过程中是否发生过切，所选刀具、走刀路线、进退刀方式是否合理， 刀位轨迹是否正确，刀具与约束面是否发生干涉与碰撞。刀位轨迹仿真法是目前 比较成熟的仿真方法，应用比较普遍。但该方法脱离具体的数控系统环境，而且 第一章绪论 二维显示加工刀迹，直观性比较差。 1 4 智能三坐标测量机的零件位姿自动识别系统存在的问题 为使虚拟零件与实际零件的摆放位姿一致，需确定零件在三坐标测量机工作 台上的放置位置以及放置方向，目前零件在机器坐标系下放置的中心位置以及放 置方向已经通过利用零件图像的边缘矩得以解决，详细请见赵金才的博士论文 坐标测量系统零件信息提取与位姿自动识别的研究1 2 j 。然而要达到零件的 精确定位，建立起零件坐标系，为后续检测路径的规划等工作奠定基础，仍需要 获得零件各个角点在机器坐标系下的坐标。 1 5 课题研究的主要任务和意义 针对上述问题，本课题主要从事以下研究工作： 1 分析数控编程和数控车床的加工过程，提出数控车床防碰撞检测系统的总 体结构。根据n c 程序的特点，在v c 6 0 环境下开发n c 程序检错与纠错模块。 2 采用t s a i 的r a c ( 径向准直约束) 算法标定摄像机，利用三坐标测量机 的精确移动和白色陶瓷标准球的良好光学特性，巧妙地设计出摄像机的标定数据 采集方案。 3 使用摄像头采集放置在工作台上的零件图像，确定零件在测量机工作台上 的放置位置。 课题研究的意义在于： 1 用传统的方法( 如试切蜡模等材料) 来检查n c 程序的正确性，成本高、 周期长，不符合社会经济生产的要求。另外有很多后期处理软件通过显示刀具轨 迹来检验n c 程序的正确性，没有考虑机床加工环境，直观性较差。本课题提出 了数控车床碰撞检测系统，利用计算机图形学技术实时再现三维加工环境，并动 态模拟加工过程，用于检验c a p p 生成的工艺方案的可行性和n c 程序的正确性。 如在动态模拟过程中发现工艺方案的不合适，刀具轨迹错误或碰撞现象发生，可 以立刻进行修改，既节省了人力和物力，又降低了风险。 2 通过开发数据采集程序和标定程序，使安装在三坐标测量机滑架上的摄 像头标定工作达到了自动化。标定过程具有以下特点： a ) 无需调整，误差小。利用七轴三坐标测量机的特点，将白色陶瓷标准球 固定在升降台上，可以随着升降台上下移动，减少了人为参与，避免了 以往人工调整困难、测量误差大的缺点。 第一章绪论 b ) 标定简单。测量前一次性固定好标准球，输入简单标定参数，程序会自 动控制三坐标测量机各个轴的移动或联动。 c ) 标定算法精度较高，速度较快。 3 课题同时利用视觉系统通过对被测零件进行成像，通过图像处理确定零 件的角点坐标。结合零件在三坐标测量机工作台上的放置位置和放置方向，从而 建立起精确的零件坐标系，以对虚拟坐标测量机中的虚拟零件进行调整，使其与 实际零件的摆放位姿一致，为智能三坐标测量机的后续检测路径的规划等工作奠 定基础。 第二章n c 程序榆错与纠错模块的开发 第二章n c 程序检错与纠错模块的开发 2 1 数控车床碰撞检测系统的总体结构设计 数控车床用来加工圆柱形和圆锥形的工件，比如轴、圆环、轮、孔、螺纹等。 常见的车床有传统的普通车床和转塔车床，转塔车床的加工功能投有普通车床 强，但是他们有一个特殊的刀具库它可以央持几把安装好的切削刀具。普通车 床只能装- - n 两把切削刀具但它有较强的加工功能。图2 - i 为普通车床； 目2 一j 普通数控车床 虚拟机床加工系统是一种验证新产品的可制造性的不可缺少的工具。它所亭 注的是金属切自加工的描述，是以真实感为基础的是依赖于真实系统的经妇 虚拟实现的加工最终仍要在真实的环境中实现。因此，在仿真中仅仅建立川具币i 工件的几何模型不能满足虚拟制造的要求必须建立加工环境模型，包括夹具、 工作台和虚拟机床等的模型及其详细信息，诸如：( 1 ) 机床型号；( 2 ) 机床的j 要结构尺寸、工作台的大小工作行程等：( 3 ) 机床的精度，包括各工作部件的 运动精度、导轨精度、定位精度等。因为机床的类型各式各样，品种千变万化， 要想能够表达各种机床，就需要采用模块化的原理定制各种标准的模块，这村 经过重组就可以建立各种机床模型硎”。 第二章n c 程序检错与纠错模块的开发 数控机床碰撞检测系统主要包含四个模块：加工环境配置模块，编译解析模 块，碰撞与干涉检查模块，以及三维动态模拟仿真模块。 图2 - 2 系统实现流程图 加工环境配置模块主要是建立常用机床、夹具及刀具的数据库。机床是环 境中的关键，其包含了大量的特征数据，需要对模型做适当的简化，根据运动关 系数控车床分为床身，主轴，及x 向和y 向的导轨，对一些与仿真无关的部件， 如液压装置，照明电气系统等，在虚拟模型中不予考虑，同时可以通过变化机床 各部分的颜色和材质来增加视觉效果。在数据库里把机床的主要参数存储下来， 诸如：机床型号，最大车削直径，最大行程等。刀具、夹具和毛坯在加工环境中 是最灵活的，随加工对象、加工工艺的不同而变化，可以采用文件的形式将他们 的特征参数保存起来，便于用户的引用与修改，以定义加工环境【5 】。 n c 文件可以在编辑界面上直接由手工编写，或者由其它c a m 软件直接生 成。无论人工编写的或由c a d c a m 生成的n c 程序代码都有可能包含错误，包 括语法错误、非法代码的使用、切削参数选择错误、刀具选择错误以及刀具路径 错误等，其中前两项错误主要在人工编写时出现。n c 代码检错主要检验主要检 查语法和碰撞方面的错误，由于刀具选择错误以及刀具路径错误导致切削尺寸与 图纸要求不符等，则需在切削仿真完成后才能进行判断。语法解析模块主要是把 第二章n c 程序检错与纠错模块的开发 n c 程序整体读入，再按照n c 程序的特点，设计相对应的数据结构，分解程序， 并进行语法检查。碰撞与干涉检查模块是结合n c 程序，毛坯文件，以及机床、 刀具和夹具模型，判断加工过程中是否发生了碰撞干涉，切削深度是否超过了规 定范围等。 三维动态模拟仿真模块的核心是对数控加工过程进行三维图形模拟，图形 动态跟踪，可随意移动、旋转、缩放及变换视点。如果在加工过程中出现了碰撞 和干涉，系统则发出报警信号，并输出记录，同时发生碰撞的表面将变红，可更 直观的显示出n c 程序错误，便于用户检查和修改错误【6 】。 系统运行的过程：如图2 2 所示，首先选择所需的机床类型以及型号，建立 起虚拟机床，然后调入由c a d 软件输出的标准格式的毛坯文件，并建立坐标系 统，以进行坐标变换。设置好基本环境之后，再编辑n c 程序，也可以从c a m 软件接口直接导入，对n c 程序逐行进行语法和干涉碰撞检查，并同时进行三维 动态模拟加工，将n c 程序的错误更加直观的显示给用户，如发现错误可即时更 改，最终显示j u t _ 结束后零件的图形结果。将最终加工出的零件信息与成品信息 比较，若误差不满足要求的范围，则需要重新修正n c 代码。 2 2n c 程序的结构 n c 加工程序就是输入数控机床控制单元的一系列指令，它能控制机床加 工出所需的特定零件。在数字控制应用中，按照指令如何构成程序段出现了三种 重要的编程格式：固定顺序格式和分隔符程序段格式，字地址可变程序段格式。 固定顺序格式必须用固定的顺序来表述程序段中的数据，且每个程序段都包含有 所有用到的数据( 即使它们与前一程序段相比没有变化) 。目前常用的是更为便 利的字地址格式，此种格式对指令的排列顺序要求不严格，数据位数可多可少， 不需要的字以及与上一程序段相同的续效字可以忽略不写。这种格式的优点是程 序简短、直观以及便于检查和修改。 字地址格式编程大体上基于国际化组织( 1 s o ) 和电子工业协会( e i a ) 代 码，这两种标准提供9 9 种g 代码和9 9 种m 代码，每个代码以及后面的数据( 两 位数) 构成一定的控制功能。在这两个标准中，有的代码并未指定功能，这样控 制系统的制造商可以根据需要自行安排，虽然很多推荐的指令得到广泛应用，但 是数控编程还没有固定的地址编程语言。数控系统不同，其指令代码和程序格式 也不同，但是大多数是相似的i 引。 下面以f a n u c 系统为例做具体介绍： n c 指令是由定义了一定功能的大写字母附上数据后组合而成的，按照功 第二章n c 程序检错与纠错模块的开发 能的不同分为n ，g ，m ，s ，t ，f 指令。其中g 类指令又称为准备功能，由地 址符g 和其后的两位数字组成，用来设定机床控制单元的工作模式，以进行切 削加工，例如直线运动或圆弧插补，它一般与滑动运动控制有关。根据功能的不 同，分为0 0 至l8 等1 9 个组，同一程序段中可指定不同组的g 代码。g 指令又 有模态和非模态之分，模态代码在同组代码出现之前一直有效：非模态代码只在 写有该代码的程序段中才有效。m 类指令又称辅助功能，用于实现除工作台运 动之外的其他功能，例如启动主轴、打开冷却液等。和g 指令一样，有些m 指 令是模态指令，它们一直有效直到被取消，有些m 指令在开始执行该程序段时 有效，有些则是在整段程序结束时被激活。 部分g 代码和m 代码的意义如下： g 0 0 点到点快速定位 g 0 l以给定速度 g 0 2 顺时针圆弧插补 g 0 3 逆时针圆弧插补 g 0 4 程序暂停 g 2 8 返回机械参考点 g 3 3 等螺距螺纹切削 g 3 4 增螺距螺纹切削 g 4 0 刀具补偿刀具偏置注销 g 4 1 刀具左补偿 g 4 2 刀具右补偿 g 7 0 英制编程 g 7 l 公制编程 g 8 0 与钻孔、膛削、攻丝等有关的一系列功能 g 9 0 沿z 轴直线切削循环 g 9 2 柱面、锥面螺纹切削循环 g 9 4 端面切削循环 m 0 0 程序停止 m 0 1 可选择停止 m 0 2 程序结束 m 0 3 ，主轴顺时针旋转 m 0 4 主轴逆时针旋转 m 0 5 停转 m 0 6 换刀 第二章n c 程序检错与纠错模块的开发 m 0 8 打开冷却液 m 3 0 程序结束 m 9 8 子程序调用 n 类指令用于标识一个程序段，后续数字一般为2 - - 4 位，且必须为正整数， 可以不连续，也不一定从小到大排列。f 指令用来指定切削的进给速度，配合g 指令可以选择是每分钟进给还是每转进给；s 指令用于指定机床主轴转速；t 指 令用来指定加工时使用的刀具号、刀具偏置和补偿。在c n c 代码中，还有很多 地址字，如x ，y ，z ，u ，v ，w ，p ，q ，r ，a ，b ，c ，l ，j ，k ，d ，h 等， 用来指定刀具运动到达的坐标位置。 n c 程序通常由程序名，程序主体，和程序结束指令三部分组成。程序名是 程序的开始标记，采用英文字母“o ”及其后的四位数字来表示。程序主体是由 许多程序段组成，而每个程序段由一个或多个指令组成，表示数控机床要完成的 动作。结束指令是辅助功f 毙m 0 2 ( 程序结束) 或m 3 0 ( 程序结束，返回起点) ，用来 表示整个程序的结束，机床读到此标志就停止加工【9 】【l o 】【l l 】。 2 3n c 程序检错纠错模块的开发 一般n c 代码的错误类型主要有语法错误和逻辑错误两大类型，语法错误包 括指令搭配顺序错误、由于疏忽或笔误造成的书写错误等。逻辑错误是指除语法 错误以外，由于编写导致的过切、少切以及刀具和工件产生的碰撞等错误。针对 这两种类型错误，分别建立语法检查模块和碰撞检查模块来对n c 程序进行检错 纠错。 2 3 1 语法解析模块 根据n c 程序的特点( 一个程序是由多个程序段组成，程序段则是由指令序 列组成) 建立以下几个类来记录程序段和数控指令的相关信息。 c l a s sc o p e r a t i o n p u b l i c ： c s t r i n g1 1 1 一s o p e r a t i o n ； 指令 c h a rm _ c o p e r a t o r ；地址字 c s t r i n gm _ s p a r a m e t e r ； 参数 ) ； 第二章n c 程序检错与纠错模块的开发 c l a s sc p r o s e g m e n t p u b l i c ： c s t r i n gm _ s p r o s e g m e n t ；程序段 v e c t o r m v o p e r a t i o n ；指令指针 i n tm n l i n e n o ；程序段所处的行号 c g c o d em _ v g c o d e p a r a ； ) ； v e c t o r p r o s e g m e n t a r r a y ； 模块实现流程图如图2 3 所示，首先是读入n c 程序，把它存储到一个字符 串临时变量中，然后过滤掉注释，以换行符作为标志逐个读取程序段字符串，存 a p r o s e g m e n t a r r a y 中，并根据空格将程序段分为各个指令字符串，保存在 m _ v o p e r a t i o n 中，再把指令分为第一个字符和除第一个字符之外的其余部分，这 样就将每个指令的地址字和数据分离开来，为语法检查和碰撞干涉检查做准备。 另外再对所有指令做一个扫描，如含有子程序调用指令m 9 8 ，按照子程序名来查 找子程序，并插入到调用处，调用几次，插入几次。然后按照n c 程序的编程细 则，对刚才提取出的程序段和指令进行语法检查f 1 2 】。 图2 3 语法解析模块实现流程图 语法检查主要考虑了如下几种情况： 第二章n c 程序检错与纠错模块的开发 a 程序段是否缺少结束符“；”。 b 是否使用了机床不能识别的指令，包含两种情况：第一，n c 程序中出现 了n c 系统没有定义的地址符；第二，程序字格式不正确。 c 主轴转速是否超过了规定的范围。 d 是否指令搭配错误，n c 程序要求某一指令后必须跟随或不能出现另一指 令，如刀具指令t 之后应有换刀指令m 0 6 ，g 0 0 后不能使用进给指令f 。 e 是否缺少程序结束指令m 3 0 或m 0 2 。 2 3 2 碰撞干涉检查模块 i 语法解析模块提 毛坯文件( i g s 格式) l 取的信息 上 土 i g e s 后处理器 提取g 代码，对 上 模态代码和续效提取圆柱和圆锥参数l 指令做特殊处理 并存储到b o x a r r a y 中| l 上 逐行碰撞检测 图2 4 碰撞干涉检查模块实现流程图 模块实现流程图如图2 - 4 所示，碰撞检查的难度在于检查过程中工件在不 断变化，需要设计相应的数据结构，在实际的加工中，毛坯大部分为圆柱体和圆 锥体，本论文采用了最小化的长方体去包围毛坯，定义的类如下： c l a s sc b o x p u b l i c ： d o u b l er 【2 】； d o u b l er ： d o u b l ea x i s 2 3 ； d o u b l ec e n t e r 1 3 ；长方体的中心坐标 d o u b l ef a c e c e n t e r 6 3 ；- 长方体六个表面的中心坐标 i n tv e c t o r 6 3 ；六个表面的法矢量 d o u b l e h a l f d i a g o n a l l e n ；对角线的! 2 长度 第二章n c 程序检错与纠错模块的开发 v e c t o r b o x a r r a y ； 其中r 【2 】用来存储圆锥体的两个半径，r 为最大半径，对于圆柱体而言，三 者相等，这样可以区别长方体内包含的是圆柱体还是圆锥体；a x i s 用来存储轴线 与圆柱体或圆锥体两端面的交点。 由于还没有构建机床及夹具模型，所以本文只考虑了刀具与工件的碰撞检 查。刀具信息存储在数据库中，使用时具体调用。 毛坯信息的提取：毛坯信息是从c a d 软件输出的i g s 格式文件中读取的，然 后经过i g e s 后处理器( 它根据i g e s 文件结构，将i g e s 文件中的目录条目段和参 数数据段结合起来，对不同实体类型进行不同的处理，同时对组合实体和结构实 体做出特殊处理来提取零件信息，可以进行三维重构。详细介绍可以参考文章 c m m c a d 集成系统 i g e s 后处理器的开发1 1 3 1 ) 处理，然后从中提取有用 的圆柱和圆锥参数，初始化各个b o x ，并存储至l j b o x a r r a y 中。因为语法解析模块 提供的指令仅是从表面理解n c 程序得到的，不能直接用于碰撞检查，还需要对 模态代码和续效指令做特殊处理，这里我们设计了一个g c o d e 类，保存程序段中 与碰撞检查相关的数据信息，如g 代码以及刀具运动坐标位置等，处理后的信息 添j h 至l j g c o d e a r r a yq a 。 c l a s sc g c o d e p u b l i c ： c g c o d e 0 ； v i r t u a l - q 2 g c o d e 0 ； i n tm n l i n e n o ；g 代码所处的行号 b o o l m _ b g i s e x i s t ； i n tm _ i p a r a 3 ； f l o a t x ； f l o a t z ； 其他相关的地址值 ) ； 下面通过介绍n c 程序中常用g 功能指令来介绍碰撞检查的实现过程。 例如：n 2 1g 0 0x 2 4 5z 4 0 ； n 2 2 2 3 0 ； n 2 3g 0 1 z 2 0f 3 0 0 ： 其中g 0 0 指令的编程格式为：g 0 0x z 一 第二章n c 程序检错与纠错模块的开发 该指令命令刀具从当前所在点快速移动到下一个目标位置( x ，z ) 点处， 用于快速定位刀具。快速运动操作通常包括四种类型的运动：从换刀位置到工 件的运动；从工件到换刀位置的运动；绕过障碍物的运动；工件上不同位 置间的运动。g 0 0 指令所指示的从当前位置向目标位置的移动不是直线插补运 动，因此，当执行该指令时，由于机床运动轴的数目、每根轴的可移动长度以及 每根轴的快进速度的不同，刀具的运动路径会不一样。如图2 - 5 所示：刀尖从当 前。点快速移到b 点时，首先两轴以系统设定的速度快速移动到a 点，然后x 轴停止运动，z 轴继续运动到b 点，运动轨迹不是预想的直线，而是两条直线段 的组合。快速运动中的刀具路径要比切削运动中难以预测，这就要通过碰撞检测 提前确保快速运动刀具路径的安全性。 x 图2 5g 0 0 刀具路径图2 - 6 碰撞检查矢量图 碰撞检查实质上是判断运动过程中刀尖点是否在包含工件的b o x 内，首先 判断运动过程中的某一点是否在工件的b o x 内，然后采用插补方式就可以判断 运动过程中是否发生碰撞了。下面引入碰撞算法的理论：如图2 - 6 所示，点b 是 平面上任意一点，v 是该平面的方向矢量，a 是平面外任意一点，b a 是从b 到 a 的方向矢量。如果v 与b a 之间的夹角小于9 0 度( 用数学的方法描述就是v 与b a 的点积大于零) 的话，点a 就在该平面的方向矢量指向的那一侧，反之就 在另一侧。 本文采用的碰撞算法如下： 1 ) 首先先算出刀尖点到b o x 中心之间的距离， 2 ) 如果大于它的对角线长度的一半，直接返回不接触。 3 1 否则可用以下方法判断：假设刀尖点坐标是p ，b o x 六个面的方向矢量 分别是a 、b 、c 、d 、e 、f ，六个面的中心坐标分别是a 、b 、c 、d 、 e 、f ， 那么就可以判断( p a ) 幸a ，( p b ) 奉b ，( p - c ) 奉c ，( p d ) 车d ，( p - e ) 幸e ， ( p f ) 幸f 这几个结果是否都是正数，或者都为负数( 由面的方向矢量定义 决定) ，如果有一个结果的正负号和别的不一样，说明这个点不在b o x 里面。 第二章n c 程序检错与纠错模块的开发 4 ) 采用插补的方式，就可以判断在o a ，a b 路径上快速移动时是否与工件 发生了碰撞。 直线和圆弧是构成工件轮廓的基本线条形状，这里主要介绍一下直线插补 和圆弧插补。g 0 1 ：是按f 指令指定的进给速度进行的直线运动；g 0 2 、g 0 3 ： 分别表示按指定进给速度的顺时针圆弧插补和逆时针圆弧插补。 编程格式：g 0 1x z f g 0 2x z i k 。r 。 g 0 3x z i 。k 。r 。 x 、z 是直线或圆弧的终点坐标，在绝对坐标模式下，各值相对程序原点， 在增量坐标模式下，各值相对于上一程序段的终点。l 、k 表示在x 、z 轴上圆弧 起点和圆心之间的距离，而且都是有正负号的，用以定义圆弧圆心相对于起点的 位置，r 是圆弧半径。g 0 1 、g 0 2 、g 0 3 都是属于0 1 组的模态指令，意味着直到程 序结束或同组里的另一指令代码出现之前一直有效；进给率f 也是模态指令，一 旦被指定并假设保持不变，则在后面的直线和圆弧插补程序段中，都可以省略它 们，只需要更改程序段中指定的坐标位置【1 4 j 。 一目e ( a )( b )( c ) 7 仁 一仁 ( d )( e )( f ) 、日7 臼一口 ( g ) ( h ，) ( i ) ，仁 ，口口 ( i ) ( k ) n 1 图2 7圆柱的直线和圆弧切削 因为这些切削运动将导致工件形状大小发生变化，所以在切削过程中主要考 虑的是切削方式以及工件的形状，是直线切削还是圆弧切削，工件是由圆柱体， 还是圆锥体或者两者的组合。这里举例说明圆柱的直线和圆弧切削。分以下几种 情况考虑：如图2 7 所示，长方形代表工件的一部分，虚线代表刀具的运动轨迹。 检查时，需要判断属于那种情况，然后通过插补计算刀尖点的坐标，和圆柱半径 或端面中心坐标做比较来判断切削深度是否超过了规定的范围，并修改b o x 的 第二章n c 程序检错与纠错模块的开笈 参数，或增加b o x 个数，尽量使b o x 紧密包围工件。 在本文中可以检查一些常用的g 指令，除了以上介绍的g 0 0 、g o i g 0 3 指 令外，还检查了其他涉及快速移动、切削工件的指令，如g 2 8 、g 9 0 g 9 2 g 9 4 等，也检查了一些涉及到具体使用时需要注意细节的g 指令，如g 0 4 指令不允 许给出时问为浮点数，g 4 1 、g 4 2 指令不能重复使用，必须先用g 4 0 指令解除原 补偿状态等还对一些设置加工参数的指令进行了相应处理如g 9 8 ，g 9 9 指定 进给速度单位等。以上各指令的具体含义见2 2 节。 2 3 3 界面设计 横块界面主要分为四部分如图2 - 8 所示，菜单栏主要完成调用、编辑n c 程序，以及调入毛坯文件的工作；左边窗口用于显示和编辑n c 程序；右上窗口 显示程序内各行的错误信息，右下窗口显示修改的建议，井提供修改继续和忽略 功能按钮，可以根据建议修改错误。继续检查；或错误不影响加工忽略继续。 本界面是在v c 60 环境下，使用m f c 库构建，采用浮动、可变太小的窗1 2 1 形式， 并且添加了两个工具条按钮，可以快速开启与关闭浮动窗口，界面简单明了，方 便用户使用。 第二章n c 程序检错与纠错模块的开发 2 4n c 程序检错与纠错的实验验证 实验使用的数控系统为：f a n u c0 t e ， 工件装夹及对刀示意图如图2 - 9 所 示，工艺参数要求：每刀切深( t ) 不大于5 m m ，切削速度( v ) 不大于6 0 m m m i n ， 转速不大于1 0 0 转分。n c 程序如下： 0 4 4 4 4 ；n 1 9g o oz 5 ： n 1g 2 8u o ： n 2 0 u - 2 0 o ； n 2g 2 8w o ： n 2 1g 0 1z 5 0 o ； n 3g 5 0x 1 6 0 0 0z 1 5 0 o ；n 2 2u 一1 0 o ； n 4s 1 2 0m 0 3 ；n 2 3g 0 0z 5 o ： n 5t 0 1 0 1 ：n 2 4u - 4 0 o n 6g o ox 1 2 0 0z 0 o ：n 2 5g 0 1z - 5 0 ( ：! 二 n 7g 0 1g 9 8x 0 0f 6 0 ； n 8g o oz 5 o ； n