（机械制造及其自动化专业论文）数控系统运动规划及nurbs插补的研究.pdf

山东大学硕士学位论文 数控系统运动规划及n u r b s 插补的研究 摘要 开放式数控系统是当今数控技术发展的主流其晟大的特点就是在满足数控 功能基础上的开放性、模块化、可扩展眭、可移植性和可伸缩性。本课题的主要 目标就是在综合分析通用数控系统的组成模块和其工作过程的基础上，重点分析 并实现开放式数控系统中译码模块、轨迹规划模块和插补模块。 译码模块的功能是将零件的数控加工代码翻译成c n c 系统能识别的数据结构。 数控系统的开放式特点之一就是加工代码的开放性。为实现这个目标，在译码模 块和轨迹规划模块中分别提出两个数据结构，并通过这两个数据结构的通信，建 立起加工代码和c n c 内核之间的联系，实现加工代码和系统内核的相对隔离。 轨迹规划的功能是将加工代码所描述的零件轮廓形状转换成刀具中心的运 动轨迹。加工代码描述的是零件的实际轮廓形状，因为刀具半径的影响，加工时 刀具中心应偏离零件轮廓一个刀具半径值。轨迹规划的另外一个功能是根据各加 工段之间的位置关系确定其转接方式，并根据转接方式确定刀具中心的运动轨迹。 一插补是c n c 系统撮重要的功能。插补的任务是将轨迹规划形成的运动段分解 成许多小的数据段并将其送至伺服系统完成最后的加工。插补的精度和速度将对 整个系统的精度和速度产生重要的影响，实现一种高精度和高速度的插补方法是 插补的关键所在。n u r b s 曲线的特性使其成为 法。本文重点讨论了时间分割插补法的实现和 过程，并给出了n u r b s 曲线插补的实例分析。 列表点拟合和插补的首选方 n u r b s 曲线的插补理论及其 开放式数控系统作为数控系统的发展趋势，正在得到越来越广泛的关注。本 课题所做的工作是开放式数控系统体系的一部分，是对开放式数控系统进行的基 础性研究。开放式系统各个模块的实现是实现整个系统的基础，具有重要的意义。 关键词：开放式数控季统轨渺划n u r b s ，曲线 插补 、。 惰旧_ e h 啦严 c 山东大学硕士学位论文 as t u d yo nt r a c el a y o u ta n dn u r b s i n t e r p o l a t i o n o fc n cs y s t e m a b s t r a c t o p e n a r c h i t e c t u r ef o rn c s y s t e mi sc u r r e n t l yt h em a i ns t r e a mi nt h ea r e a o fn c t e c h n o l o g y a n dt h em o s t s i g n i f i c a n t c h a r a c t e r i s t i c so fw h i c ha r e o p e n ，m o d u l e e x t e n d i b l e ，p o r t a b l ea n ds c a l e a b l e t h ep a p e rl a y sa ne m p h a s i so nt h ea n a l y s i sa n d i m p l e m e n t a t i o no ft h et h r e em o d u l e sn a m e dc o d i n gm o d u l e ，t r a c el a y o u tm o d u l ea n d i n t e r p o l a t i o nm o d u l eo ft h es y s t e mb a s e do nc o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so ft h eg e n e r a l c n c s y s t e m t h ec h i e fg o a lo f c o d i n gm o d u l ei st o t r a n s l a t et h em a c h i n i n gp r o g r a mi n t ot h e s p e c i f i cd a t a s t r u c t u r ew h i c hc a nb ei d e n t i f i e db yc n c s y s t e m t oa c h i e v et h eo p e n i n g c h a r a c t e r i s t i co ft h em a c h i n i n gp r o g r a m ! t w od i f f e r e n td a t as t r u c t u r e sa r ep u tf o r w a r d f o rc o d i n ga n dt r a c el a y o u tm o d u l e s 1 1 1 ed a t ae x c h a n g eb e t w e e nt h ec o d ea n dn c k e r n e li se s t a b l i s h e db yc o m m u n i c a t i o n st oa c h i e v et h ee n c a p s u l a t i o na n di s o l a t i o no f t h em o d u l e s t r a c el a y o u tm o d u l ei st oc o n v e r tt h e p r o f i l eo fw o r k p i e c ei n t ot h em o t i o n r o u t eo f t h et 0 0 1 f o rt h ec o n v e n i e n c eo fp r o g r a m m i n g ，t h e m a c h i n i n gp r o g r a mi s c o d e d a c c o r d i n gt ot h eo u t l i n eo ft h ew o r k p i e c e ，b u ta f f e c t e db yt h er a d i u so ft h et o o l st h e m o t i o nt r a c eo ft h et o o lc e n t e rs h o u l dd e p a r tf r o mad i s t a n c eo fo n er a d i u sv e r t i c a lt o t h ep r o f i l eo f t h e p a r t s t r a c el a y o u tm o d u l ea l s of u n c t i o n st od i s c e r nt h ed i f f e r e n tt y p e s o fc o n n e c t i o nb e t w e e nt w oa d j a c e n t p r o g r a m s e c t i o n s t h em o s ti m p o r t a n tf u n c t i o no fc n c s y s t e mi si n t e r p o l a t i o n t h em a i nt a s ko f i n t e r p o l a t i o ni st od i v i d eo n ec u f c ei n t os o m es m a l ls e c t i o n sw h i c ha i d es e n tt os e r v o s y s t e mt oa c h i e v ea c c u r a t em o t i o nc o n t r 0 1 t h ei n t e r p o l a t i o na l g o r i t h mw o u l dh a v e s i g n i f i c a n te f f e c t so np r e c i s i o na n ds p e e do f t h ec n c s y s t e m d u et ot h ea d v a n t a g eo f t h en u r b s s p l i n e ，i t h a sb e e no n eo ft h em o s tp o p u l a ri n t e r p o l a t i n g a l g o r i t h mi n r u e s h i n ga n dp o i n t - l i s t i n gc i u w e i nn cs y s t e m t h et i m ed i v i s i o ni n t e r p o l a t i o na n d p l a n e n u r b si n t e r p o l a t i o na r e d i s c u s s e da n di m p l e m e n t e di n t h i s p a p e r a sa d e v e l o p i n gt r e n do fc n ct e c h n o l o g y , o p e na r c h i t e c t u r en cs y s t e mi sa t t r a c t i n gm o r e a n dm o r ea t t e n t i o n s t i l i sp a p e ro n l yi n v o l v e sap a r to f t h eo p e nc n c s y s t e mb u ti ti sa b a s i cm s e a r c ho f o p e nc n cs y s t e m t h er e a l i z a t i o no f d i f f e r e n tb a s i cm o d u l e si st h e p r e r e q u i s i t eo f t h e w h o l e s y s t e m k e y w o r d so p e n c n c s y s t e m ，t r a c el a y o u t ，n u r b ss p l i n e ，i n t e r p o l a t i o n i v 山东大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 开放式数控系统的提出 数控机床是现代科学技术的最前沿信息技术与传统机床相结合的产物 反映了一个国家制造技术的水平和工业水平。一个国家数控化率的高低己经成为 衡量其机械工业技术水平的一个重要指标，在国外数控化率水平已达2 0 3 0 【1 】。 随着制造商对产品复杂程度和精度的要求的提高和对产品生产成本的降低，对数 控机床提出了更高的要求，而这种不断增高的要求主要不是针对机械系统的要求， 而是对数控机床的控制设备一一数控系统提出的挑战。 针对这种挑战迫切需要一种新的数控系统来满足生产商日益增长的需求， 以克服传统数控系统带来的不便。虽然传统的数控系统已经实现了非常复杂的功 能并达到了相当的精度，但由于传统的数控系统采用专用计算机系统，其实现过 程对用户来讲是封闭的，并且它的各个模块功能固定，各厂商的软硬件互不兼容， 用户无法对系统进行重新定义和扩展，系统与外部缺乏有效的通信功能，这增加 了用户的投资风险和成本i z j 。为改变这种状况，迫切需要能开发一种可以方便扩 展、功能柔性并且对用户开放的数控系统，开放式数控系统便应运而生。 开放式数控系统的概念是美国在八十年代末提出的，它具有开放柔性高、成 本低、升级扩展容易、投资风险性小和可以引入最新的p c 软硬件技术等优点，是 二十一世纪数控技术的发展方向 3 1 。 开放式数控系统是一个全新的概念，目前尚没有统一的定义。o s a c a ( o p e n s 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 ) 是欧共体为开放式数控系 统定义的控制器结构，它将工业控制领域的开放式系统定义为：“开放式控制系统 由一系列逻辑上独立的部件组成。部件之间的接口以及部件与实现平台的接口已 (预先定义，允许来自不同厂家的部件协调工作，从而形成一个完整的控制系统。 该系统可运行于不同的平台上，并为用户和其它自动化系统提供一致的界面【4 1 ”。 软件化开放式数控系统采用通用的计算机硬件，在市场国际化的今天，从购 买硬件单元进行组合这一点上看，我们与国外处在同一起跑线上，而这正是我们 山东大学硕士学位论文 的数控技术落后的主要原因，为我国数控技术赶超世界先进水平提供了极好的契 机，因此，开发软件化开放式数控系统的任务势在必行。 1 2 开放式数控系统的研究状况 当前开放式数控系统的研究工作主要是在选择系统操作系统的基础上研究数 控系统的总体结构框架，在系统框架中定义并实现各功能模块，实现数控系统的 加工功能和与外界设备的通信能力。相对于传统的数控系统，开放式数控系统以 其明显的优势和潜在的市场竞争力，近年来成为世界各国和科研机构竟相研究的 科研课题，其中比较著名的主要有以下几个【5 ： ( 1 ) 美国国防部发起的n g c ( n e x tg e n e r a t i o nc o n t r 0 1 ) 计划。n g c 的主要 目的是为控制器建立制造商中立的标准，以减少在军事设备方面对日本控制器的 依赖。 ( 2 ) 美国汽车工业界的o m a c ( o p e n m o d u l a r a r c h i t e c t u r ec o n t r o l l e r s ) 计划。 c h r y s l e r 、f o r d 以及g e n e r a lm o t o r s 提出了汽车工业中对开放式模块化控制器的需 求分析，目的是减少投资和成本，提高集成度和适应性。 ( 3 ) 日本的i m s ( i n t e l l i g e 州m a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 计划。此项目以日本工 业为首，同时对其它国家开放。i m s 中的大部分与先进制造系统和自动化有紧密 联系，如多功能制造系统、全息制造系统、专家系统以及智能监控系统。 ( 4 ) 欧共体的e s p r i t6 3 7 9o s a c a 计划。它是开放式系统研究中规模最大 的一个之一。它综合考虑了包括网络功能、应用软件和硬件方面的几乎所有标准。 ( 5 ) 美国国家标准局的r c s ( r e a it i m ec o n t r o ls y s t e m ) 参考模型结构。同时 开展了增强型机器控制器e m c ( e n h a n c e dm a c h i n ec o n t r o l l e r ) 的研究。另外些研 究工作有c h i m e r a 计划，由c a r n e g i e m e l o n u n i v e r s i t y 进行实时系统多处理器数据 库结构m d a r t s ( m u l t i p r o c e s s o rd a t a b a s ea r c h i t e c t u r ef o rr e a lt i m es y s t e m ) 的研 究。 ( 6 ) 国外几家生产数控系统的厂商投入了巨大力量研究开发开放式数控系 统，s i m e n s 、f u n a c 、c i n c i n n a t i 和b r j d e p o p t 、d e l t at a u 、等公司 相继推出了基于p c 的开放式数控系统。国内几家数控系统厂家如珠峰数控、航天 数控、华中科技大学等开发的系统基本上是基于p c 微机的。 2 山东大学硕士学位论文 t 在开放式数控系统的研究中，实时操作系统( 伺服更新和插补周期为几十微 秒几百微秒) 的研究是一个关键的技术问题。在软件化开放式数控系统中，实 时性实现有两种方法即硬件实时和软件实时【6 j 。 在硬件实时实现上，d o s 采用在p c 上插n ci 0 卡或运动控制卡实现。但d o s 是单任务操作系统，数控系统功能有限，只能算是基于p c 化的n c 不是真正的开 放式数控系统，如华中i 型，航天c a s n u c 9 0 1 系列等；w i n d o w s 系统不是实时系统， 要达到n c 的实时性，只有采用多处理器，在p c 上插一基于d s p 处理器的运动控 制卡，n c 内核实时功能由运动控制卡实现，称为p c 与n c 的融合。这种方式给n c 功能带来了较大的开放性，但运动控制卡仍属于专有硬件，各厂家产品不兼容， 且w i n d o w s 系统工作不稳定，不适合于工业应用。目前大多宣称为开放式的数控 系统属于这一类，如姒z a k 的m a z a t r o lf u s i o n6 4 0 ，美国a 2 1 0 0 ，a d v a n t a g e6 0 0 和华中h n c 一2 0 0 0 系统等。 在软件实时实现上，只需一个c p u ，系统简单，但必须有一个实时操作系统。 数控系统内核要求硬实时( h a r dr e a lt i m e ，小于i 0 0 微秒) 。现有两种方式：一 。种是采用单独实时操作系统如q n x ，l y n x ，v x w o r k s 和w i n d o w s c e 等，这类实时操 作系统比较小，对硬件要求低，但功能相对w i n d o w s 等较弱。如美国c l e s m e n 大 学采用q n x 研究的q i ：n o t o r 系统；另一种是在标准的商用操作系统上加实时内核， 如w i n d o w s n t 加v e n t u r c o m 公司的r t x 和l i n u x 加r t l i n u x 等。这种组合形式既 满足了实时性要求，又有丰富的应用软件和开发工具，便于与其他系统实现通讯 和数据共享，是开放式数控系统的发展方向。w i n d o w s n t + r t x 组合的应用较成功的 有美国的o p e n c n c 和德国的p a 公司( 自己开发的实时内核) 【7 1 。l i n u x 和r t l i n u x 是源代码开放的免费操作系统，发展迅猛，是我国力主发展的方向。我们在国家 自然科学基金项目的支持下，选择l i n u x 和r t l i n u x 组合，实现软件化数控内核。 1 3 开放式数控系统的特点 ： 开放式数控系统是制造技术领域的革命性飞跃。其硬件、软件和总线规范都 是对外开放的，由于有充足的软、硬件资源可被利用，系统软硬件可随着p c 技术 的发展而升级【8 】，不仅使数控系统制造商和用户进行的系统集成得到有力的支持， 而且针对用户的二次开发也带来方便，既可通过升级或裁剪构成各种档次的数控 3 山东大学硕士学位论文 系统，又可通过扩展构成不同类型数控机床的数控系统，开发周期大大缩短。随 着信息技术和的p c 技术迅速发展，信息系统可以方便地与控制系统进行通信，因 此对开放式数控系统提出了以下需求【9 1 ： ( 1 ) 开放性，允许将现成的硬件和软件集成到现有的数控系统中。 ( 2 ) 模块化，在不影响控制器其余功能的前提下，允许用户对控制功能部件 实现“即插即用”。 ( 3 ) 可扩展性：允许用户和第三方向模块中增加功能而并不完全取代模块。 ( 4 ) 可移植性：允许模块可运行在不同的操作系统平台上。 ( 5 ) 可伸缩性：允许控制器能够实现在不同的结构平台上，如分布式多处理 器系统、独立p c 机等【1 0 】。 为实现开放式数控系统的以上特点，需要对传统数控系统的结构作相应的改 进。目前开放式数控系统研究的主要形式是p c 化的n c ，即在p c 的基础上插上 具有n c 功能的运动控制卡完成实时性要求高的n c 内核功能。这种形式相对于 传统数控在开放性能方面已有许多改善，但它还包含有专有硬件，还不是严格意 义上的开放式数控系统。要使数控系统实现真正意义上的开放性，必须使数控系 统独立于专用硬件、控制器内的数据开放并可重新配置i i ”。 1 4 本课题的任务 本课题是开放式数控系统研究工作的一部分，其主要任务就是在研究开放式 数控系统总体结构和各个功能模块基础上，定义译码模块、轨迹规划模块和插补 模块各自的接口函数，确定其通信方式并实现其具体功能。具体内容如下： ( 1 ) 开发具有开放性特点的译码程序，使加工代码独立于c n c 内核。 ( 2 ) 确定译码程序和轨迹规划程序之间的通信方式。 ( 3 ) 实现轨迹规划模块功能，完成c 功能刀具半径补偿。 ( 4 ) 实现高效的软件化插补方法，实现平面内列表点的n u r b s 插补。 以上几个模块是开放式数控系统中不可缺少的组成部分，对它的研究是实现 开放式数控系统所进行的一些基础性工作，其实现过程对开放式数控技术的发展 具有重要的理论意义和实用价值。 4 山东大学硕士学位论文 2 软件化、开放式数控系统的体系结构 针对传统数控系统非开放的缺点，为使得开放式数控系统独立于专用硬件， 并且可实现系统的重新配置，必须建立一种有别于传统数控系统的结构，而标准 化、模块化的软硬件体系结构使数控系统的开放性成为可能。软件化开放式数控 系统建立在通用的操作系统平台之上，按功能划分数控系统的功能模块，并且注 重数控系统内部模块之间和模块与外部设备之间的信息交捌l 。开放式数控系统 是制造技术领域的革命性飞跃，其硬件、软件和总线规范都是标准的，对外开放 的，使数控系统满足模块化、标准化和网络化的要求。 2 1 开放式数控系统的模块化结构 开放式系统是由在系统平台上运行的诸多功能模块和数据库组成的，根据每 ( 个模块所实现的具体功能将模块划分为实时任务和非实时任务两类。钔。为实现每 c 8 8 击机床ii 击网络i ；l 二7 二7 图2 - 1 开放式数控系统模块化拓扑结构 山东大学硕士学位论文 。 个模块之间的通信，需要预先定义各模块的接口。通过模块与操作系统之间和模 块内部之间的消息传递和通信共同实现开放式数控系统的基本功能i l ”。我们所定 义的开放式数控系统的拓扑结构如图2 1 所示。 在开放式数控系统中，实时任务模块是指需要定时的准确性和时间响应快速 性的模块，而非实时性模块指那些对时间响应不严的模块，如配置系统，它在数 控系统初始化阶段完成，不影响系统在加工过程中的消息响应。实时性模块由实 时接口函数编程实现。根据实时模块在系统中所处的位置和完成的功能，实时操 作模块分为不同的优先级。操作系统根据各实时f 生模块优先级的高低决定各模块 的执行顺序 1 6 1 。在图2 1 中，属于实时任务的模块有译码模块、轨迹规划模块、 任务调度控制模块、插补模块、软件p l c 和设备驱动模块。而图形用户界面、数 据库系统和配置系统则属于非实时任务模块。 c 2 2 开放式数控系统的功能模块 如上所述软件化开放式数控系统是由不同优先级的实时和非实时模块组成 的，每个功能模块又有各自不同的优先级。c n c 装置就是在硬件的支持下，执行 软件化模块的全过程。数控系统中各模块的功能如下i ”j ： ( 1 ) 译码 译码模块负责将数据加工代码翻译成数控系统能识别的数据结构格式。转换 后的数据结构存储在系统内存中，并且能够被其后的功能模块所访问。 ( 2 ) 轨迹规划 由于n c 代码是根据零件的实际轮廓进行编程的，但因为刀具圆弧半径的影 响，刀具的中心轨迹并不是零件的轮廓，而是偏离零件轮廓一个刀具半径值。轨 迹规划的任务就是由零件轮廓和刀具半径值，根据刀具运动方向确定刀具中心的 运动轨迹。 ( 3 ) 任务调度 此模块处理准备功能指令、辅助功能以及刀具指令等。它将各种功能指令按 照其类型加以处理并将其送至相应的处理模块。例如遇到准备功能时将其和其后 的数据送至轨迹规划模块，而遇到辅助功能指令时将其和其后数据送至p l c 模块 进行逻辑处理。 6 山东大学硕士学位论文 ( 4 ) 伺服控制模块 伺服控制循环在每个采样周期进行一次。在每个循环内，伺服系统对插补的理 论数据和实际位置进行比较，并将其差值送至电机驱动器控制电机产生正确的运 动( 如图2 - 2 ) 。此外，还要完成位置回路的增益调整、各坐标方向的螺距误差补 偿和反向间隙补偿，以提高机床的定位精度。伺服电机的加减速控制也在这里完 成。 图2 - 2 伺服控制 ( 5 ) 插补模块 插补模块对轨迹规划后的刀具中心轨迹进行细化，并分别将本插补周期内的 各轴进给量送至各轴以形成最终所需的运动轨迹。插补运算在每个插补周期进行 一次，在每个插补周期内，插补模块负责计算出下一插补周期内各坐标轴的进给 量并将其送至伺服系统。插补周期必须大于插补运算和其它实时运算所占用的时 间的总和。 ( 6 ) 软件化p l c 软件化p l c 是用软件编程的方法实现硬件的逻辑控制。在数控机床中的p l c 程序中共有两个优先级的p l c 程序段，分别是低优先级p l c 和高优先级p l c 程 序。低优先级p l c 程序负责处理一般的逻辑控制，高优先级p l c 程序处理诸如急 停和机床故障等信号，其扫描周期固定，在处理低优先级p l c 时每隔一定周期 执行一次高优先级p l c 程序。 ( 7 ) 设备驱动模块 设备驱动模块的作用是通过对伺服驱动和p l c 输入，输出的驱动确保c n c 系统和机床之间定时的准确性和通信的实时性1 8 。 ( 8 ) 图形用户接口 。 图形用户接口主要实现用户和数控系统的交互式输入功能，提供友好的人机 界面。例如数控代码的编辑、刀具位置显示、加工过程仿真显示和机床状态显示 等，机床的故障诊断也由用户接口显示。 7 山东大学硕士学位论文 ( 9 ) 数据库系统 数据库系统主要用来存储并管理机床的参数设置、刀具管理数据、加工参数 以及数控加工中的多媒体帮助信息等。用户可以根据自己的需要来设置数据库的 内容以适应自己的需要【1 9 】。 ( 1 0 ) 配置系统 开放式数控系统是有一系列逻辑上相互独立的功能模块按一定的逻辑关系相 互连接而成。用户可以根据自己的需要选择相应的功能模块进行配置，以满足自 己的具体需要。 ( 1 1 ) 操作系统 本课题中的开放式数控系统是基于免费的l i n u x 和r t l i n o x 操作系统满足数 控系统对操作系统实时性的要求。l i n u x 操作平台可靠型高，稳定性好，易于实现 扩展，并且支持所有i n t e m e t 协议，可以形成强大的网络，实现数控系统与外部的 信息交换。 。 2 3 程序译码和插补模块 开放式数控系统的软件化实现是一项复杂的系统工程，本课题进行的研究工 ：作涉及到实时任务中的译码、轨迹规划、任务控制和插补模块的接口函数和其实 现过程。从数控系统的总体结构看，这部分功能位于用户接口和设备驱动之间1 2 0 l ， 所完成的工作是从n c 加工代码的文字处理到最终插补数据输出的全过程，它在 整个系统中的位置如图2 3 所示。 开放式数控系统的一个重要特征就是n c 加工代码的开放性1 2 i 】，数控系统接 收的可以是i s 0 6 9 8 3 标准( g 、m 代码) 代码，也可以是由c a d c a m 软件直接生成 的代码咀及其它数控代码，如何在各种n c 代码和c n c 内核之间有效的交换信息， 使n c 代码独立于内核之外是译码模块需要完成的工作m 】。 先进制造技术的发展，对控制精度和速度方面提出了更高的要求。这不仅要 亡求数控系统能实现高速多轴联动控制，而且能实现微米级的控制精度】。高速高 精度数控技术的核心内容包括两方面：一是高速高精度位置伺服控制技术，第二 就是高速高精度多轴联动插补技术1 2 4 l 。 8 t c 山东大学硕士学位论文 图2 - 3 译码、规划和插补模块的位置 目前在一般的c n c 装置中，仅能完成对直线和圆弧的插补计算，但在一些高 档的c n c 装置中还能完成对椭圆、抛物线和其他一些专用曲线的插补计算。随着 c a d c a m 技术的发展，一些用计算机自动生成的更为复杂的曲线的插补计算工 作需要有一种更先进的插补算法 。插补模块的任务就是实现高速精确的插补算 法并实现复杂曲线的插补计算。 插补计算的采样周期是影响数控系统控制精度和速度的关键因素。为既保证 高的控制精度，又达到高的进给速度。唯一的办法就是减小插补周期，提高插补 频率。 2 4 小结 数控系统的体系结构和各功能模块的定义是进行软件化开放式数控系统研究 山东大学硕士学位论文 的首要任务。本章提出了基于l i n u x 和r t l i n u ) ( 平台并采用标准p c 硬件的模块化 开放式数控系统拓扑结构，并对其中各个模块的功能进行了简要的分析。重点论 述了译码和插补模块的功能和任务，并就实现这两个模块的技术要点进行了分析。 译码的目的是建立丌放式译码程序并实现加工信息的翻译。插补的重点是研究复 杂曲线的插补算法，减小插补周期，以减小插补误差，提高加工精度。 c 】0 山东大学硕士学位论文 3 功能模块的需求分析 3 1 译码模块的功能需求 开放式数控系统中的译码模块主要考虑两方面的问题，其一是实现加工代码 的开放性特点，其二是实现译码模块与其他功能模块之间的通讯和译码模块与 c n c 系统之间的协调工作问题田1 。 开放式数控系统要求系统的各个功能模块可以在满足系统总体需要的条件下 各模块的可移植性，各模块的功能可以根据用户要求实现扩展，并且当更换某个 模块后或是扩展其功能后，不需改变其他模块而使系统正常工作【2 8 j 。对译码模块 提出的要求就是实现译码模块的开放性。具体说就是使译码模块独立于c n c 系统 其他功能模块之外。传统的数控系统，其译码模块只能识别某种或某几种数控加 工语言，当需要应用另外的数控语言编程时，需要对c n c 系统中的几个模块进行 ，修改，以适应新的数控语言，而且修改译码程序往往要相应地修改轨迹规划和插 补模块等，工作量大，且比较复杂。开放式数控系统要求，译码模块与系统其他 模块间通过预先定义好的标准的接口函数相连，当数控加工语言改变后，只对译 码模块进行改进，而不需对其他模块进行任何变化【2 9 j 。当前，零件的加工程序大 多数仍由g 、m 代码经手工编制而成，随着c a d c a m 技术的发展，零件的加工 程序越来越多的由计算机软件自动实现，并且其表达形式可能不尽相同，为了使 c n c 系统适应不同语法规则的数控加工语言，开发开放式数控系统中的译码模块 势在必行。并且，如果真正实现了译码程序的开放性，用户甚至可以编制自己制 定的数控语言【3 0 1 。 译码模块与其他模块之间的通信是指如何实现译码模块与其他功能模块特别 是与轨迹规划模块之间的数据交换，并且在实时加工过程中，如何实现译码模块 和其他实时性模块之间协调工作的问题f 3 】1 。n c 代码是用来表示零件加工信息的文 c 本，数控系统不能对其进行识别，译码模块的任务之一是将n c 代码翻译成数控 系统能够识别的数据结构。在c n c 系统中，系统对各模块的执行顺序和占用系统 的时问有严格的实时性要求。译码模块、轨迹规划模块和插补模块等各种实时性 模块被分别定义为不同优先级的进程，它们与操作系统之间通过消息进行响应， 山东大学硕士学位论文 它们的执行顺序和时间靠操作系统对进程优先级的控制实现m l 。 3 2 轨迹规划与插补的需求 由上章可以看出，在译码模块将n c 代码翻译成规定的数据结构后，将其传 递给轨迹规划模块，由规划模块对数据进行进一步处理，送至插补模块进行插补 这三个模块是一个紧密联系的整体。轨迹规划主要考虑刀具圆弧半径对加工过程 的影响，此外还要考虑程序段之间的转接情况，实现c 功能刀具半径补偿。轨迹 规划除了形成刀尖中心的路径外，还负责进给速度的转换、刀具与工件之间的干 涉检验等任务i 3 3 。 插补是数控系统最主要的模块之一，插补的主要任务是将程序段分解成各坐 标轴上的小数据段，并使坐标轴的合成运动形成需要的加工轨迹。由于现代机械 加工对数控机床提出了更高的加工复杂度要求，要求数控系统在实现基本的直线 和圆弧的插补功能外，还要实现空间任意曲线的加工，如发动机螺旋桨的加工和 模具加工等，这要求实现空间曲线的插补算法并进行误差分析。插补是实时加工 过程中占用系统时间最长的进程，并且插补的速度和精度将影响到零件加工的效 率和质量，因此研究先进的插补算法，以减小插补周期是实现插补模块的又一个 任务1 3 4 1 。 c 3 3 具体目标 求 综合分析数控系统的整体结构在满足总体目标的基础上，力争达到下述要 ( 1 ) 零件加工代码 用户可以定义自己的加工代码。 夺加工程序将有更大的容错性能。 夺兼容i s 0 6 9 8 3 标准。 夺将加工代码的显示与机床加工步骤相结合。 夺建立高效的文件管理方法。 ( 2 ) 译码程序模块 12 山东大学硕士学位论文 夺缩短译码程序的执行时间。 夺创建高效的数据结构保存译码结果。 夺建立译码程序模块和轨迹规划模块之问的通讯方式。 ( 3 ) 轨迹规划和插补模块 夺定义轨迹规划用数据结构，实现轨迹规划模块和译码模块之间的相对 隔离。 定义轨迹规划模块与译码模块之间的通讯方式和接口函数。 夺实现c 功能刀具半径补偿。 夺采用高效的插补算法，减小插补周期。 夺实现平面内n u r b s 曲线的插补方法。 c c 13 山东大学硕士学位论文 4译码和轨迹规划模块的软件化实现 译码和轨迹规划模块是开放式n c 代码与c n c 内核之间联系和转换环节，对其 进行软件化编程的主要目标是定义各模块的接口函数，定义它们内部各自的数据 结构并实现这两个模块之间数据的转化和数据共享。在实现各个模块基本功能的 基础上建立译码和轨迹规划模块之间的通信方式。 4 1c n c 装置的数据转换流程 图4 1 是c n c 装置中直线控制功能的数据转换流程图。在c n c 装置中，直 线、圆弧和其他曲线控制功能的数据转换流程是大致相同的。这里我们以直线为 例来说明c n c 装置的数据转换流程。图中每一个框中的变量表示进行一次数据变 换后的结构。 g o 五 l f 图4 - 1 数据转抉流程 ( 一) 译码 译码程序从c n c 装置的零件程序区中读出一个程序段当译码程序发现在该 程序段中有g 0 1 代码时，就知道要处理的是直线。译码程序把指示该直线轨迹的 c终点坐标( x e ，y e ) 和刀具沿直线移动的速度f 等数据识别出来，经过相应的数据 转换后送到译码缓冲区。图4 1 中的蜀，n ，厅j 就是译码后的程编数据。 ( 二) 刀具补偿 刀具补偿主要完成以下几步计算： 14 t o o 山东大学硕士学位论文 0 ( z ( 6 ) x 0 ) x a ) 、b ) 、c ) 刀具补偿 d ) 速度处理 e 1 插补 。， 一肛日。+ z 。增量编程 u j 五”“一1 z 。， 绝对编程 如图4 2 ( a ) 所示，是上一个程序段的终点坐标，在本程序段中作为直 线的起点坐标。而w 是经过计算后的本程序段的终点坐标。 c x “2 瓦j 恶毒舞丽 2 而i j - r ( i x o 瓦, , - 诼x , o o 而) 如图4 2 ) 所示，r 是刀具半径，。和d 是刀具半径在x 和y 坐标方向的 15 乜 山东大学硕士学位论文 投影。 ( 3 ) x 8 1 = x + x b a y b l 2y b o + y b a 如图4 2 ( c ) 所示，( x a ，。，。) 是经刀具半径补偿后的真线段终点坐标。 ( 三) 速度处理 速度处理主要完成以下几步计算： ( 1 ) 上。= x 。一x 。，o = ，。一，。，工= ：啊 如图4 2 ( d ) 所示，( 工舳l r ) 是刀具补偿后直线段在x 和y 坐标上的投影，三是 刀具补偿后直线段的长度。 ( 2 ) c o s = l r t l ，c o s , 6 = l y l 如图4 2 ( d ) 所示，c o s z 和c o s f l 是刀具补偿后直线段的方向余弦。 ( 3 ) 战= f t t 6 0 ，式中，是合成进给速度，单位为m m m i n ，t 是插补周期， 单位为m s 。式中工是每个插补周期小直线的长度，单位为u i t i 。 ( 四) 插补 插补主要完成以下几步工作： ( 1 ) 址= 世+ 倍率 ( 2 ) 厶。= 厶。+ l ( 3 ) x 3 = 厶+ c o s a ，匕= 厶+ c o s , b ( 4 ) t = x 3 x 3 。，墨= 墨一e 。 如图4 - 2 ( e ) 所示，址是乘倍率以后的每次插补周期小进给直线段。厶。是本 次插补周期插补动点与程序段起点之间的距离。( 玛。，e ，) 是本次插补周期插补动 点与起点之间的距离在x 和y 方向上的投影。( x ，k ) 是本次插补周期的输出 位置增量值。 ( 五) 位置控制 位置控制主要完成以下几步计算： ( 1 ) 置。= 五。+ a 砭，墨”= e 口+ e ( 2 ) 五= x 1 口+ ，x = k 。+ i ( 3 ) y ，= 五一x 1 e = e 。一k 如图4 3 所示，( 置。，k 。) 是指令位置，( 瞄，k ) 是反馈的位置增量值， 山东大学硕士学位论文 。 ( 。k 。) 是实际位置，( 鲥，匕) 是位置控制的输出值。 插补输出指夸位置位控输出 图4 - 3 位置控制数据转换 由以上流程中的数据变化可以看出，c n c 系统的各个功能模块的执行过程本 质上就是对加工程序中的各种数据进行各种变换的过程，以下将对译码、轨迹规 划和插补模块进行详细讨论。 4 2 加工程序的译码过程 开放式数控系统的一个重要的特征就是加工代码的开放性，即零件的加工代 码可以根据不同机床厂商和用户的需要添加语法和词法规定，生产商可以根据自 己的经验和特长制定自己有特色的加工代码，当零件加工代码的制定规则改变以 后，只需相应的改变译码程序的程序源代码，而不需要对除译码程序以外的模块 进行改变，就能使译码其他模块适应新的加工规则，译码程序在零件加工代码和 c n c 内核之间起到了一个桥梁的作用”。 4 2 1 译码程序控制方式 译码是对文本文件进行处理，将其转换成预先定义的数据格式并按一定结构 方式进行存储和运算的过程。在数控系统中，零件的加工程序是以g 、m 代码等组 成的一段段程序。每段程序表示对零件外形几何线条的加工或辅助操作，常用的 译码有三种方法。 ( 1 ) 解释控制方法 17 c 山东大学硕士学位论文 对零件加工程序逐条进行预解释、插补、控制，即在出现模块定时中断进行 插补的同时，解释程序预解释下一条程序，等本程序插补完成后，将下条程序预 解释的结果交给插补模块。这种方法实现简单，但各模块间的控制是顺序的，串 行的，结果效率低，不易处理各程序段间的转接，且易形成停顿与过切。 ( 2 ) 编译控制方法 编译程序预先对要插补的零件程序全部编译，将结果放入缓冲区中，当插补 开始时，直接启动插补中断程序，从缓冲区中取出编译好的零件程序，进行计算 并控制程序加工。这种方法加工速度快，效率高，但需要较大的内存，并且编译 与加工之间存在时间间隔。当利用小直线段进行插补或零件程序较为复杂时，容 易造成系统资源紧张，降低系统总体性能。例如，利用c a d c a m 生成的零件程序 一般有l m 以上的大小，而在仿形加工数控系统中，零件程序甚至可达十几兆。虽 然p c 的内存与硬盘空间较大，但从避免浪费系统资源、方便功能扩展及有利其他 任务执行的角度出发，有必要研究更好的处理方法。 ( 3 ) 资源重叠流水处理的解释控制方法 编译程序第一次扫描零件加工程序，主要进行程序格式分析及主词法分析， 并进行简单的词义考察，但通常并不处理有关的数据。若零件加工程序没有语法 和格式错，则进行第二次扫描，进行译码与数据处理工作。 资源重叠流水处理的解释控制方法相对于其他两种方法，具有译码结果的连 续性、资源利用的有效性及占用系统空间小等优点，是最常用的译码方法。资源 重叠包括两方面的含义，即时间重叠和空间重叠。时间重叠是流水处理的关键， 它不仅是指当c n c 装置在n c 工作方式时，程序输入、译码、插补和位置控制四个 过程间处理时间的重叠，而且指译码过程本身所包含的各子过程间处理时间的重 叠。译码过程一般分为四个子过程：程序输入、语法检查、解释和刀具补偿。进 行第一次扫描时执行程序输入和语法检查两个子过程。进行第二次扫描时则执行 程序输入和解释及刀具补偿三个子过程。空间资源重叠是指译码程序并非一次性 将加工程序翻译完毕，这样将占用大量的内存空间，它是按插补模块的要求，根 据程序加工段的大小，在保证系统能连续进行插补加工的条件下，预先解释一段 或者几段加工代码，将其数据送至插补内存区域进行插补运算，待插补模块在对 已经解释的程序段进行插补时，对剩余的程序段进行翻译，然后将结构送至内存 空间。这样即保证了系统译码、插补和加工的连续性，又不占用大量的空间， 18 c 山东大学硕士学位论文 造成资源的浪费。资源重叠流水处理已经成为开放式数控系统最常用的译码方案。 在l i n u x 和r t l i n u x 中，加工程序译码后的数据结构被保存到一段预先开辟 的内存空间中去，这段内存空间称为共享内存( s h a r e dm e m o r y ) 。共享内存是在 计算机内存中开辟一段区域，实现l i n u x 进程和r t l i n u x 进程之间的通信。共享 内存具有以下特征9 卅： ( 1 ) 共享内存不需要对写入的数据进行排队。需要握手的两个应用程序必须 要定义协议以确保数据不被覆盖。 (