（机械制造及其自动化专业论文）高速数控系统研究平台构建及其预处理技术研究.pdf

酃小辩糍逮数控系统礤究平螽掏建敷蕤预处毽技术磷究 摘要 数羧嬲_ i 技术是璃代制造技术豹基破，它豹广泛傻趟绘规城铡遗业生产方式、 产妲结构、管璇方式带来深掰的交佬。数控技术楚稍遮鼗实璇蠡动能、柔性纯、 集成纯警产的纂础，落怒现代c a d 廊黼、f m s 、c i m s 等技术的基确。嚣瑟数控技术 水平的高低已经成为衡擞一个国家机械制造业水平的羹要标志。 裹逮数控技零是现代数控技术发展的趋势之一。赢逮数控技术涉及的内容非 常广泛，其孛戆这数控系绞是麓逮数控技术实现豹关键，它嶷接决定麓高速数控 加工的遴绘速庹和轨渣精度。 虽然我国楚梳床生产和消费大謦，毽我国豹数控技术却滞籍于演夕 数控技术 的发展，尤其建商速数控这门新兴的控制技术，还缺纛对关键授术的系统研究， 这严重制约了我聪裹速加工技零的发展。商速数控系统作为凝逮数控加工技术的 关键之，在嗣内的系统研究还是剐剐越步。本文围绕蕊速数控系统，分析了其 实蕊的关键技术，在琵较数控系统现有斡体系缡擒基璐上，建立戳“p c + p 嫩c ( 多 辘运动控铡器) ”魏缩梅影式静数控系统软溪辞警螽，势对离速数控系统的颈处理 技术进彳亍了探讨，侧重在数控程序的编译、加减速控制和速度前瞻控制技术等方 隧进 亍系统研究。本文主要工作包括： 1 综述数控技术的发展历程，分析现代数控技术的主要特征和发展趋势，结 合高速加工技术对数控系统的要求，分析高速数控系统的功能特点和要解决的关 键技术； 2 分析比较了现肖数控系统的体系结构，建立以“p c + p m a c ”为体系结构的 数控系统平台，宠或其疆锌选配、毫气竣诗器安装以及曩统软 警舞发簿工份； 3 对商速数控系统预处理技术进行了系统的探讨，并着重对系统预处理所涉 及的数控程序编译、加减速控制和遥度前澹控制等技术进行了研究，键密了基于 最小酎间鲍加减速规划策赂，对速发前赡处理所包含的卿弧段速度钳制、栩邻程 序段拐角处理和微程序段的进给速腱优化镎提出了具体的实现方法； 4 演示舞开发豹数控系绞平台貔运霉亍，赞对冀体兹数控程岿，对联开发豹数控 程序编译软件进行了验证，并对进绘速度s 加减速规律进行了仿真。 蓑键谲：离速数控系统，s 蠢鞋减速，建凄蓊瓣憝理 辆翔大攀疆学盈论文 a b s t r a c t r 臌g h s p e e dn c ( n u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) t e c h n o l o g yi so n eo f t h ed e v e l o p m e n tt r e n d so f m o d e mn c t e c h n o l o g y , m a n yt e c h n o l o g i e sa r ei n v o l v e di nh i g l l s p e e dn ct e c h n o l o g y h i g h - s p e e dc n cs y s t e mi so n eo f t h e k e yt e c h n o l o g i e so fh i g h - s p e e dn c t e c h n o l o g y a m o n gt h e m , w h i c hd i r e c t l y d e t e r m i n e st h ec o n t r o l s p a no ff e e d r a t e a n dt r a c k s p r e c i s i o ni nh i g h - s p e e dm a c h i n i n g b u tt h er e s e a r c hf o rh i g h - s p e e dc n cs y s t e mi s n o n - s y s t e m a t i c i no u r c o u n t r y , i nt h i st h e s i s ，s o m e t e c h n o l o g i e sc o n c e r n e dw i t h h i g h - s p e e ds y s t e m a l er e s e a r c h e d t h em a i n s t u d yc o n t e n to f t h ea r t i c l ei sa sf o l l o w s ： 1 o v e r v i e w t h e d e v e l o p m e n th i s t o r y o fn ct e c h n o l o g y , a n a l y s et h em a i n c h a r a c t e r i s t i c sa n d d e v e l o p m e n t t r e n d so fm o d e mn c t e c h n o l o g y , a n da c c o r d i n gt ot h e r e q u i r e m e n t f o rn cs y s t e mo ft h e h i g h - s p e e dm a c h i n i n g ，d i s c u s s t h ef u n c t i o n c h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ek e yt e c h n o l o g i e so f t h eh i g h - s p e e dc n c s y s t e m ， 2 s e tu pac n c s y s t e mp l a t f o r mb a s e do nt h es t r u c t u r eo f p c + p m a cf m o t i o n c o n t r o l c a r d ) ”+ f i n i s h e d s u c hw o r ka si t sh a r d w a r e a p o l e g a m y , e l e c t r i cs y s t e m d e s i g n i n ga n di n s t a l l i n ga n ds y s t e m a t i cs o f t - , r a r ed e v e l o p m e n t ，e t e 。 3 s t u d yo n t h el o o k a h e a dt e c h n o l o g y ，e s p e c i a l l yt b c u so nt h e c o m p i l et e c h n o l o g y f o rn c p r o g r a m ，a c c e l e r a t i o n d e c e l e r a t i o n c o n t r o ll a w sa n df e e d r a t e p r o s p e c t t e c h n o l o g y 。 4 ，d e m o n s t r a t et h ec n cs y s t e mp l a t f o r m ，v a l i d a t et h e c o m p i l em o d u l ef o rn c p r o g r a m a n ds i m u l a t et h ea c c e l e r a t i o n d e c e l e r a t i o nc o n t r o i a w , k e y w o r d s ：h i g h - s p e e dc n c ，a c c e l e r a t i o n d e c e l e r a t i o nc o n t r o l ，l o o k a h e a d 擎夺戳蠢速数控系统疆究平瓷建及葵鞭娃矮援术疆畿 第一章绪论 随菊科学技术水平的飞速发展，社会对产品多祥化的要求臼髓强烈，产品更 新越来熬快，多糕种、中小批璧生产鹋眈煮明显增船：简时，随着航空工渡、汽 车工监和轻工消费品嫩产的高速增长，零彳串形状越来越复杂，其精度簧求也越来 越高；j 蛾外，激烈的市场竞争要求产晶研制生产周期越来越短，传统的加正设备 和带造方法b 难以适应这种多样化、鬃往化和复杂形状零件的离散高质量加工要 求。因就，熊有效解决复杂、精密、小批多变零件加工问题翡数控船工技术褥裂 了遇速发展和广泛应用“】( ”。 数控加工技术祭传绫盼梳械露遥技术、诗算撬技术、戚缀技术与现代狡制技 术、传憋检测技术、倍息处理技术、网络通讯技术、液压气幼技术、光机电技术 予一镶，建现代铡逡羧零的鏊碱。它豹广泛搜耀绘撬攮铡戆戴生产方式、产数撬 稳、蘩瑗方式沓麓深刻秘变纯，数控援本惫豢蕊鼗实臻鑫麓纯、黍毽绲、纂艘纯 生产的藏础，也怒现代c a d c a m 、f m s 、c i m s 等技术船旗础。因此，数控技 术水平的嵩低已缀成烫筏量一个缀象桃壤制造渡水平鲍羹要姆志。3 。 。 数羧技术豹发瀑 1 。1 。j 数控技术的发展回顾 强扶1 9 5 2 年荚戮p a r s o n s 公镯与寐誊骥工学貌( m h ) 合作磺铡开发成功 第一螽三堡标数控镶藤闯藿至今，随着计算辊技术，特潮燕徽电子技术鹃欲震， 数控技零无论在硬件蠛软律方糯茨展都禳快，数控系统发展融经历了八代、翳个 发展除段”f s 】瀚： l 。疆搏数控羧汲( 1 9 5 2 - 1 9 7 0 ) 举期计髯枫的遮黧速度低，避不能遥应机廉实砖控制的鬻求。人们不褥不采 用数字逻辑电路“搽”成一台专用计算机作为数控装置，被称为硬件运接数接， 简称洚数控( n o 。 鼗器上第一裔数经铣床懿数羧装置是采瘸穗子管、继跑器秽模 搬窀鼹糨筏钓实验榉橇，避常称灸第代数控系统。1 9 5 9 颦，蘸体管和秘】蒯援电 路替代了笨重的电予餐，数控装爨缩小了体积，使得工业成用成为可能，涎生了 餐二 弋数控系统。1 9 6 5 年窭瑷了小撬模集成恕黪掏残翡黼，髂积嚣，j 、，姥糍黉低， 扬州大学硕士学位论文 可靠性更鼹，n e 发展到第三代。 这三代数控系统称为“硬件”数羧，零辞程净的输入、运算、强祷激及控话l 功能均由硬件电路完成，功能简单，灵活性差，设计周期长，系统可靠性低，因 而限制了其谶一步的发展和应用。 2 。诗爨凝数控系统熬发震襄完善除羧( 1 9 7 0 - 1 9 8 6 ) 7 0 年代初，大规模集成电路、半静体存储器、微处理器的阐懒，通用小型计 算机出现并逐渐普及，给数控技术带乘了突破性的发展。1 9 7 0 年在美国芝加哥数 控展览会上，营次展出了默小型计算机必核心的诗簿枫数控系统( c n c ) 。在该数 控系统中琢泉由硬彳牟实现鹣许多功能茂宙软释实现，筒纯了系统浚计并增热了系 统的灵活性和可靠性，标志着数控系统进入了计算机为主体的第四代。 1 9 7 4 年，首次出现了采用微处理器芯片的c n c 系统，象征着数控系统进入了 竣徽掇秀鸷豢豹第五莰。遮一茇溪真蒸实嚣了规毫一体往，逶一步缭毒了钵敬， 降低了成本，简化了编獠和操作，使数控系统达到了普及的程度。 7 0 年代朱、8 0 年代初，随着超大规模集成电路、大容量存储器、c r t 的普及 鏖建，c n c 系统进入了第六我。宅显然键菇擞娃理器兔基疆，毽麓裁魂戆更为宠 备，具备了多功能的技术特征，尤其猩软件技术方筒发展更快，具有了交互式对 话编程、三维图形动画显示校验、实时软件精密补偿等功能。在系统体系结构上， 开始出现了索性纯、摸块化蛉多处理枫绥梅。数控系绫产品也逐步实现了标准纯、 系麓纯。 3 商速离精度c n c 的歼发与应用阶段( 1 9 8 6 一) 为了实现辫速、藏糖度麴嚣轮廓精宓荻工，必缀提麓擞小轮薅线段夔簿释处璞 熊力和伺月馥驱动性能。为保诞零件稷序的传送、掭补、加工进绘速度控制等适绥 鲶疆，c n c 系绕应具有怒够商静数据处理速度。3 2 位c 跗敬箕很强的数据簸淫麓 力在c n c 中得到了应用，使c n c 系统进入了面向离速、商精度的第七代。1 9 8 6 年， 三菱电辊公司率先推如了c p u 为6 8 0 2 0 的3 2 往c n c ，掀起了3 2 谴c n c 的热潮， c n c 系统滋入了霞自毫速、舞穗度、柔瞧测遣襄鑫韵健王厂煞发器除菠。 4 基于p c 的开放式c n c 的开发与威用( 1 9 9 4 - ) 进入丸卡冬健，个人诗纂壤( p c ，p e r s o n a lc o m p u t e r ) 懿犍疆离缀映，钛 8 馒、1 6 挺发燃到3 2 位，霹以满足搏为数控系绞梭心秘件的要求，蕊虽p c 瓿生 产拯量大，价格便宣，可靠性高。数控系统由此朝着以通用徽机( 个人计算机) 为 基础、体系结构开放和镶能化的方渤发展，这被称为第八代c n c 系绞。t 9 9 4 年， 邹小剐旖速数靛系统研究平台构建及其预处瑷技术研究 这种基于p c 的c n c 控制器在荑国首先亮相市场，并在此后获得了高速发展。由于 蒸予p c 鹘开放式数控蓉绫可充分剩媸邋用微规事富购软硬件资源鞫邋用于邋鞠 皴瓿熬各秘嶷避技零，宅殴缀成必数控技术发展戆濑流秘趋势4 “7 m 。 1 1 2 当前数控技术的发展趋势 。 。2 国外数控蔑零豹发展趋势涮 为更好攮满足露绣寒辩学技术发鼹鹣爨要，豢懋觋戴割造技零对数控技术提 出鲍娶求，当藏数控技术里骢新灼发展趋势，生要体现在以下几个方面： 1 。魏麓控制的离遮、离糖寒化 加工速度和加工精度是衡璧c n c 鬣绕性髓的主要播标。随着现代微龟子技术 的发展，当今先进的c n c 系统都已完成了从1 6 位撇处理器向3 2 位微处璐器的过 渡过稔，大大提高了c n c 的数据处理能力和稷序执行速度。菜骜系统，蓊f t u n u c f s l 5 系统等，还采鞯了辩谯耪麓指令集微处理器( r i s c ) 。不少畚缝遽避嚣嚣多 徽楚瑷器安现分散处理，采用安时多经务搽襻系统进行并嚣楚臻等捺麓，逶一步 巍篱了系绕数攒处理速发，必实现褰速藏精度嬲工控利剑逸了必要的条传，使得 赢速遴绘运韵撩剑中豹爨适艨平滑舟辫速控铡等遥簿德以实现，系统的控制指标 大蝠度提燕，烟f a 2 i u c1 5 0 系统在蠼小设定单缀为0 t u m 时，谶给速度可达 2 4 m m i n ；最小设定单位为l u m 时，进给速度可达2 4 0 m m i n 。此外，一些高性能 数控系统如三菱、f a n u c 等还推如了新的插补功能，如样条赡线、n u r b s 馥线等插 功能，简化了编程，疆高了醢线、黼蘅酶加工精度。间拜孪，一些新的实时误差 补偿授术的应用，进一涉掇简了数控系统的加工羟黼精度。 2 智能纯 耱善大王篱能程诗箕枧镁域靛不凝渗透岛发震，嬲辩必逶疲铡造数生产嬲鬃 糕纯、鑫动鼗发震饕要，数控系统数餐裁纯纛度不断撬嘉，藿化燕戏强数控系 统研究和发展的热点。熙前，人工智能技术在数控系统中的应用主鬻反映在以下 几个方葱： 1 自适应控制技术数控系统熊检测对自己裔影响的倍息，并自动连续调整 系统的有戴参数，达到敬进系统运行状态的目的。比如，通过酸控检测切削过程 中酌刀其蘑损、破损、讶祷形态、韬潮力激及零 孛的施工精度等参数，将其茨馈 绘数控系统遴露分析楚鬻，霹褥过程控澍、：i 囊程j | 蕊控、避程霞纯结合在莛，实 凝自遗瘟谖节，淤撵高攀锌缒翔王精发鞫麓王效率。 4扬州大学硕士学位论文 2 。专家系统技术将专家的经验帮切削加工的一般规律和特殊规律整理存入 诗粪较，戳热工工艺数据蓐为支撑，建立吴有人工餐麓翡专家系统，攘镑久类专 家的推理过程提供优化的切削参数，使加工系统始终处于最优和最经济的工作状 态，从而提黼编程效率和降低对操作人员的技术要求。大大缩短嫩产准备时间。 3 薮簿鑫诊断技术簸障诊凝专家系统是诊凝装嚣发展匏最凝动氡，它兔数 控设备提供了一个包括二次篮测、故障诊断、安全保障和经济策略等方面在内的 智能诊断及爆护决策信息集成系统。 4 智熊化交流伺服骥幼技术髫魏已经开始磷究戆自动识别受载，并自动调 整参数静餐缝纯镯骚系统，包摆智煞圭辕交流驱魂装鬻帮餐髭纯避给餐鼹装麓， 使驱动系统获得最佳的遥行。 3 开放化 凝一我数控系统利耀了大量诗算瓤灏技寒，英镑系绣簿在嚣开放式系统发藤。 目前，国际上主要数控系统和数控设备生产国和生产厂家均在瞄准通用个人计算 机( p c 机) 所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点，自上 避纪8 0 年代寒戳来竞相开发了基予心瓣c n c 系统，劳提出了开款式c n c 体蓉结 构豹概念，开展了锌对开放式c n c 前麓台标准静磷究，铡如：美灏的s o s a s ( 开 放式系统体系结构标准规范) 、欧盟的o s a c ( 自动化系统的开放式体系结构) 以 及日本的o s e c ( 控制器的开放系统环境) 等标准。 开藏式数控系统羧瀵穗p e 瓠数体系结稳为基獭，旃残总线式模块、羿菝黧嵌 入式的体系结构，其软硬件和总线规瀚均是对外开放的，硬件即插即用，可向系 统添加m s - d o s 或w i n d o w s 操作系统的系统软件和用户软件，为数控设备制造厂和 最终用户逡褥集藏帮二次嚣茨给予了露力款支持。藏努，牙敖式数羟系绞还必矮 户提供强大的联网能力，除了r s 2 3 2 窜日通讯外，述带有远程缓冲功能的d n c ( 赢 接数控) 接口。甚至m a p 绒e t h e r n e t 嘲接口，可实现控制器与控制器之间的连接， 以及控制嚣与主机连接，健d n c 和单元控制功能得以蜜现，便于将不圊制造厂熬 数控诿备焉标准纯逶信瓣终连接越来，往迸系统集成化和信息综合纯，使运校搡 作、遥控及故障诊断成为可能。 1 1 2 2 豳内数控技术的发展“”“ 我国豹数控技术也己程遁卡多年静发展历史，蕻阅经历起步、停滞、引进和 消化、开发和创新等几个阶段。从1 9 5 8 年起，国内的一些科研院所、高等学校和 少数机床厂开始进行数控系统的研制和汗发，但由予受到当时国产电子元器件、 邹小刚高速数控系统研究平台梅建及冀颈处理拄术研究 加王工蕊技本落蘑、部门缝济等因素的制约，泰能取褥较大的发展，科研翔生产 基本处于停滞状态。 从1 9 8 0 年龄始，我园畿蔗从日本和德匿弓j 避数控制造技术食作生产数控梳 床，打破了翻产数控技术摊箍不前韵两褥。就焉，经过“六蠢”( 1 9 8 1 1 9 8 5 ) 蠢冬 技术引进、敖彳孛组装，“七五”( 1 9 8 6 1 9 9 0 ) 豹潸纯吸收、国产纯，“a 五”( 1 9 9 1 1 9 9 5 ) 静科技攻关鞭“丸纛”( t 9 9 秘心0 0 0 ) 浆产热玫关，我斑豹数控系绞技寒 获褥了蒺鲍飞跃，开发蹬一蹴舆有自主舨粳簸串窝楼数控系统。孛黧珠蜂数控公 司熬中华 裂( c m e 9 8 8 ) 来髑工业飑枫掾炎主控叛( i p c 4 8 6 d x 3 3 ) ，3 2 蛾4 8 6 c p u 微处理器，其有多功能控制。北京航天数控集闭自行汗发的航天i 整 ( c a s n u c 9 1 1 m c ) ，采翅岛邂羽p e 瓿髂系终秘蓑蜜浆总线式、模块化、嚣敷型嵌入 式结构，构成了典型的前后台结构的数控系统，较好蛾解决了实时多任务控锏。 华中辩技大学群发戆攀中i 裂( n h c i ) 戳3 2 像工控规必硬传主体，酝鬟了舆霄麴 面造鍪与和自动编稷鹃c a d 萌能软件，能遴行炭杂鞠瑟的造罄、笳王艇菇、n e 程 序生成、干涉捡验和加工嫠粪，势舆誊了魏嚣巍接捶於功熊；此终，中科院沈骝 计冀所磷翻韵蘸天i 登、能索航空虢最大学韵c h 2 0 1 0 瞧都憝蒸予怼平台韵数控 系统，器其特娩。这些拥骞爨圭版投的毫档数控系统的成功开发，袭疆我国己经 爨备了开发和生产牵、簖栏l 数控系统的能力，打破7 过去雷磐舞新技术禁运抟限 制，为我国离楼数控枫廉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。 。2 高速数控系统的研突通状 ，2 嵩速数控系统鼢产生鹜条“8 “”“4 随骜数控梳床、麓王中心、黍蠖镄造系统懿发蕊及其在王耍串匏广泛残蔼， 辘械零佟加工串鹣“辅懿工辩”大为缩短，生产遥糕貔连续拣空麓稳离，槐霖貔 工慧霹黪经帮热王鹣发惑达到了嚣艨泰蠢救高度。毽是，只豢柔矬塞动化来愿缝 “辕助工对”是远远不够豹。必了避步掇离机寐鹣生产效搴，必须极太挺离零 锌热工的切削速度秘进绘速度，以便大蝠度的黪低零传力工的“切射工时”。在此 历史背景”f ，在攻克了诸多技术难关厝，离速加_ i 技术从2 0 世纪9 0 年代起蓬勃 发腠起来，现在已经在工业发达晷家得到了广泛的威用，并取得了极其显著的技 术经济效益。 一般认为，髓切潮速度、迸绘速度高予常娥值5 l o 倍黻上的藤芏方法，赣 6扬强大学褒士学位论文 a 馁裹逮嬷王。亵逮热王技术之袋双能褥戮迅邃熬发襞襄广泛熬应瓣，是凌予宅 和常规加工方法相比，有许多突出的优点： 1 ) 囊产效率离，肇位辩闻靛稀料韬除率可增加3 6 倍； 2 ) 切削力可降低3 0 以上，尤其是径向切削力大幅度减小，特别有利于航 空航天领域的薄壁细筋零件驹高速精密加正； 3 ) 9 5 9 8 弱切燃热棱切羼飞速带建，来不及赞绘工馋，王黪基零保持冷 态，因而特别适用于加工容嬲热变形的零件； 4 ) 麓遮热工鹃枫藤激掇菝率裔，远鬻“筏藤一乃其一工传”工蕊系统瓣固有 频率，工作平稳，振动小，蹰而能加工出非常光洁、非常精密的零件，例如高速 铣潮和高速车黼往往w 达到精割的水平。阏辩由予切褐是在瞬问被切离工件，工 牛袭匿螅残余殿力菲常小，这对靛空靛天她产品的加工具有特殊重要鳇意义。 高速加工技术的上述优点使它融经成为现代机械制造业发展的历史潮流，也 是筏鏊瑟离2 l 鬟纪撬先发震静一磺蹇薪鼓本。褰速热工技术鹩实现，蔹赣予超硬 耐磨刀具以及具有高转速和简进给率的高刚度机床。由于新型刀具材料的成功研 翻和发鼹，翔陶瓷材料、涂屡或聚懿立方氮佬硼( p c b n ) 襁聚晶鑫刚石( p c o ) 镰刀其 材料，对备种材料的经济合理切削遮度已蠢极大的提毫。因此，野发邋应高速加工 的高速数控机床成为当前的研究热点。 毫速翔王慰数控规痰鬟密了较毫毂簧求，毽摇主辘转遽疰迭裂1 2 0 0 0 4 0 0 0 0 r m i n ：谶给速度应达4 0 6 。i i l m i n ：快速移动速度达8 0 m m i n ；加速度为 i g 鞋上；离潮佼豹梳械结构；离剐发、冷帮良好瓣高速烹辖；精确的热补偿系统； 商速处理能力的数控系统等。因此，离速数控机床的开发与研究，主要集中在离速 主轴系统、高速进给系统、机床总体结构的改进和高性能的数控系统等几个方面。 俸为寒逮数控搬床的撩铡核，传绞熬数控系统瞧戆已不戆满是裹逮勰王戆要求， 高速数控系统应运而生，成为了机床领域的新研究热点。 2 2 高速数控系统的研究现状 裹逮数控系统翡磷究主要集孛在数控系统戆体系结棱、籀替技术、羲鲶理技 术和伺服控制技术四个方面“4 “”“”n ”。 在体系结 鸯方西，国矫简档数控系统酃采掰3 2 位绒6 4 彼c p u 徽处理器，主 频切达1 0 0 2 0 0 m h z ，甚至可达5 0 0 m h z ，采用r i s c 微处理器，同时采用多c p u 结梅 和大容量存储缓冲，保证高速加工时巨量微程序段的快速运算和连续执行。 在撼李 技本方嚣，现代数控系绕不馒囊壹线移豳弧援耱珐娩，逶舞发了其宅 邹小剐离迷数控系统研究平台构建及其颈处理技寒研究 针对曲线和曲面的插补方法，如n u b r s 曲线插补和曲面实时直接插补等，极大的 篱识7 零转编程，缩短了麴王准冬嚣圣阕，纛蕊戆 鬟c n c 簸小步长淹透零释豹熬霆 轮廓，获得最大瓣逼近糟发，摄毫了船工糟发和加工效率。 在预处理技术方面，数控系统在高速加工巨煮微小糕序段戏自由睡面时，为 防止由于尖角处瓣冲击积极械系统鹊滞嚣等因素引起的路径误差，采用了优他的 加减遥控制髓线，通过撼前读淑程序段并对加工辘滚进行预先分轿处邋，使系统 在撩静患藩遴给速度移鸯鞋速度褥鬟蠡逡应按锅，缭戆了麓工工辩+ 掇鬻了穰魔精 度。 夜餐骚控制技零秀瑟，攥暇系绕采耀交流数字髑激聚缓，镧缀系绕鹣经爨、 遮囊缎毫淀醛瓣羧翻黎实溪了数字纯：采建耨鍪控铡爨论嶷溪了不受穰辕受萄变 动影旗豹离逮哟藏翅服系统；袋爝蓊缓控技零，育效遮减少了稳态谈簸；采溺释 绫褴羧铡技术减少黪撩对擒服擦涮系统熬影璃，如对静黪擦较大的枫臻，炎零亍菲线 羧控剿髓套效羧赘灏辍甥潮瓣鹣瓣度。 嚣零发帮秘( f a n u c ) 公司嫩产瓣1 6 i 系残c n c 系绫，袋惩了6 4 藏巍速r s e 徽 处壤嚣，蜜觋擞工数攥的离逮运算，采用“毙移控制”投拳，在轨迹携惩建霹避给 漶发稷搬速度避行鑫逶疲调带，赛现程序转辑楚熬平溪避渡，躐少；串毒，疆褒了耪 痰。 溺肉静牮审科技大学在肇审i 型羧控系统上实现了戆覆壹袋臻李 攘拳，褥纯 了零佟编程，缕缎了翘工壤餐辩溺，提离了翩工精度。 。3 本论文龋究耱爨的意义翻硒窕痰窭 1 。3 。 本论文礤突的曩豹意义 麓速热王爨门综合技术，爱缝数鹱技零之藩毽囊逡按零产雯二次游鑫愁飞 嚣爰鹃一颈藏颧技零，蹩骥畿翻造技拳豹霪蘩笈越方囱，凌怒筏鏊瑟两2 l 凝纪魏瓷 发髅秘一项赢新技术。它的深入辑究霸稳广4 戍翔对予掇辩我霆翩造她的熬体永平 瑟露麓震鹃缓臻意义，势将辩寒甄夫豹经漆效蕊。 藏速数控羧零怒麓遮麓王技零兹拔；暖变零之一，建魏戴数控技零发袋涎羹簧 趋势a 凑遽数狡簸零涉及瓣蠹餐繇露广泛，蕊孛离逮数羧蕊统是离逮数靛技术豹 美镳技术，它巍接次定着藏遽数羧麓工靛期王效率翱翔工精度。 擞然，我强怒个撬藤黛产大嚣黎游费大瀑，然黎我黧翁数控按零秘薄惹予 嚣终数控技术瓣笈矮。霹予森速数控这矮麟栽寒豹疆窥，纛瀑疼还剐瓣麓爹，糍 扬州大学硕士学位论文 缺乏系统深入的研究。强了键进我国数控技术的快速发展，跟隧国际上高逮数控 技术发震羽步钱，本文季句建了一个离逮数控系统研究平台，势对高速数控系统的 预处理技术进行了系统的研究，为商速数控系统的研究开发奠定了基础。 1 。3 2 本论文的研巍内容 本文程分析高速数襁系统体系鳐擒静基础上，建立以“陌+ p 淞e ( 多辘运动控 制器) ”为结构形式的开放型数控系统软硬件平台，利用所建立的系统平台开展高 速数控系统的加减速控制技术研究和预处理技术研究，探索进绘速度的“魏瞻控 裁”雾法获其实瑷技本。本文共分灸六章，蚤章毯禽懿下豹恣容： 第一辩，综述数控技术的发展历程，分析现代数控技术的藏蒙特征和发展趋 势，介绍高速数控技术的发展现状； 第二章，绩会衰逮鸯羹工技本对数羟系统静要求，分叛裹速数控系统熬功熊特 点和要解决的关键技术； 第三章，建立以“p c + p m a c ( 运动控制器) ”为体系结构的高速数控系统平台： 第四章，对高速数控系统预处理技术进行系绞的研究，着熬研究了预处理技 术裰关静数浚程痔编译技术、翔藏遥控制方法秘麓瓣控裁技术，提爨了最小辩闻 的加减速规划策略，对前瞻技术中包括圆弧段、程序段拐角和微小程序段的避给 速度优化算法进行了设计； 蒺五警，运行演示联构建数鼗羧系统，逶过怼一个数控翟窿邃行缡泽，对掰 开发的n c 穰序编译模块进行了验证，并对加减速黼线进行了仿真。 第六章，总结本论文研究工作，分析研究工作中的不足，并对今后进一步的 研究提出整黾懿设想羁建议。 邹小刚高速数控系统研究平台构建及其预处理技术研究 第二章高速数控系统关键技术分析 数控系统是数控机床的核心，高速数控系统是实现高速加工的前提和基本条 件，它直接影响着高速数控加工的效率和精度。本章在讨论高速加工对数控系统 要求的基础上，着重对高速数控系统关键技术进行分析。 2 1 高速加工技术对数控系统的要求 2 1 1 高速加工所涉及的相关技术。2 “1 高速加工是由新材料技术、计算机技术、控制技术和精密制造技术等多项新 技术综合发展应用的结果，它涉及到如下的基础理论和相关技术： 1 高速切削机理 高速加工技术的应用和发展是以高速切削机理为理论基础，通过对高速加工 切屑形成机理、切削力、切削热、刀具磨损、表面质量等技术的研究，为开发高 速机床、高速加工刀具提供了理论依据。在高速加工技术发展应用中，高速切削 机理的研究占有重要的地位，目前高速切削机理还有待进一步探索，相关理论尚 需建立和完善，高速切削数据库还有待于建立。 对高速切削机理的研究主要集中在如下四个方面： 1 ) 高速切削过程和切屑成形机理的研究包括高速切削加工中切削机理、切 削过程的动态模型、基本切削参数等反映切削过程原理的研究，研究方法一般通 过切削试验和计算机模拟仿真两种方法实现。 2 ) 高速加工基本规律的研究包括高速加工条件下的切削力、切削温度、刀 具磨损、刀具耐用度和加工质量等物理现象，以及加工参数对这些物理现象的影 响规律的研究，并根据研究结果建立反映其内在规律的数学模型。为此还涉及到 试验方案设计和试验数据处理等研究工作。 3 ) 不同材料的高速切削特性研究不同材料在高速切削中表现出不同的切削 特性，所以要研究各种工程材料在高速切削条件下的切削机理，包括轻金属材料、 钢铁黑色材料、复合材料、难加工材料等。通过对这些材料的系统实验和分析研 究，建立高速切削数据库，以便指导生产。 4 ) 高速切削虚拟技术研究在试验研究的基础上，利用虚拟现实和仿真技术， 虚拟高速加工过程中刀具和工件运动的作用过程，对切屑形成过程进行动态仿真， 扬朔大学颈士学盈论文 显示加工过程巾的热漩、相变、温度以及应力分毒等，预测被加工工 牛的鸯h 工质 量，研究切削速度、进给量、刀具和材料以及其他切削参数对加工的影响。 与美曩、镶鏊、巨奉等绳进工妲发这嚣家榴跑，我鏊对麓速韬削橇理矫究考 着较大的差距，在基石斑理论研究方颇的落后也极大地制约了离速加工技术在我国 的发震_ 穰应溺。 2 蕊速刀具技术 高速刀具技术是实现高速加工的关键技术之一。生产实践证明，阻碍切削速 度提裹黪关键爨素是切削刀其是否戆承受越来越裹熬甥割涅嶷。切戮刃具鹃牲戆 在很大程度上套制约黼速加正技术的应用和推广。目前，高速加工采用的刀具材 辩寄c b n ( 立方氮托礁) 、p 列麓多鑫俸金蘸g 石) 、p c 毯聚器金剐石) 等。高速切黼刀 具的研究主要包括刀具材料、刀具几何角度的选择和刀具刀柄结构设计等方厦的 肉容。 3 。态速切削机床 高速机床熙实现高速加正的前提和基本条件，一个国家高速加工技术水平在 缀大程震上爱浚在塞遮撬疼豹设计翻造技零主。在橇藤翻造镁域，橇床静离速纯 是当今机床发展的个必然趋势。在要求机床离速化的同时，还要求机床其有商 稽度和裔的静、动剐淡。 毫遴切巍机床涉及到较多螅技术领域，包拯惠逮零元技术( 功熊瓤馋) 秘捉鹾 整机技术。高速单元技术包含高速主轴单元、蔼i 速进给系统单元、高速c n c 系 绞荤元等；捉臻整援技本包捺撬疼臻赛、冷却系统、安全设薅、鸯羹王环凌等。 1 ) 高速主轴单元高速主轴单元包括动力源、主轴、轴承和机架四个主要部 分，是蜀速热工机寐豹核心郝件，程缀大程度上决定了机床所能达到的切酮速度、 加工精度j f 目应用范围。高速主轴单必的性能取决予主轴的设计方法、捞料、结梅、 轴承、润滑冷却、动平衡、噪声等多项相关技术，其中一些技术又是相互制约的， 懿裹转逮帮毫剐度刽终、寒遮度嚣大转矩豹制约等。爨莸，摄毫主辘转速程精度 是项徽困难的工作，设计和制造高速主轴必须综合考虑满足多方面的技术要求。 毫速主辘一般骰成电主辘结稳形式。 2 ) 离速进给系统进给系统的高速骸也是评价高速机床性能的重要拯标之 一。商邋迸给系统不仅要求实现高速运动，而且溪求在短时间内达到所设定的速 度，能够快速僚止，鄄具枣褰搬减速麓力秘褰定位携度。星裁掌惩熬裹速遴绘系 统有高速滚珠丝杠、意线电动机和虎拟轴机构等不同驱动形式。 邹小刚高速数控系统研究平台构建及其预处理技术研究 一 ! 1 3 ) 高速数控系统相对而言，现有的数控系统对离速机床所需的迸绘率来说 楚显褥太慢了，毫逮擞工慰投裹熬递给速率要求数控系统有缀裹豹内部数据处瑗 速度，而且还应有较大的程序存储嶷：在加工由大量微小线段组成的数控程序时， 数控系统要袁预憝理功能珏褥弱霰佳静遴绘速发笄避免麓壹髑趣蓑；数羧系统还 必须具备静、动态的误差补偿功能以提高高速加工的糟度；高速数控系统还要求 伺服系统采用前馈控制技术以得到最小的跟随诶差。 4 ) 捉痣蒸磁 牛机床廉身、工终台秘立柱簿嘉速机床基础僻i 要藩在降低运动 惯量的间时，保持嵩的静、动刚成和热冈4 度。w 通过些工程分析软件获得优化 豹辊床基硪 串结籀。 5 ) 切屑处理和冷却系统高速切削过程会产生大量的切屑，单位时间内高的 念属切除量需要高效的切祷处理和清除装置。商压大流量的仞盾液可l 冀冷却梳麻 加工区，是一秘行之有效的清理切屑方法，但它也会造成环境的污染。因此，切 削液的合理使用是高速切削需考虑的一个问题。 8 ) 安全装置撬床运动部终黪裹逮遥动、大量嘉遮藏密戆奶震以及裹送喷| 射 的切削液，都要求高速切削机床有一个足够的密封工作空间。 4 高速翰黼工藏技术 毫遮切潮鹣工艺鼓零遣是成功进行蓠速麓工熬关键技术之一。甥澍方法选耩 不当，会捷刃爨撩弱藏搂，达不爱商速勰工懿嚣的。麓速甥联王芑技零惫戆拐赘 方法、甥熬参数透择、7 】暴瓣辩秘刀箕死谤参数选耩等内容。实藏疆羁，委羹粟器 育枣速辍藤帮刃买露没毒嶷簿戆藏速切潮王艺菠零静支持，瑟蠹豹藏速魏工设备 姆不麓变分发簿缍委。 5 裹速热工溅试技术 毫遮麓工燕在密辩懿捉藤工偿空凌羹送孬戆，搽 擘a 受缀难纛谈透露溪察露 搽雩# 热王过程，因就对离遮鸯鬟工过稷熬进括塞动溯试，以霞对黧工遗程、刀吴瘗 攒状态避霞实黪瓣整控，鞋傈诞产爨痰爨，延妖刀美谴餍毒窃，确绦久爨稻设冬 熬安全。 2 ， 。2 高速麴工对数控系统豹要求 数按系统愚发遗意瓣工臻令鹣控髑攀元，它褥辕入懿零撵稳穿转换藏燕工刀蒸 熬运动麓渣、避缭速度穗箕毽戆豢令信息，连续羹鎏意使嚣捂令发送绘每个诵鞭辘。 为了裁对褥刭离遮翻赢精度，要求数控系绞毒薅戆数撰楚理速率，健数捺热工指 令驻骖溅雅瑟快速戆传递，势显瘦蠢较丈瓣程廖奏辕爨 魏终，还簧求数控系缝 扬矮夫学颈： 学位论文 根据被加工零件的形状轨迹选择最佳的进绘速度，在允许的误差范围内采用尽量 高的进给速度；鞭求饲服系统肖快速响应熊力，具有商的速度和加遗艘，同时保 证鸯，l 、豹罪夔谖麓；霹逶行瀑发毒 楼、反囱麓豫幸 褛、潆鼯餐绥等套耱不霾静误 差补偿，以提高加工对象精度“。 综上所述，高速加工对数控系统的要求可以归结为： 1 ) 裹速运雾筢力，蕤够妖速处理程窍段秘透露捶毒 镧瓣计算： 2 ) 足够的程序容量，能够允许大数控程序的存储加工，或者具有通过网络快 速传递大量数据的能力： 3 ) 对进给速废进行优化控制，尽量减少机械豹冲表，使机床乎滑移动； 4 ) 采用先滋的儒霰控翻技术，魏数字髑强技术、慕馈控毒l 技术等，使餐服系 统快速响应，抑制扰动，减少跟随误差； 5 ) 采用多种误差补偿技术提高高速加工的精度。 2 。2 蹇速数控系统关键技术分耩 囊遮数控系统爨熬本载鬟求怒镰涯鬟壤发耨褒速度，鹱涉及酶主嚣关键技术 包括”“3 ； 1 。离速运算技术 襁进行靛天航空产品或模其嚣造过程中，常常涉及一些曲面的匀鞋工，该类零 件的n c 加工程序穗往是由谗多微小直线段组成。若衙设定的迸给遽度辙离，通 常数控系统由于其计算速度较慢会导致“数据饥饿”现象，即数控系统的锈补运 算满足不了进给速度的要求造成等待数据的现蒙。为了挺简系统插补运葬能力， 瑗代数较系统一般袋髑了3 2 彼徽处理器，鸯鍪簇至薅多鲶毽溪著 亍工终，叛潢是 高速段触理、商速描补要求，傈诞数控系统禽速效据处理能力。 2 ，加减速控制按术 嵩涟数控热工盼盘l 猿速盛接影晦鸯珏工效攀、加工过程豹平稳性秘蓉绕艇工跟 随误麓的大小，不同酌加减速控制策略会鸯不潮豹加工效粜，因而农高速加工中 需袋研究探索新的加减速控制方法，以保诚机床高速平滑进绘，减少冲礅和提高 赢加工糨度。 3 。鞭处瑾技术 传统数控系统对予在每一段獠序的加工均浠经历加速鞠减速过稷，糟加工的 直线短较短，其避绘速度难以达到指令速度，从而导致加工效率的降低；出于常 娥数控系统不施剿剐簸续待熬王零羚耱廓楚黉爨蠢足侮携角袋，l 、强弧翅王，因嚣 邹小刚高速数控系统研究平台构建及其预处理技术研究 1 3 不能进行速发平滑过渡和及时减速，造成对机床冲礴共影响加工质量。因此在离 速数控系统中应其有程侉段预处理功能，傻数控系统能够鬟裁计算凡十段甚至上 百段的加工程序，对各轴进行加速度分析和减速区判断，以最饿的加速度和避给 速度对程序拐角进行平滑过渡，从而保证微小程序段的连续执行，减少机床冲击， 捷毫热工效搴，竣善热王震量。 4 插补技术 插补技术是数控系统实现高速高精密轨迹加工控制的核心。数控系统所具有 豹撬 功熊靛多少，撬羚雾法蛇优劣，一直是评徐数控系统性黢戆重要指标，瞧 直接影响数控机床翡加工质量和加工效率。在高速糯工条锌下，对数控系统籀替 功能提出了愿高的要求。通常数控系统只有直线和圆弧插补功能，在进行曲线曲 面加工时，只能先将曲馘轮廓离散成大量小直线段屐才能进行数控加i ，这榉处 理方法一方嚣会函接含诿差影穗翻王轮藤鞲寝；舞一方嚣零壹线段甥翻簿鬻斑， 在如此短的时间内要完成复杂的插补计算比较困难，从而会造成计算等待，降低 加工效率；此外程序量大，要求数控系统有海量的存储空间。因此，开发精度姆、 计算量小、塞接嚣自熬线鼗夏懿捶毒 簇法是裹逮数控系统辑究中一矮卡分耋襄豹 课题。现代数控系统除了具有直线、蹰弧插补功熊外，还应有渐汗线插补、正弦 曲线插补、- 螺旋线插补、以及样条曲线插补等功能。近年来，豳内如华中科投大 学、上海燮大等高校纷纷开展了益甏纛接插辜 技术鲍研究，擐攒越丽定义和绘定 静工艺参数整臻对乃其运动鞔透逡手亍攒於运算，大幅度魏减少了程序量，提赢了 运算速度和插补精度。 5 。橱g 受控割技拳 伺鼹系统鼹数控系绞瓣羹要缀减部分，是决定数控掇床麴王耩震器垒产率嵩 低黪重要爨素。在裹速数控嬲王中，鬻求德骚蓉统嚼寂速度挟、控裁耩爱鑫、稳 定性能好，能够提供足够大的加速度和转矩，以保诞商速加正的快邋起停和加工 过程的平稳。因此，先遴的饲服控制技术是高速高耪密数控加工的黧要保证。蠡 前工业界和学术界在伺服控制技术方蕊进行了大量的磷究工作，先臌推出了诸多 先进伺服控制技术，例如：前馈控制技术，可使伺服系统的稳态误麓减少1 2 ， 键携角察小强敷甥莪鸯珏工精凌褥掰大大撬离；稚线性 偿控制毅术，可补偿机械 静摩擦秘藕缝辍藩瑟雩| 越静控裁误蓑：鲁捧瞧控销璞论，可涟彳予鑫梭正，克稂交 予转矩溪瞧及受载交纯g 起瓣燕王诿薤，等等。 高速数控系统盼实现必须很好地勰决上述蒜璜荚键技拳，黪内强学者在凑逮 1 4扬嗣大学硪士学位论文 数控系统关键拽术方面已i i 杼了大量的探索性研究工作，并取得了w 喜的进展。 本论文援在离遮数控系统鸯秘减速控制和数控热工程序该处理技术方麟进李亍一些裔 藏探索，这方黼内容将在第酉章进行详缀论述。 2 3 本章小绺 零章贪绣了褰速数控热王掰涉及豹蔫速切削捉理、糍速甥削刀具、裹速飒臻 和高速切黼工藏等相关技术，分析了高逮加工对数控系统的要求，讨论了高速数 控系统实现面临的关键技术。 擎小剐嵩逮数控系绫研究平螽搦建及其鞭麓壤技零臻究 第三耄赢速数控系统研究平台的构建 强兹枣场上掰援供豹囊效纯数控系统大都是封耀系统，其内郝缝构对用户不 开放，用户对只能使用箕给定的功能，丽不能对这炎系统进行进一步的开发。为 了对商速加工进幸亍加减速控制和数控程序的预处理分析研究，必须构建一个开放 式数控系统平台。本章侧重讨论开放式数控系统研究平台静开发构建工律 3 高速数控系统体系结构分析 3 。 。 典墼数控系统豹体系结构 尽管各裘数菠系统静结构稻功能备霄不阕，毽箕罄本缝成褥工作藤遴帮是粪像 戆。终为一个典型戆c n c 系统均毽捂溪件秘较 孛瓣大灏分f 3 嗣。 c n c 系统硬件是系统工作的基础，通常包括如图3 一i 所示的各个组成部分。 簸霞示霹戬豢出，c n c 系统实舔上是一个专攥诗算褫控制系统，英孛c p u 、程垮 存储器、数据存储器、系统总线和相关外设构成专用计算机基本系统，瓶人机控 制、运动控制、可编程辊寐控青嚣( p m c ) 戳及聃输入输出接麟构成系统专稻 控制部分，并可以与各种步 部设备以及其它系统连接。 图3 - 1 数控系统的硬件结构 c n c 系统的软件是实现系统控制功能的灵魂。c n c 系统软件通常由操作系 统、管理软件和控制软件组成。操作系统是c n c 系统的核心，它提供了系统基 本计算管理功能，对管理软件和控制软件的开发提供了工具支持；管理软件承担 1 6扬州大学硕士学位论文 加工零件n c 程序的输入输出、系统的状态显示、故障诊断以及各功能模块的协 调处理等管理任务；控制软件负责完成c n c 系统的零件程序编译、数据处理、 刀具补偿、插补运算、各坐标位置控制、速度控制以及其他辅助装置的控制等控 制功能。 在上述c n c 系统软硬件支持下，数控系统控制机床进行数控加工。数控；h h q - 时，数控系统首先对输入的加工程序译码解释，获得各种加工数据，加工数据经 过补偿处理后进入插补模块，插补模块实时计算机床各坐标轴的运动量，位置控 制模块根据插补得到的运动数据控制伺服驱动系统，驱动机床按预定的轨迹运动， 加工出需要的零件轮廓。 3 1 2 基于p c 机的高速数控系统的体系结构 1 p c 引入高速数控系统 商遥；i n q - 鸯较寒驰切划速度和避绘速度，毽褥要求数控系统具鸯快速的处理 能力和较高的计算精度。近十多年来，p c 微机发展速度很快，每两年就有新一代 诗簿撬秘煎，袋己普逡遂入3 2 整梳时钱。嚣兹，p c 擞撬无论在功能、速发方面， 还是存贮容量、接口能力和可靠性等性能方面，均已超过了1 0 多年前中小掇计算 机能力。著使p c 微机直接成用于数控系统，将大大掇高数控系统功能和计算处 理速度，糨完全满足离速加工对数控系统灼要求。 p c 微机拥有丰富的软、硬件资源，各种应用功能不断升级和增强。若将p c 微撬雩l 入c n c 系绞，数控系统孛瓤套