（机械制造及其自动化专业论文）高速数控加工的前瞻控制理论及关键技术研究.pdf

摘要 摘要 针对加工路径尖锐拐角及高曲率而导致高速数控加工中的加工过切、机床异 常振动及数据饥饿现象，提出了高速数控加工前瞻控制新算法。相对于传统加工 控制过程，前瞻控制具有自动分析加工路径、自动发现路径危险点及自动处理路 径危险点的能力，有效保证较高的加工效率及加工精度。根据前瞻控制的实现过 程及实现目的，本文结合8 6 3 高技术研究发展计划资助项目“面向微流控芯片的 微模具制造装备研究”( 2 0 0 2 a a 4 2 115 0 ) 和浙江省重大机电装备专项项目“中高 档数控机床控制系统 ( 2 0 0 6 c 11 0 6 7 ) 等任务，系统研究了前瞻控制加减速算法、 前瞻控制离散路径插值算法、前瞻控制参数曲线插补算法及前瞻控制过程中的误 差补偿算法，最后论述了前瞻控制算法的具体实现过程。 前瞻控制算法的组成构架中，加减速算法是基础，离散路径的插值算法、参 数曲线的插补算法是必要手段，而误差补偿算法则是必须的配件。论文首先深入 研究了传统数控系统加减速算法的实现原理和数控加工过程中离散加工路径段 的速度矢量混和算法，基于多项式的多样性与实用性，针对性地论述了多项式通 用加减速算法的实现，并基于特定加减速特性创新的提出了微小线段的速度光滑 衔接算法。 根据前瞻控制中路径分析及实际插补的需要，将离散加工路径的插值应用划 分为局部插值及全局插值两种，基于求解线性方程组的追赶法和求解高次多项式 方程的牛顿迭代法，详细阐述了常用参数式曲线插值算法。由于参数曲线插补在 高速数控加工中应用越来越普遍，为了保证前瞻控制算法应用的广泛性，论文阐 述了泰勒展开式插补方法和预测校正插补方法，并深入研究了参数曲线自适应插 补算法。为了保证前瞻控制算法的系统与完整性，在数据缓冲指令产生算法硬件 结构的基础上，结合传统数控系统误差补偿算法，创新的提出了前瞻控制中的误 差均匀补偿算法。 论文最后给出了高速加工中的前瞻控制实现过程，以离散加工路径和参数曲 线加工路径为对象，结合伺服系统的特点，实现了路径危险点的分析、离散路径 插补点的增加、参数曲线路径的加减速划分、危险点优化速度的求解及路径加减 速的规划。实验结果表明，前瞻控制是高速数控加工的必要组成部分，是加工效 率和加工精度的有效保证。 关键字：前瞻控制，加减速算法，参数曲线插值，参数曲线插补，误差补偿 v 丝墨! 坠盟 一 - _ - _ 一 a b s t r a c t t 0d e a lw i t ho v e r s h o o t i n g ，m e c h a n i c a lh a r m f u lv i b r a t i o n s a n dd a t as t a r v a t l o n c a u s e db ys h 呻c o m e ro rh i g hc u r v a t u r eo f t o o lp a t h ，an e wl o o k a h e a da l g o r i t h mf o r l l i g l ls p e e dc u t t i n gm a c h i n i n gi sp r o p o s e db yt h i sp a p e r c o m p a r e d t ot r a d l t l o n a j n 山n e d e a lc o i l t l 0 l ，l o o k a h e a dc o n t r o lc a na n a l y z et o o lp a t h 、f i n dd a n g e r o u sp o i n t s a n dd e a lw i t hd a n g e r o u ss i t u a t i o n si nm a c h i n i n ga u t o m a t i c a l l y t h e r e f o r em a c h i n i n g p r o d u c t i v i t ya n da c c u r a c yc a nb ei m p r o v e de f f i c i e n t l y a c c o r d i n g t ot h eg o a lo f l o o k a h e a dc o n 仃o la n dc o n s i d e r i n gb o t hd i s c r e t ea n dp a r a m e t r i cc h i v et o o lp a t h ，t h l s p a p e rp l a c e se m p h a s e so na c c e l e r a t i o n a n dd e c e l e r a t i o na l g o r i t h m ，d i s c r e t ep o i n t s i n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m ，p a r a m e t r i c c u r v ei n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m a n de 玎o f c o m p e n s a t i o na l g o r i t h mc o m b i n e dw i t ht h e r e s e a r c ho ft h en a t i o n a lh i g ht e c h n o l o g y r e s e a r c ha 1 1 dd e v e l o p m e n tp r o g r a m ( 8 6 3p r o g r a m ) ：”m i c r o f l u i d i cc h i p o r i e n t e d m i c r o m o l dm a n u u r ce q u i p m e n t sr e s e a r c h ”( 2 0 0 2 a a 4 2 115 0 ) a n dt h es p e c l a l v r o j e c t 时k e ym e c h a t r o n i ce q u i p m e n to fz h e j i a n gp r o v i n c e ：”m e d i u ma n dh i g h c l a s sn u m e r i c a ic o n _ t i o ls y s t e m ”( 2 0 0 6 c 110 6 7 ) a tl a s t ，n e wl o o k a h e a da l g o r i t h mi s p r o p o s e d i nt e 咖so fc o n f i g u r a t i o no fl o o k - a h e a da l g o r i t h m ，t h eb a s i ci s a c c e l e r a t i o na n d d e c e l e r a t i o na l g o r i t h m d i s c r e t ep o i n t si n t e r p o l a t i o na l g o r i t h ma n dp a r a m e t n c c u r v e i n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m a r en e c e s s a r yt o o l s e r r o rc o m p e n s a t i o na l g o n t 胁l s n e c e s 哪a c c e s s o r y t h ep a p e rf i r s t l yr e s e a r c h e st h ep r i n c i p l eo fa c c e l e r a t i o n a 1 1 d d e c e l e r a ：t i o na l g o r i t h ma n dv e l o c i t yb l e n d i n ga l g o r i t h mf o rd i s c r e t et o o lp a t hu s e dm 住a d i t i o n a lm l m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m t h e na c c o r d i n g t ot h em u l t i f o r m i t ya l l d p r a c t i c a l i t yo fp o l y n o m i a l ，t h ea c c e l e r a t i o na n d d e c e l e r a t i o nc o n s t r u c t i o na l g o n t t l i t l0 t p o l y n o m i a li sp r o p o s e d u n d e rs p e c i f i cp o l y n o m i a lc o n s t r u c t i o nm e t h o d ，l n i l o v a t l v e v e l o c i t yl i n km e t h o df o rs m a l ls h o r ts t r a i g h tl i n e si sp r o p o s e d f o ft l l en e c e s s i t yo fd a t aa n a l y s i sa n dp a r a m e t r i cc u r v ei n t e r p o l a t i o n ，t h ep a r t i a l a n do v e r a i li n t e r p o l a t i o n sa l g o r i t h m sf o rd i s c r e t et o o lp a t ha r eu s e d c h a s i n gm e t h o d a n dn e 、v t o ni t e r a t i v em e t h o da r ea p p l i e di np a r a m e t r i cc u r v ei n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m d u et o 也ew i d e ra n dw i d e ru s eo fp a r a m e t r i cc u r v ei nh i g hs p e e dc u t t i n gm a c h i n i n g a n dt og u a r a n t e et h eu n i v e r s a l i t yo fl o o k a h e a dc o n t r 0 1 i n t e r p o l a t i o nm e t h o d sb a s e d o nt a v l o rs e r i e sa n dp r e d i c t o r - c o r r e c t o ra r ee x p a t i a t e d f u r t h e r m o r e ，i n t 唧o l a t o f a d a p t e dt o t o o lp a t hi si n t r o d u c e d t og u a r a n t e et h es y s t e m i ca n di n t e g r a l l t y o l l o o k - a h e a dc o n n o la l g o r i t h ma n db a s e do i lb u f f e rc o m m a n dg e n e r a t i o nm e t h o d ，e r r o r v n a b s t r a c t e v e nc o m p e n s m i o na l g o r i t h mi sp r o p o s e d f i n a l l yl o o k - a h e a dc o n t r o la l g o r i t h mi sp r o p o s e db a s e do na n a l y s i so fd a n g e r o u s p o i n t s 、c o m p l e m e n to fp o i n t so nd i s c r e tt o o lp a t h 、p a r t i t i o no fp a r a m e t r i ct o o lp a t h a c c o r d i n gt oa c c e l e r a t i o na n dd e c e l e r a t i o n 、s o l u t i o no fo p t i m a lf e e d r a t ea td a n g e r o u s p o i n t s a n da r r a n g e m e n to fa c c e l e r a t i o na n dd e c e l e r a t i o nf o rm a c h i n i n g o n - l i n e e x p e r i m e n t ss h o w sl o o k a h e a dc o n t r o li sn e c e s s a r yf o rl l i g hs p e e dc u t t i n gm a c h i n i n g a n dg u a r a n t e e sp r o d u c t i v i t ya n da c c u r a c ye f f i c i e n t l y k e y w o r d s ：l o o k a h e a d a l g o r i t h m ，a c c e l e r a t i o n a n dd e c e l e r a t i o na l g o r i t h m ， p a r a m e t r i cc u r v ei n t e r p o l a t i o n ，p a r a m e t r i cc u r v ei n t e r p o l a t o r , e r r o rc o m p e n s a t i o n 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及取得的 研究成果。据我所知，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，也不包含为获得逝江盘堂或其他教育机 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谢意。 学位论文作者签名： 名瓶 签字同期：如哆年弓月j 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝鎏盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝姿态鲎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，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适用本授权书) 学位论文作者签名： 他渺 导师签名：1 舷弘 签字日期：粥年岁月歹r 签字日期： 妒富年弓月厂日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 电话： 通讯地址： 邮编： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的背景与意义 随着计算机技术、自动化技术和机床技术的发展，以计算机控制的自动化生 产技术己成为国际制造工程领域的主流，工业发达国家机床的数控化率显著提 高，已经逐步取代普通机床。如今，美、德、日、法、瑞士、意大利等生产的不 同规格的各种商业化高速数控机床已经进入市场，应用于飞机、汽车及模具制造， 高速数控加工技术在工业发达国家已逐渐成为切削加工的主流方式。高速数控加 工对数控系统提出了较高的要求，主要表现在：数控系统要有前馈和超前程序段 处理功能；单个程序段处理时间短；快速响应的伺服控制系统；形成的走刀路径 尽可能圆滑，避免尖锐拐点；能够快速处理干扰，避免干涉：高运算速度和运算 精度等。当前国外先进的c n c 系统已具有预插补、前馈控制、钟型加减速、精确 矢量补偿和最佳拐角减速控制等功能，其中超前程序段处理功能即速度前瞻控 制，能识别由于程序段的变化而产生的不规则迸给速度和由于轨迹曲线的形状产 生的过大加速度，并在程序缓冲区预先对n c 程序段进行连续处理，程序代码经 过前瞻控制处理后能有效解决高速数控加工过程中数控系统面临的问题： ( 1 ) 在精加工过程中，面对大量短小直线的加工指令代码，为了防止数据饥饿现 象，数控系统会限制最大加工速度，速度倍率调节( f e e d r a t eo v e r r i d i n g ) 往往 失效。 ( 2 ) 面对加工路径中尖锐拐角或者高曲率点时，由于没有加减速处理，导致伺服 系统的响应频率跟不上控制系统的脉冲输出频率，瞬间产生很大的跟随误 差、加速度以及相应的加加速度，导致工件过切、机床振动以及刀具过冲导 致刀具断裂。 ( 3 ) 加工中的加速度恒定，设定需要人为估算，加工过程中也无法根据需要改变。 ( 4 ) 在对丝杠螺母副具有较大间隙误差补偿的情况下，机床会产生很大机械振 动。 前瞻控制技术主要任务是保证加工速度的最大化，在遇到尖锐拐角和高曲率 拐点时自动结合加工路径特点和控制系统加减速特性，在允许的误差范围内保证 尽量高的加工速度并同时实现速度的平滑变化，能够根据在线要求，将离散的路 径实时插值为参数曲线路径并应用于加工过程，进一步提高加工效率和3 n t 精 度。 前瞻控制是高速数控加工的保证，没有前瞻控制的高速数控加工不是真正的 浙江大学博士论文：高速数控加工的前瞻控制理论及关键技术研究 高速加工【1 1 。国外高档数控系统诸如f a n u c 、s i e m e n s 以及p m a c 运动控制器 都具有此项功能，因此，针对前瞻控制算法进行系统研究，在改进传统数控系统 体系结构的基础上，将运动加减速算法、离散路径的参数曲线插值算法、参数曲 线插补算法以及控制系统误差补偿算法有效整合，对提升国产数控系统性能和品 质具有重要的意义。 1 2 高速数控加工控制系统综述 高速切削加工的概念源于德国切削物理学家萨洛蒙( s a d o m o n ) 博士1 9 3 1 年提 出的著名超高速理论，该理论指出在一定高速区加工会有比较低的切削温度和比 较小的切削力，从而大幅提高生产率减少切削时间。受萨洛蒙理论的启发，1 9 7 6 年美国l o c k h e e d 飞机公司首先研究了铝合金的高速切削实验，当主轴转速从4 0 0 0 r m h 1 提高虱j 2 0 0 0 0r n f i n 时，在切削量一定的条件下，切削力下降3 0 ，同时材料 切除率却增加了3 倍。1 9 7 9 年，美国国防部发起了一项“先进加工研究计划， 经过四年研究后提出：随着切削速度的提高，切削力将下降，加工表面质量得到 提高；刀具磨损主要取决于刀具材料的导热性等。1 9 8 4 年，在德国d a r m s t a d t 工 业大学生产工程与机床研究所所长舒尔茨教授的带领下，研究人员全面系统的研 究了高速切削机床、刀具和控制系统等相关工艺技术，其研究成果取得了良好的 经济效益。随后自8 0 年代以来，瑞士和日本等其他国家也相应推出高速数控切削 机床。我国上世纪8 0 年代中期以来，各个高校也对高速切削加工的相关工艺技术 进行了研究，并在高速切削机理、高速切削刀具工艺和高速切削主轴系统等相关 方面取得了显著成果。实现高速数控切削加工的关键技术众多，其中适应高速数 控切削加工的控制系统是高速数控切削加工的必要条件之一。随着制造技术与信 息技术的不断发展和结合，高速数控切削加工控制系统变得更加智能和柔性，高 速数控切削数控机床也变得更加灵活和精巧1 9 9 1 1 m 1 吲。 ( 1 ) 高速数控切削加工控制系统性能发展趋势 高速数控切削加工控制系统为了满足高速度和复杂型腔的加工，必须采 用6 4 位r i s c ( 精简指令集) 芯片或者多c p u 控制系统【l o l l 。r i s c 能够 将命令的长度固定且将命令的体系简化，能大幅度提高控制系统的数据 处理能力。1 9 9 0 年，日本f a n u c l 5 首先采用了3 2 位的r i s c ，随后又 推出了“位的r i s c 。此外，当前许多高速数控切削机床的控制系统采 用多个3 2 位甚至6 4 位c p u ，c p u 间用高速总线连接，可以进行大量 数据的高速处理。c p u 频率也提高到几百兆赫甚至上千兆赫，同时配置 功能强大的后置处理软件，使得程序块的执行时间已经降低至o 3u i n 至 0 51 1 1 1 1 。f a n u c l 6 、s i e m e n s8 4 0 d 控制系统均已采用3 2 位c p u i 0 0 1 。 数控系统正朝着多轴方向发展【1 0 7 】。为适合大型自动机床、复合机床以 2 第一章绪论 及多头机床等高速数控切削加工的需要，数控系统控制进给轴数不断增 加。f a n u c 最新高档控制器f s 3 0 i m o d e l a 控制系统配置进给轴数 为3 2 轴，最多同时可控制2 4 轴联动；s i e m e n s8 4 0 d 系统配置进给轴 数为3 1 轴，可同时控制1 2 轴联动；h e i d e n h a m4 3 0 控制系统最多 配置9 个进给轴，可同时控制5 轴联动【1 3 5 】。 数控系统的实时智能化控制也在不断发展，正沿着自适应控制、模糊控 制、神经网络控制、专家控制、学习控制和前馈控制等方向发展【1 0 1 】【1 0 7 】。 在数控系统中配备的诸如编程专家系统、故障诊断专家系统、参数自动 设定和刀具自动管理及补偿等自适应调节系统，在高速加工时引入提前 预测和预算功能( 前瞻控制) 、动态前馈功能，在压力、温度、位置和速 度控制等方面采用模糊控制，使数控系统的控制性能不断提高。 数控系统向高安全性和高可靠性方向发展【1 0 7 1 【1 3 5 】。控制系统与数控机床 一起工作在底层车间，需经受恶劣的环境，诸如温度、湿度、油雾和粉 尘的影响，同时又要求连续的工作，因此控制系统的可靠性非常重要。 除了可靠性设计，科学制造工艺等措施外，现代数控系统的可靠性主要 采取以下措施：采用光纤，减少电缆连接，比如f a n u c 的数控系统 通过光纤连接控制系统与伺服系统，以串行高速的方式从c n c 向多个 伺服放大器传递大量数据。采用纠错码( e c c ：e r r o rc o r r e c t i n gc o d e ) 传递数据，e c c 是一种先进的高可靠数据传输技术，通过把e c c 加到 被传递数据上以传送不同形式的数据，使控制系统更为可靠。采用 双检安全( d u a lc h e c ks a f e 饵) 措施。通过在控制系统内嵌入多个处理器 冗余地监控伺服电机和主轴电机以及与加工安全相关地f o 信号并使用 急停信号与相关的f o 电路保证数控系统安全地运行。采用实时测量 系统。加工时对机床运动性能的实时测量也是必须的，可采 h e i d e n h a i n 公司的d b b 等系统作为保持机床精度的诊断工具，该系 统与控制系统的闭环对接将对加工精度起到极为良好的保证作用。 ( 2 ) 高速数控切削加工控制系统功能发展趋势 高速和高精加工功能 数控机床采用计算机控制，输入控制器的信号要经过一系列处理，不可 避免地要失真和延时。因此在高速加工时，要保持高的加工精度就要采 取特定的措施减少失真和延时。高速高精的加工，对控制系统的要求主 要是处理速度快和控制精度高f l d 7 1 。当前高档数控系统主要采用的手段 有：采用前馈控制，以补偿由于伺服滞后所产生的误差，提高加工 精度。适当控制进给率并同时采用恰当的加减速曲线可以减少加减 速滞后所产生的误差。使用前瞻控制在程序执行前对运动数据进行处 理，预先计算出个程序段的运动轨迹和运动速度保存于多段缓冲区，从 3 浙江大学博士论文：高速数控加工的前瞻控制理论及关键技术研究 而控制刀具按高速运动，并且保证误差很小。将高精度插补方法与 参数曲线( 如n u r b s 曲线) 相结合对机床实施平滑运行的高精度轮廓 控制，同时采用对指令形式的实时识别，可以最佳地控制速度、加速度 和加加速度，从而使加工总是保持在最佳状态。针对在加工具有自由曲 面的模具时，程序段之间会出现条纹的问题，f a n u c 3 0 i 开发了“纳米 平滑 功能1 1 傩l ，圆整控制系统输出指令的公差，以“纳米为单位评 估原始曲线，并对其进行n u r b s 插补。而中国四开s k y 2 0 0 3 n 控制系 统能够进行精度更高的皮米插补运掣1 0 9 1 1 1 1 0 l ，更高的计算分辨率带来了 驱动器更精确的插补速度和加速度，从而能够使机床更加平滑的运行。 为了防止扰动，开发数字滤波器的技术，以消除机械的谐振，提高 伺服系统的位置增益。不断提高伺服系统精度和使用更为先进的伺服 控制技术。如f a n u c 伺服电机的设计体积小，采用高增益控制，伺服 电机是无齿槽效应的电机，带有1 6 1 07 脉冲转分辨率的编码器， 同时伺服控制采用h r v 4 ( h i g hr e s p o n s ev e c t o r ) 伺服控制技术，具有 很高电流检测精度，同时采用相应的硬件，可以产生所谓“纳米控制， 也就是在系统检测分辨率为la n ) 时，插补分辨率可以达到la m 。“纳 米控制刀使在控制系统内部的计算误差最小化，每次内部计算以纳米或 更小的单位，大大提高了加工的质量。这些措施能充分满足数控机床高 速高精的要求。 五轴联动功能 由于五轴加工工艺合理，相对于三维曲面加工，它可以充分利用刀具的 最佳几何形状进行切削，在复杂形状的高速高精加工中可以提高效率， 提高光洁度，因此得到越来越广泛的应用。同时，五轴联动控制是数控 技术中难度最大和应用范围最广的技术，它集计算机控制、高性能伺服 驱动和精密加工技术于一体，应用于复杂曲面的高效、精密和自动化加 工。国际上把五轴联动数控技术作为一个国家生产设备自动化水平的标 志，五轴联动数控机床是电力、船舶、航空航天以及高精密仪器等民用 工业和军事工业等部门迫切需要的关键加工设备，对于工业发展具有重 要的影响力i 1 0 7 1 我国五轴联动数控加工技术及其设备在各工业部门中 的应用整体水平仍然偏低，与工业发达国家相比差距很大。国内外多在 数控镗铣床中采用s i e m e n s8 4 0 d 、日本f a n u c l 6 i 1 8 i 2 l i 3 0 i 、法国 n u m 等数控系统，以实现多轴联动的精确控制，如捷克t o s v a r n s d o r f f 落地镗铣机床、济南二机床集团有限公司生产的 x s v 2 7 2 0 x 6 0 五轴联动高速铣床、江苏多棱公司的x h 7 1 6 5 x s m 五轴 立式加工中心均采用s i e m e n s8 4 0 d 五轴联动数控系统；瑞士宝美技术 ( b u m o t e cs a ) 有限公司的s 1 9 2 f t 七轴五联动复合铣车中心、武汉 4 第一章绪论 重型机床公司的c r 5 11 6 带y 轴立式车削中心以及沈阳机床股份有限公 司的c x 6 15 4 车铣中心，数控系统采用n u m 数控系统( 或f a n u c ) 。 数控复合加工功能 数控机床正朝着复合化的方向发展。复合化的目标是在一台机床上利用 一次装夹完成大部分或全部切削加工，以保证工件的位置精度，提高加 工效率。国外数控镗铣床、加工中心为适应多面体和曲面零件加工，均 采用多轴加工技术，包括五轴联动功能。在加工中心上扩展五轴联动功 能，可大大提高加工中心的加工能力，便于系统的进一步集成化。最近 国际机床业出现了一个新概念，即万能加工。数控机床既能车削又能进 行五轴铣削加工。五轴数控机床在国内外的实际应用表明，其加工效率 相当于两台三轴机床，甚至可以完全省去某些大型自动化生产流水线的 投资，大大节约了占地空间和工件在不同制造单元之间的周转运输的时 间和花费。因此，对于数控复合机床，首先需要增加可以用于进行复合 加工功能的控制系统，比如铣床需要增加螺锥线功能、螺旋线功能、三 维圆弧功能、刀具补偿功能以及刀具中心点控制等。高速是数控复合加 工的重要特征之一。f a n u c l 6 i 和s i e m e n s8 4 0 d 控制系统都具有数控 复合加工所需要的三维圆弧插补、三维刀具半径补偿以及刀具中心点控 制等功能1 1 3 5 j 。 丰富的网络功能 利用丰富的网络功能和软件，通过网络传递和共亨信息，管理系统和使 用系统。利用以太网与工厂的网络相互连接构成f a ( - v 厂自动化) 系统， 可以从工厂外部进行远程监控。将控制系统与p c 机连接起来，即可观 察n c 程序的传输和机床的运转状态，又可以实时集中监控加工现场的 作业。通过将控制系统连接到工厂的网络，将管理部门和加工工厂连接 起来，就可以通过生产指令和实际加工数据对整个工厂进行管理，从而 提高生产效率。在显示器旁插入p c m c i a 卡，可以简单地与计算机连接 起来，进行机床的调试和维护。如f a n u c3 0 i 控制系统可以配置数据 服务器，将微小移动距离和连续加工的大容量程序存储在内置的快速数 据服务器a t a 闪存卡中进行高速加工。在数据服务器运行的同时，也 可以使用其他的以太网功能，在数据服务器和p c 之间进行高速加工程 序的传输，同时也可以进行控制系统参数和刀具信息文件等的接收和发 送。此外，通过调用a t a 闪存卡中的宏语句和子程序的存储器运行， 可以从p c 机执行d n c 的运行，并对存储在肌闪存卡中的程序进行 编辑。通过系统的以太网功能，利用f a n u c 的软件调试工具“s e r v o g u i d e 可以对伺服进行调试，利用“f a p tl a d d e r 的软件对系统 p m c 的梯形图进行调试h o s l 。 浙江大学博士论文：高速数控加t 的前瞻控制理论及关键技术研究 ( 3 ) 高速数控切削加工控制系统的体系结构发展趋势 数控系统的设计采用模块化，使得数控系统功能覆盖面大，可裁剪性强， 越来越具有柔性。控制系统的开放体系结构考虑到实时性和可靠性要 求，是高度复杂的系统。控制系统与p c 相互链接的关键结构为系统组 件和接口，系统组件由软件模块和硬件模块组成。在开放式系统中，各 个组件和接口还可以在制造过程中实现增加智能的优点。对于控制的复 杂性，这些系统的硬件和软件是基本的工具。控制的接口可以分成两组： 内部和外部的接口。外部接口：这些接口连接系统和监控单元以及 子单元和用户，分为编程接口和通信接口。n c 与p l c 编程接口采用国 家或国际标准，如r s - 2 7 4 、d i n 6 6 0 2 5 或i e c 6 11 3 1 3 。现场总线系统， 如s e r c o s ，p r o f i b u s 或d e v i c en e t 用作驱动和i o 的接口。l a n ( l o c a l a r e an e t w o r k ) 网络基于以太网和t c p i p 主要用于与监控系统连系的接 口。内部接口：用于组件间的互相作用和数据交换，从而形成控制 系统的核心。由于软件组件中无法知道专用硬件的详情，因而主要的目 标是建立一个可定义的但是能在软件组件间进行柔性通讯的方法，应用 编程接i ( a p i ) 保证了这些需要。控制系统的全部功能被分为几个包，模 块化的软件组件通过被定义的a p i 互相作用。目前开放的数控系统结构 主要有三种形式：基于p c 的c n c 系统，这种系统以p c 机为平台， 开发数控系统的各种功能，通过伺服卡传送数据并控制坐标轴电机的运 动。这类系统有时也称为s o f tn c ，这样的系统容易做到全方位开放。 p c 嵌人式：这种系统的基本结构为：c n c + p c 主板，即把一块c n c 板插人传统的p c 机器中，c n c 主要进行以坐标轴运动为主的实时控制， 而p c 板作为用户的人机接口平台。p c + c n c ：目前主流n c 系统生 产厂家认为n c 系统最主要的性能是可靠性，系统功能首先追求的仍然 是高精高速的加工，像p c 机存在的死机现象是不允许的。加上这些厂 家长期已经生产的n c 系统，体系结构的变化会对他们原系统的维修服 务和可靠性产生不良的影响。因此不把开放结构作为主要的产品，仍然 大量生产原结构的n c 系统。为了增加开放性，主流n c 系统生产厂家 往往在不变化原系统基本结构的基础上增加一块p c 板，提供键盘使用 户能把p c 和c n c 联系在一起，大大提高了人机界面的功能。比较典型 的如f a n u c 的1 6 i 1 8 i 2 1 i 系统。有些厂家也把这种控制系统称为融 合系统( f u s i o ns y s t e m ) 。由于它工作可靠，界面开放，越来越受到机床 制造商的欢迎，成为n c 技术的发展趋势之一【1 0 7 l 。 产品模型数据转换的标准化( s t a n d a r df o r t h ee x c h a n g eo fp r o d u c tm o d e l d a ) 。c n c 控制器的数据模型( s t e p - - n c ) 是n c 的数据从c a m 到c n c 的 6 第一章绪论 数据模型，它解决现行的n c 程序缺乏通用性及移植性的问题。使s t e p n c 产品模型数据用作直接机床的输入不断得到发展，并已经具有实 际的意义。这种s t e p n c 是无g 和m 代码，无后置处理的n c 。i s o l 4 6 4 9 标准的目标为：改进c a d c a m 系统与c n c 控制器间的联接，保证 s t e p - - n c 能在c a d c a m 之间传递数据。通过采用工作步骤面向对象 方法改进i s 0 6 8 9 3 的缺点，工作步骤相应于高级特征和过程参数，c n c 通过对工作步骤解析获取各轴运动的坐标和刀具的动作。数据模块 必须包括所有的复杂级别( 从加工时指令的c a d 几何数据到带离散值的 简单轴运动) 。n c 程序设想可以放在新开发的c n c 控制器上，但是它 也可能放在现有 - n c 控制器的高级系统上( 包括各种网络) 。对于n c 程 序的新标准将提供机床操作者更多的柔性、功能、统计表的编程定义和 相关控制和几何过程的修正。新标准允许m t b 的操作者执行专门的 功能。对于最终用户新的标准提供统一的编程，更快、更廉价的程 序准备和统一的编程格式导致更低的成本。较少的后置处理而且标 准化，使c a d c a m 系统和n c 系统之间的数据交换更加方便【1 0 7 】。 1 3 国内外高速数控加工前瞻控制的研究现状 根据实际需要，前瞻控制算法主要组成部分包括速度的加减速算法，离散路 径的参数曲线插值算法，参数曲线的插补算法以及误差补偿算法等。前瞻控制包 括离线控制和在线控制两种，前者针对c a m 软件，而后者则针对数控系统。 c r e a t i v e 公司的s c h u e t t 1 1 f 2 】1 3 】【4 】【5 】通过对当前数控系统发展过程的总结，指出了速 度前瞻控制在高速数控切削加工中的重要性。在离线前瞻控制方面，速度优化算 法是学者研究的重点。h a n 9 1 提出了离散加工路径的自适应加减速插补算法。 y a z a r 【1 引、l a z o g l u1 2 7 、g u z e l1 2 8 1 、k 0 1 2 9 1 和c h e n i 3 0 l 根据加工时切削力和刀具的 影响提出了不同的加工速度优化算法。l i i i l l l 9 】1 2 0 】、f e n g 2 1 1 、b a e k l 2 2 1 、t o u i l s i 【2 6 1 和e r d i m 3 l j 根据加工路径的特点或者加工表面的特点提出了离线加工代码速度 优化方法。王宇吲1 1 l j 提出高速数控加工的直线段速度衔接模型。而在线前瞻控 制方面，国内彭芳瑜l l 捌提出了基于n u r b s 曲线的高速插补前瞻控制算法。以 下对前瞻控制算法主要组成部分的研究现状分别进行阐述： 一、加减速技术 加减速技术是数控系统的主要组成部分，主要目的是为了保证机床加工时运 行的平稳，保证加工精度。许多加减速技术在工业机器人和数控系统中得到应用， 主要的加减速技术根据实现方法主要可以分为两种：多项式技术和电子卷积技 术。多项式技术就是采用特定的多项式方程，根据加工运动的最大速度，控制系 7 浙江大学博士论文：高速数控加工的前瞻控制理论及关键技术研究 统的脉冲输出频率，选择合适的多项式来构造所期待的加减速特性。电子卷积技 术则是根据信号的卷积运算结果，通过相应硬件配合而实现相应加减速特性的方 法。多项式的多样性和灵活性使得加减速特性曲线构造变得非常容易，但是随着 加减速平滑要求的不断提高，所需要的多项式方程的次数也随着增加，这就使得 所需要的运算量变得越来越大，加工的实时性将变得越来越难以保证。因此，使 用多项式方法来实现加减速特性在实际应用中一般都采用次数较低的多项式。电 子卷积技术相对多项式技术则容易很多，但由于硬件结构的限制，加速和减速时 间变得一样，这使得无法将加速特性和减速特性分开构造，不具有灵活性。i n a b a 1 0 】 在分析线性( t 型) a n 减速和指数加减速方法的缺陷基础上，提出了正弦曲线和三 次曲线构造加减速特性的方法，通过加减速曲线特性来影响脉冲产生频率，控制 运动的平滑变速。n o z a w a i m j 介绍了卷积技术在加减速特性构造方面的实现及应 用。j 甜1 】【1 2 】【1 3 1 和k i m 1 4 1 1 1 5 1 介绍了用于工业机器人和c n c 数控系统的路径插补 方法，在对卷积技术与多项式技术对比的基础上，通过在每个系统采样周期增加 控制系数，提出了一种多项式技术实现加减速特性的方法，并实现了加速和减速 特性的分开构造。李曦【1 1 2 j 通过使用具体的多项式方程，构造并实现了t 型和s 型 加减速特性。无论多项式技术还是卷积技术都不可豁免的存在缺陷，由于工路径 的多样性，灵活的加减速算法是必须的。因此，通过对多项式构造加减速特性算 法不断地改进，以及计算机运算能力的不断增强，多项式技术的应用将会越来越 强。 二、离散路径参数曲线插值技术与参数曲线插补技术 传统c a m 输出的加工路径往往是由直线和圆弧组成的。直线和圆弧用来拟 合加工路径的精度是由直线段和圆弧段的数量所决定的，特别是一条复杂轮廓曲 线，如果使用直线和圆弧来拟合，则需要大量的圆弧和直线段才能保证拟合精度。 大量短小的直线段和圆弧段将会给数控系统带来巨大的挑战，特别在高速数控切 削加工的条件下，由于加工速度消耗的数据过快，而d c n 传输的数度跟不上，将 会导致数控加工的骤停，即数据饥饿现象。加工路径由直线和圆弧组成的不连续 性，也给数控系统的加减速带来挑战，不连续性使得加工精度特别是被铣削工件 的表面光洁度难以得到保证。为了解决数据饥饿、直线和圆弧拟合加工路径的不 连续性和保证加工精度，随着计算机性能的不断提高，样条曲线插补逐渐走上前 端。在实践中，当前市场上使用的高档数控系统和运动控制器都具备直接的样条 插补功能，比如s i e m e n s8 4 0 d ，- f u n u c l 6 i 和美国d e l t a t a u 公司生产的 p m a c 运动控制器等。加工中，只要输入被插补参数曲线的控制点即可。而在理 论研究方面，研究人员提出的样条曲线插补方法则要丰富很多。从弦长参数的三 次样条插值方法，并在此基础上提出的插补方法到五次样条插值和插补方法，以 及为了进一步控制加工中的加加速度又出现了近似弧长参数的五次样条插值和 8 第一章绪论 插补方法，同时各种基于空间抛物线、b 样条曲线和n u r b s 曲线等的插值和插 补方法也逐步被众多研究者提出并实现，通用的参数曲线插值和插补方法亦被提 出和实现。y e h t 5 刀和游有朋【1 1 3 】i l l 4 】提出了速度自适应参数曲线插补算法。h u l 6 5 】 提出基于极坐标的参数插补方法。y a n g l s 4 l 、w a n g 8 5 1 、e r k o 妇l d 8 6 8 7 1 在给出 了三次多项式样条和近似弧长参数的五次多项式样条离散路径插值方法，并分析 了三次多项式样条和弦长为参数的五次多项式样条的加工过程，指出三次多项式 样条和弦长为参数的五次多项式样条会导致加工中较大的速度波动。k i r i t s i s 8 9 】 提出参数式空间曲线插补方法，提出了近似弧长参数的五次样条插值及插补方 法，使加工中的加加速度能够得到很好的控制。叶伯型1 1 8 j 提出了空间抛物线快 速插补算法。金建耕1 1 7 1 提出了自适应步长插补算法。方逵【1 2 0 1 提出了近似弧长参 数的参数曲线插值算法。 三、加工过程中的误差补偿技术 定位精度是决定加工质量的重要因素，但是一些静态和准静态误差源的存在 会影响机床的定位精度。这些误差包括丝杠螺距误差、丝杠螺母副传动反向间隙 误差、伺服系统的反向间隙误差、热变形误差和工件装夹误差等。为了保证加工 的质量，这些误差源对定位精度的影响应该降低到最小。误差补偿表是现代数控 系统存储误差数据的主要方法，根据数控系统所要求的格式和使用相应的测量工 具，误差数据被输入数控系统的误差补偿表，基于误差补偿表，z h a