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东北大学硕士论文 摘要 基于p m a c 2 - - p c 数控设备软件的开发与研究 摘要 本课题是在实验室现有的数控软片裁片机设备的基础上，对基于p m a c 2 - - p c 的数 控系统( 数控软片裁片机、数控立体雕刻机和数控五坐标机床系统) 的相关硬件实现及 其软件进行了研究和开发。该软件的开发是基于w i n d o w s2 0 0 0 操作系统平台，利用 v i s u a lb a s i c6 0 及v i s u a lc + + 6 0 计算机语言开发，供基于p m a c 2 - - p c 数控设备应用 的用户软件。 本论文对现有数控设备的运动控制器p m a c 2 - - p c 进行了介绍，该数控系统是基于 p c + p m a c 2 一p c 的典型开放式数控系统，利用p m a c 2 - - p c 来计算和执行系统的运 动控制程序，对运动系统进行实时控制，利用工控机 p c 进行诸如初始化、代码编辑、 参数管理等非实时j l 生任务，协调整个控制系统高效完成加工任务。本论文中，作者在对 p m a c 2 - - p c 运动控制器进行学习、研究的同时，对该数控软片裁片机的机械本体结构 也进行了分析，为后续功能转化的实现作了坚实的准备。 本论文中对数控软片裁片机的现有功能进一步完善强化、对数控软片裁片的加工进 行了动态仿真( 裁片加工图形的实时动态显示) 、加工轨迹进行了优化处理、并针对该 数控系统编制了故障自诊断程序，以提高该数控设备的智能化程度；随后，根据现有设 备的系统结构特点，对其功能进行了转化，实现了数控立体雕刻机的加工功能，待雕刻 实体的p r o e 建模，并编制了相应的后置处理程序；针对现有设备具备5 坐标运动的结 构特性及其基于p m a c 2 - - p c 的开放式数控系统特性，对数控五轴五联动加工进行了初 步研究，完成了5 坐标机床的硬件系统实现，对5 坐标加工的刀具姿态控制进行了分析 和推理，利用p r o e 软件进行了5 坐标加工实体的建模，利用p r o e c a m 模块进行了加 工实体的刀具轨迹文件的自动生成，并对其进行5 轴联动运动的加工仿真，在研究5 坐 标机床刀具轨迹与运动轴分量的坐标系变换基础上，开发了针对该5 坐标具体机床结构 的后置处理器程序。 关键词：开放式数控，p m a c 2 - - p c ，数控软件，p r o e ，5 坐标，后置处理 东北大学硕士论文a b s t r a c t r e s e a r c ha n d d e s i g n i n g f o rb a s e do np m a c 2 一p cc n ct o o ls o f t w a r e a b s t r a c t b a s e do nt h ee x i t i n gc n cc u t t i n gt b 0 1 t h ep a p e rt a k e sar e s e a r c ho nt h ec n c s y s t e m ( c n cc u t t i n gt o o l ，c n cc a r v i n gt o o l ，c n c5 - a x i sm a c h i n et 0 0 1 ) i nt h ep a p e r ，t h e a u t h o rh a se x p l o i t e dt h es o f l r v v a r e ，w h i c hi sd e s i g n e db ym i c r o s o f tv i s u a lb a s i c6 0a n dv i s u a l c + + 6 0o n p cw i t l lw i n d o w s2 0 0 0o p e r a t i n gs y s t e m t h es o f t w a r ew o r k sf o rt h ec n ct o o l t h a tb a s e do np m a c 2 p cm o t i o nc o n t r o l l e r t h ep a p e rg i v e sa ni n t r o d u c t i o no fp r o g r a m m a b l em u l t i a x i sm o t i o nc o n t r o l l e r r p m a c 2 一p c ) t h et y p i c a lo p e n e da r c h i t e c t u r ec n cs y s t e mb a s e do ni p c & p m a c 2 一p c t l l cp m a c 2 p ci su s e dt oc o n t r o lt h er e a l - t i m em o t i o n ，a n dt h ei p ci su s e dt oc a r r yo u tt h e n or e a l - t i m et a s k a n da tt h es a m et i m e ，t h ea u t h o rh a sd o n et h er e s e a r c ho nt h em a c h i n e s t r u c t u r et om a k ep r e p a r a t i o nf o rt h el a t e rw o r k t h ep a p e rh a v ee n h a n c e dt h ef u n c t i o no ft h ec n cc u t t i n gt b o l ，a n da d d e ds o m e f u n c t i o nm o d u l et oi t ，s u c ha sd y n a m i cs i m u l a t i o n ，t r a c ko p t i m i z e d ，f a u l td i a g n o s e ，w h i c ha l l u s e dt oe n h a n c et h et o o l sa u t o m a t i o ne x t e n t a c c o r d i n gt h ea r c h i t e c t u r eo ft h ec u t t i n gt o o l ， t h ea u t h o rh a v em a d es o m et r a n s f o r mo ni t ，a n dm a d ei th a v et h ea b i l i t yt oc a l v et h ee n t i t y , g i v e nt h ep r o em o d e lf o rm a c h i n i n g ，a n dw o r k o u t e dt h ep o s t - p r o c e s s i n gp r o g r a mf o rt h e c a r v em a c h i n i n g b e c a u s et h ee x i t i n gc n cc u t t i n gt o o lh a v et h ea b i l i t yt ow o r ka sa5 - a x i s m a c h i n e ，a n dt h em o t i o nc o n t r o l l e r ( p m a c 2 - p c ) h a v et h ef u n c t i o nt ol i n k a g et h e5a x e s ，t h e a u t h o rm a k es o m er e s e a r c ho nt h e5 - a x i ss y s t e m i nt h ep a p e r , t h ea u t h o rh a v eg i v e nc o n t r o l m e t h o do ft h ec u t t e rp o s e ；u s e dt h ep r o et og e tt h ee n t i t ym o d e lf o rm a c h i n i n g ；b yu s et h e p r o e c a mm o d u l e ，t h ea u t h o rc a ng e tt h ec u r e rt r a c kd a t af i l ea u t o m a t i c ；u s i n gt h ec u t t e r t r a c kf i l e ，t h ea u t h o ra c c o m p l i s h e dt h e5 - a x i sm a c h i n i n gs i m u l a t i o n ；a f t e ra c h i e v e dt h e5 c o o r d i n a t et r a n s f o r m ，t h ea u t h o rd e v e l o pt h ep o s tp r o c e s s i n ge q u i p m e n tp r o g r a mf o rt h e 5 - a x i sm a c h i n e k e y w o r d s ：o a c n c ，p m a c 2 - p c ，c n cs o f t w a r e ，p r o e ，5 - a x i s ，p o s t - p r o c e s s i n g 1 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的 研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的 研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名： 勘、絮 日期：护汐彩 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、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 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权东北大学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、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名：否则视为不同意。) 学位论文作者签名：李。i 耋 签字日期： 刎t 导师签名： 签字日期； 东北大学硕士论文 第一章绪论 1 1 课题的研究意义 第一章绪论 本课题是基于东北大学机械电子工程研究所的试验设备数控软片裁片机来展 开研究工作的。根据该数控设备的现有功能：对类似橡胶等非金属软质材料，在直径1 米的工作台面上对各种用户要求的图形( 主要是矩形、扇环、圆等) 进行裁剪、倒边等 加工。该数控软片裁片机，有较高的自动化程度，先进的控制系统( 美国d e t a l t a u 公司 的可编程多轴运动控制器( p m a c 2 - - p c ) 、日本安川公司的伺服驱动器和伺服电机) ， 较高的工作效率和高的加工精度。由于该设备是采用开放式数控系统因此有很大的伸缩 性和可扩展性，针对其功能设计要求，本论文研究中对其现有的功能进行了完善，对相 应的功能软件进行了扩充和维护，并进行了诸如动态仿真、故障自诊断等系统功能模块 的开发。同时在现有主要硬件系统基础上对该数控软片裁片机功能进行了转化，使之具 有当前市场上销售的立体雕刻机功能，并进行了雕刻对象的建模、数控代码的自动生成 以及根据运动控制器( p m a c 2 - - p c ) 的指令语法编制了相应的后处理程序，并对加工 功能进一步挖掘，进行了五轴联动运动的初步研究。针对该设备的后续开发功能，对其 进行联机调试均满足设计要求，达到较理想的效果。 针对要进行后续开发的功能设计要求，本研究课题对现有数控系统进行了具体细致 的研究，同时针对各项工作进行了大量实际调试试验，对相关的数控控制理论及相关控 制软件编制理论方法进行了深入的学习。在本课题的完成过程中，实践了理论联系实际， 通过实践来进行了理论的深化学习，从而既极大程度的丰富了理论知识，又锻炼了实际 动手操作能力，使作者通本课题的研究，对数控系统的开发设计具有一定的理论和实践 基础，具备一定的现场解决实践问题能力。 1 2 数控技术及数控雕刻机的现状和发展趋势 数字控制( n u m e r i c a lc o n t r o l 简称n c ) 技术是近代发展起来的一种自动控制技术、 数字控制是相对于模拟控制而言的，数字控制系统信息是数字量，而模拟控制系统中控 制信息是模拟量。它首先从自动化过程中产生的，是综合机械加工技术、自动控制、 东北大学硕士论文 第一章绪论 检测技术、计算机技术和微电子技术而形成的一门边缘科学，也是当今世界上机械制造 业的高技术【”。 早期的数控系统( n c ) 是以硬件逻辑电路为控制核心的，因此在功能、可靠性和 维护性方面都有很大的局限性。到1 9 7 4 年，以处理机为控制核心的计算机控制系统问 世，机床计算机控制( c n cc o m p u t e r i z e dn u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) 才进入实用化阶段。此后， c n c 的逐渐完善并迅速推广，使得当今数控机床已经在西方普及，在国内它也以不可 阻挡之势替代普通机床，在高精密、高效率，大型复杂加工中站住重要地位。 数控系统是一种位置控制系统，其工作原理是根据输入指令插补出理想的运动轨 迹，然后输入到执行机构，加工出所需要的零件，刀具与工件的相对运动轨迹是由编程 设定。数控系统作为数控机床的控制中枢，是发展最快的部分，是数控技术不断进步的 标志【2 】。一般来讲，数控系统包括数控装置和伺服装置。美国、德国、法国、日本、意 大利等国家均对数控系统的研究和制造进行了大量的工作，形成了较完善的数控体系结 构标准，并成为当今的数控系统生产大国。 我国已把数控系统的研究和开发及其产业化列为国家“八五”、“九五”期间的重点 攻关项目，通过不懈的努力，已在开放型p c n c 方向取得较大的进步。如航天数控集团 的航天i 型c a s u n c 9 1 1 t c m c 系统，中国科学院沈阳计算机研究所的8 5 4 0 系统、华 中理工大学的华中i 型数控系统等，我国的数控技术正以惊人的速度迎头赶上世界潮流。 通过对当前国内外数控系统及基于数控系统的雕刻机发展现状研究，可看到当前数 控技术及相关技术的实际应用正在以下几个方向快速向前发展： ( 1 ) 高速、高精度、高自动化当前制造技术的发展不但要求高的加工效率、 低的生产成本，而且还要求提高零件的表面加工质量和精度。这就要求新一代数控设备 通过高速化、大幅度缩短切削工时，进一步提高其生产率。超高速加工特别是超高速铣 削和高速加工中心开发所应必备的特性 3 1 。从精密加工发展到超精密加工( 特高精度加 工) ，是世界各工业强国致力发展的方向。超精密加工主要包括超精密切削( 车、铣、 雕刻) 、超精密磨削、超精密研磨抛光以及超精密特种加工等。近年来，随着现代科学 技术的发展，新材料及新零件的出现，更高精度要求的提出等都促进了超精密加工工艺 等现代超精密加工技术的完善，以适应现代科技的发展。同时现代生产的发展要求数字 控制制造系统不仅能完成通常的加工功能，而且还要具各自动测量、自动上下料、自动 换刀、自动更换主轴头( 可能含有带坐标交换) 、自动误差补偿、自动故障诊断、进线 和联网等功能，即高度适应数控设备应用环境，实现较高自动化程度要求。 2 一 东北大学硕士论文第一章绪论 ( 2 ) 网络化、智能化、高柔性化 为满足信息资源共享、远程管理、远程故障 诊断，这就要求一台先进的数控设备能够进行网络化管理，实现多种通讯协议，既满足 单机需要，又能满足f m c 、f m s 、c i m s 等对基层设备的要求，同时便于形成“全球制 造”的基础单元。随着科学技术的发展，用户对数控设备要求的不断提高，c n c 系统 的发展必将是一个高度智能化的系统，能够实现局部或全部加工过程自适应、自诊断、 自调整、智能编程使得数控程序更加简单、直观，功能更加强大以及智能监控等【3 。数 控系统作为数控设备的大脑其必将朝着具有高度柔性化方向发展，以提高加工精度和效 率、缩短生产周期、适应市场变化需求以提高其竞争能力。 ( 3 ) 超复合化复合化包含工序复合化和功能复合化。数控机床的发展已模糊 了粗精加工工序的概念。加工中心的出现，又把车、铣、医等工序集中到一台机床来完 成，打破了传统的工序界限和分开加工的工艺规程。近年来，又相继出现了许多跨度更 大的，功能更加集中的超复合化数控机床，如日本池贝铁工所的t v 4 l 立式加工中心， 由于采用u 轴，亦可进行车加工。这样既高度提高了生产加工效率又提高了加工精度， 在更大程度上满足生产厂商、用户的需求。 1 3 数控系统发展的关键技术分析 ( 1 ) 开放式体系结构的控制系统基于具备开放性、互操作性、可移植性、可 缩放性可互换性的体系结构，使用户能够根据需要选择更合适的硬件和控制加工软件， 实现数控设备的最大利用率。采用通用计算机组成的总线式、模块化、开放式、嵌入式 体系结构，便于系统的扩展和升级，可组成不同档次、不同类型、不同集成程度的数控 系统。加工过程中采用开放式实时动态全闭环控制模式，易于将计算机实时智能控制技 术、网络技术、多媒体技术、c a d c a m 技术、自适应控制技术、动态数据管理及动态 刀具补偿、动态仿真等高新技术融于一体，构成严密的制造过程闭环控制体系，从而实 现加工集成化、智能化、网络化。日本、欧盟和美国等针对开放式的c n c ，正在进行 前后台体系标准的研究。 ( 2 ) 数控加工中复杂形状的零件建模技术 对于基于图纸以及型面特征点测量 数据的复杂形状零件的数控编程，其首要环节是建立被加工零件的几何模型。同时要保 证所建立的几何模型不仅满足形状、尺寸及部件相互位置要求而且要力求建模过程尽量 简单，后继轨迹文件能方便、快捷生成。 3 东北大学硕士论文 第一章绪论 ( 3 ) 数控加工刀具轨迹生成数控设备刀具轨迹的文件生成是复杂形状零件 加工中最重要同时也是当前研究最为广泛深入的内容，能否生成有效的刀具轨迹直接决 定了加工的可能性、质量和效率。生成的刀具轨迹文件必须满足：无干涉、无碰撞、轨 迹光滑、切削负荷满足要求、代码冗余量少。同时应尽量满足轨迹文件有好的通用性、 稳定性、编程效率高、代码量小等特性。 ( 4 ) 数控加工过程的仿真 尽管目前在工艺规划和刀具轨迹生成等技术方面己 取得很大进展，僵由于零件形状的复杂多变以及加工环境的复杂性，要确保所生成的加 工程序不存在任侗问题仍十分困难，其中最主要问题诸如：加工过程中的过切与欠切、 机床各部件之问的干涉碰撞等。对于高速加工，这些问题常常是致命的。因此，在实际 加工前采取一定的措施对加工程序进行检验并修正是十分必要的。数控加工过程的仿真 即是通过软件模拟加工环境、刀具路径与材料切除过程来检验并优化加工程序具有柔 性好、成本低、效率高且安全可靠等特点，是提高编程效率与质量的重要措施。 ( 5 ) 数控加工程序的后置处理技术后置处理是数控加工编程技术的一个重要 内容，它将通过前置处理生成的刀位数据转换成适合于具体机床和数控系统的加工程 序。其技术内容包括：机床运动学建模与求解、机床结构误差补偿、机床运动非线性误 差校核修正、机床运动的平稳性校核修正、进给速度校核修正及代码转换等。因此，有 效的后置处理对于保证加工质量、效率与机床可靠运行具有重要作用。 1 4 本论文完成的主要工作 在参与数控软片裁片机的设计和开发中，通过一系列的理论、实践学习，作者对扦 放式数控系统的研制方面进行了一次成功的尝试。在数控设备的机械本体设计到开放式 数字控制系统设计以及相关的控制系统软件编制等方面都有很大的进步，这些都对本论 文的完成有着重要的奠基和指导作用。 基于对当前数控设备数控软片裁片机的设计丌发知识、经验，对其功能、结构、 原理等充分理解的基础上，进行了以下几个方面的具体工作： ( 1 ) 对数控软片裁片机的现有功能进行分析，在深入理解该数控设备功能的基础上 对其进行进一步完善强化、对数控加工程序进行动态仿真( 裁片加工图形的实时动态显 示) 、加工轨迹进行优化处理规划、并对数控系统编制故障自诊断程序提高该数控设备 的智能化程度，充分利用该数控系统的硬件资源。 的智能化程度，充分利用该数控系统的硬件资源。 4 东北大学硕士论文 第一章绪论 ( 2 ) 在现有数控软片裁片机的基础上对其功能进行转化，根据现有的机械本体结构 对雕刻加工的运动轨迹进行可行性规划，完成设计要求的数控立体雕刻机所必备功能的 硬件支持。 ( 3 ) 对该数控系统的核心部件多轴运动控制器( p m a c 2 - - p c ) 及其相关附件 ( a c c - - 8 s 、p e w i n 3 2 、p c o m m 3 2 等) 进一步深化学习、理解，并根据控制器特性对 改进后的数控系统进行控制精度、运动精度优化，以提高现有数控软片裁片机设备的各 项精度指标。 ( 4 ) 深化学习面向对象软件编程技术，利用v c + + 、v b 等程序语言，在前期数控 软片裁片机软件的基础上，提高界面友好度，进一步完善数控软片裁片机操作功能，实 现数控立体雕刻机操作所要求的功能，完成数控立体雕刻加工的实体p r o e n g i n e e r 建模， 并编制数控雕刻刀具轨迹数据的后置处理程序。同时注意提高软件的易操作性、易学性、 易维护性，对软件运行要求具有效率高且占用计算机资源尽量少的特性。 ( 5 ) 根据多轴运动控制器( p m a c 2 - - p c ) 自带指令集编制运动控制程序、过程控 制程序，并完成数控立体雕刻机要求及相关1 7 0 量处理、加工过程的安全监控等。 ( 6 ) 将所编制数控软片裁片机用户程序、雕刻机运动控制程序、后置处理程序，进 行联机加工调试，直到实际操作运行达到数控设备的预定功能设计要求。 ( 7 ) 针对现有设备的机械结构、数控系统的开放式特性，在现有硬件资源的基础上 进行了5 坐标运动机床的初步研究，初步实现5 轴加工的实体p r o e 建模，利用p r o e c a m 自动获取5 轴加工的刀位数据，并开发出相应的后置处理程序。 5 东北大学硕士论文 g - 章数控软片裁片机硬件系统结构介绍 第二章数控软片裁片机硬件系统结构介绍 2 ，1 数控软片裁片机机械本体系统介绍 在对数控软片裁片机系统进行功能完善及功能转化前，首先对该软片裁片机的机械 本体结构情况进行说明： 现有的数控软片裁片机由台架( 床身) 、大臂( ) ( 轴) 、小臂( y 轴) 、升降臂( z 轴) 、刀 杆( b 轴) 、转台( c 轴) 和驱动控制系统等凡大部分组成，其结构如图2 i 所示。 图2 1 数控软片裁片机机械结构 f i g 2 1m e c h a n i s mo f c n cc u t t i n g t o o l 该数控软片裁片机能够实现五轴三联动运动。图中的大、小臂进给运动采用日本安 川的交流伺服电机驱动，滚珠丝杠传递驱动力，同时根据用户功能要求，该裁片机驱动 龙门架在床身上的x 轴向运动，采用两轴同步双边驱动模式；裁片机的回转工作台面( c 轴) 同样采用日本安川的交流伺服电机驱动，现有裁片倒边功能的实现是通过执行x 轴、 y 轴、c 轴的三联动，籍由直线和圆弧插补，加工出用户要求的矩形、扇环、圆等图形； 升降臂的升降轴( z ) 和刀架偏转轴( b 轴) 分别采用日本安川交流伺服电机单独控制， 且z 轴采用滚珠丝杠传递驱动力，b 轴则中间级使用减速机；带动盘铣刀回转主轴则采 一6 东北大学硕士论文第二章数控款片裁片机硬件系统结构介绍 用步进电机驱动，以实现刀具回转的速度调节和控制。该设备在完成不同厚度胶片切削 的同时，根据用户设定的角度加工出周边坡口， 现有数控软片裁片机设备可达到以下用户要求指标： ( 1 ) 本机可以对厚度为2 1 0 m m 的橡胶衬板进行直线、曲线切边和倒坡口操作。 ( 2 ) 根据切削试验结果，本机倒坡口角度可达到 x ：$ 0 0 3 3 ，0 ，2 4 ，s 则在用户程序中利用p c o m m 3 2 动态库函数 “c a l l p m a c g e t r e s p o n s e a ( d e v i c e n u m b e r ，r e s p o n s e ，2 5 5 ，“m 1 6 6 ”) ”查询该m 变量 对应值) 。对于加工过程中的刀具进给速度，则要用运动过程中的速度合成来获取。 3 2 2 1 直线加工的刀具进给速度获取 在进行直线加工前，为了满足加工工艺设计要求，通过直线加工的前处理程序将各 待加工直线位置转化成与y 轴方向平行的位置( 通过转台c 轴的旋转来获取满足直线 加工条件的初始位置) 。图4 4 中给出了加工直线时的初始位置获取情况。 图3 4 直线加工初始位置确定 f i g 3 4o r i g i n a ll o c a t i o nf o rl i n em a c h i n i n g 图中给出了加工直线a 时的初始位置转换情况，为了能加工出该直线并具有满足用 户要求的坡口，在加工直线的前处理程序中对其加工初始位置进行了处理，直线a 经转 台c 轴旋转后是处于与y 轴平行的位置( 该a ，直线x 轴正半轴所在坐标平面，还是处 于x 轴负半轴平面，由该直线在其加工图形中所处的位置及用户对其的内外倒角要求决 定，直线的前处理程序算法及相关程序的实现，在原有软件系统中已很好的实现) 。 从上述直线的加工的位置转换图中，可以清楚看到对直线的加工运动最终转化为数 控软片裁片机切削刀具在y 轴方向的运动，这样通过在加工过程中获取y 轴的实时运 动速度并进行相关的单位转化，即可获取加工直线时的刀具进给速度( 在直线加工中定 义m 3 6 6 一 x ：$ 0 0 a b ，0 ，2 4 ，s 通过调用上位机与p m a c 2 一p c 通讯函数 ，1 6 东北大学硕士论文第三章数控软片裁片机软件系统再开发和维护 p m a c g e t r e s p o n s e a ( ) 即可从p m a c 2 - - p c 中得到要求值) 。 3 2 。2 2 圆弧加工的进给速度 对于圆弧加工的刀具进给速度，由于其加工是通过x y 及c 轴的三轴联动来实现的， 因此在获取其进给速度时便要同时考虑参与运动的各轴速度，通过各轴运动速度的合 成，即可得到加工时刀具的进给速度值。考虑加工圆弧的算法、加工过程，在切削中要 时刻保证刀具合成进给运动方向始终与y 轴平行，故可通过将各轴运动速度在y 轴方 向进行分解。通过y 轴方向的速度合成来计算加工进给速度。图4 4 给出了圆弧加工进 给速度的获取方法证明。 | ，妊。喇。、 x i 轴联动轨连圆心 。谍台谨印弘简；“ 、i ，裂 v y 。k 施 吨缈) | | j | v c 十一 - v y 图3 5 圆弧加工进给速度合成 f i g 3 5f e e d - r a t eo f s e c t o rm a c h i n i n g 图中速度v 是转台c 轴在该时刻的运行线速度( 随着c 轴的转动，各切削点到转 台圆心的距离要发生变化，故不同时刻切削点的c 轴线速度值是不同的) ，v 速度是x y 两轴联动在该切削点的线速度，图中给出了求加工a ( x o ，y o ) 点时刀具进给速度情况。 定义该点和转台圆心0 的连线与x 坐标轴夹角为n ，其与x y 联动轨迹圆心0 连线与 x 坐标轴夹角为b ( 图中标注) 。图中的o 、b 值均是可求的( 已知当前切削点坐标值、 各圆心点坐标值便可求各角度值) 。由式矿= 国转x ；+ y j 可计算由于转台运动在该切 削点的y 轴方向速度分量： 1 7 ，|，一 东北大学硕士论文 第三章数控软片裁片机软件系统再开发和维护 v y = v * c o s , o r - - - e o 转x 厢。嵩铷刊蚓 ( 3 _ 3 ) 由式v = f ( x y 联动作圆运动轨迹时的编制数控程序时指定的速度值f ) ，则可计算 x y 联动运动时，在该切削点的y 轴方向速度分量： v ) = v c o s p 纠掣= f x 掣 ( ，叫 式中r 为x y 联动运动轨迹的圆半径值。 ( 1 ) 考虑确一x o ( 0 时，由式( 3 - - 3 ) 及式( 3 - - 4 ) 进行y 轴方向的速度合成，可 计算此时该切削点的刀具进给速度： 一一形= x o i f 掣 ( s _ 5 ) ( 2 ) 考虑一x 。0 时，由式( 3 - - 3 ) 及式( 3 - - 4 ) 进行y 轴方向的速度合成，可 计算此时该切削点的刀具进给速度： 一以一形= i x o l + f 掣 ( 3 _ 6 ) 综合以上两种情况的式( 3 - - 5 ) 、( 3 - - 6 ) ，可知此时该加工切削点的刀具进给速度 为： 一巧一= k i x o l + f 掣 ( 3 _ 7 ) 同理，可以证明当待加工圆弧曲线位于x 轴负半轴所在平面时，刀具在各加工点的 切削进给速度同式( 3 - 7 ) 。 3 3 数控软片裁片机对刀装置的研究及相关软件的开发 在解决对刀问题之前，首先介绍有关对刀的几个概念。 刀具零点也即机床参考点是指机床上的某一固定点刀具退离加工平台后通过 机床上零点开关所确g n - n 定点。在本数控软片裁片机中，该参考点的确定即是通过 裁片机每次开机所进行的回零动作来实现的，这样就保证刀具在加工的运动中具有参考 依据，加工时刀具从机床零点出发，通过时刻保证刀具在加工坐标系上的准确位置坐标 值来保证加工精度。当然值得注意的是：当机床断电、急停、超程限位开关动作时，数 控系统便会失去机床零值的记忆，因此通电后刀具在n _ n 参考点之前，不管刀具处于什 1 8 东北大擎硕士论文 第三章数控软片裁片机软件系统再开发和维护 么位置，控制系统均认为其处于零点状态，只有进行机床回零操作后，控制系统通过参 考点值来定位刀具的参考零点位置。 工件坐标系是指对工件进行加工时按照工件的加工方案所建立的编程坐标系。通过 该坐标系的坐标原点来确定刀具的起刀点坐标值，确定刀具刀位点相对于工件原点的位 置值。为了将工件坐标系与刀具刀位点联系起来，保证加工过程中达到用户要求的加工 精度，就涉及到本部分要解决的对刀问题。 数控设备在进行加工前，要进行对刀操作，解决刀具相对于待加工工件的准确位置 值，这是很重要的一项工作。其目的就是确定刀具相对与工件运动起点的一个刀具参考 点，选择对刀点时要综合考虑程序的编制，加工中的精度校准和检测等相关因素。因此 在加工前，首先对数控软片裁片机进行回零操作确定刀具的零点( 即机床坐标零点) ，然 后采用专用的对刀装置来校准刀具位置相对于工件零点的高精度位鼹坐标值。在本数控 软片裁片机的对刀功能开发中综合考虑了以上因素，完成了对刀装置的硬件实现，并完 成了相应的软件模块程序的编制。 3 3 1数控软片裁片机对刀装置的硬件实现 在市场上销售的数控机床、加工中心等设备大多是采用了专用的对刀装置，如：日 本的f a n u c 数控系列等。根据本数控软片裁片机控制系统的硬件开放式特性，作者制 作了简易的对刀装置，辅以p m a c 2 - - p c 的i o 通道，完成了本数控系统的对刀器对刀 精度要求，该对刀装置经过实际的联机对刀调试，能够快速、准确、方便的满足用户规 定要求。图3 6 给出了作者制作的简单对刀装置，图3 7 ( i ) ( i i ) 给出了对刀器接入 对刀电路情况。 图3 6 数控软片裁片机对刀器 f i g 3 6c a l i b r a t ed e v i c ef o rc n cc u r i n gt 0 0 1 1 9 东北大学硕士论文 g - - 章数控软片裁片机软件系统再开发和维护 d c 2 4 v d c o v 对刀警8 r y l 0n8 r y 。1 1 图3 7 ( i ) 数控软片裁片机对刀电路 f i g 3 7 ( i ) c a l i b r a t ec i r c u i tif o rc n cc u t t i n gt o o l 该对刀装置中采用到的p i v i a c 2 - - p c 的附件接口板a c c - - 8 s 上一个输入通道接口。 在该附件接口板a c c - - 8 s 上，给出了多个用户输入输出接口通道，根据设计需要选定 复用z 轴的负向限位开关通道，利用该通道接口来获取对刀信号输入，该部分接线电路 如图3 7 ( i i ) 。 d c + 2 4 v d c o v p 1 7 - 2 p l i m l h ( ) 怔1r e t 2 u s e r lm l i m l r e t l a c c - 8 s 部分 oo()o o 甲 用户接口 j 8 r _ y 3kb r y 9 五 z m l i m 图3 7 ( i i ) 数控软片裁片机对刀电路 f i g 3 7 ( i i ) c a l i b r a t e c i r c u i t f o r c n c c u t t i n g t o o l 根据a c c - - 8 s 接口通道的内部电路情况，采用d c 2 4 v 下跳沿触发方式对该通道进 行信号触发。在图3 7 ( i i ) 电路中可以看到，在正常情况下该接口通道( 负向限位开 关输入通道i v l l t m ) 处于d c 2 4 v 的常开电路中，当用户进行对刀操作时，刀尖与对刀 器以慢速进行接触，使得图3 7 ( i ) 电路中的“对刀触发”开关成闭合状态，造成继 电器8 r y 在图3 7 ( i i ) 电路中的常闭开关断开，使p l v i a c 2 - - p c 运动控制器获取对刀 触发信号，同时通过编制用户程序使得控制系统自动读入该时刻的z 轴精确位置坐标 值，并将该值自动写入内部系统文件( 用户定义的参数文件、控制程序文件) ，以备在 后续加工时定义刀位初始数据用，完成对刀操作。 2 0 东北大学硕士论文 第三章数控软片裁片机软件系统再开发和维护 3 3 2 数控软片裁片机对刀操作的软件实现 作为一个自动化程度较高的数控设备，该数控软片裁片机的开放式控制系统特性也 为对刀的软件开发提供了许多方便之处。通过在对刀操作模块中执行对刀程序，数控系 统能自动执行刀具对对刀装置的自动寻找，自动进行z 轴方向的对刀运动进行对刀，并 记住对刀位置的高精度刀位点，自动保存该刀位值，以各后续加工用自动读出，在加工 程序中使用，同时该对刀程序中还对对刀过程的安全进行了考虑，防止错误运动损伤工 作台或刀具。 对刀程序功能分为三个部分：刀具在x y 平面上运动，进行水平方向上的刀位找点， 使得刀具能准确的运行到对刀器的放置位置；刀具在z 轴方向上的运动，进行垂直方向 上的刀位找点，获取z 轴方向上的位置精度；系统保存该对刀刀位点，为后续的正式加 工作准备。 用于监控对刀状态的p l c 程序是在进行z 轴方向对刀运动中，防止刀尖与对刀器 的长时间受力接触而造成刀具变形或刀具z 轴方向上的运动失控，对工作台面和刀具造 成损伤。根据以上的数控对刀操作的设计思想，作者编制了相应的对刀操作控制程序， 使得用户只需点击对刀操作按钮，系统就能自动进行对刀，并正确获取刀具的位置值， 如图3 。8 给出了该程序的编制流程图。 以上对刀硬件、软件均经过联机调试，在功能和精度上均满足设计要求。 3 4 数控软片裁片机加工轨迹的优化处理 提高加工生产率是数控设备追求的基本目标之一，而实现该目标的关键是提高刀具 切削速度、刀具加工进给速度和减少加工辅助时间。在本部分内容里，作者对原数控软 片裁片机的加工轨迹文件进行了优化排序处理。在原有的加工轨迹软件编制中，其是采 用等一个图形加工完成后再进行下一个图形加工的原则，其间由于该裁片机功能的设计 需要，造成加工过程中，刀具找每次加工切入点的空行程过长，空运行时间花费较多。 基于此，在该数控软片裁片机的软件维护中，作者对该加工轨迹的优化问题进行了研究， 采用将本次待加工的所有图形离散化，使之成为一系列待加工的直线、圆弧或圆，然后 将所有实体按空行程距离最短值进行优化排序处理，在进行轨迹优化程序处理时，分别 从对x y 轴联动运动的刀具找点轨迹优化和转台运动轨迹优化两方面着手。 2 1 东北大学硕士论文第三章数控软片裁片机软件系统再开发和维护 图3 8 数控软片裁片机对刀程序流程图 f i g 3 8c a l i b r a t ep r o g r a mf l o w c h a r tf o rc n cc u t t i n gt 0 0 1 2 2 查些查兰堡主堡查苎三主塾丝竺苎塾苎壑鉴堡墨丝量垄查童竺芏 3 4 1 数控软片裁片机x y 两轴联动运动的轨迹优化 图3 9 数控软片裁片机x y 联动运动轨迹优化原理 f i g 3 9x yl i n k a g em o v et r a c ko p t i m i z e df o rc n cc u t t i n gt o o l 图3 9 对x y 联动运动的刀轨迹优化算法进行了介绍。图( 1 ) 是待加工图形，该 图形经前处理程序处理后便得到图( 2 ) 中的各实体的加工初始位置，在图中刀具从起 始点( 图中带箭头的圈) 出发，向台面上所有点中，距离最近的点运动( 如：a 点) ，然 后加工直线a b ，当加工到b 点后，从b 点再从所有未加工实体的始点和终点中寻找距 离最近点( 如：d 点) ，然后加工d e ，当刀具到达e 点后，再在e 点从剩余的所有实体 的始点和终点中找最近点( 如：q 点或c 点，假定是c 点) ，当刀具运动到c 点后加工 c l 圆弧，然后从l 点向剩余实体找距离最近点进行加工，依此方法类推，直至加工完 工作台面上所有实体。图3 1 0 ( i ) 、( i i ) 给出了根据以上算法编制的x y 轴联动轨迹 优化程序流程图。 图3 1 0 ( i i ) 数控软片裁片机x y 联动运动轨迹优化原理 f i g 3 1 0 ( i i ) x y m o v e t r a c k o p t i m i z e d p r o g r a m f l o w c h a r t 2 3 东北大学硕士论文 第三章数控软片裁片机软件系统再开发和维护 图3 1 0 ( i ) 数控裁片机x y 联动运动轨迹优化原理 f i g 3 1 0 ( i ) x ym o v et r a c ko p t i m i z e dp r o g r a mf l o w c h a r t 2 4 巷北大姆圭! 鱼支 第三章数控软片裁片机软件系统再开发和维护 3 4 2 数控软片裁片机转台0 轴运动的轨迹优化 对于转台c 轴的运动优化其算法相对较简单，就是根据c 轴运动前后的两次位置差 ( 即c 轴从当前位置运动到下一位置所转过的角度值) 来判断： ( 1 ) 如果1 8 0 0 a c t l ；，3 0 m m ) ，同时根据该数控设 备的加工运动方式( 切削加工时的进刀方式、用户坡口角度值要求等) ，使得对用户要 求的图形进行加工时必须要考虑刀补问题，相应的在进行设计刀补后的切削程序算法设 计时，就面临着在加工台面上，用户要求加工图形的排布问题。如果加工台面上待加工 图形的布局不太合理，势必造成各个带加工实体图形间的相互干涉，加工生产出废品。 基于以上程序设计思想，在图3 1 4 给出了利用该数控软片裁片机加工扇环时，加入刀 补前后的实际切削图样。 2 7 东北大学硕士论文第三章数控软片裁片机软件系统再开发和维护 图3 1 3 加工图形实时动态显示流程图 f i g 3 1 3p r o g r a mf l o w c h a r tf o rm a c h i n i n gf a t i g u ed y n a m i cd i s p l a y 一2 8 东北大学硕士论文 第三章数控软片裁片机软件系统再开发和维护 图3 1 4 数控软片裁片机刀补前后进刀加工比较 f i g 3 1 4c u t t e r o f f s e tm a c h i n i n gc o m p a r i t yf o rc h i cc u t t i n g t o o l 图中的虚线为利用圆盘铣刀进行切削加工后刀尖走过的轨迹，即切削的软片底层边 界。实线轨迹为用户要求的加工图形。图中的标注a 、b 、c 、d 和a 、b7 、c 、d 点为 加工各直线、圆弧实体时的进刀点( 图中的加工进刀点是按照实际对该图形进行加工时 的刀具切入点给出的) 。左图是切削时没考虑刀补情况，可以看到其切削结果，改变了 用户设计加工的初衷，也即生产了废品。右图是在切削时考虑了刀补的情况，可以看到 加入刀补后的加工结果能比较完美的满足用户要求。基于上述的实际试切加工效果考 虑，在进行工作台面上的图形布局排列时，必然要考虑图形间的相互干涉避免问题。 解决因图形布局而引起的干涉问题，可以考虑在用户绘制待加工图形时进行干涉检 查，也可以在用户用编制的数控软片裁片机操作程序调永待加工图形的d x f 数据文件， 进行图形的重画时，进行干涉检查。由于采用第一种方案时涉及到对绘图软件( 如：c a d 、 c a x a 等) 进行二次开发问题，经过权衡其工作量及必需度后，作者决定采用第二种方案。 这样加入图形布局干涉检查程序后的软件，能在每次用户打开待加工图形时，干涉检查 程序就在图形重画模块中，对刀补可能涉及到的范围进行标识，从而使用户能获知各个 待加工图形之间是否存在干涉问题，避免造成误加工。图3 1 5 中左图给出了具备图形 布局中干涉检查的重画图形界面。 图3 1 5 刀补引起干涉检查 f i g 3 1