（机械设计及理论专业论文）线接触加工数控系统的研究与实现.pdf

线接触加工数控系统的研究与实现 学科：机械设计及理论 研究生签字：荡孑柳 指导教师签字：痧优、衫；_ ) 摘要 近几年出现的线接触铣削加工方式是利用铣刀的侧刃与被加工工件的轮廓表面以一 条直线的方式相接触。该加工方法增加了刀具与工件的接触面积，是基于面的加工方法。 这种加工方法可减少进刀、退刀的次数，改善工件表面质量，提高加工效率。若采用合理 的机床结构，就可以利用线接触加工方法，在一条面加工数控代码内利用铣刀侧刃完成对 整个可展直纹面的加工，获得高精度、光滑的切削表面。 由于在国际标准化组织规定的数控代码和各数控机床生产厂商所自定义的数控代码 中没有在一条指令内实现对整个曲面加工的指令，所以论文设计出了几种用于对直纹面加 工的数控代码，提出了用于曲面加工的复合插补方法，并规划了线接触加工过程中的刀具 运动轨迹。 为了用一条面加工数控代码，利用铣刀侧刃完成对整个可展直纹面的加工，必须设计 一种新型的数控系统。本文设计了一种全软件数控系统来完成这种曲面的线接触加工。论 文分析了全软件数控系统的优点及存在的问题，设计了基于p c 机的数控系统的硬件结构 和软件结构。研究了w i n d o w s 操作系统体系结构及其实时性能，以及高精度定时时钟的 获取和w d m 设备驱动程序在数控系统软件中的应用，使全软件数控系统的定时精度达 到2 0 胛，解决了基于p c 机的w i n d o w s 2 0 0 0 操作系统下数控系统的实时性控制问题。论 文设计了线接触加工数控系统的软件结构，加工中的插补方式及速度控制等。应用c + + b u i l d e r 6 0 和v i s u a lc + + 6 0 集成开发环境，结合d d k 2 0 0 0 设备驱动程序开发包，开发出 一种对可展直纹面进行加工的数控系统。所开发的软件实现了利用一条面加工数控指令就 可以完成对整个可展直纹面的加工，简化了数控编程，并提高了曲面的加工效率。 关键词：线接触加工；复合插补；实时时钟；全软件数控系统 c n cs y s t e mr e s e a r c ho fl i n ec o n t a c t e dm i l l i n g a n di t sr e a l i z a t i o n d i s c i p l i n e ：m a t e r i a l s t u d e n ts i g n a t u r e ： d e s i g n i n ga n dt h e o r y l 盯k 沙 s u p e r v i s o rs i g n a t u r e ： 胁畛 a b s t r a c t n o w 1 i n ec o n t a c t e dm i l l i n gi sg i v e na san e wp r o c e s s i n gm e t h o d t h ed e v e l o p a b l e r u l e d s u r f a c ec a nb em i l l e dw i t ht h ef l a n ko fm i l l i n gc u t t e ri nt h em e t h o dt oi n c r e a s et h ec o n t a c t e d a r e ab e 帆e e nt h ec u t t e ra n dt h em a t e r i a la n dr e d u c et h et i m e so fm o v i n g c u t t e r s o ， i tl m p r o v e s t h eq u a n t i t yo fm a t e r i a l f a c e sa n da d v a n c e st h ep r o c e s s i n g e f f i c i e n t w h e np r o p e r a t e m e c h a n i c a ls t n i c t u r ea r eu s e d ，t h ed e v e l o p a b l er u l e ds u r f a c ec a n b ep r o c e s s e di no n en c c o d e b yl i n ec o n t a c t e dm i l l i n g a tp r e s e n t ，t h e r ei sn on cc o d eu s e dt op r o c e s st h es u r f a c e b a s e do nt h ep r o c e s s i n g m e t h o d t h ep a p e rs h o w sn cc o d e sd e s i g n e df o rs u r f a c e sa n d t h et r a c ko ft h em i l l i n gc u t t e r t h e p a p e ri n d i c a t e st h em e t h o do fc o m p o s i t ei n t e r p o l a t i o n ，w h i c hc a nb eu s e df o rp r o c e s s m g t h e d e v e l o p a b l er u l e ds u r f a c e i no r d e rt or e a l i z et h ep r o c e s s i n go ft h ed e v e l o p a b l er u l e ds u r f a c ei no n e n cc o d e ，an e w c n cs v s t e 咖m u s tb ed e s i g n e dt oc o n t r o lt h ef l a n ko fm i l l i n gc u t t e rt o m i l lt h ed e v e l o p a b l e 1 1 l l e ds u 渤c e ac o m p l e t es o f t w a r ec n cs y s t e r ma r ed e s i g n e dt or e a l i z et h ep r o c e s s l n go | ：t h e c u r v es u f a c e i nt h ep a p e r ，t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r es t r u c t u r eo fl i n ec o n t a c t e dm i l l i n g c n c s v s t e mb a s e do np ch a v eb e e na n a l y z e d ，t h es t r u c t u r e a n dt h er e a lt i m ep e r f o r m a n c e0 t w i n d o w so p e r a t es y s t e mh a v eb e e nr e s e a r c h e d t h em e t h o dt h a to b t a i n i n go fh i g hc l o c ka n d a p p l y i n go fw d mp r o g r a mi n t h ec n ca r es h o w e di nt h ep a p e r t h ep a p e ri n d i c a t e st h e p r o c e d u r ea b o u tt h ed e s i g n i n go ft h e ，s o f t w a r es t r u c t u r eo fl i n ec o n t a c t e dm i l l i n gc n c s y s t e m t h ec 0 m p e t e ds o f t w a r ec n cs y s t e mc a nr e a l i z et h ec o n t r o l l i n g o ft h el i n ec o n t a c t e dm i l l i n g t h ec n cs v s t e mi sc o m p l e t e db yv i s u a lc + + 6 0 ，c + + b u i l d e r 6 0 a n dd d k 2 0 0 0a n dw h i c h c a i lr e a l i z et h ep r o c e s s i n gf o rd e v e l o p a b l er u l e ds u r f a c eu s i n go n e n cc o d e k e yw o r d s ：l i n ec o n t a c t e dm i l l i n g ；c o m p o s i t ei n t e r p o l a t i o n ；r e a lt i m e p e r f o r m a n c e ； d e v e l o p a b l er u l e ds u r f a c e 学位论文知识产权声明 学位论文知识产权声明 本人完全了解西安工业大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 学位论文工作的知识产权属于西安工业大学。本人保证毕业离校后，使用学位论文工作成 果或用学位论文工作成果发表论文时署名单位仍然为西安工业大学。大学有权保留送交的 学位论文的复印件，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：嚼矽骑 指导教师签名： 彰绝，谚 日期：切d 孑j ，1 0 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的学位论文是我个人在导 师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特j j t l d l a 以标注和致谢的 地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的成果，不包含本人已申请学位或其 他人已申请学位或其他用途使用过的成果。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致谢。 学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名： 指导教师签名： 雷诊撕 f 谚狁，惕 日期：l 叨g ，f 。0 6 7 1 绪论 1 绪论 1 1 数控技术概述 数控装置是现代机械加工中的重要装备，它是利用数字化信息来控制机床加工运动和 工作过程的一种技术。随着计算机技术的迅猛发展，数控技术与计算机控制技术相结合， 使现代制造业技术产生了重大的进步。计算机控制技术的应用使原有的n c 系统为c n c 系统所代替。数控机床就是机床上配有c n c 系统，利用计算机及数字信息进行控制的高 效的、能按预定数字化代码进行机械加工的自动化机床。 数控技术是综合了微电子、计算机、电器传动、测量与监测、通信、等信息科学以及 机械制造科学等多学科领域中的最新成果而成为现代加工制造领域中的核心技术。他是现 代制造技术实现自动化、智能化、柔性化的基础，是提高劳动生产率、提高加工质量必不 可少的物质手段。 数控系统作为现代机械制造系统的关键单元，集中了现代工业科学领域中的高、新技 术科学，其功能的强弱和性能的好坏决定着制造模式的成败，而制造业的发展水平，直接 关系到国家的经济发展和综合国力。因此大力发展自己的数控技术及产业是当前世界各国 工业发展中的重要目标。 1 1 1 国内外c n c 数控加工技术发展状况n 卅 由于计算机技术与数控技术的紧密结合，使开发和生产数控系统的技术被越来越多的 自动化装备生产厂所掌握。因此，就当今全世界范围来说，c n c 技术已经不再被少数几 个国家的几个c n c 系统生产厂所垄断。到8 0 年代末，几乎每个工业发达的国家都有了 自己的数控设备生产厂，生产满足各自国家数控机床及其他机械装备所需要的数控系统。 甚至很多大型的数控机床生产厂都有自己的产品，并部分出售数控系统。因此，c n c 系 统生产厂家之间的竞争更为激烈，数控技术也进入了新发展的阶段。 目前，世界上最大的数控系统生产厂家是日本的f a n u c 公司，其次是德国的 s i m e n t s 公司，西班牙的f a g o r 公司，美国的a n i l a n 公司、意大利的f i d i a 公司， 法国的nu m ，日本的三菱等公司。国产的数控系统厂家主要有华中数控、北京航天机 床数控集团、北京凯恩帝、北京凯奇、沈阳艺天、广州数控、南京新方达、成都广泰等， 与国外一些大型的数控生产厂家相比较，国产数控生产厂家规模都较小，年产量都还没有 超过400 套。 通过分析以上的这些具有代表性厂家生产的数控系统，可以将当前数控系统各方面的 发展状况总结如下： 1 ) 当前数控系统在结构上大都采用嵌入p c 机的结构这种结构已经成为当今数控 西安工业大学硕十学位论文 技术发展的潮流，如意大利f i d i a 公司的1 0 2 0 3 0 系列数控，a n i l a n 公司生产的1 1 0 0 、 1 2 0 0 、1 4 0 0 系列数控系统，都是采用p c 作为基板来开发自己的数控系统，r 本f a n u c 、 三菱，德国的s i e m n t s 等这些以生产专用c n c 系统著称的公司，也都把嵌入p c 机作 为自己发展数控系统一个重要方向。中国数控的龙头企业，华中数控开发生产的也是基于 通用p c 的数控装置，其中华中i 型系列为高档高性能数控装置，世纪星系列、小博士系 列是在i 型数控系统的基础上开发的高性能经济型数控装置，也都主要是采用嵌入工业 p c 机式结构。这主要是由于微型计算机技术的高速发展，以及大规模集成电路的集成度 越来越高，使得p c 机的硬件结构越来越小，c p u 的运行速度也越来越快。而个人p c 机 的广泛应用，也使其价格普遍降低。在软件方面由于操作系统的应用，以及大量工业技术 软件的开发，使p c 机的软件资源十分丰富。因此，更好地利用p c 的软、硬件资源，就 成为各国数控设备生产厂发展c n c 系统十分重要的一种方法。 2 ) p c 机的应用是数控系统实现开放性的一种便捷的途径开放式数控系统根据国 际电器电子工程师协会( m e ) 定义的：开放式数控系统提供了使合理实现的应用程序运 行于来自多个控制供应商的不同平台上及与其他系统应用相互操作的能力。当前各数控厂 家将自己推出的嵌入p c 机的数控系统都称为是开放式数控系统。真正的实现开放式数控 系统是当前数控行业发展的一个重要的目标。o s a c a 、o m a c 、o s e c 分别是欧洲、美 国、日本等一些的大的机构和生产厂商联合起来，专门为实现开放式数控系统而开展的研 究机构。经过十多年的努力，开放式数控系统的研究已经有了很大的进展并取得了可观的 成果，但目前最具影响力的仍然是上述三个机构。这三个机构分别提出了自己的开放式数 控系统的一些标准和模型，并根据这些标准开发了一些示范性的应用软件模块。同时他们 的开放式数控系统也有其自己的特点，如o m a c 引入了w i n d o w s 操作系统，可以更充 分的利用p c 机的软件资源，以实时操作系统为核心，并利用了实时数据库。而o s e 开 发了基于p c 的人机接口系统，提出并开发了新的n c 语言o s e l ，开发了用于机床控制 的接口( o s e ca p i ) 及语言处理器。开放是数控系统发展的一个主要的方向。尽管开放 式数控系的发展还面临着一系列的问题，如一致性的人机界面、实时操作系统的开发、数 控系统的开放程度等。但是在全世界数控系统生产厂家及研究机构的共同努力下，实现真 正的开放式数控系统并不是一个遥远的事情。 3 ) 高速、高精度数控系统是数控系统所发展所追求的另一个不变主题这也是机床 数控系统的一个最重要的问题。由于高速加工技术的普及，车床主轴的转速已经达到 8 0 0 0 1 0 0 0 0 转分钟，铣床加工中心的主轴转速可达1 2 0 0 0 2 4 0 0 0 转每分钟以上。快速移 动的速度由过去的1 0 2 0 米分钟提高至4 8 2 0 0 米分钟。在速度提高的同时，机床运动部 件的启动加速度也由过去的0 5 g 提高到1 5 2 g 。高精度加工，除了机械设计和制造要保 证能实现目标外，对c n c 控制器的主要求是控制精度高。目前数控机床的加工精度已经 可以由一般的1 0 一2 0 a n 提高到8 a m 左右，亚微米级机床达到o 5 p m 左右的数控系统和机 床产品已有。超精密数控机床的微细切削和磨削加工精度可稳定达0 0 5 朋左右，形状精 2 西安t 业大学硕士学位论文 度可达0 0 1 a n 左右。数控中两轴以上的插补技术已经大大提高。 4 ) 复合加工、新结构机床大量出现如5 轴5 面体复合加工机床，5 轴5 联动加工 各类异形零件。也派生出各新颖的机床结构，包括6 轴虚拟轴机床，串并联铰链机床等。 采用特殊机械结构，数控的特殊运算方式，特殊编程要求。 1 1 2 基于p c 的数控系统体系结构畸 基于p c 机的运动控制系统大致分为以下三种情况： 1 ) p c 嵌入c n c 型数控系统这种数控系统的基本结构是由c n c 十p c 机主板构 成，即把一块c n c 板插入传统的p c 机中，c n c 主要完成运动规划、高速实时插补、 伺服滤波控制和伺服驱动等的实时控制功能，而p c 机用于完成非实时控制任务和人机接 口任务，应用程序软件一般是在d o s 或w i n d o w s 等操作系统平台开发。作为与用户的人 机接口平台，目前这种结构型的数控系统已经得到了很广泛的应用。 2 ) c n c 嵌入p c 型系统这种结构的数控系统是由p c + 伺服板卡构成，也就是采用 把p c 机嵌入到c n c 系统中。这种结构的系统能够独立运行。c n c 与p c 机之间的通信 是靠p c 机总线进行的，它实质上是基于总线结构运动控制器的一种扩展。与标准的c n c 嵌入p c 型系统相比较，这种系统c n c 与p c 机之间的连接采用了更加可靠的总线连接 方式( 采用针式连接器) ，因此系统更加适合工业中的应用。在使用中采用工业以太网、 r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、p r o f i b u s 等现场网络通讯方式连接p c 机或控制面板。这种结构数控 系统的可靠性好、界面丌放，越来越受机床生产厂家的欢迎。 3 ) 基于p c 的全软c n c 型数控系统这种系统以p c 机为开发平台，开发数控系统 的各种功能，通过伺服卡传送数据，控制坐标轴电机的运动。这种结构的系统可提供给用 户最大的灵活性，他的运动控制软件全部装在p c 机中，而硬件部分仅仅是p c 机与伺服 驱动器与外部i o 之间的通用接口。用户可以在d o s 、w i n d o w s 或l i n u x 等操作系统平台 上开发所需要的控制功能。全软件型数控系统的特点是容易实现全方位开放，可以提供给 用户跟多的选择和灵活性，且开发成本低，容易开发出更加个性化的数控系统。 1 2 线接触加工的概念、内涵 线接触铣削加工不同于传统的点接触式铣削加工方式。传统的铣削数控加工采用的是 点线的方式规划走刀路径，即铣刀与被加工工件的轮廓表面以点的方式接触( 立铣除外) ， 刀具完成一次走刀加工形成的是一条曲线，要完成一个曲面的加工时就需要调整走刀步 距，从而实现对于曲面的加工。这种加工方法的刀位计算简单，可以实现任意曲面的加工。 但可以看到，采用点接触铣削加工方式加工空间平面时，由于刀具与工件接触面积小，同 时需要调整走刀步距，从而降低了加工精度，增加了走刀距离，所以这种加工方法的加工 精度与加工效率都较低。 线接触铣削加工方式，是利用铣刀的侧刃与被加工工件的轮廓表面以一条线的方式相 互接触，即加工过程中，刀具可以随意摆动，从而使刀具与被加工工件的表面轮廓母线平 3 两安_ ：业大学硕十学位论文 行。这干中d n i 方式采用的是线、面方式规划走刀路径，增加了刀具与工件之间的接触面积， 当刀具完成一次连续走刀时，加工形成的是一个面，因此这是一种基于面加工的加工方式。 采用这种加工方法可以减少抬刀、下刀的次数，降低被加工工件表面残留的高度差，解决 加工效率与走刀步距之间的矛盾，从而使加工效率高、切削条件好，获得较高的表面质量， 可以大大提高加工精度与加工效率。这种加工方法主要用于铣削和光整加工中。图1 1 和 1 2 清晰的表明了点接触和线接触加工的不同，也充分显示了线接触加工方式的优点。 铣 工面 图1 1 点接触式铣削加工方式 图1 2 线接触式铣削加工方式 线接触铣削加工方式是一种针对于面加工的方式，利用刀具侧刃进行连续的一次走刀 加工整个侧面。这里所说的面是指空间可展直纹面，即母线是直线的空间曲面，如空间圆 柱面、圆锥面、柱面、锥面、圆台表面等。 1 3 课题的来源与研究的目的、意义 课题的来源： 本课题来源于陕西省教育厅产业化培育项目“基于蓝牙技术的高效面加工数控机床” 和陕西省科技厅科研攻关项目“基于蓝牙的高精度加工数字控制技术”。 课题研究的目的与意义： 从线接触铣削加工的概念及内涵可以看到，对于空间可展直纹面的加工，线接触加工 具有传统点接触铣削加工不可比拟的优势，现将线接触加工数控系统的意义总结为以下几 个方面： 1 ) 可提高曲面加工效率线接触加工增加了刀具与工件轮廓表面的切处面积，是基 于面的加工方式，从而减少了走刀路径，减少了加工时间，有效的提高了对空间可展直 纹面的加工效率。 2 ) 可从理论上提高加工精度线接触加工有效的减少了退刀、进刀次数，可从理论 上降低被加工工件表面的残留高度，提高加工精度，获得较高的加工表面质量。以加工柱 面或锥面为例，当利用传统的点接触式铣削加工时，则需要进行曲面逼近，同时还需要五 个轴同时动作( 联动) ，这样就不可避免的存在逼进误差和非线性误差【昏7 】。如果改变机 4 两安r t 业大学硕士学位论文 床的结构，用尽量少的轴，甚至单轴进给，并采用面加工数控代码指令，就能实现基于面 的线接触加工。由此可以看到线接触加工的优势是在加工空间可展直纹面时表现出来的。 3 ) 可减少刀位数据文件用一条数控代码就可完成对整个空间可展直纹面的加工， 从而使加工时的刀位数据大为减少。 研究并实现线接触加工数控系统的目的： 由于线接触加工不同于传统的铣削加工，它除了具有一般的普通数控系统的控制功能 外，还具有针对于空间可展直纹面加工的功能，但是在国际标准化组织上规定的i s o 数 控代码指令集中却没有针对于面加工的数控指令。为了进一步减少加工周期，提高加工效 率，达到提高加工综合效率的目的。课题中研究了一种基于面加工的线接触加工数控系统。 在系统中应用了原有的i s o 数控代码指令集中规定的一些指令，并在此基础上设计出一 些专门用于面加工的数控代码。这些面加工的数控指令具有简单，易用的功能，利用一条 面加工的数控代码就可实现对整个可展直纹面的加工。 该数控系统是基于w i n d o w s 操作系统的一种全软件的数控系统，它充分应用了p c 机 的硬件和软件资源，可有效降低数控系统的成本。 1 4 课题的主要内容及重点 本文中所研究的线接触加工数控系统是一种基于p c 的w i n d o w s 操作系统的全软件 数控系统，该数控系统除了具备一般的普通数控系统所具有的加工功能，还具有针对于可 展指纹面加工的独特功能。因此在本课题中通过分析研究，解决了包括w i n d o w s 操作系 统下实现全软件数控系统时需要解决的数控系统的实时性等关键问题，同时还研究并解决 了线接触加工中针对于可展指纹面加工时曲面数控代码的定义和设置，加工过程中刀具运 动轨迹的规划，全软件数控系统的总体结构。在数控系统软件中包括了数控系统的主要功 能模块数控程序的输入模块( 图形输入方式和手动输入方式) 、数控代码的编译、加 工过程中的控制模块、显示模块、加工控制参数的设置、速度倍率调整等。下面具体说明 一下线接触加工数控系统所完成的主要内容： 1 ) 研究了线接触加工方法的加工原理本课题对线接触加工的加工原理进行了深入 细致的研究，以在此基础上实现线接触加工数控系统。 2 ) 研究了全软件数控系统需要解决的关键问题论文分析了全软件数控系统的优缺 点，研究并解决了w i n d o w s 操作系统下数控系统高精度定时时钟的获取及实时控制的实 现问题。在w i n d o w s 操作系统下采用软件的方法来实现该数控系统时，涉及到在w i n d o w s 环境下数控系统实时性的实现方法。由于w i n d o w s 操作系统本身并不是实时性操作系统， 对于实时性要求比较高的任务，w i n d o w s 本身的任务调度机制是无法实现实时控制的， 因此只有通过其他途径来解决数控系统的实时控制问题。 3 ) 研究了线接触加工数控系统的软件结构由于线接触加工数控系统是在w i n d o w s 操作系统下实现的，为了使在w i n d o w s 操作系统下数控系统的控制性能达到更加优化， 5 两安t 业人学硕十学位论文 从而采用了w d m 程序和面向对象程序两种程序结构来实现控制。 4 ) 研究了曲面数控代码的定义、设置和控制过程中刀具运动轨迹的规划方法本文 中的线接触加工数控系统是针对于面的线接触加工数控系统。在国际标准化组织规定的数 控代码和各数控机床生产厂商所自定义的数控代码中，没有面加工指令。因此在这里除了 应用数控加工中普通的g 代码外，还在此基础上扩展并设计出几种新的用于面加工的数 控代码，如圆柱面加工、圆锥面加工、柱面、锥面等。设计出的这几种面加工的数控代码 用一条加工指令就可完成对整个空间可展直纹曲面的加工。这些面加工数控代码具有形式 简单，容易应用，并有利于简化编程，提高面加工的效率。可以说这些代码即能优化的表 示被加工曲面的加工特征又能满足加工需要的形式。由于线接触加工对空间可展直纹面的 加工部分是采用特殊的机床结构了实现的，因此系统规划了加工过程中刀具的运动轨迹。 5 ) 编写了全软件的数控程序数控系统研究了包括数控代码的输入和加工控制两个 大的部分。其中输入部分包括图形输入和手动输入两种方式，而控制部分则包括控制系统 工作的启动、停止、暂停、继续加工等控制功能，数控代码的编译，加工过程中对各种加 工控制信息的显示，加工控制参数的设置( 如刀具运动时与升降速有关的加加速度、加减 速度、系统的初始速度等的设置) 、速度的倍率调整等功能。在插补模块中，除了可对一 般的空间直线、圆弧等插补功能，还引入了专门用于面加工的复合差补方式。 1 5 本章小结 本章通过对国内外一些典型数控生产厂家生产的数控系统的状况以及当前数控系统 发展趋势的研究，介绍了当前数控加工技术的状况，以及基于p c 机的数控系统的体系结 构。另外还具体介绍了线接触加工数控系统的概念和内涵，以及本课题所研究的主要内容， 课题研究的目的和意义等。 6 2 线接触加t 数控系统的总体设计 2 线接触加工数控系统的总体设计 随着p c 机技术的高速发展和普遍应用，以及各种操作系统和应用软件的极大丰富， 能够将p c 机用于数控系统，以最大的可能性应用其软硬件资源，是当前数控系统发展的 一个重要目标，也是每个设计开发数控系统的工程技术人员努力的一个目标。 本系统在总体结构设计上围绕的主体设计思想用一句话概括就是：实现w i n d o w s 操 作系统下全软件的线接触加工数控系统。具体讲，就是充分利用w i n d o w s 操作系统的软 硬件资源来实现线接触加工的数控系统，控制系统不但要具备通用数控系统的控制功能， 更要具有线接触加工的特有的功能，即实现对空间可展直纹面加工的特殊功能。本章将具 体说明线接触加工数控系统在总体结构上的设计。 2 1 线接触加工原理的研究 线接触加工运动控制系统与普通的点接触加工运动控制系统不同。线接触加工是利 用铣刀的侧刃与被加工工件的表面轮廓以一条直线的方式接触。在线接触加工时，刀具侧 刃的包络运动形成已加工表面，因此刀具的导向与刀位检查及工件面的形成与点接触方式 有较大的差别，点接触加工中关于零件面、导动面和检查面的定义不能明确地反映线接触 加工中刀具运动与加工表面的关系。所以我们定义：加工面为零件待加工的表面；导动线 为引导刀具运动的一条曲线：检查面为每次走刀的终点位置，图2 1 表示了线接触加工过 程中刀具的运动方式。因为线接触加工形成的只能是直纹面，在加工非直纹面时，就需要 用直纹面对该非直纹面进行逼近。这样，根据具体情况，可以选定直纹面的一条边线p q ( u ) 检 图2 1 线接触加工复合差补运动示意图 作为导动线( 刀具底端面与工件面的切触点始终运动在该线上) ，而刀具侧刃与加工面相 切触。刀具底端的切触点沿导动线运动至检查面时，刀具侧刃完成该直纹面的加工盯1 。 换一种说法就是在加工过程中，刀具侧刃与被加工工件表面轮廓的母线平行，加工中 刀具除沿着与可展直纹面母线垂直的方向向前进给加工，同时还可沿着与母线平行的方向 上下运动，因此在线接触加工中刀具可以同时在两个不同的平面同时进行差补运动。所以 7 西安t 业大学硕七学位论文 说线接触加工是一种复合差补。 由于线接触加工进行的是复合插补，在加工过程中可把插补分为底层插补和顶层插补 两个部分。所谓底层插补，是刀具底端沿着一定曲线进行的插补。顶层插补是刀具的侧刃 沿着一定曲线进行的插补。插补时，先要进行底层的插补，底层插补完成后，再进行项层 插补。 图2 2 中图( a ) 表示的是利用线接触加工方法加工一个底边是曲线的圆台表面，该 图清楚的说明了线接触加工过程。加工如图( a ) 所示的圆台表面，具体分为两个插补过 程。在进行插补时，刀具侧刃与圆柱体轮廓表面母线平行，在砂平面进行曲线插补，如 图2 2 ( b ) 所示，同时在刀具底端，又要在形方向( 即沿着刀具的方向) 和s 方向进行 工件旋转进给 刀具旋转主运动 0 图(c)l 图2 2 复合插补原理图 插补。其中5 为虚轴( 即在x y 平面进行圆弧插补时刀具所走过的圆弧的弧长) ，刀具在 方向和s 方向进行插补时，先判断刀具应朝方向走还是s 方向走，如果是向方向走 则刀具朝方向进行插补运动，如果是向s 方向走，则应在夥平面进行插补，产生新的 弧长s ，然后再重复上面的插补过程。 2 2 线接触加工数控系统的硬件及软件平台 2 2 1 硬件平台 本文数控系统研究的对象是实现空间可展直纹面加工的线接触加工数控系统，由于数 控系统采用的是基于p c 的全软件控制方案实现，因此系统在硬件上除了用于连接p c 与 8 曲 ；卧 西安工业大学硕士学位论文 伺服驱动器的i o 接口外，主要是依靠p c 机的硬件资源，图2 3 具体说明了线接触加工 数控系统所应用的硬件资源。 图2 3 线接触加工数控系统的硬件资源 从图2 3 中可以看到，线接触加工数控系统充分利用了p c 机的硬件资源，并通过i s a 总线实现从p c 机到伺服驱动系统的控制，从而实现对九个轴的运动控制。驱动部分选用 的是交流伺服驱动系统。其中的外部时钟模块，是通过i s a 总线提供给p c 机的外部输入 时钟。 2 2 2 操作系统平台 由于线接触加工数控系统是基于p c 机的全软件数控系统，操作系统是数控系统硬件 及软件运行的环境，操作系统选择的好坏、是否合理，将直接影响数控系统的性能，如硬 件上控制的实时性、准确性，软件上人机交互界面的形式以及数控系统软件在整体结构上 的安排等。操作系统的选择同时也决定着系统设计及实现的方式和难易。线接触加工数控 系统选择的操作系统平台是w i n d o w s 2 0 0 0 操作系统。主要是从以下几个方面考虑的： 1 ) w i n d o w s 2 0 0 0 系统是工业控制领域中的首选操作系统w i n d o w s 2 0 0 0 因具有优良 的安全性和稳定性，应用范围越来越广阔，是当今工业控制领域中的首选操作系统。 2 ) w i n d o w s 2 0 0 0 系统在工业控制领域中优于w i n d o w s 9 x 系统w i n d o w s 2 0 0 0 系统 的开发工具要比w i n o w s 9 x 系统更为齐全。与以前以后各种软硬件的兼容性更好一些。 另外该系统的帮助功能更为丰富，除在工业控制上具有广泛的应用外，目前个人p c 机上 对该系统的应用也仍然很广泛。 3 ) w i n d o w s 2 0 0 0 系统在工业控制领域中优于w i n d o w s x p 系统w i n d o w s 2 0 0 0 系统 与w i n d o w sx p 系统相比在硬件上更为开放，更容易在系统底层上实现对硬件的控制。 4 ) w i n d o w s 2 0 0 0 系统下容易实现各种特色人机交互界面在w i n d o w s 2 0 0 0 系统下 更容易做出具有个性的人机交互界面，从而使控制系统在应用上更为简易，方便。 9 西安：j ：业人学硕十学位论文 2 2 3 基于p c 机的数控系统软件特点 基于p c 机的数控系统是一个典型的对实时性要求很高的控制系统，本文根据数控系 统不同控制部分对实时性要求的强弱不同将其分为强实时控制部分，如对实时性要求很高 的插补运算、伺服控制脉冲的输出等；弱实时控制部分，如对加工控制位置的显示，控制 数据的读入等；另外一部分是非实时控制部分，如数控代码的编辑，编译，系统参数的输 入、设置等。同时它又是一个多任务的、各个任务之间需要相互协调、通信的控制过程， 如系统在控制过程中实时性强的插补和位置控制部分要实时的将控制位置数据送出进行 显示，同时还要将编译完成的数控代码读入系统进行加工。由此可见基于p c 的数控系统 的控制过程是非常复杂的，下面介绍一下基于p c 机的数控系统软件上的几个特点： 1 ) 基于p c 机的数控系统软件必须具有实时控制的功能数控系统软件必须能够截 取高精度的定时中断【8 1 2 1 ，这是由数控系统必须要能够实现插补运算和位置控制等的强实 时性控制决定的。 2 ) 系统是多任务的且能够并行处理隅m 1 数控系统的任务在总体上可分为控制任务 和管理任务两大类，其中控制任务主要负责插补运算、伺服控制脉冲的输出等实时性的控 制，并负责将控制位置数据传递给管理任务。管理任务主要负责数控程序的编辑、数控代 码的编译、加工位置的显示、加工参数的设置( 如速度倍率调整、加减速参数的设置等) 并负责将翻译完成的数控代码传递给控制任务，同时接收控制任务传递过来的加工位置等 数据信息。由数控系统各个任务的工作方式和控制要求可以看到，基于p c 的数控系统软 件在任务的调度上并不是按照顺序进行的，各个任务之间是相互协调、并行处理运行的。 如控制任务中在插补、位置控制等强实时任务运行的同时还要实时的将加工位置数据传递 给显示任务。又如控制任务在执行强实时的插补位置控制时，管理任务同时要不断的翻译 下面的数控代码，并传递给控制任务，以保证系统控制的连续性。由此可见数控系统软件 在结构上是多任务的，各个任务在运行上又是并行的复杂过程。 3 ) 控制软件要能够安排各个任务的优先级由于数控系统各不同任务对控制实时性 要求的不同，为了保证控制系统控制的实时性和控制的精度，对于实时性要求很强的插补 运算和位置控制等必须具有最高的优先级权，而对于实时性要求不高的部分，如数控代码 的编译、加工信息的显示等，其优先级低于强实时控制部分。强实时控制部分因为具有最 高的优先级，可以随时中断低优先级的任务，从而使控制精度得以保证。 2 3 线接触，j l - r 数控系统的软件结构 结合数控系统强实时性控制的要求和系统各不同部分对实时性要求的差异以及系统 所工作的操作平台。在设计和实现线接触加工数控系统总体结构时，采用了前后台的工作 方式，即实时性较强的工作如外部定时中断的接收，伺服控制脉冲的输出以及插补运算等 采用的是后台底层w d m ( w i n d o w sd r i v e rm o d e l ) 程序来完成。而对于系统的人机接口 部分，如数控代码的输入、编辑、加工过程中的显示、及控制按键等采用前台式面向对象 1 0 西安t 业大学硕士学位论文 的顶层应用程序来实现。后台程序采用的是w i n d o w s 2 0 0 0 操作系统底层的w d m 程序模 型来实现的，而前台程序采用的是顶层面向对象程序模型来实现的。下面具体介绍了底层 w d m 程序和顶层面向对象应用程序的特点。 2 3 1w d m 程序模型 w d m ( w i n d o w sd r i v e rm o d e l 的简称) 程序模型是微软推出的全新的驱动程序模式， 支持即插即用、电源管理、和w m i 技术。他的运行平台是w i n d o w s 9 8 2 0 0 0 x p 操作系统。 w d m 驱动程序是本文数控系统后台的实时控制程序采用的模型，同时它最终也是作为操 作系统的一部分。要了解w d m 驱动程序，必须先了解w i n d o w s 操作系统的体系结构 及w d m 程序所在的位置。图2 4 是w i n d o w s 2 0 0 0 操作系统的体系结构简刚1 3 d 4 1 。 w 缸3 2 a p i 调用 图2 4w i n d o w s2 0 0 0 操作系统结构 从图2 4 中可以看到，w i n d o w s 2 0 0 0 操作系统在结构上分为两大部分，即用户模式和 内核模式，应用程序工作在用户模式，当应用程序需要对硬件设备进行操作时，需要调用 相应的a p i 函数，a p i 函数通过w i n 3 2 子系统向i o 管理器发送一个请求，i o 管理器接 收到这个请求后创建一个叫做1 0 请求包( i r p ) 的数据结构，并把这个数据结构送到相 应的驱动程序的入口点。执行这个i r p 的驱动程序或者通过硬件抽象层对硬件进行操作， 或者直接对硬件设备进行操作。在线接触加工数控系统中对硬件的控制采用的就是直接对 硬件的操作，即利用了嵌入汇编语言的方式直接对i o 口进行了输入输出的控制。 w d m 程序模型采用了分层工作方式，一个i r p 由一个分层的设备驱动程序栈处理， 图2 5 表示了i r p 在一个驱动程序栈中的传递过程。 设备栈表示了处理请求的驱动程序层次，每个设备栈至少有两个驱动程序组成，即功 能驱动程序( f d o ) 和总线驱动程序( p d o ) 组成。在设备栈中可以插入各种过滤驱动程 序，其中上层过滤驱动程序总在功能驱动程序的上边，下层过滤驱动程序总在功能驱动 1 1 两安1 ：业人学硕+ 学位论文 程序的下边。总线过滤驱动程序总在总线驱动程序的下边。总线过滤驱动程序总在总线驱 上层类过滤驱动程序 上层设备过滤驱动程 功能驱动程序 卜层类过滤驱动程序 下层设备过滤驱动程 总线过滤驱动程序 总线驱动程序 i r p 图2 5w d m 模型驱动程序层次结构 动程序的上边。其中处于最底层的总线驱动程序用于枚举p c 总线上发现的所有硬件设备， 并创建一个p d o ( 物理设备对象) 代表它发现的硬件设备，用此对象对硬件设备进行操 作。功能驱动程序位于总线驱动程序的上边，它创建一个f d o ( 功能设备对象) ，对设 备的各种功能操作主要是由功能设备驱动程序来完成的。功能设备对象再与物理设备对象 相连，从而完成对外部硬件设备的操作。 i r p 是w d m 驱动程序的核心部分，驱动程序的一切操作都是围绕它为中心。i o 管 理器把它所创建的i r p 发送到设备栈的顶部，这样任何高层的过滤驱动程序或功能驱动 程序总是最先接收并处理i r p ，若该i r p 处理完成，则向i o 管理器返回完成状态，反之 则继续向下传递，直至完成该i r p 请求。也就是说，一个i r p 并不一定由一个驱动程序 完成，它可以由设备栈中的多个驱动程序共同完成，每个驱动程序只完成i r p 中的一部 分。然而并不是设备栈中的所有驱动程序都一定对i r p 进行处理操作，有的时候有些驱 动程序只是起到传递i r p 的作用，直到某一层的驱动程序处理完成i r p 的操作。在最简 单的情况下，i o 管理器只是把i r p 发送到一个驱动程序，并完成处理。i o 管理器把处理 完的数据和结果返回给w i n 3 2 和用户应用程序。 w d m 驱动模型程序在实现上实质上采用的是“基于对象”技术，驱动程序中包含了很 多的例程，当操作系统遇到一个i r p 时他就调用驱动程序中的例程来执行该i r p 操作。 有些例程是必须的，如d r i v e r e n t r y 例程，这个例程类似于c 语言的m a i n 0 函数，它是驱 动程序的入口地址，驱动程序的初始化过程就是在这个例程中完成的；驱动程序初始化完 成后，p n p 管理器就调用a d d d e v i c e 例程对所要操作的硬件设备进行初始化，如建立一 个设备对象并把它连接到以p d o 为底层的设备对象。当设备被枚举时，首先调用的就是 a d d d e v i c e 例程。 1 2 西安t 业大学硕十学位论文 - j - ： w i n d o w s 操作系统的内核中，驱动程序例程的运行可分为3 2 个优先级，如图2 6 所 硬什中断级( 可中断) 软件中断级( 可中断且可抢先) i _ _ 卜i _ 3 l3 02 92 82 72 6 - 3210 图2 6w d m 程序的中断优先级 将这3 2 个优先级按从低到高的优先次序分为两类：软件中断、硬件中断。其中的硬件中 断指的是由系统的硬件设备所产生的中断，如配置文件的定时、时钟、处理器之间中断级 等，硬件中断的中断级别最高。这里的中断级别意味着系统中任何一个中断级别都可以被 更高的中断级别打断，因此要使某个中断级别的例程具有较高的实时性，就要使其具有更 高