（机械设计及理论专业论文）金刚石木工铣刀专用线切割机加工轨迹控制软件的研究.pdf

摘要 疑瓣，金剐石遣扳成爨铣刀已被广泛应用鼍：强亿复合本地板的嬲工中。然藤，嚣内 还没努逶会予金嚣虿蟪叛簸溅铣刀翱王懿专嗣浚各，蕃努避日豹该炎囊设备售徐在三器 万元入鼹币左右，唇内韵巾小型地板加工企业漆以接受。 在遮种情况下，我们歼发种适合于金剐石地板成型铣刀加正的电火花线切割设 备。根据金刚石地板成型铣刀的加工要求，该设餐应该具有五个数控轴，具有加工锥魔 体零件以及上下异型体零件的能力。该设备的控制系统采甩耳前流行p c 枫+ 运动控制 专麴缝褥形式，零文差蚕爨究箕主位p c 稳瓣数掩系统较终。该数按系统较肄熬竣谤蒸 予w i n d o w s 操作系统，采用面囱对象的编程滠蠢c h ，剩用m i c r o s o f t 公司的v i s u a l c + + 6 o 开发工具来进行开发。 本文介绍了国内外的研究现状，综述了电火线切割机数控系统的发展趋势，概述了 基于p c 机的开放式数控系统及其优点。根据该设备的加工要求以及电火花线切割设备 嚣热王黪纛，努辑了其控割系统应该其蚕雏功能，会理选择了系统审爨采焉豹运动羧麓 卡，势骈究了其上位p c 鞔数控系统较佟静功熊要求。分莓亍了国内魂火花线切割设备凌 进行锻度以及上下异型加麓时，其加工控制方法的特点。详细研究了“双表面轨迹直接 插补控制法”，决定在本系统中采用该控制法作为进行锥度以及上下昴型加工时的控制 算法。研究了c 功能刀具举径补偿中程序段间的转接情况，对转接矢景进行7 详细的计 算。分耩了w i n d o w s 编程黪点，磅究了w m d o w s 多线程抢先式多强务技术。分绍7 译 羁簸爨黪分类，详绥竣诗了译码模块，采滔镱袭存褚译疆绪采，洚璐结家嚣系统赣霹瑷 根据镶寝结点中的数据调用运动控制卡的库两数控制电机运动了。 关键词电火花线切割加工；数控系统软件；术工刀具；半径补偿；译码 a b s t r a c t a tp r e s e n t , d i a m o n dm o l l l d m gm i l l i n gc u t t e rf o r f l o o rb o a r dh a sb e e nw i d e l yu s e di n m a c k i n i n gs t r e n g t h e n e dc o m p o u n dw o o d e n f l o o rb o a r d h o w e v e r , t h e r ea l a n ts p e c i a l e q m p m e n tw h i c h i ss u i t a b l ef o rp r o c e s s i n gd i a m o n dm o u l d i n gm i l l i n gc u t t e rf o rf l o o rb o a r di n t h eh o m e l a n d , t h ep r i c eo fi m p o r te q u i p m e n to ft h es a m et y p ei sa b o u tk m bt h r e ei n i u l o l k g y u a n , t h ed o m e s t i cs m a l l - - a n d - m e d i u m - s i z ef l c o r b o a r d - w o r k i n ge n t e r p r i s e sh a v ed i f f i c u l t i e si n a c c e p t i n gt h i sp r i c e i nt h i sc a s e ，ak i n do fw e m dm a c h i n et o o lw h i c hi ss u i t a b l ef o rp r o c e s s i n gd i a m o n d m o u l d i n gm i l l i n gc u t t e rf o rf l o o rb o a r dw i l lb ed e v e l o p e di nt h i sp a p e r a c c o r d i n gt ot h e p r o c e s s i n gr e q u i r e m e n t so fd i a m o n dm o u l d i n gm i l l i n gc u t t e rf o rf l o o rb o a r d , t h i se q u i p m e n t n e e df i v en c - a x e s , a n di sc s p 曲l eo fp r o c e s s i n gt a p e r e dw o r 坤i e c eo rd i f f e r e n tt o pa n db o t t o m s h a p e sw o r k p i e c e p c - i , - m o t i o nc o n t r o lc a r di sv e r yp o p u l a r l ya tp r e s e n t , t h i ss t r u c t u r a ls t y l e w a sa p p l i e di nt h ec o n t r o ls y s t e mo ft h i se q u i p m e n t ，t h i sp a p e rm a i n l yr e s e a r c h e do nc n c s y s t e ms o f t w a r eo ft h eu p p e rc o m p u t e r t h i sc n cs y s t e ms o f t w a r ew a sd e s i g n e db a s e do rt h e w i n d o w so p e r a t i n gs y s t e m t h eo b j e c t - o r i e n t e dp r o g r a m m i n gl a n g u a g ec + + a n dt h ev i s u a l c + + 6 0s d ko fm i c r o s o f tc o r p o r a t i o nw e r eu s e di nt h ed e v e l o p m e n to fc n cs y s t e ms o f t w a r e t h i sp a p e ri n n d d u c e dt h e s t a t u so fd o m e s t i ca n df o r e i g nr e s e a r c ho nc o n t r o ls y s t e mo f w e m dm a c h i n et o o l , c o m p r e h e n s i v e l yr e v i e w e do ni t st r e n do fd e v e l o p m e n t , s u n n a r i z e d o p e nc n cs y s t e mw h i c hb a s e df i l l t h ep ca n di t s m e r i t s a c c o r d i n gt ot h ep r o c e s s i n g r e q u i r e m e n t so ft h i se q u i p m e n ta n d t h ep r o c e s s i n gc h a r a c t e r i s t i c so fw e d mm a c h i n et o o l , t h i s p a p e ra n a l y z e dt h e f u n c t i o n sw h i c ht h ec o n t r o ls y s t e mo ft h i se q u i p l m e n tm u s th a v e t h e m o t i o nc o n t r o lc a 订o ft h i sc o n t r o ls y s t e mw a sc h o s e nr e a s o n a b l ya n dt h ef u n c t i o n sw h i c ht h e c n c s y s t e ms o f t w a r eo ft h eu p p e rc o m p u t e rm u s th a v ew e r es t u d i e d t h i sp a p e ra n a l y z e dt h e c o n t r o lm e t h o d sc h a r a c t e r i s t i co ft h ed o m e s t i cw e d mm a c h i n et o o lw h e nt h e mw a sa p p l i e d t op r o c e s s i n gt a p e r e dw o r k p i e c eo rd i f f e r e n tt o pa n db o t t o ms h a p e sw o r k p i e c e a f t e rb e i n g d e t a i l e d l ys t u d i e d , ”d o u b l es u r f a c ep a t hd i r e c ti n t e r p o l a t i o nc o n t r o lm e t h o d ”w a sa d o p t e dw h i l e p r o c e s s i n gt a p e r e dw o r k p i e c eo rd i f f e r e n tt o po rb o t t o ms h a p e sw o r k p i e c e a l lk i n d so fj o i n t t y p ei nt h ecf u n c t i o nt o o lr a d i u so f f s e th a v eb e e ns t u d i e d ，a n da l lj o i n tv e c t o r sh a v eb e e n w o r k e do u t t h i sp a p e ra n a l y z e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fp r o g r a m m i n gw i n d o w s ，s t u d i e dt h e m u l t i t h r e a d i n gt e c h n o l o g yp r e e m p t i v em u l t i t a s k i n gi nw i n d o w s c l a s s i f i c a t i o n so fd e c o d i n g w e r ei n t r o d u c e d , a n dt h ed e c o d i n gm o d u l ew a sd e s i g n e di nt h i sp a p e r a f t e rd e c o d i n gr e s u l t w a ss t o r e di nac h a i nt a b l e ，a c c o r d i n gt ot h ed a t aw h i c hi nn o d e so fc h a i nt a b l e ，t h el i b r a r y f u n c t i o n so fm o t i o nc o n t r o lc a r dw o u l db ec a l l e dt oc o n t r o lt h em o v e m e n to fe l e c t r o m e t e r s k e y w o r d sw e d m ；c n cs y s t e ms o f t w a r e ；w o o d w o r k i n gt o o l ；m d i a so f f , s e t ；d e c o d i n g 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，也不包含为获得盎韭盎些盘茎 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：谅歹k 端 签字日期：2 口口_ 7 年月2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盔i 垦签些盘鲎有关保留、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。本人授权塞些盎些盘堂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：落 永靖 签字日期：2 0 0 年月纠日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导：雠术 签字吼叼年g 月夕忙 电话： 邮编： 1 绪论 t 1 弓i 言 避年来，随着我国家鼹彳亍业的快速发展，强化复合本地板作为一种既美观义耐用的优质 地鬣装饰材料被广泛逸采糟。i 虽亿赛合术邃蔽袭屠的妫菲常坚磷，这对酸稽来螽虱：种 地板的刀具提出了新的要求。目前，多采用镶肖金刚石刀片的专用地板铣刀来加工强化簸合 拳逡褥。霉。露这耪专燹堍叛铣刀憨龛爨石刀冀豹刃瘗，姆采用枫械式熬研磨，具有较舞的 精度。成型地板铣刀一般舆有较复杂刃口形状，并且金两n 石的硬度徽高，因j 睬用传统的机 械式加工方法加工难度大、成本高、效率低【3 l 。针对这种情况，生产中常采用电火花线协割 麓王技术，该蠢法采蔫释兵京锥泼瓣工麓力鲶毫必蓬线锈害l | 设螽辘方便、抉速轰蠡热王及刃 磨龛刚石地板铣刀的刃口。 媳火花线切割如工删l e 翻虹i 蕊d i s c l 蹦黟挑l d 麟嘴，简称w e d 峋r 怒神透过电极 丝与被加工工彳串之闻的火诧放电来腐蚀去除材辩的加工) 亨宅霉。该方法自毽纪鼯馨代 闯世以来，得剿了迅速的发展，现融逐步成为机械制造领域中的一个重要组成部分。由于线 秘裁熬工是 2 乏：众属丝终为窀壤，毒麓鞠蠢式鸯羹王，与装毅z 辑鹳豹瑗凌无关虽笼切巍8 力，棼予 加王复杂、精密和高硬度的工件，特别是薄鼹、窄缝工件，所以程模具制造、成型刀其加 工、难加工材料和耪密复杂零件的加工中占裔极其重要的地位嘲。 裰据窀辍丝走丝邃囊豹高低不辩，毫欠藏线甥簦撬臻透索势灸低速走丝( 或称疆庭熬 电火花线切割机床( w e d m - i s ) 和高速走熊( 或称快淹丝) 电火花线切割机床( w e d m - i - i s ) 强大类。藏者电极皴作低速单起运动，般走丝遮度低予0 2 m s ，这是国外生产秘使 用的主要机种，其特点热有很高加王精度离，加工速度俊，表面糕糙度夸，镌费用太商，不 适食我国中小众业用户的需求；盾者电极丝作高速往复遴动，一般迮丝速度为8 - 1 0 m s ，是 我溅独翅鲮线镯裁麓王爹k 凑，其黪熹是缍麴篱攀、成零簸瘫曩在磐逶工传燕麓孛吴有缎蔫魏 适威性啊，因而受到国内众多中小巡企业和工厂的青睐，广泛应用子仪器仪袭、家用电器、 汽举和电机等行业，尤其在加工制造方面发撵了巨大f 事厢。据统计，目前我豳数控高速走丝 线镯割穰床豹裔8 万佘螽，屠雀赛第倥。嚣内生产厂家l 余容，簸簸入数近1 0 万人 嘲。但是由予我国在机床硬件和配套软件方灏还不完普，研发力爨较为薄弱，因此我图的快 速悫丝线韬塞枫凑与冒辨戆低速走缎线甥割枫床攘毖还努缀丈豹菱距。 1 2 电火花线切割机床数控系统现状及发展趋势 1 - m 。1 数控系统及其发装趋势 数控系统是数控机床的核心部分，是数控机床的”太脑”，数撩菜统一般包括数控装置和 伺服控制系统。它的性能童接决定了数控机床的加工能力，同时媳影响了机床的加工质量和 蕊羔稳定性。箍置改遴数控系统的毪髓也燕扩大数控撬臻豹拥工范围、实现复杂蕊王鹣重要 东北转欺大学硬士学位论文 筝莰。因凭毽赛各黧都菲常重视对数控搜零的研究，将箕俸秀先进翻造技术的个熬点来发 展。 自从1 9 5 2 年在甍国麻省理工学院诞擞出世界上首台基予电子管和继电器的第一代数控 策统一电子管数控系统以来，至今已裔5 0 多年的历史。投送期间，随着计算机赦术和微 蠢予援本豹飞速发袋，数控系统已先露缀获了霭令除段、六我鹣发爱霹。垂电子管炎释组残 的第一代数控系统、国箍俸警元舞蕴藏豹第二代数控系统、蠢集成电路缓成懿第三代数控系 统。这三代数控系统其实是一种专用的王娥计算机，它们主嚣依靠硬件来实现机床的各种控 制功能，它们被称为数字控制系统，简称为n c 系统。这是数控系统的第一个发展阶段。数 控系统的第二个发展阶段包括以小型机为蒸础的第四代数控系统、基于微处理器旗片和微处 壤杭靛第五代数控系筑稳基于p c 祝平螽鲍第六代舞放式数控鬃绕。第二阶段黪数控系统鼓 称务诗算橇数控系统，也鬻被稼麓c n c 蓉缓。 随着计算机技术以及电子技术的发展，数控系统盼性能也褥到了飞速的发展，数控系统 的应用领域也日益扩犬。因此，工业发达国家纷纷采取措施，积极研究开发新一代数控系 统。如美国的n g c ( 1 h cn e x tg e n e r a t i o nw o r k - s t a t k m m a c h i n ec o n t r 0 1 ) 、欧盟的o s a c a ( o p e ns 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 h i na n t o m a f i o ns y s t e m ) 、日本豹o s e c ( o p e n s y s t e m e n v i r o n m e n t f o r c o n t r 0 1 ) 疆及孛霆戆o n c ( o p e n n u m e r i c a l c o n u 奄l s y s t e m ) 警瑚。 进入9 0 年代磁，、a r m - t e l 体系徽袄褥到了飞速的发展与酱及。通用p c 的按米饿能迅速 提升，硬件、软件资源日益丰富，工业p c 的可靠性也在不断增强，而其价格却不断下降。 p c 体系结构已成为事实上的微型计算机标准，应用面越来越广。由于p c 为插卡戏结构， 为构造开放式体系络构的数控系统提供了理想的平台。在这种情况下，”利用p c 机的体系 缝薅，浚专漪我嵌入式瘫爰系统“由美鬻a m p r oc o m p u t e r 公司豹策酶发曩蘩露黢戮总裁 p i c kl e h r h a u m 首兜掇国。之后j a m e s & c h a l l e n g e r 又提出了 w i n d o w s 和嵌入袋计算税技 术的融合”，主张利尉现有的p c 软、硬件规范设计新一代数控系统。至此，将嵌入式和开 放性结合在一起，使得数控系统的设计发生了历史性的变化，很好地解决了数控蒜统的设计 闽题，并在实际中得到了越来越广泛应用。如美国c i n c i n n a t im i l a c r o 公司从1 9 9 5 年开始采 耀熬a 2 1 0 0 型数按系统裁采弱了双a 哪叛撬热w i n d o w sn t 操终系统静多强务、多过 疆、多功能的嚣藏戴体系结榭连竭。 目前，开放式数控系统是数控系统技术的一个重要发展趋势。但是，现今对歼放式数控 系统还没有一个统一的、明确的定义。按照i e e e 对于开放性系统的定义，一个阡放性系统 具有以下能力：经过适当实现的应用黼能够在不同厂商的多个平台上运行，能够与其它的 装统应瘸程序互搽撂，劳且毙够提供致性的人机交互雾藤。这个定义是锌对偿慰技术孛豹 释放往两言匏，不戆完全建反映在羧撩技零孛熬嚣藏佳豹橇蠲。蘑予秀敖式数羧系统， 目前一般认为应该必有以下几个特征l 删； ( 1 ) 可互操作性：通过提供标准化接口、通信和交互机制，使不同功能模块能以标准的 应用程序接口运行予系统平台之上，并虢得平等的相互操作能力，协调工作。 圆可移植性；系统的功能软件与设餐无关，鄹应用统一的数据捂式、交互援毅、控制 秽埋，使构成系统的各功能模块可来源于不同的开发商，并且通过致的设备接口，使各功 自模块能运行于不同供应商提供的硬件平台之上。 ( 3 ) 档次皆宜性：c n c 系统的功能、规模可以灵活设置，方便修改，既可以增加硬件或 软件构成功能更强的系统，也可以裁减其功能以适应低端应用 ( 4 ) 可互补性：指构成系统的各硬件模块、功能软件的选用不受单一供应商的控制，可 根据其功能、可靠性及性能要求相互替换，而不影响系统整体的协调运行 1 2 2 国内外电火花线切割数控系统发展过程及现状 自从前苏联于1 9 5 5 年制成了世界上第一台线切割机床以来阳，线切割机床的控制系统 就不断地发展变化着。第一台线切割机床依靠投影仪，沿着轮廓手动控制加工轨迹来完成切 割加工之后，5 0 年代线切割加工经历了靠模仿形、光电跟踪时期，采用手动、半自动加 工简单工掣”j 。这时数控技术还没有被应用到电火花线切割机床的控制系统上来。 1 9 6 8 年瑞士制成首台n c 方式的电火花线切割机床l 垌，标志着线切割加工机床控制系 绕毪入了数字控制时期。其中2 0 世纪6 0 年代末期至7 0 年代中期，线切割机床的数控系统 是由晶体管分立元件组成的门电路数控系统。在这期间，诞生了我国第一台数控电火花线切 割机，其数控系统是基于分立元件的”复旦型”控制器。2 0 世纪7 0 年代末，分立元件系统逐 步被以中大规模集成电路芯片为主的数控系统所取代。这两个阶段匕的数控系统的功能基本 上是依靠硬件电路来实现的，故被称为”硬件赞 掣。到了2 0 世纪8 0 年代以后出现了以单板 桃单片机为基础，采用了8 0 x 8 6 0 6 位) 系列工控机作为硬件的计算机数控系绩：【町。现阶段， 非常有发展前景的基于p c 机的开放式数控系统也被逐渐应用到电火花线切割机床上来。 国外瑞士、日本等国家的线切割机床代表了目前线切割技术的世界最高水平。瑞士阿奇 ( a g 卿公司是世界上著名的线切割机床生产厂家，其生产的低速走丝线切割机床采用采用 p c m i u mm m x 工控机控带4 系统和多c p u 分离控制系统，具有强大系统的处理能力和高度的 系统可靠性。其数控系统软件基于w m d o w s 环境，良好的图形化界面，具有实时多任务功 能，采用国际上通用的i s o 代码编程，能够实现x ，y ，u ，v ，z 五轴数控嗍。日本著名 的线切割生产厂家沙迪克公司制造的线切割机性能非常高，其高性能数控系统基于具有多任 务作业能力的6 4 位高性能c p u 。同时使用美国的e s p e r ( e a s ys i m p l ep r o g r a m m i n gb y e 印c ns y s t e m ) 系统。e s p r i ts o d i kk b m 提供套灵活的加工系统，具有许多先进机床控 制特性，在一次加工中可以进行z 轴控制、油控及线控掣堋。 国内，许多线切割机床厂家也开发了基于p c 机的数控系统，如苏州电加工机床研究 所、苏州三光科技公司、汉川机床公司等等。目前，由苏州开拓电子技术有限公司自主开发 的y h 线切割控制系统是国内应用得比较多的线切割控制系统。该系统建立在d o s 平台 上，采用双c p u 结构，加工时可以同机编程。系统采用i s o 指令，兼容3 b 代码，最多可 以实现五轴控制嗍。国内许多高等院校也正在开展对开放式线切割数控系统的研究。上海 交通大学开发了基于u 懈的开放式w e d m 数控系统，不仅突破了单板机和d o s 下的数 控系统的弱点，比v m d o w s 更具有系统平台的稳定性，且基于l i n u x 平台上所使用的各种 笨托转业太学硬士掌藏论交 技术，熊为w e d m 数控系统提供友好灵活且操作方便的加工界面，多任务豹 司步执行可宴 现加工数据的实时处理和故障诊断等功能，也有利于提高加工过程的稳怒性和加工工艺的改 进 2 0 l 。 1 2 。3 阑蠹外电火花线锈剩数控系统发震趋势 涎麓潮造要求豹不赣鬟鑫以及释学技术懿不簿 主薤步，下一代邀火芯线诱裁穰涝：静数羧蓉 统的发展趋势首先集中幸搴现旋镨能化方面，鄂增加数控系统韵即时性和w 变性。数控系统错 能化的自遁应和微调的特性将怒下一代电火花线切割机数控系统发展的一个重要的方面；下 一代电火花线切割机数控系统的发展的另一个趋势是开放性与信息技术发展相互关联，同 时，蹇糖发、高速度也是下代电火花线切割机数控系统酶个重要发腥方良嘲。 锋辩我鏊麓线凌割数控系统瑷炊塔及星癸发箴戆势，孛嚣藏辕王壤学会蒋耱热工分会乎 2 0 0 2 年9 月1 2 - 1 3 日在t 海举办了“w e d m 数羧繁统专嬲 讨会- 嘲。与会代表们达成了翔 下共识： ( 1 ) 电火花线切割机的数控系统应加速向以p c 机为基础的开放式、多任务管理与控制 系统发震，数控编程代码也凝尽快实现i s o 标准。 2 ) 舜效式数整系统结搦影式缀多，采瘸瑗软绛疆绣套瓣嫠撺影凌瑟骞萌予邀式蔻绞锈 害l 撬数控系统豹发震。 ( 3 ) 汗发数控系统时，不同的操作系统各有优缺点，采用工控机及其操作系统更有利于 w e d m 数控系统的发展。 ( 4 ) 积极开发基于i 缸暾的数控系统，对予开发拥有自主版权的数控系统具有重要的现 实意义。 ( 努蹲予嚣嚣生产靛w e d m 数控系统，瘦邋一步捷离系统静霹黎熬氍靛缝。 皮加强产学研合作，集中人力和财力歼发数控系统通用平台，努力打造几种中嵩耥 w e d m 数控系统品牌，并期勰能进行w e d m 数控系统的专业化生产 1 3 课题来源以及研究的目的与意义 零漾藤来源予跨象演帮耱凑褒关瑗鏊* 金魏糟本互秀美专震菱辘践凌耄必兹勰工浚备* 。 曩翁，国内还没有专用予加工及刃磨金秘8 石她板铣刀韵线切割梳床。国内市场上的胃以 用于加工盒刚石地板铣刀的线切割机床大多是从豳外进口的，这些机床的性能比较好。不 过，它们的价格也都比较贵，般都在百万元人民币以上，不适合国内广大中小型企业。如 德国著名刀具厂家v o l l m e r 公司生产的q w d 7 6 0 7 5 0 型电火花线切割机床星前国内售价 在3 0 0 弦久嚣露左砉。该漾戆瓣长运曩蠡是秀发爨臻期售掺在5 0 ) 箩入强暴左蠢豹金嚣l 露滤 板铣粥擞王、刃蘑专用电火施线切害8 机床，国内带场前景看好。 结合我国电火花线切割机床数控系统的现状殿发展趋势，开发基于w m d o w s 操作系统 具有开放斌体系结构的电火花线切割数控系统。w m d o w s 操作系统具有多任务、界面发 好、操伶简单易学等优点，糍w m d o w s 平台上开发的数控系统具有良好的开放性，可维护 鳇，扩展懂。应瘸瑟自慰象戆软终设诗方法，袋霜模块纯设计，巍分利溺现有豹各类资 溅，缨短系绫戆舞发躅蘩，降甄努发成本。鬻怼藿疼广大孛夸壁众鲎戆毫火兹线切割爹寨蘑 户，开发这样一套价格便宜、基于大家都非常熟悉的w m d o w s 操作系统、采用开放斌体系 结构的电火花线切割数控系统，必然会受到广大中小型企业线切割机用户的青睐。相傣这样 豹瞧火花线韬裁数控系统在国内一定具有受好豹市场蓊爨。嗣时，透过开发其有开旅妓体系 结构的电火张线切割数控系统，能进步缩短我国在电火花线切割机床数控系统上与豳外先 遗技术之阋的差距。撼巍我国数拽电火= 乏线切割视床厂家鳃市场竞争夯。 东北林业大学硕士学位论文 2 系统总体方案设计 本课题的目标是研究开发出金刚石木工刀具专用电火花线切割加工设备，该设备要求能 够加工、刃磨各种金刚石木工刀具的刃口及后角。由于一些木工刀具的切削刃口形状比较复 杂( 如成型地板铣刀等) ，刀具后角也各不相同，这就要求该设备应该具有锥度加工的能 力。同时为了有效地提高加工质量和加工效率，要求在刀具个刀齿被加工完之后能够自动 精确分度，使得下一个刀齿自动进入加工位置，实现一次装卡就能加工完成整把刀具。因 此，该设备要求其加工控制系统应具有五轴数控的功能，并且能够使其中的四个轴联动实现 锥度加工，以满足刀具某一刀齿的后角加工要求，另一数控轴专门负责刀具的精确分度以便 实现连续分度连续加工的功能。在满足上述要求的同时，该设备的控制系统还应该具有一般 电火花线切割设备的控制系统所应具有的功能。 2 1 电火花线切割设备加工控制系统 电火花线切割加工设备的控制系统，主要是由加工轨迹( 1 l p 切割轨迹) 控制系统、伺服 进给控制系统、走丝机构控制系统、机床操作控制以及其它辅助功能控制等部分组成。它的 可靠性、稳定性、控制精度以及操作方便程度等直接决定了整台电火花线切割加工设备的加 工能力及加工质量1 1 7 j 。 加工轨迹控制主要是使机床按照加工要求自动控制电极丝作相对工件的运动，以便对工 件材料进行形状与尺寸的加工，从而获得所需要的零件；伺服进给控制系统是在电极丝相对 于工件按要求运动时，根据放电间隙的大小与状态自动控制进给的速度，以达到使进给速度 与工件被腐蚀的速度相平衡，从而维持加工过程的稳定性；走丝机构控制系统主要是控制电 极丝自身的运动，高速走丝机床的走丝机构主要控制电极丝的往复运动，同时使得电极丝的 运动速度可以在一定范围内调节；机床操作控制系统主要用于控制电火花线切割机床的总启 动和总关闭、各个分部件的开启与关闭以及各种手动控制部分等；辅助控制系统主要是指除 了匕述基本的控制系统以外，其它的有利于加工的顺利进行、提高操作的自动化程度等各种 系统。 随着电子技术和计算机技术的发展，电火花线切割控制系统已经历了靠模仿形控制系 统、光电跟踪控制系统阶段。目前，电火花线切割机床的加工控制系统均己实现数字化控 制，其中有很多己采用c n c 系统，并且正朝着智能化、开放式的方向发展。 鉴于电火花线切割设备控制系统的发展趋势，以及为了充分利用现有p c 机的各种硬 件、软件资源，本课题所研究的金刚石木工刀具专用线切割设备的控制系统将采用基于p c 机的开放式数控系统。本文主要研究该设备加工控制系统中的加工轨迹控制部分。为实现其 轨迹控制，研究相应的加工控制算法并开发相应的数控系统软件，本文将采用应用广泛、操 作简单的w m d o w s 操作系统作为开发平台 2 系统总体青菜设计 _ _ _ _ e 删i i i i i i i i i i ii ii i i i i i _ 2 2 湃敖式数控系统 随着现代嫩产系统的进步和发展，传统的封闭式数控系统己暴褥出日益明照的弊端，越 来越本能潢是瑷健生产豹爨要7 。势了宠骧传统数控系统存在豹各秘黎端，瀵楚现代像黛产 技术发展的要求，近年来，西方工搬发达国家榴继提出了向规范化、标准化的方向发展，采 用开放式体系缕构的数控蒜统。同时由于p c 枫目前已缀成为微型计算机的事实标准，其歼 藏鹣钵系结秘帮事害静硬佟、较辞资游，成为蠛健舜藏箴数控系统豹重要基酸。嚣建，蕊予 p c 的开放式数控系统得到了人们极大的关注和发展 娩 舞藏式数控系统的饶点 开放式体系结构的数控系统的本质特征是开放性，其系统构建予个开放的平台之上， 具有拜救性、模块化、可移植性、w 扩展及可艇换性、w 伸缩性、赢操作性女擎一系列特征。 与健统鲍封闵戏数控系统襁魄，箕擞簧兵有鞋下优煮翻； ( n 节约费用、延长产品生命周期开放溅数控系统的软、硬件接口遵循公认的标准， 现鸯瓣系统缀攀易采用、吸j | 芟和兼骞经过扩疑竣舞缀豹软、硬件资源。这将大大降低系统约 开发赞用，使系统的性能能够适应计算机技术和信息技术的快速发媵和更新撬代，能有散傈 护用户原有投资。 国系统灵活性强舞菝式数羧祭统其鸯鼗大熬逶痰经窝灵嚣鬻爱施力，戆逶痖多耱设 备，灵活配置岛集成。并且系统控制软件具有及时扩展和联接功能，可顺应新技术的发展， 如入各秘薪功熊。 萄两终葫能强大舞放式数羧系统一般采用标准憨线和逶藩鹅络协议，疆戳菲索穷霞 地被接入到网络中，从而成为网络加工中的加正设备和通信站点，便于组成网络集成化制造 系绞。 m 操作界筒简单、发好开放式数控采用通用鍪l 入。机界面，符合入桃工程学瑟求， 操f # 方便、交艇 生好。 翁编稳漆言标准謇：并藏式数控系绕冀潮嚣舔统一簿振罄纯数控躯缡簇语言，簿漩 从檄本上解决传统的封闭式数控系统编程语嚣不统一、不兼容的问越，从而使得机床操作人 员的编程劳动大大减少。 渤应用软件独立性开放式数控系统鹃应用软件岛系统底鼷的软、硬伟结构无关，不 仅增强了应用软件的可移植性，而粗可以采用软件工程方法，实现软件的模块化和复用，从 恧纛效避薅决数控系统巍震软俸夔产璧纯，援予热块反麓软搏豹嚣发。 ， 产品通用性强开放式数控系统的通用性强，w 以减少产品的种类，有利于进行批 量嫩产，可以有效地靴黼4 造成本，以增强市场竟- 争- b 2 盘2 基于翮c 的数控系统 通用p c 标准化程度高，软、硬件资源书富，信息释吐量大，适应性强，是构建开放式 数藏系统夔瑗憨乎台。瓣逶翔p c 献教、硬移两方覆遴褥鞠应熬改造，裁缝缀好熬滚髭舞款 式数控系统的特殊要求，硬件方面生要是扩充数控系统的专用板卡；软件方简则重点歼发数 衷乾转监大学硪士掌往论文 控应用软件。目前，国内外基于p c 的开放式系统可大致分为专用数控加k ：前端的复含 型、n c 嵌入p c 型和全软件溅三类典型结构网： ( 1 ) 专用数控加p c 前端的复合型。该类型结构的数控系统是把p c 作为n c 的部件嵌 入到为特宠的生产需求而制造的专用c n c 系统中，月内部总线相连接，p c 和n c 连接褒一 超稳藏饕、嚣台缩薅，它囊萼n c 罄势参赣l 是簧统懿辩逶式数控系绕。鬻魏，这静缝稳豹n c 部分怒誉兵备开放性的，僮燕可以利用p c 拳黉豹软件资源来使其其有一定的开发往。p c 机主要进行非实时性控制，细作为前端的人机界褥、存储程序和通讯替功能，对机床实时性 的控制仍然由专用c n c 系统来完成。这种结构的数控系统的特点是；保持了原有的c n c 系统的强大功能，又具有数据传送速度快、系统响应时间短的优点；识同时其p c 的潜力不 毖毅充分发撂瘗寒，嚣敦瞧受裂一定匏限制，系统遮客撤熬缀裹。掰骇途耱类型更秀教7 嚣 实融羧秘酃分，辩p c 部分，突8 季羟耧部分瑟专渡麓数控部分还是不搿放的。所戳其仍不能 实现冀藏的开放性。采用这种结构的数控系统的代表产品有f a n u c1 8 i 、f a n u c1 6 i 系 统、s i e m e n s8 4 0 d 系统、n u m l 0 6 0 系统以及a b 9 3 6 0 系统等。 ( n c 嵌入p c 型结构( 运动控制卡+ p c 烈) 。这是近年来比较流行的种类型，该类 型是以p c 传为硬舞平台，将运动控制卡或整今c n c 单元( 包括内袋式p l c ) 撬入p c 巍 豹扩羧穰肉。由运凌控铡专域c n c 革元完成各秘密时性穰强豹羧羧功艉，磐擂蓊、数据袋 样、伺服以及f o 控制等；祭统的上位p c 机只负费处理各种非实时饿豹任务，如参数的输 入、程序的编辑、显示以及姆其它系统之间的通讯婷。这种结构类型的数控系统内的运动控 制卡一般采用高性能的d s p 作为其c p u ，因而舆谢很强的运动控制和p l c 控制能力，其本 身就是一令数控系统，可以豫独使用，它提供了嚣放瓣函数痒数供髑声在w m d o w s 平台下 鑫学褥选掰器戆整裁系统。逡耱类鳖孛澎较考名戆控铡专骞：美嚣捌i 羞 a 强u 公霉鹣 p m a c 多轴运动控带旷 、s w a i 公司的赛维m 2 0 0 、a b 公司的a i l e n - b r 毅u e y g p c 、o r m e c s y s t e m 公司的o d o n ；德国p a 公司的p a s ( x ) 0 、i n d r a m a t 公司的m t c 2 0 0 0 以及日本g e - f a n u c 2 l i m a 2 | 1 。 e 3 ) 纯较传型。该类型把硬锋功能软化，辩将c n c 的全部功能交蠢p c 处理，通过安装 在p c 扩爱撩蠹豹驱动接掰瓣橱藏驱动控裁。务耱实瓣秘 实嚣强务筠壶p c 完痰，黧缡 译、释释、擂补、和p l c 餐，因此需在p c 中采用实时操作系统帮辩操作系统进彳亍实时功 能扩展。该类型的软件通用蚀好，编程灵活。但怒，难保证系统的实时处理性能，回时原肖 的c n c 系统资源不能被徽好地利用。这种类型的典型产品肖夔国m d s i 公司的 o p e n c n c 、德国p o w e r a u t o m a t i o n 公司的鼢8 0 蝴： 土述三秘基予p c 戆秀拔式数控系统绩梅类凝孛，第二秘络掏类麓是嚣蕊较兔先避夔 静，采粥这释结构类垄豹群赦式数控系统充分挖撼了诗算橇靛软锌熊为，通过软待模块纯翱 计算机遇信标准化来构建开放式数控系统。本文也将采用这种结构类烈来构建金刚石地板铣 刀专用线切割设备的数控系统。图2 - 1 就是一种舆塑的采用开放式体浆结构的线切割数控系 统模型瞵l 。该模型采用的就燎n c 嵌入p c 型结构( 运动控制卡+ p c 型) ，利用p c 作为系统 编程模块螅霹g 平台，其攘佟系统采餍鳃是w m d o w s 或者u 妞( u n u x ) ，自我褥残数控系绕 2 系统瑟捧孝繁靛诗 _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ - - _ - - _ _ _ _ - _ i ii i i i i i i i - 的上位机来完成参数输入、数控程序的编制等j # 寅时任务，实现在线臀蠛和与其它系统乏阐 的通讯，并提供友好的人机界面。n c 控制器( 运动控制卡) 则主要负责插补、伺服以及 阳控制笛实时性要求非常强的任务。而运动模块，放电控制模块以及输入输出模块等则执 行实际掇 挈任务。 斗c o n t r o li n f o r m a t l o nf l o w 一- o l 删o nc o d ed e v e l o p m e n tf l o w 图2 _ 1 典型的嵌入式开放体系线切割数控系统的结构形式 2 - 3 系绫硬件结梅介缓 零 蘩题孛，我秘采溺攥c 嵌入p c 垄结擒”炎餮来并发梅建舞敷式数控系统，整个数羧 系统由硬件平台和软件平台缀成，其中本文所涉及的加工轨迹控制部分的硬件结构如图2 - 2 所示。 我们所要开发的控制系统需要控制五个数控轴，即x 轴、y 轴、u 轴、v 轴、z 轴 ( 也就怒分度轴) ，并且要裳x 、y 、u 、v 轴能实现四轴联动，其中瓢y 两轴控魁工佟 襄耜转业大学嫒士学位论文 台面酌遂动，u 、v 两轴控制上导丝咀静运动，蹋辅联动对可加工锥魔、上下异型面等复杂 曲面，般的二维平面加工只需控制x 、y 两轴运动即可。因此我们采用一块m a c 3 0 0 2 s s p 4 型高性能运动卡来使x 、y 、u 、v 轴实现四轴联动；另外采用一块m a c - 3 0 0 2 s t p 4 型运动控制卡控制z 轴( 分度轴) 来实现连续精确分度的功能，它t n 2 _ n 盼协谰 要蒎纛p c 辊主戆壅瘸较箨寒实瑗，当x 、y 、毽、v 辘霆麓联凄或黉x 、y 辘嚣辘联动熬 工刃其上莱个刀齿对，分度轴不工午笮；当加工宠菜个刀齿时，分度辅将按要求实现耩确分 度，这盼就可以加工另一个刀齿了。从而满足把刀具只需进行一次装卡，就能加工完所有 刀齿的要求。 暖2 - 2 加工孰迹控制部分的硬俘绩构框匿 2 - 3 。 逶动控稠卡 选用由啥尔滨工业大学博实精密测控有限费僚公司生产的基子姗总线的高性能运动 控制卡l v l a c - 3 0 0 2 s s p 4 和m a c - 3 0 0 2 s t p 4 ，其中m a c - 3 0 0 2 s s p 4 是潦予p c i 高速总线的4 轴高性能运动控制卡，具有硬件插补功能，它可以控制步进电机或伺服电机( 脉冲串输入 型) 。象采用专用的控制芯片佟为核心器侔，最赢6 4 m t l z 脒；申! 输出频攀，可控制二到四辘 耋线疆馨虢及程舞嚣辘之弱豹黧器捶蛰，吴蠢失涉 壹铡、溺黼噤、拳簸躲狰簸入、连续攒 补、s 赫线减振、编码嚣发馈、随时调速等功熊。可与各种类登的鞭纺器连接，构成商精 度位髯 空制系统或调速系统。该卡的系统结构如图2 - 3 所示嘲。 同时随卡还提供w h 溅脚幅9 8 i v l c 2 0 0 0 x p 等操作系统环境下的设铸驱动程序和运动函数 动态链援库。为了便于用户旋m a c - 3 0 0 2 s s p 4 卡上快速开发出功能强大的应用软件，啥王 2 系统总体方案设计 犬_ | 毒实壤密公司失震户提供令凌憝齐全懿髓1 3 类终鞠令丞数煞錾数露，惫搀羧糕专兹 始化函数、单轴及多轴控制函数、输入腧出脉冲模式设置函数薅许多函数，这些函数提供 了所有与运动控制相关的功能，使用极为方便。功能拳富的运动豳数库使得用户不需要过多 了解硬辞奄貉懿缨节潋及运动窝糖餐貔诗雾绸节，裁缝够使爱c 、v c h 、v b 等程窿语言 开发自己的控制系统 p c i 慧绞 p c l 接口 毒 专甩d s p ： i非隔离隔离 非隔离 ： l 脉冲接口通用接口机械接口伺服接口手轮接口 罄2 - 3m a c - 3 u ) 2 s s p 4 垄运蘸羟稠专系统糕嚣 2 辱系统软件结构设计 抟统熬瞧灾藐线韬割爱备戆数控系统软释是蒸予d o s 搡俸系凌鹣，艇是d o s 系统是 一个单任务系统，且其人机交互能力、联网通信能力以及开放能方面都没槲w