（计算机应用技术专业论文）基于rs274ngc的数控系统刀具补偿的设计与实现.pdf

摘要 数控系统中刀具补偿加工工艺模块是数控系统软件中一个重要的功能模块。 它是指加工过程中刀具轨迹的的规划、刀具几何参数的补偿以及加工逻辑的设计。 基于r s 2 7 4 n g c 语言的刀具补偿可以给最终用户提供简便易用的加工指令格式、 扩充系统的加工范围，也影响到整个数控系统的精度。本文在借鉴国内外数控系 统设计的基础上，设计与实现了数控系统中刀具补偿的加工工艺。本文重点解决 了以下问题： 一是运用有向几何的数学思想来解决数控系统中有关刀具补偿加工。给出了 平面内有向几何中直线与圆的数学表达式，并利用有向直线及有向圆来描述数控 系统中的刀具运动轨迹，给出了在平面内直线与直线、直线与圆弧以及圆弧与圆 弧的交点计算公式，从而方便了刀具轨迹的各种转接情况的处理。 二是刀具半径补偿的设计与实现。按零件轮廓编制的程序和预先设定的偏置 参数，数控装置能实时自动，成刀具中心轨迹的功能称为刀具半径补偿功能【1 0 1 。 本文详细分析了常见刀具半径补偿算法，并使用有向几何的思想和c 刀补算法设 计与实现了刀具半径补偿加工工艺。并且，在对c n c 系统中常见的刀具半径补 偿建立与撤消算法进行分析的基础上，指出了其不足之处，提出了一种改进的算 法。 三是对刀具长度补偿以及相关的刀具偏置算法进行了分析。在论述刀具长度 补偿时，依据是否考虑刀具半径补偿，分两种情况进行了详细分析，给出了统一 计算公式。分析了刀具偏置算法原理，并对偏置算法与刀具半径补偿算法进行了 比较，指出了其相似处及本质区别。 【关键字】r s 2 7 4 n g c 数控系统刀具半径补偿刀具长度补偿刀具偏置 基丁：r s 2 7 4 1 般的数控系统刀具补偿的设计与实现 a b s t r a c t d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f t h et o o lc o m p e n s a t i o ni nt h ec n c s y s t e mb a s e d o nr s 2 7 4 n g c g a nx i n g r n i n g ( c o m p u t e r a p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rl ij i a j i ，w uw e n j i a n g t h et o o lc o m p e n s a t i o nf u n c t i o ni nm a c h i n ep r o c e s s i n gi st h ei m p o r t a n tm o d u l eo f c n c s y s t e m i ti n c l u d e st h ed e s i g no ft h et o o lp a t h ，t h ec o m p e n s a t i o no ft o o lg e o m e t r i c p a r a m e t e r sa n d t h el o g i cp r o c e s s i n g t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h et o o lc o m p e n s a t i o ni nt h ec n cs y s t e m b a s e do nr s 2 7 4 n g cl a n g u a g ec a np r o v i d ec o n v e n i e n ti n s t r u c t i o n s ，e x t e n dt h es c o p e o fm a c h i n ep r o c e s s i n ga n di ta l s or e l a t e st ot h ea c c u r a c yo ft h es y s t e m o nt h eb a s i so f s t u d i n gs o m er e l a t e dt h e o r e t i c s ，t h i sd i s s e r t a t i o ns o l v et h ef o l l o w i n gp r o b l e m s ： 1 u s i n gt h er e p r e s e n t a t i o no ft h ed i r e c t e dg e o m e t r i ce l e m e n t s ，h e r ea r el i n e sa n d c i r c l e s ，t os o l v et h ep r o b l e m so ft h et o o lc o m p e n s a t i o no fc n cs y s t e m t h i sd i s s e r t a t i o n g i v e st h es t o r a g ef o r m a t so ft h ed i r e c t e dl i n ea n dc i r c l ea n du s e st h e mt od e s c r i b et h e t o o lp a t h 。i no r d e rt od e s i g na n di m p l e m e n tt o o lc o m p e n s a t i o ne x p e d i e n t l y , i ta l s og i v e s t h ec o m p u t i n gf o r m u l a eo fi n t e r s e c t i o nb e t w e e nt w od i r e c t e dg e o m e t r i ce l e m e n t s ，s u c h a st w ol i n e s ，l i n ea n dc i r c l e ra n dt w oc i r c l e s 2 d e s i g n i n ga n di m p l e m e n t i n gt h et o o lr a d i u sc o m p e n s a t i o ni nc n cs y s t e m t h e t o o lr a d i u sc o m p e n s a li o nc a p a b i l i t i e so ft h es y s t e me n a b l et h cp r o g r a m m e rt os p e c i 矽t h a ta t o o ls h o u l dt r a v e lt ot h er i g h to rl e f to fa no p e no rc l o s e dc o n t o u ri nt h ec o m p o s e dp l a n eo fa r c s a n d s t r a i g h t l i n e s e g m e n t s t h i s d i s s e r t a t i o n a n a l y s e s t h ec o m m o nt o o lr a d i u s c o m p e n s a t i o na l g o r i t h m so ft h ec n cs y s t e ma n di n d i c a t e st h es h o r t c o m i n g so ft h e a l g o r i t h m s ，f i n a l l yi ti m p r o v e st h e m 3 s t u d i n gt o o ll e n g t hc o m p e n s a t i o na n dt o o lo f f s e ta l g o r i t h m s w h e nd i s c u s s i n g t o o ll e n g t hc o m p e n s a t i o n ，a c c o r d i n gt ow h e t h e rc o n s i d e r i n gt o o lr a d i u sc o m p e n s a t i o no r n o t ，t h i sd i s s e r t a t i o na n a l y s e st h et w os i t u a t i o ni nd e t m l a n dt h e nu n i f i e df o r m u l ai s g i v e n i ta l s od i s c u s s e st h er e s e m b l a n c ea n dd i f f e r e n c eb e t w e e nt o o lo f f s e ta n dt o o l r a d i u sc o m p e n s a t i o n 【k e y w o r d s r s 2 7 4 n g c c n ct o o lr a d i u sc o m p e f i s a t i o nt o o lo f f s e t t o o ll e n g t hc o m p e n s a t i o n 引言 己i 皇 j1日 本论文的研究背景是中国科学院知识创新工程重大项目“开放式和智能化的 数控系统平台及产业化( k c c x l s 、- 2 0 ) ”。随着机械制造业的发展，对数控机 床的柔性、通用性提出了更高的要求，但是，由于传统的数控系统与通用计算机 不兼容、内部结构复杂、难以进行升级和进一步开发等缺陷，从而严重制约着数 控技术的发展，不能满足市场对数控技术新的要求。 针对这种情况，人们在8 0 年代就提出了开放式数控系统( o p e nn u m e r i c a l c o n t r o ls y s t e m ，简称为o n c 系统) 的概念，所谓开放式数控系统就是数控系统 的开发可以在统一的运行平台上，面向机床厂家和最终用户，通过改变、增加或 剪裁结构对象( 数控功能) ，形成系列化，并可方便地将用户的特殊应用和技术诀 窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统，形成具 有鲜明个性的名牌产品。目前开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置 规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究 的核心。 目f ；i ，开放式和智能化的数控系统平台及产业化项目阶段性研发内容包括数 控系统的软硬件平台设计，软件开发平台建设，开放式数控系统设计方案，各接 口板、系统硬件样机的研制，软件编码与模块测试，以及车铣加工中心示范应用 等。目前项目进展顺利，开发出嵌入式实时l i n u x 系统开发和运行平台，可利用 开放源码通过定制、裁判、集成和实时化改造等方式，为蓝天数控提供统一的开 发和运行平台。开发出基于嵌入式实时i j n u x 的数控系统及平台，适用于各类机 床和机械的开放式控制系统和二次开发环境。研制出全数字化的运动控制芯片， 解决了数控系统硬件平台的关键技术，设计出成本较低具有竞争力的蓝天新型数 控系统产品。设计的多轴运动控制卡，用于开发专用控制系统，拓展蓝天数控的 应用范围。 数控系统中刀具补偿加工工艺模块是数控系统软件中一个重要的功能模块。 它是指加工过程中刀具轨迹的的规划、刀具几何参数的补偿以及加工逻辑的设计， 关系到整个数控系统的精度。数控系统对刀具的控制是以刀架参考点为基准的， 零件加工程序给出零件轮廓轨迹，如不作处理，则数控系统仅能控制刀架的参考 点实际加工轨迹，但实际上是要用刀具的尖点实现加工的，这样需要在刀架的参 考点与加工刀具的刀尖点之间进行位置偏置。这种位置偏置由两部分组成：刀具 长度补偿及刀具半径补偿。不同类型的机床与刀具需要考虑的刀补参数也不同。 一般来说，对铣刀而言，有刀具半径补偿和一坐标长度补偿；但对车刀而言，却 基了：r s 2 7 4 n 的数控系统刀具补偿的设计与实现 需要刀具半径补偿和两坐标长度补偿。 本课题正是以此为研究背景，详细论述了在基于r t l i n u x 平台的丌放式数控 系统研究工作领域罩所做的研究和实践。在这个项目中，我的工作主要是基于 r s 2 7 4 n g c 的数控系统刀具补偿加工工艺过程的设计与实现。刀具长度补偿理论 及实现相对来说比较简单，在国内外各种文献中论述的都大同小异。刀具半径补 偿实现比较复杂，国内外期刊论文中讲到各种实现方式，比较有代表性的就是使 用“矢量”思想来解决数控n - r 程序段之间的各种转接情况。作者在借鉴国内外 数控系统设计的基础上，运用有向几何的数学思想来解决数控系统中有关刀具补 偿加工，给出了平面内有向几何中直线与圆的数学表达式，并利用有向直线及有 向圆来描述数控系统中的刀具运动轨迹，给出了在平面内直线与直线、直线与圆 弧以及圆弧与圆弧的交点计算公式，并采用c 刀补算法设计，实现了刀具半径补 偿加工工艺。在对c n c 系统中常见的刀具半径补偿建立与撤消算法进行分析的 基础上，指出了其不足之处，提出了一种改进的算法，同时，对刀具长度补偿以 及相关的刀具偏胃算法进行了分析。 r s 2 7 4 n g c 数控语言是由美国国家标准和技术研究所( n i s i ) 制定的。这 个学会的智能系统分会_ 直以来在执行一项增强机床控制器( e m c ) 计划，其主要 目标是为开放结构的机床控制器建立一个评测应用程序接口标准的测试平台。另 一个目标是证实下一代控制器结构的可实现性。下一代控制器结构有许多独立的 部分，其中一部分就是r s 2 7 4 n g c 语言规范。该语言广泛应用于数控系统中， 考虑剑系统的易用性、兼容与可扩展性，本系统中刀具补偿的实现也是基于这种 面向系统用户的编程语言。 目前，刀具半径补偿和长度补偿加工已经做为一个独立的软件模块运行于蓝 天数控系统中，解决了加工程序段间直线过度及两运动段间可加入多段非运动等 若干加工工艺问题，通过反复测验，已基本满足实际需求指标。刀具偏置已经做 了详细的设计与实现，但还在初步实验阶段，这些工作都需要以后通过大量的实 际测试不断完善。 2 第一章综述 1 1 数控系统发展现状及趋势 第一章综述 我国数控技术及其产业经历了“六五”的引进与“七五”的消化吸收，“八五 的自主开发，一直到“九五 、“十五 产业化，为我国数控产业的发展奠定了一 定的基础，产业的集中度逐步提高。总体看来，我国数控系统的现状可概括为1 l j ： 经济型数控系统产量快速增长 国产数控系统年增长率接近3 0 ，个别企业的年增长率达到或超过5 0 。近 几年来，由于国内市场需求旺盛，数控机床销售势头良好，带动了数控系统产品 的快速发展。据统计，2 0 0 4 年国内生产的数控系统产销量较2 0 0 3 年有较大增长。 其中：经济型数控系统增长7 1 ，全功能数控系统增长6 2 ，专用数控系统增长 2 2 。具有自主版权的数控产业开始形成，在市场上形成一定的竞争力。 中档数控系统产业化处于起步阶段 近几年在国家的支持下，通过联合攻关和行业的努力，企业加大了开发力度， 一些关键技术取得了突破性进展，但这些只仅仅是良好的开端，仍有许多工作要 做。从产品可靠性上、技术水平上，我们与国外相比仍有较大差距，如硬件元器 件选择和工艺水平、应用软件开发、生产检测手段、生产规模和组织、开发能力 等等都需要我们去做大量的试验才能稳定批量生产，成套向市场提供商品。 高端产品自主开发实现零的突破 由于数控技术对国家经济和国防安全所具有的重要作用和战略意义，所以西 方发达国家不仅把高档数控机床和高性能数控系统视为具有高利润的高技术产品， 而且一直将其列为超越经济价值的战略物资，对我国采取技术封锁、限制和歧视 的政策。当前我国急需的高档数控机床，近年来在新品开发上取得了重大突破， 但配套的数控系统绝大部分是国外产品，国产系统还处在个别产品试用阶段，远 未达到用户满意的水平。但我们向前跨越了一大步，实现了零的突破。 智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势( 2 j ： 智能化 2 1 世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，智能化的内容包括在数控系 统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化、为提高驱动性能及 使用连接方便的智能化、简化编程、简化操作方面的智能化以及智能诊断、智能 监控方面的内容、方便系统的诊断及维修等。 基于r s 2 7 4 7 k 的数控系统刀具补偿的设计与实现 开放式 为解决传统的数控系统封闭性和数控应用软件的产业化生产存在的问题。目 前许多国家对开放式数控系统进行研究，如美国的n g c ( t h en e x tg e n e r a t i o n w o r k s t a t i o n m a c h i n ec o n t r 0 1 ) 、欧共体的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 r c o n t r o lw i t h i na u t o m a t i o ns y s t e m s ) 、日本的o s e c ( o p e ns y s t e me n v i r o n m e n tf o r c o n t r o l l e r ) ，中国的o n e ( o p e nn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ) 等。数控系统开放化已 经成为数控系统的未来之路。所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统 一的运行平台上，面向机床厂家和最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象( 数 控功能) ，形成系列化，并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统 中，快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统，形成具有鲜明个性的名牌 产品。目前开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、 数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。 网络化 网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。数控装备的网 络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新 的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。国内外一些著名数控 机床和数控系统制造公司都在近两年推出了相关的新概念和样机，如存e m 0 2 0 0 1 展中，日本山崎马扎克( m a z a k ) 公司展出的“c y b e r p r o d u c t i o nc e n t e r ”( 智能生 产控制中心，简称c p c ) ；日本大隈( o k u m a ) 机床公司展出“i t p l a z a ”( 信息技 术广场，简称i t 广场) ：德国西门子( s i e m e n s ) 公司展出的o p e nm a n u f a c t u r i n g e n v i r o n m e n t ( 开放制造环境，简称0 m e ) 等，反映了数控机床加工向网络化方 向发展的趋势。 1 2r s 2 7 4 n g c 语言与数控刀具补偿加工工艺设计 r s 2 7 4 f n g c 语言是一种应用于铣削中心的数控编码语言，其规范由n g c 的 相关部f - j $ i j 定。它的第一个规范制定于1 9 9 2 年8 月2 4 日，由a l l e n b r a d l e y 公司 在“r s 2 7 4 n g cf o r t h el o we n dc o n t r o l l e r 。f i r s td r a f t ”一则报告中给出。 该语言规范的第二版由n a t i o n a lc e n t e rf o rm a n u f a c t u r i n gs c i e n c e s 于1 9 9 4 年在报 告 “t h en e x tg e n e r a t i o nc o n t r o l l e rp a r t p r o g r a m m i n g f u n c t i o n a l s p e c i f i c a t i o n ( r s 一2 7 4 n g c ) ”一文中给出【刀。r s 2 7 4 n g c 语言广泛应用于数控系 统中，考虑到系统的易用性、兼容与可扩展性，本系统中也使用这种面向系统用 户的编程语言。 常见数控加工工艺指：采用数控机床加工零件时所运用各种方法和技术手段 的总和，应用于整个数控加工工艺过程。数控加工工艺是伴随着数控机床的产生、 4 第一章综述 发展而逐步完善起来的一种应用技术，它是人们大量数控加工实践的经验总结【3 】。 本文所述的数控刀具补偿加工工艺与上述定义有所不同，这里指加工过程中 刀具轨迹的的规划、刀具几何参数的补偿以及加工逻辑的设计。用户使用这种带 有刀具补偿功能的指令格式就可以加工一些直线曲线加工段。 数控系统中刀具补偿加工工艺直接关系到整个数控系统的加工功能范围以及 加工精度。设计与实现刀具补偿加工工艺过程后，系统就可以方便的进行加工， 不用考虑加工过程中刀具半径及刀长的变化对工件的影响。 总之，实现了基于r s 2 7 4 n g c 语言的数控系统刀具补偿加工工艺，增强了 系统的易用性、功能可扩展性，同时也提高了系统的加工精度。可以说数控刀具 补偿加工工艺设计直接关系到整个系统的性能指标。 1 3 课题研究背景 本课题的背景是中国科学院知识创新工程重大项目“开放式和智能化的数控 系统平台及产业化”。 该项目的主要研究内容为【4 】：高度开放式控制器体系结构研究；开放式数控 系统软硬件的研究开发；嵌入式实时控制系统开发环境的研究开发；构件高速高 精度运动控制算法库；加工过程的智能控制理论与方法；产品可靠性及控制系统 电磁兼容理论、方法与检测技术。 该项目的预期目标是【4 】：以推动国产数控系统的产业化为主要目标，计划用 三年时间，研制出具有开放式和智能化特点的可面向产业应用的新型高档蓝天数 控系统，采用示范工程形式实施。同时面向全国，为数控机床行业及纺织、包装 等行业批量提供数控系统产品，利用技术和成本优势，进一步扩大数控化改造和 出口规模。在开放性和可靠性技术上达到国际先进水平，在数控的设计和实现方 法上有创新，在功能上满足用户的不同需求，在性能价格比上达到竞争优势。通 过本项目的实施，形成国产数控系统产业化基地和共性关键技术推广应用基地， 逐步改变高性能数控系统依赖国外的局面，为提高国产数控系统的市场占有率、 提高数控化率做出贡献。 项目阶段性研发内容包括数控系统的软硬件平台设计，软件了i ：发平台建设， 开放式数控系统设计方案，各接口板、系统硬件样机的研制，软件编码与模块测 试，以及车铣加工中心示范应用等。目前项目进展顺利，开发出嵌入式实时l i n u x 系统开发和运行平台，可利用开放源码通过定制、裁判、集成和实时化改造等方 式，为蓝天数控提供统一的开发和运行平台。开发出基于嵌入式实时l i n u x 的数 控系统及平台，适用于各类机床和机械的开放式控制系统和二次开发环境。研制 基tr s 2 7 4 1 艇的数控系统刀具补偿的设计与实现 出全数字化的运动控制芯片，解决了数控系统硬件平台的关键技术，设计出成本 较低具有竞争力的蓝天新型数控系统产品。设计的多轴运动控制卡，用于开发专 用控制系统，拓展蓝天数控的应用范围【5 1 。 该项目已于2 0 0 4 年7 月在沈阳通过了中国科学院组织的中期评估，总体评价 为a 【6 】o 本课题正是以此项目为研究背景，详细论述了在硕士学位论文工作期间，在 基于r t l i n u x 平台的开放式数控系统研究工作领域里所做的研究和实践。在这个 项目中，我的工作主要是基于r s 2 7 4 n g c 的数控系统刀具补偿加工工艺的设计 与实现。因此，本论文主要是以数控系统刀具补偿加工工艺为中心，详细讨论该 系统中相关加工工艺过程的设计与实现细节问题。 1 4 本文的组织结构 本文对数控系统中的刀具补偿工艺进行了详细的讨论，并对一些常见算法进 行了改进。论文的组织结构为： 第一章为“综述”。介绍了数控系统的现状及趋势、刀具补偿在数控系统的 地位及其论文研究背景和论文的组织结构。 第二章为“蓝天数控系统的体系结构”。介绍了数控系统整体的软硬件结构， 刀具补偿模块在整个系统结构中所处的地位以及与系统其它模块的通信机制。 第三章为“刀具补偿加工设计原理” 加工的设计原理及相关的加工工艺讨论， 论做基础知识准备。 。本章主要从理论角度介绍了刀具补偿 为以下几章对相关加工工艺进行详细讨 第四章为“有向几何在刀补中的应用”。本章主要介绍有向几何基本概念以及 在刀具补偿设计中用到的一些基本数学公式。为下面章节作好技术准备。 第五章为“刀具半径补偿设计与实现”。本章在对c n c 系统中常见的刀具 半径补偿建立与撤消算法进行分析的基础上，指出了其不足之处，提出了一种改 进的算法，该算法对直线到直线、直线到圆弧和圆弧到直线之间的各种转接情况 进行了分析，给出了统一的计算公式；同时，对刀补进行状态下各种转接情况以 及干涉检查也进行了详细的分析、设计与实现。 6 笫二章监天数控系统的体系结构 第二章蓝天数控系统的体系结构 2 1 系统硬件结构及功能 显力j ! j f ：作单元工控计算机 机床操作站 矸诹a ( ip o 。 3 i s 总线底板 + 运动控制模板 i 0 模板 电源( 5 口内 4e n c o d e r ) ( 6 4 1 4 8 c 9 图2 - 1 蓝天系统的硬件结构图 蓝天系统硬件由三个单元组成，即控制单元、显示操作单元、机床操作站单 元。控制单元是系统的主体，内有处理器模板、轴控制模板、输入输出模板、电 源模板，其中处理器模板内装工控计算机，完成所有的计算功能和插补功能等， 轴控制模板对轴进行位置速度控制，输入输出模板完成物理信号的输入输出传送； 显示操作单元包括入机界面的显示屏和操作键盘；机床操作站包括多个可定义的 操作机床的功能按钮。由于采用了较高配置的工控计算机，使得蓝天系统在硬件 上与p c 机保持了很好的兼容性，使得系统即可以很好的利用p c 上的软件资源， 又能够适应复杂的工业现场环境。 2 2 系统软件模块结构及功能 蓝天软件结构图如图2 2 所示。在蓝天数控系统硬件之上的层次称为控制器软 件，它包括操作系统、控制器软件和两者之间的开发工具库、支撑软件库。操作 系统提供了对硬件时钟、中断处理、网络通信、进程任务调度、系统资源分配、 输入输出设备管理和文件系统等功能。在操作系统之上，还有控制器软件的开发 环境和各种支撑软件。开发环境提供了对于软件开发的编辑、编译、链接、调试 的环境和工具；而支撑软件为控制器软件的开发提供了完善的开发库。在这些基 础之上就是控制器软件层，它提供了零件程序的输入输出、显示、诊断、控制、 译码、插补、速度控制、位置控制等多种数控功能。本控制器软件由p l c 控制器、 运动控制器、任务控制器和人机操作界面( h m i ) 四个部分组成。 基丁r s 2 7 4 n g c 的数控系统刀具补偿的设计与实现 图2 - 2 c n c 软件结构图 在本控制器软件中，操作系统采用了r t l i n u x 系统，开发环境主要利用 r t l i n u x 系统自身所提供的开发工具。在操作系统之上，选用了r c s 开发库，r c s 提供了用于实时系统的多种功能的软件包和开发调试工具，大大的方便了系统的 开发。 2 3 控制器软件模块结构 本系统中的控制器软件由四个部分组成，即人机操作界面( h m i ) 、任务控制 器、运动控制器和p l c 控制器。其中运动控制器完成轴的插补和伺服控制，对响 应时问有较高的要求，因此在本系统中安排为实时内核的一个插入模块；为了提 高p l c 控制的响应时间，我们将p l c 控制器也安排为实时内核的一个插入模块： 任务控制器和人机操作界面则完成对系统任务调度控制及系统状态显示用户操 作控制，可以做为非实时任务运行。整体结构如图2 3 ，各部分之间的通信分别采 用了n m l 和共享内存的通信机制。 各软件模块的作用为： 运动控制器：运动控制包括检测各轴的当前位置、计算下一个运动位置、刀 具运动轨迹的插补运算、p i d 算法处理和伺服输出控制。此外还包括各轴运动极限、 回零点操作、跟随误差计算、运动的加减速控制、各轴的手轮操作、手动操作的 处理等。控制中的参数则从配置文件中读取并初始化。 第二章蓝天数控系统的体系结构 图2 - 3 数控系统控制器层次图 p l c 控制器：离散i o 控制功能，由于具体的i o 控制在不同机床e 差异很大， 因此主要包括了机床上下电开关、急停开关、冷却开关、换刀操作等。 任务控制器：依据零件加工程序，连续控制运动控制器和p l c 控制器以完成 完整的3 n t 任务。其中包括加工程序的解释和执行，加工时工艺顺序控制，以及 对于漕误的检测诊断和处理功能。 人机操作界面：提供二个友好操作界面。人机操作界面与任务控制器之间通 过发送开机上电、进入自动模式、运行加工程序等n m l 控制命令控制机床并通过 返回状态信息、错误信息等实现与用户的交互。 2 4 任务控制器模块结构 在本数控系统中，任务控制器是整个系统的枢纽，它从人机操作界面模块取 得操作信息，然后将其分解为对运动控制器和p l c 控制器的操作，最后监控运动 控制器和p l c 控制器完成实际的操作。 任务控制器内部模块包括主控模块、解释器模块、规范加工模块、t a s k i n t f 模 块、u s r m o t 模块。其中主控模块完成对于整个加工中的状态转换、执行顺序等的 控制。主控模块调用解释器执行工件程序，然后解释器将解释生成的操作通过调 用规范3 nt 模块转换成相应的n m l 控制命令并送入到命令队列中。主控模块处理 来自人机操作界面的操作命令和命令队列中的操作命令，并通过t a s k i n t f 模块将 9 基丁r s 2 7 4 n g c 的数控系统刀具补偿的设计与实现 n m l 操作命令发送到运动控制器和p l c 控制器去。t a s “n t f 模块通过u s r m o t 模块 完成对运动控制器的共享内存的读写操作。 图2 _ 4 任务控制器内部模块图 2 5 解释器模块与加工工艺模块 2 5 1 解释器概述 解释器模块是任务控制器中的一个重要功能模块。任务控制器的主要功能是 控制一个完整的零件加工过程，而零件加工程序则描述了零件加工过程中的所有 机床操作和操作之间的先后顺序。解释器的功能就是将加工程序描述的j j u i 过程 转换为实际的机床操作序列。 在任务控制器的加工顺序控制模块的控制下，不断的调用解释器模块，将加 工程序中描述的操作转换为对机床的实际操作，并将转换后的操作存放在任务控 制器内的命令队列中，以等待顺序控制模块来处理。 2 5 2 解释器模块调用关系 解释器模块由任务控制器中的加工顺序控制模块来调用，解释器在完成语法 分析和解释执行功能后，通过调用规范加工模块对机床的控制操作转换为任务控 l o 第二章蓝天数控系统的体系结构 制器中的n m l 控制命令并送入到命令队列中。具体调用关系如图2 5 所示： 吲2 5 解释器模块与其他模块调用序列 首先由任务控制器向解释器模块发出初始化调用，然后通过更新命令从解释 器中读取当前的解释器状态信息。然后可以调用解释器打开一个零件加工程序， 也可以在m d i 方式下，直接将一段加工程序传送给解释器模块。解释器每次解释 一段加工程序，执行的过程分为两步，即语法分析( r e a d ) 和解释执行( e x e c u t e ) 。 任务控制器重复调用解释器的r e a d 和e x e c u t e 操作来完成对零件加工程序的解释执 行。在执行过程中，加工可能被中断，或者由于系统中出现某些异常，如硬件无 法运动到正确位置，此时应调用解释器的同步( s y n c h ) 操作，将解释器的内部信 息与当前机床的实际状态保持一致。在每次一个程序解释执行完毕后，应调用复 位( r e s e t ) 操作，这样解释器将清除当前保存的上次加工的所有状态信息，以便正 确执行下一次的操作。最后，应调用退出( e x i t ) 操作关闭解释器。 在解释器的解释执行( e x e c u t e ) 过程中，通过调用规范加工模块来读取当前 机床的状态信息，并通过规范加工模块来将具体的机床控制操作转换成n m l 控制 命令保存到命令队列中。 基tr s 2 7 4 n g c 的数控系统刀具补偿的设计与实现 2 5 3 解释器内部实现及刀具补偿士j n - r 模块 解释器的初始化、打开、关闭零件加工程序文件、复位、关闭、更新输出当 前状态信息等操作的功能和实现比较简单。最主要的是语法分析功能和解释执行 功能比较复杂，涉及了诸多语言和工艺细节。解释器内部包含了诸多状态信息， 这些信息都存储在一个s e t u p 全局数据结构中。 在程序的语法分析阶段，每次接受一段加工程序，并将程序放在一个缓冲区 内，缓冲区包括一个指针，指向尚未处理部分的开始位置。多个分析函数顺序处 理该缓冲区内的数据，函数完成各自的语法分析后自动移动该指针到正确的位置。 在完成全部语法分析后，所有的加工信息数据被转化成内部的信息格式存储在 b l o c k 数据结构中。最后检查加工的合法性。语法分析模块主要包括三部分，数值 表达式处理模块完成所有数值和表达式的求值计算，语法分析模块依次读取程序 段中的一个语法单位( 词) 。 在解释执行阶段，主要是安排各种加工操作的先后顺序，依次读取存储在b l o c k 中的j j n i 信息并完成坐标转换等处理后调用规范加工模块将加工操作送入命令队 列中。 加工工艺的设计主要分为两部分，无刀补状态下的加工工艺与有刀补状态下 的加工工艺的设计。这两个模块均作为解释器内部模块来设计，其中，刀具半径 补偿模块具有很强的独立性，有独立的三个程序文件组成。其中，无刀补状态下 的加工工艺主要包括：刀长补偿、固定循环、缩放、换刀等工艺；有刀补状态下 的加工工艺指刀具半径补偿。 解释器整体结构流程图如图2 - 6 所示： 1 2 第二章蓝天数控系统的体系结构 r 开始、 l j - - 1 1 r l 读入一段加工代码 。丽面未磊蒜是 ：竺三：少 否l 语法分析，语意分析 一否j 删铲 是 r 异常处理、) 1r 执行立即执行指令。更新系统状态 是上 一 刀补状态下 非刀补状态下加工工艺处邢模块加工工艺处理模块 j 、 j 1 1r 把解释后的运动信息传递给规范加工模块 接口：更新相应系统状态 ( 异 一 上 否畛 是i ( 结束 ) 图2 - 6 解释器流程图 1 3 基 jr s 2 7 4 n g c 的数控系统刀具补偿的设计与实现 第三章刀具补偿加工设计原理 数控系统中常用刀具补偿是来修正刀具实际半径或长度与其程序规定的值之 差【们。机床对刀具的控制是以刀架中心为基准的，但零件加工程序却仅给出了零件 轮廓轨迹，它们之间的转换就涉及到刀具长度补偿( 刀架中心与刀尖圆弧中心间的 轨迹转换) 及刀具半径补偿( 零件轮廓与刀具刀尖圆弧中心间的轨迹转换) 【8 1 。本章 将详细论述刀具补偿及其刀具偏置的设计与实现原理。 3 1 刀具长度补偿 刀具长度补偿是实现刀尖圆弧中心轨迹与刀架中心轨迹之间的转换【9 】，即图 3 1 中f 与p 之间的转换。但实际上我们不能直接测得这两个中心点之间的距离矢 量，而仅能测得刀尖圆弧上某点到刀架中心的距离。根据是否要考虑刀尖圆弧半 径补偿，长度补偿可以分为两种情况。 我们先考虑没有刀具半径补偿时，刀具长度补偿的原理如图3 1 所示，此时对 应于r s - - o ( r s 为刀鼻半径) 。在z x 平面内理论刀尖p 相对于刀架参考点的坐标 x p f 和z p f 可由刀具长度测量装置( 如h i t e c t u r n 2 5 sc n c 数控车床的q q e t ) 测出。 x 图3 1 不考虑刀具半径时，车刀长度补偿原理 z 设理论刀尖p 和刀架参考点f 的坐标分别为( x p ，z e ) ，( x f ，z f ) ，x p f 和z p f 的定义如下： x p f = x p - x f ； 1 4 第三章刀具补偿设计原理 z p f = z r , 一z f ； 由此得到在没有刀具半径补偿时的刀具长度补偿公式为： x f = x d x p f ； z v = z v z p f ： 公式中，理论刀尖p 点的坐标实际上就是3 n - r 零件轨迹坐标，由零件加工程 序中获得。此时，加工程序的零件轮廓轨迹经过上述公式补偿后，即能用刀尖p ( 没有圆弧) 点实现。 若图3 1 中需要计算刀具半径补偿时，即r s 不为零，则刀具长度补偿需要考 虑刀具的安装方式( 如图3 2 ) ，根据刀具参数p l 的不同刀具长度补偿公式如下 所示： 1 4 一朋叩；( 尸1 = 5 ，7 ) x ，= x p x p f + r s ；( p 1 = 1 ，6 ，2 ) 【x p 一朋叩一r s ；( p 1 = 4 ，8 ，3 ) f z ，一z 尸f ；( j p l = 5 ，7 ) z ，= z ，一z p f + r s ；( p 1 = 1 ，6 ，2 ) 【z p z 尸f r s ；( 户1 = 4 ，8 ，3 ) 图3 - 2 刀鼻半径中心s 的位置 此时，加工程序的零件轮廓轨迹经上述公式补偿后即能由刀鼻原弧中心s 点 1 5 基tr s 2 7 4 n g c 的数控系统刀具补偿的设计与实现 实现。 3 2 刀具半径补偿 3 2 1 刀具半径补偿概述 刀具半径补偿的定义：根据零件轮廓编制的程序和预先设定的偏置参数，数 控装置能实时自动生成刀具中心轨迹的功能称为刀具半径补偿功能【l 0 1 。 如图3 3 所示，实线为用户给定的工件的编程轨迹，虚线为经过补偿过的刀具中心 轨迹，刀补的功能就是依据实线轨迹和偏置参数( 如刀具半径、补偿类型等) 计 算出刀具中心的轨迹，进行精密加工。 刀具 图3 3 刀具半径补偿定义描述图 3 2 2 刀具半径补偿主要用途 刀具半径补偿的用途可归纳为以下两点： 实现根据编程轨迹对刀具中心轨迹的控制，可避免在加工中由于刀具半径的变 化( 如由于刀具损坏而换刀等原因) 而重新编程的麻烦，只须修改相应的偏置参数即 可； 减少粗、精加工程序编制的工作量，由于轮廓加工往往不是一道工序能完成 的，在粗加工时，均要为精加工工序预留j j hr 余量。加工余量的预留可通过修改 1 6 第三章刀具补偿设计原理 偏置参数实现，而不必为粗、精加工各编制一个程序。 3 2 3 刀具半径补偿常见算法 常见的刀具半径补偿算法有b 刀补和c 刀补算法，详细分析如下所述。 3 2 3 1b c 刀补算法概述 在介绍刀补( 如没有特别说明，本论文中指刀具半径补偿，下同) 算法之前，给 出刀补转接角定义9 1 ：本系统中指两编程轨迹在交点处非加工侧的夹角a ，如图 3 4 所示： 非加工侧 刀具中心轨迹 加工侧 一一一一一一 图3 4 刀补转接角定义示意图 如图3 - 5 所示， b 刀补的思路是：读一段数控工什加工程序段后，马一l ：解释 执行之；c 刀补的思路是：预读二段( 或多段) 加工程序段，执行上一加工程序段。 b 刀补 c 刀补 f 读第n 段加工代码i 1r 依据第n 段加工代码计算f h 第n 1 段加工代码的终点；执行第n 1 段加工代码； n = n + i j 图3 - 5b c 刀补算法逻辑示意陶 1 7 基丁：r s 2 7 4 n 6 c 的数控系统刀具补偿的设计与实现 图3 - 6 显示了在具体编程实现时，两种算法在编程语言中的大致流程。其中， 左边的为b 刀补流程，右边的为c 刀补流程，中间是为说明方便引入的过度说明。 工作寄存器a s 上 输出寄存器0 s r 缓冲寄存器b s 工作寄存器a s 输出寄存器o s 缓冲寄存器b s 刀补寄存器c s 工作寄存器a s 输出寄存器0 s 直接竹为伺服系统的控制信号 图3 - 6b c 刀补算法编程实现示意图9 1 3 2 3 2b cy j 乖i 算法比较 为使问题突出明了，以工件加工程序段各运动段之间的过度情况为例做比较 ( 为简单起见，图例为直线段l 、f - i 】的过度) ，具体比较情况如下所示： 图3 7 加工凸角时b c 刀补过度比较示意图 ( 左侧：b 刀补；右侧c 刀补) 1 8 第二章刀具补偿设计原理 如图3 7 所示，当加工凸角工件时的过度分析如下： b 刀补： 1 ) v 点做垂线，在此垂线上求一点a ，使得i a v m r l ( r 为刀具半径，下同) ； 2 ) 刀具中心从上一个运动段的终点o 运动到此运动段的终点，即a 点； 3 ) 读入下一段运动段，计算刀补转接角，如果需要过度处理，则用同样的方 法计算b 点的坐标； 4 ) 由a 点到b 点插入一段圆弧过度； 重复上面的b 刀补过程。 c 刀补： 读入一段加工程序段，如果发现需要进行过度处理，则有如下步骤： 1 ) 分别在适当的一侧做编程轨迹的平行线，求出其交点f ； 2 ) 过点v 做垂线，在此垂线上求一点a ，使得i a v l - l r l ； 3 ) 用同样的算法求点b 的坐标： 4 ) 分别在a f 线段上和b f 线段上求得点d ，e 两点，使得i a r ) h r l ，i b e h r l ； 5 ) 则得到当前刀具中心应走的轨迹为：o a ，a d ，d e ，e b ； 重复上面的过程。 优缺点比较：b 刀补算法简单，此段代码的执行不依赖于下一运动段；但在 过度时，虽然刀具中心的轨迹为圆弧a b ，但是刀具的边缘点一直和待加工