（机械电子工程专业论文）卧式车铣复合机床数控系统的研发和精度检测.pdf

摘要 论文题目：卧式车铣复合机床数控系统的研发和精度检测 学科专业：机械电子工程 硕士生：江国焱 指导老师：黄玉美教授 摘要 签名：殖! 叠盏 签名：垄2 ：乏 车铣复合机床是近年来机床发展的一种必然趋势，该类机床能将车削功能、铣削功能、 磨削功能和在线检测集于一体。复合机床由于联动的轴数较多，而且要求的数控软件功能 较全，传统的数控系统难以满足其控制要求，因此存在着控制困难的缺点。本文分析了传 统数控机床和复合机床的不同点，研究了开发车铣复合机床数控系统的相关理论基础。 本文介绍了开放式控制系统的发展现状，并分析了基于p c 的开放式控制系统用于复合 机床数控系统开发上的可能性及必要性。u g c a m 系统接口程序的开发实现了通用化数控 编程。利用工控机、t u r b o p m a c 运动控制器、双端口r a m 、交流伺服驱动器、电主轴交 流变频控制器等组成h c 一8 0 数控系统的硬件系统，并详细论述了各组成部分功能及特点。 数控系统软件是在w m d o w sn t 操作系统下，利用v i s u a lc + + 作为工具开发完成的。整 个系统大体可以分为数控处理软件和用户界面软件两部分。数控处理软件主要是实现如何 利用现成的n c 代码或刀位文件在机床上实现加工；用户界面软件主要是人机对话功能的实 现。两部分软件都采用了模块化的思想来构建的。 本文从分析影响机床精度的误差源入手，研究了机床精度检测和提高机床精度的方法。 利用j n i s h a w 激光干涉仪对h c 8 0 机床x 轴进行了直线位置精度的检测和误差补偿、角度 误差检测和直线度误差检测。 关键字：车铣复合机床；开放式数控系统；t u r b o - p m a c ；直线位置精度；误差补偿 a b s t r a c t t i t l e ：s t u d yo nt h ec n cs y s t e mf o rt h et u r n i n ga n d m i l l l n gc o m p o s i t em a c h i n et o o la n da c c u r a c y i n s p e c t i o n m a j o r ：m e c h a n i c a l - e l e c t r o n i c a le n g i n e e r i n g n a m e ：g u o y a nj i a n g s u p e r v i s o r ：p r o f y u m e ih u a n g a b s t r a c t s i g n a 2 u 怕：自址i ) ! 必 三叁逝 s i g n a t u r e ： t h et u r n i n g - m i l l i n gc o m p o s i t em a c h i n et o o li st h en e c e s s a r yt r e n df o rd e v e l o p m e n to ft h e m a c h i n et o o li nt h er e c e n ty e a r s t h i sn e wt y p eo f m a c h i n e si n t e g r a t e st u r n i n g ，m i l l i n g ，g r i n d i n g a n di n - p r e c e s s i n gi n s p e c t i o n b e c a u s et h ec o m p o s i t em a c h i n e st o o lh a v em u l t i - l i n k e da x e sa n d r e q u i r e sm o r ef u n c t i o no ft h en cs o r w a r e ，t h et r a d i t i o n a lc n cs y s t e mc a n ts a t i s f yc o n t r o l r e q u i r e m e n t s t h e r e f o r e ，t h e r ea r es t i l ls o m ed i f f i c u l t i e s i nd e v e l o p i n gc o n t r o ls y s t e m t h e d i f f e r e n c e sb e t w e e nt r a d i t i o n a lm a c h i n et o o la n dt h ec o m p o s i t em a c h i n ea r ea n a l y z e da n dt h e r e l e v a n tb a s i ct h e o r yf o rt h ed e v e l o p m e n to f t h ec n c s y s t e mi nt h em a c h i n ei ss t u d i e d t h et h e s i si n t r o d u c e st h ec u r r e n ts i t u a t i o no fo p e nc n cs y s t e m ，a n dd e m o n s t r a t e st h e p o s s i b i l i t ya n dn e c e s s i t yo fu s i n go p e nc n cs y s t e mt od e v e l o pt h ei n t e g r a t i n gm a c h i n e sc n c s y s t e m i ti se a s i l yr e a l i z e dt h a tt h eg e n e r a l i z e dn cp r o g r a mf o ri n t e g r a t i n gw i t ht h ei n t e r f a c e p r o g r a mo f u g c a m t h eh a r d w a r eo f h c 一8 0c n cs y s t e mi sc o n s t r u c t e do f i p c ，t m b o - p m a c ， d p r a m ，a cs e r v o “：t i l a i o qs p i n d l em o t o rc o n t r o l l e re r e t h ef u n c t i o na n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h e e a c hc o m p o n e n ti sd i s c u s s e di nd e t a i l t h es o f t w a r eo ft h ec n cs y s t e mi nt h ec o m p o s i t em a c h i n ei sd e v e l o p e dw i t hv i s u a lc + + u n d e rt h eo p e r a t i o ns y s t e mo fw i n d o w sn t , w h i c hi sd i v i d e di n t ot w op a r t s ：t h en cp r o c e s s i n g s o f l a v a r ea n dt h eu s e r - i n t e r f a c es o f t w a r e t h en cp r o c e s s i n gs o f t w a r ed e a l sh o wt oa p p l yt h e e x i s t i n gn cc o d e so rc l s f ( c u t t e rl o c a t i o ns o u r c ef i l e ) t ot h ec o m p o s i t em a c h i n e t h e u s e r - i n t e l f a c es o f t w a r ec o n c e r n sh o wt or e a l i z et h ef u n c t i o no f m a n - m a c h i n ec o n v e r s a t i o n a i lt h e s o f t w a r ei sd e s i g n e di nt h ew a yo f m o d u l a r i z a t i o n a e c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so ft h ee r r o rs o u r c ea f f e c t i n go nt h em a c h i n et o o l sa c c u r a c y , a m e t h o df o ri n s p e c t i o no fm a c h i n et o o la n di m p r o v i n ga c c u r a c yi ss t u d i e d u s i n gr e n i s h a w l a s e ri n t e r f e r o m e t e r , t h ep r e c i s i o no fl i n e a rp o s i t i o no fh c 一8 0xm a c h i n ei sm e a s u r e da n dt h e c o r r e s p o n d i n ge r r o rc o m p e n s a t i o ni sc o n d u c t e d ，a n dt h ea n g u l a rf a u l ta n ds t r a i g h t n e s sa c c u r a c y n i 西安理工大学硕士学位论文 a r ed e t e c t e d k e y w o r d ：t u m i n g - m i l l i n gc o m p o s i t em a c h i n et o o l ：o p e nc n cs y s t e m ：t u r b o p m a c ：t h e p r e c i s i o n o f l i n e a r p o s i t i o me r r o r c o m p e n s a t i o n i v 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人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成果。尽我所知，除特另4 加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：i 羔! 叠盎? 一游湖 目 学位论文使用授权声明 本人；! ! 型盘在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，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；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：i 兰! 叠盔 导师签名差鸯差一2 。嗨鲷 日 第1 章绪论 1绪论 1 1 引言 随着科学技术和社会生产的发展，社会的消费心理逐渐趋向于品种多样化，数量小量 化，且要求产品更新周期快。同时机械产品的形状和结构不断改进，对零件加工质量的要 求越来越高。由于产品改型频繁，在一般机械加工中，单件、小批量生产的产品约占7 0 8 0 1 1 1 为了保证产品的质量，提高生产率和降低成本，要求机床不仅具有较好的通用性 和灵活性，而且加工过程实现自动化。在交通机械、工业机械、工程机械等大量生产的工 业部门中，大多采用自动机床、组合机床和自动线。但这种设备的第一次投入费用比较大， 提高了制造成本；生产准备时间长，严重影响了产品的更新周期。这与改型频繁、精度要 求高、零件形状复杂的产品，以及与国防工业的要求不相适应。数控机床就是在这种条件 下发展起来的一种用数控装置控制的，应用于精度高、零件形状复杂的单件、小批量生产 的高效自动化机床。 数控机床的出现有其深厚历史背景。它是在机械制造技术和控制技术的基础上发展起 来的。1 9 4 6 年，美国宾夕法尼亚大学研制出世界第一台电子计算机“e n l c ”，为产品制 造由刚性自动化向柔性自动化方向发展奠定了基础。从2 0 世纪4 0 年代以来，航天技术的 发展对各种飞行器的加工提出了更高的要求，这类零件形状复杂，材料多为难加工合金， 为了提高强度、减轻质量，通常将整体材料铣成蜂窝式结构，这用传统的机床和工艺方法 加工不能保证精度，也很难提高生产率。1 9 4 8 年，美国帕森斯公司在研制加工直升机叶片 轮廓检查用样板的机床时，提出了数控机床的初始设想。后来受美国空军委托与麻省理工 学院合作，在1 9 5 2 年成功研制了世界上第一台三坐标数控铣床，其控制装置由2 0 0 0 多个 电子管组成，伺服机构采用一台小伺服电机改变液压马达斜盘角度以控制液动机速度，插 补器采用脉冲乘法器。这台数控机床的诞生，标志着数控技术的开创和机械制造的数值控 制时代的开始1 2 1 0 1 2 复合机床和机床数控系统研究现状 1 2 1 复合机床的发展 自1 9 8 2 年w f l 公司研发了第一台车铣复合加工中心以来，车铣复合加工技术广泛应 用在世界各地航空、石油纺织等高难度领域中的许多高精度产品制造中。从加工技术发展 看，世界各国近年来相继开发各种类型的复合机床，己成为机床产品发展趋势之一1 3 1 复 合机床就是在一台机床上，可以自动完成加工原理或方式不同的多种工序内容。由于复合 机床具有工序集中了，零件加工周期短，定位误差小等优点，在一台机床上能完成大部分 或全部的加工工序，既能减少工件的装卸和搬运时间，又能保证和提高加工精度，所以世 界各国竞相发展复合机床。 n c 车床是目i ；i 使用较广的机床，主要用于轴类和盘类回转体零件的加工，能自动完成 西安理工大学硕士学住论文 内外圆柱面、圆锥面、回转曲面、螺纹等工序的切削加工；n c 铣床主要用于各类平面、曲 面和壳体类零件的加工，如各类模具、样板、叶片、凸轮、连杆和箱体等。n c 磨床主要用 于提高工件的表面质量和对工件进行精加工。可以说，三者无论是在加工原理还是在主要 加工范围都大不相同，如能将车、铣、磨功能有效地结合在一台机床上，无疑将大大提高 机床的加工范围和工作效率，提高加工精度等。对于一些原本需要先后在机床和铣床上加 工的零件如图1 1 所示，将在一台机床上完成所有的加工。 图1 - 1 适合车铣复合加工的零件 f i g 1 1 p a r t s f i t f o r t u r n i n g i n t e g r a t i n g w i t h m i l l i n g 2 0 0 5 年芝加哥国际制造展展出了几种先进的复合加工机床，代表了当今世界复合机床 的发展水平1 4 1 。有以车削为基础的复合加工机床，这类机床在卧式车削中心和立式车削中 心的基础上集成了铣削、钻削和攻丝、镗削、磨削以及滚齿和插齿等工艺方法，成为卧式 或立式车铣复合加工机床。具有代表性的有奥地利m 6 5 和m 6 0 c 、日本m a z a k 公司的 2 5 0 m s y 、德国i n d e x 公司的t r a u b t n x 6 5 。有以铣削为基础的复合加工机床，这类机 床在卧式加工中心和立式加工中心的基础上集成了车削、钻削和攻丝、镗削、磨削以及滚 齿和插齿等工艺方法成为卧式和立式车铣复合加工机床。其具有代表性的机床有：日本的 m a z a k 公司的蹦t e g r e x e - 8 0 0 0 v 5 。还有许多其它类型的复合加工机床，如用于棒料加 工的d m g 公司的d m c 6 0 s 等。 2 第1 章绪论 从参展的作品上看，未来的复合加工机床将结合数控技术、软件技术、信息技术、可 靠性技术的发展，向结构简约化、结构紧凑化、配置模块化和部件商品化方向发展。同时 复合加工技术也在重型、大型机床上有着广阔的发展前景。复合机床是未来机床发展的重 要方向。 1 2 2 数控系统的发展 数控系统的发展历程由当初的电子管式起步，经历了分立式晶体管式小规模集成 电路式大规模集成电路式小型计算机式超大规模集成电路一微机式的数控 系统等几个发展阶段b 1 。数控系统发展历程见表1 - 1 。 表1 1 数控系统发展的历程 t a b l e l 一1c o u r s eo f c n c s y s t e m sd e v e l o p m e n t 发展阶段数控系统的发展世界产生年代中国产生年代 第一代电子管数控系统1 9 5 2 证1 9 5 8 笠 硬件数控第二代晶体管数控系统1 9 6 1 笠1 9 6 4 笠 第三代集成电路数控系统1 9 6 5 笠1 9 7 2 焦 第四代小型计算机数控系统 1 9 6 8 住1 9 7 8 矩 第五代微处理器数控系统1 9 7 4 年 1 9 8 1 笠 软件数控 第六代基于工控机p c 机的通用 1 9 9 0 焦1 9 9 2 焦 c n c 系统 当前，国内外在数控装置的研究与开发方面不断取得了成果，其水平和功能也日臻提 高和完善，出现了新的发展特点。主要有： ( 1 ) 主控机向着多位的微处理机化发展。即越来越多的数控机床采用3 2 位或6 4 位微机， 从而提高了数控系统的运算能力和处理速度。 ( 2 ) 数控装置向着集成化和智能化的方向发展。新一代数控系统大量采用大规模及超大 规模集成电路、表面安装技术，使系统小型化、经济、可靠。还引进专家系统和知识库， 增加人工智能的功能，从而提高了排除故障能力和精度。 ( 3 ) 数控系统采用模块化结构。即采用模块化和总线结构，更加通用、方便，开放式的 模块化结构便于功能综合和扩展。 ( 4 ) 数控编程更加图形化和自动化。无论是脱机编程，还是联机编程，其编程系统的功 能更加强大，图形输入、轨迹生成与动态模拟等形象直观高效的方法的采用，测量、编程、 加工一体化的实现使数控编程更为方便、高效。 ( 5 ) 数控系统更加可靠和宜人化。由于从数控系统的可靠性设计开始，实施了一整套的 质量保证系统，使现代数控系统的平均无故障时间已经达到了3 万小时，可靠性大大提高。 尽管数控系统发展日新月异，但是现在使用最广泛的数控系统还是传统封闭式的。传 统封闭式数控系统，各个厂家的产品之间以及与通用计算机之间不兼容，且发展一般滞后 五年。传统的非开放式数控系统对数控机床制造商的用户来讲，二次开发余地受限，对于 西安理工大学硕士学位论文 成熟的联动轴数不多的数控机床影响不大，而对于多轴联动的创新机床产品开发制约较大。 因此提出开放式数控系统。 1 2 3 开放式数控系统 开放式数控系统的概念最早由美国提出，1 9 9 4 年底，美国空军在“下一代控制器” ( 简称n g c ) 计划中首先提出开放体系结构的控制器概念，并把它定义为：在竞争环境 中允许多个制造商销售可相互交换和互相操作的模块”酣。同时制定了“开放系统体 系结构标准规格( s o s a s ) ”。 欧洲在e s p r i t 科技计划中，专门设立了自动化系统控制器的开放系统结构( 简称 o s a c a ) 项目5 们。它的目标是开发与系统供应商无关的开放式控制系统的标准，它 受到欧洲控制厂商和机床制造商的支持。它的基本技术措施是，将控制功能进行递阶分 解后成为功能单元，如运动控制、运动控制管理、坐标控制、逻辑控制等。 日本通产省设立了开放式控制器推动部( j a p a n e s eo p e n p r o m o t i o ng r o u p ，简称j o p ) ， 下设开放式控制器技术委员会 o p e nc o n t r o l l e rt e c h n i c a lc o m m i t t e e ，简称o c t c ) ，致 力于为最终用户、机床制造商、控制系统供应商、软件供应商和系统集成商提供工业控 制器的标准平台巧1 哳1 。 我国的数控技术经过近4 0 年的发展也有了较大的进步，“八五”期间，我国成功开发了2 种数控平台和中华i 型、航天i 型、蓝天i 型和华中i 型等四种基本系统，利用总线式等手段， 进行了开放式数控系统的软硬件结构的研究和开发 盱。 i e e e 明确地定义开放式系统为：具有在不同工作平台上均能实现系统功能、且可以与 其它应用系统进行交互操作的系统。因此软硬件互换的基础是标准化与多样化。标准化是 指在系统开放式构架基础上依据不同的功能需求界定与规范软、硬件功能及相互接口。多 样化是针对某种系统功能的实现，存在不同的可供选择的多种软硬件。建立在标准化与多 样化基础上的软硬件模块通过简单的加减来构造系统。 和传统数控系统相比，开放式数控系统特点主要有以下几点：可移植性、可扩展性、 可协同性、规模可变性、可二次开发性、平台无关性和适应网络操作方式等。实践证明， 控制系统的开放程序还涉及人机界面、控制核心和整个系统： ( 1 ) 开放的人机界面。“开放”仅限于控制系统的非实时部分，可对面向不同用户的 应用作些适当的调整，根据用户的使用权限来决定开放的程度。 ( 2 ) 控制系统核心( 数控和可编程控制等) 有限度开放。虽然控制核心的拓扑结构是 固定的，但可以嵌入包括实时功能的用户专用过滤器。 ( 3 ) 开放控制系统。控制核心的拓扑结构取决于过程，内部可相互交换、规模可变、 可移植和可协同工作。 事实上，现有商品化的数控系统，大多数是在固定软件拓扑结构的前提下，对系统的 非实时部分可以根据用户需求进行配置和调整，仍然不符合“供应商中性”的标准。不能 4 第1 章绪论 够通过应用程序接口使第三方软件能够嵌入控制系统的核心部分，不是完全的开放式控制 系统。完整的开放式控制系统还要与上层和下层之间进行连接，其主要标志如图1 2 所示。 图1 2 开放式数控系统的标志 f i g o l - 2f l a go f t h eo p e nc n cs y s t e m 1 3 机床精度方面的研究 机床作为工作母机，其精度决定了整个制造行业的机加工精度。数控机床的精度指标 主要有加工精度、定位精度和重复定位精度，其中加工精度是数控机床追求的最终精度， 是衡量数控机床工作性能的非常重要的精度指标堪。数控机床的加工精度受到机床结构、 装配精度、伺服系统性能、工艺参数以及外界环境等因素的影响。随着对数控机床加工精 度要求不断提高，如何使数控机床加工精度控制在所追求的目标范围内，则是一个需要不 断研究的重要课题。近年来，国内外学者在机床领域开展了一些卓有成效的工作。 误差补偿是提高机床精度的重要手段。在机床设计制造和装配上每提高数控机床一个 级别的精度，制造成本就会成指数倍的增加而且精度达到一定程度后就很难再提高了，因 此对机床精度的标定和使用软件方法补偿相对来说一种既有效而又经济的方法。 1 4 本课题的目的及意义 论文结合西安理工大学机械自动化研究所自主开发的卧式车铣复合加工中心_ h c 8 0 ， 研究开发了基于v i s u a lc + + 的开放式数控系统，利用双频激光干涉仪检测机床的精度，并 进行误差补偿，提高机床的精度。此次研发的意义在于： ( 1 ) 提高了数控系统的模块化。采用模块化的数控系统，只需修改相应的模块，就可 5 西安理工大学硕士学位论文 以在不同的机床上运行该数控系统。 ( 2 ) 提高了数控系统的通用性。利用c a d ，c a m 软件的自动编程便可轻松实现复杂零 件的加工。 ( 3 ) 增强了数控系统的灵活性。以p c 为基础的开放式数控系统除了提供传统的机床 控制外，它还可运行各种各样第三方软件程序，可充分利用丰富的p c 支持软件来改善数控 系统的图形显示、动态仿真、编程和诊断等功能，给用户带来极大的灵活性。 ( 4 ) 降低了多轴联动机床的开发成本和难度。设计不同结构的机床，只需考虑机械本 体部分，数控系统开发工作量就会大大减少，开发成本也大大降低。 ( 5 ) 利用误差补偿的方法有效地提高了机床的加工精度。利用激光干涉仪进行机床的 精度的标定，通过分析对机床进行误差补偿，就可以有效地提高了机床的加工精度。 1 5 本课题的主要内容 本文主要研究和开发了基于v i s u a la 斗的开放式数控系统，对卧式车铣复合加工中心 h c 8 0 进行精度标定和误差补偿。论文的主要工作包括： ( 1 ) 论述复合机床国内外的研究现状，总结数控系统研究的主要问题、开放式数控系 统国内外的研究现状及对提高机床精度的方法进行了分析，阐述本文工作的背景及意义。 ( 2 ) 分析开放式控制系统用于机床数控系统开发的正确性和可行性。主要结合h c 8 0 对开放式控制系统软件和硬件进行分析，完成该系统硬件部分的开发。 ( 3 ) 分析利用u g c a m 实现多轴联动机床通用化数控编程的可行性和必要性，分析 h c 8 0 的铣削运动，并推导铣削加工5 个运动量的求解公式。 ( 4 ) 开发h c 8 0 机床相关数控软件，包括数控处理程序、用户界面程序、下位机的运 动程序和p l c 程序。 ( 5 ) 论述了数控机床加工精度的保障体系，分析了r e n i s h a w 双频激光干涉仪在数控 机床精度检测中的应用原理及方法，并对h c 一8 0 x 轴进行了精度标定和误差补偿。 ( 6 ) 总结论文工作与展望。 6 第2 章h c 一8 0 开放式数控系统及硬件组成 2 h c - 8 0 开放式数控系统及硬件组成 随着制造技术的不断发展以及对降低加工成本、增加制造系统柔性和适应性的要求导 致了开放式控制系统的研究、发展和应用。开放式控制系统的提出一方面是对传统c n c 产 品的挑战，主要因为它能够解决标准数控系统不能满足用户对机床和特殊专用设备的联动轴 数、控制功能以及降低成本的要求。另一方面也得益于i p c 在工业控制领域的广泛应用。 尤其是近几年来，随着p c 技术的迅猛发展，把p c 机母板和市场提供的运动控制器连接起来 已成为可能，这就给我们增加控制系统联动轴数和降低系统成本问题提供了一个途径。 2 1 基于p c 开放式数控系统 在计算机技术日新月异的今天，p c 以其良好的开放性成为开放式控制系统的基础，数 控系统p c 化已成为必然的趋势。在开发数控系统时应最大限度地利用p c 丰富的软硬件资 源，享受p c 硬件与软件发展的成果，使其与p c 发展同步。 就结构形式而言，基于p c 的开放式数控系统主要有三种： p c 嵌入n c 型。该类型系统是把p c 嵌入至i j n c 内部，p c 与n c 之间用专用的总线连接。 尽管它也具有一定的开放性，但由于它的n c 部分仍然是传统的数控系统，不能实现n c 内 核的开放，如f a n u c l 8 i 、1 6 i 系统、s i c m e n s 8 4 0 d 系统等。 n c 嵌入p c 型。以p c 机作为系统的核心，把运动控制器插入至i j p c 机的扩展槽中完成数 控系统的功能，软件的通用性好。一般p c 机处理各种非实时任务，运动控制器处理实时任 务。这种运动控制器通常选用高速d s p 作为c p u ，具有很强的运动控制和p l c 控制能力。它 本身就是一个数控系统，可以单独使用。如美国d e l t at a u 公司用p m a c 多轴运动控制器构 造的p m a c _ - n c 数控系统、日本m a z a k 公司用三菱电机的m e ld a s m a g i c6 4 构造的 m a z a t r o l6 4 0 c n c 等。 全软件( s o f t ) 型。c n c 功能全部由应用软件来实现，硬件部分仅是p c 与伺服驱动和 外部y o 之间的标准化通用接口。该系统具有较好的开放性，但由于控制系统是运行于非实 时的操作系统w i n d o w s 上，系统的实时性要求处理就比较困难，开发难度大，其典型产品 有美 蚕m d s i 公司o p e n c n c 等。 应该指出，d e t at a u 是开放式数控系统的旗手。该公司的p m a c - - n c 数控系统不仅是 基于工g k a c 的p c 力i n c 板卡结构的数控系统而且具有开放性，该产品针对不同用户，提供 了不同程度的开放：对于一般用户，p m a c - - n c 提供了配置软件，可以配置控制轴数、联 动轴、伺服参数和i o 表；对于高级用户，d e l t at 卸提供关于p m a c - - n c 支持的动态链接库 ( d l l ) ，可供用户使用v i s u a l c 抖、v i s u a l b a s i c 等开发工具自行开发菜单和基本界面：对 于数控装备o e m ( o r i g i n a le q u i p m e n tm a n u f a c t u r e r ) 厂商，d e l t at a u 提供关于p m a c n c 全部c + + 代码。 以p c 为基础的开放式模块化结构控制器的特征是： 开放性：把现成的硬件部件和软件部件集成到实际上的标准控制环境中。 7 西安理工大学硕士学位论文 模块化：允许部件“即插即用”，最大程度地满足特殊的应用控制要求。 可塑性：当要求控制器变化时，能方便而有效地进行再构造。 可维性：故障容易诊断，易于维修，使报废率达到最低。 开发基于p c 的开放式数控系统的优越性在于： 灵活性高：可充分利用丰富的p c 支持软件来改善c n c 的图形显示、动态仿真、编程和 诊断功能，许多在p c 机上运行的第三方软件( 如数字化、w o p 、数据采集、以太网等) 都 可以在以p c 为基础的c n c 上运行，这就大大改善了c n c 系统的功能，给用户带来极大的灵 活性。 成本低：随着p c 的性价比在不断得到改善，以p c 为基础的c n c 在p c 的快速更新换代和 价格持续下降中获益非浅。 用户界面更友好：可以结合实际控制对象及用户特征，借助v c 抖、v b 等等开发出一 个友好的人机界面。 将p c 从功能上集成n c n c 中并构成开放式系统己成为数控系统发展的必然趋势。 2 2 h o _ 8 0 数控系统软件开发平台 目前，使用最为广泛的桌面操作系统，是w i n d o w s 操作系统。因此选用w i n d o w s 操作系 统，作为i p c ( 工控机) 的操作系统，这样使工业控制计算机与p c 做到很好的通融性。用 户不仅可以在功能强大、性能优越的个人p c 上处理一些工控机无法或者不能很好处理的一 些工作，也可以在工作的空闲时间处理一些非控制作业。它作为开放式数控系统的开发平 台具有以下特点： 开放性好。w i n d o w s 本身是一种开放的操作系统，易于在数控系统实现开放的特性。 内存大。w i n d o w s 操作系统运行于保护模式，与传统的系统相比，运行于此环境的数 控系统其性能显著地提高，如不再存在数控程序长度的限制，可控制的轴数和联动轴数可 大大增加；数控程序编辑、通信、系统配置的实现更为方便，这使系统的开发周期大大缩 短。 多线程。线程是3 2 位操作系统的主要特点，它具有一系列的优点。对数控系统来说， 最有用的特征是它支持抢占式的多任务机制，实时响应速度高，而各线程之间互不干扰， 便于功能的扩充与裁剪。 v i s u a lc + + 提供了用于开发w i n d o w s ( 包括w i n d o w s9 5 、w i n d o w s 9 8 和w i n d o w sn t ) 环境下的应用程序的简捷、快速、实用的开发环境。v i s u a lc h 提供了m f c 类库，开发者 只需做很少工作就可以开发出功能齐全的w i n d o w s 应用程序。同时由于v i s u a lc + + 是完全基 于w i n d o w s 的，具有w i n d o w s 所具有的优越性。另外，v i s u a lc + + 具有微软代码优化技术， 用其开发的程序运行速度更快。因此选择v i s u a lc + + 的m f c 作为数控系统的开发工具。 2 3 h c _ 8 0 开放式数控系统硬件原理 计算机数控系统( 简称c n c ) 是在硬件数控的基础上发展起来的，它用一台计算机代 第2 章h c - 8 0 开放式数控系统及硬件组成 替先前的数控装置所完成的功能。在一套计算机数控系统中，其核心部件是计算机数控装 置( c n c 控制器) 和伺服系统( s e r v os y s t e m s ) ，其组成框图如图2 1 所示。 c n c 控制器 图2 1 计算机数控系统方框图 f i g 2 1c h a r to f c n cs y g t e n lf r a m e w o r k 系统的计算速度、实时性、伺服更新速度、资源管理能力、数字通信、精密控制、微 量进给等性能都取决于这两个部分。 c n c 控制器，也就是运动控制单元，是数控系统的核心单元模块，是数控机床的中枢。 它接收输入指令，并将其代码加以识别、储存、运算，输出相应的指令脉冲以驱动伺服系 统，进而控制机床动作。数控系统的性能、控制精度在一定程度上取决于运动控制单元的 快速控制能力。主要由它完成数控系统中实时性要求比较高的插补、位置控制、开关量f o 控制任务，实现c n c 系统中多轴联动的插补计算、位置控制等功能。 伺服系统的作用是把来自计算机数控装黄的脉冲信号转换为机床移动部件的运动，使 工作台( 或溜板) 精确定位或按规定的轨迹作严格的相对运动，最后加工出符合要求的零 件。在数控机床的伺服系统中，常用的伺服驱动元件有功率步进电机、电液脉冲马达、直 流伺服电机和交流伺服电机等。 下面以本研究所自主研发的卧式车铣复合机床h c 一8 0 的数控系统为例，详细介绍开放式 数控系统的硬件组成原理。 本数控系统是一种用t u r b o p m a c 实现 i i 台实时运动控制。工业p c 机实现后台管理及人 机界面接t ( m m o 的开放式、模块化数控系统。其主控制单元是在研华工业控制机平台基 础上，采用了t u r b o m a c 多轴运动控制器，并辅之以双端口存储器( d p r a m ) 、f o 控制 器( a c c - 3 4 a a ) 、r s 4 8 5 串口控制卡( 控制变频器) 和数据采集卡等。工控机上的c p u ( p e n t i u m m8 0 0 姗z ) 与t u t i 静p m a c 的c p u ( m o t o r o l ad s p 5 6 3 0 3 ) 构成主从式双微处理器结构， 两个c p u 各自实现相应的功能。其中t u r b o - p m a c 作为下位机则主要完成电机的位置和速 度的实时控制、刀具补偿、精插补运算、曲线轨迹计算、螺距补偿等工作和其他辅助功能， 而主机进行复杂曲线曲面的粗插补计算、生成电主轴的控制指令、处理数据采集卡采回来 的数据和处理系统级的任务，如通讯控制、图形显示、动态仿真等。为了实现t u r b o p m a c 多轴运动控制的功能，需在t u r b o 。p m a c 板上扩展相应的f o 板、伺服驱动单元、伺服电动 机、编码器、电主轴和刀塔等，最终形成一个完整的数控系统。由此构成的数控系统，具有 开发周期短、成本低、插补轴数多、控制精度高、灵活性好的特点。系统硬件结构如图2 2 所示。p c 与p m a c 将通过实时、可靠的通讯来协调整个系统，共同完成加工任务。 p m a c 运动控制器与主机之间的通信采用了两种方式。一种是总线通信方式；另一种 9 西安理工大学硕士学位论文 是利用d p r a m 进行数据通信。主机与p m a c 运动控制器主要通过p c 总线通信；控制器和电 动机的状态、电动机位置、速度、跟随误差等数据则通过d p r a m 交换信息。它是功能最强， 也是最常用的通讯形式。 扩展卡a c c - 2 4 双端口r a m t u r b o - - p m a c 多轴运动控制器 i o na c c3 4 从i运动控制功能 继电器 控制面板 刀塔标志信号i 队掣通i 编哲馈 波莫开l 指示灯| 按钮 d a c l a 、b 、c 皇 电机驱动器 l = t 少 0 v uvw 图2 1 2 刀塔控制接线原理图 f i g 2 1 2s c h e m a t i cd i a g r a mo f c u t t e r sc o n t r o l l i n gl i n k i n g 1 7 西安理工大学硕士学位论文 注意：电磁阀y l ( s o l e n o i d ) 接2 4 v1 0 a 的直流电源。 2 5 小结 本章分析了当前基于p c 开放式数控系统的三种基本形式及特点，选择了w i n d o w s n t 操作系统作为h c 8 0 数控体统的开发平台和v i s u a lc + + 6 0 的m f c 作为其开发工具。分析 了当前数控系统原理，结合实际得出了h c 一8 0 开放式数控系统的硬件原理，并利用这原理 构造了h c 8 0 开放式数控系统的硬件系统。详细分析这个硬件系统的各个组件的功能特性， 完成了h c 8 0 数控系统整个硬件系统的开发。 第3 章基于刀位文件多轴联动数控编程算法 3 基于刀位文件多轴联动数控编程算法 3 1r i g c a m 的应用 c a m ( c o m p u t e ra i d e dm a n u f a c t u r i n g ) 计算机辅助制造，广义上包括计算机辅助 生产计划、计算机辅助工艺过程设计、计算机数控编程、计算机控制加工过程等内容，而 数控加工编程是其主要内容。狭义的c a m 一般仅指n c 程序编制，包括刀具路径规划、刀位 文件生成、刀具轨迹仿真及n c 代码生成等。c a m 通过人机交互操作，将计算机的高速准确 计算能力、高可靠大容量的信息存储能力与人的创造性思维、综合的逻辑判断能力有机地 结合在一起，将设计转化为产品。 c a d c a m 软件发展到今天，已经变得非常成熟了，种类繁多，基本上都能很好的承担 交互式图形编程的任务。主要有以内部统一的数据格式直接从c a d 系统获取产品几何模型 的，如e d s 公司的u g 、p t c 公司的p r o e 等等：和主要通过中性文件从其它c a d 系统获取 产品几何模型的，如以色列的c i m a t r o n 、美国c n cs o t l w a r e 公司的m a s t e r c a m 等等。然 而，无论哪一种形式的c a m 系统，都由五个模块组成，即交互工艺参数输入模块、刀具轨 迹生成模块、刀具轨迹编辑模块、三维加工动态仿真模块和后置处理模块。 u g ( u n i g r a p h i e s ) 属于e d s 公司，是世界上处于领先地位的、最著名的几种大型 c d m c a m 软件之一，具有强大的造型能力和数控编程能力，功能繁多。最新版本为n x 4 1 ， 其中最具特点的是其功能强大的刀具轨迹生成方法。 u g 的c m 模块主要是由以下几个功能模块组成的： ( 1 ) c a m b a s e ( u g j j i t 基础1 u g 加工基础的功能主要包括在图形方式下观测刀具沿轨迹运动的情况进行图形化修 改：如对刀具轨迹进行延伸、缩短或修改等；按用户需求进行灵活的用户化修改和剪裁、 定义标准化刀具库、加工工艺参数样板库使粗加工、半精加工、精加工等操作常用参数标 准化，以减少使用设置时间并优化加工工艺。其加工基础模块中包含了以下加工类型： u g l a t h e ( u g 车削) 、点位加工、平面铣、型腔铣、固定轴曲面轮廓铣削、可变轴曲面轮廓 铣、顺序铣、线切割加工。 ( 2 ) p o s te x e c u t e 后处理( p o s tb u i l d e r 力i i t 后置处理) p o s te x e c u t e 和p o s tb u i l d c r 共组成了u g 加工模块的后置处理。u g 的加工后置处理模块 使用户可方便地建立自己的加工后置处理程序。该模块适用于目前世界上几乎所有主流n c 机床和加工中心，该模块在多年的应用实践中已被证明适用于2 5 轴或更多轴的铣削加工、 2 4 轴的车削加工和电火花线切割。 ( 3 ) n u r b sp a t hg e n e r a t o r ( n u r b s 样条轨迹生成器) n u r b sp a t hg e n e r a t o r 样条轨迹生成器模块允许在u g 软件中直接生成基于n u r b s 样条的 刀具轨迹数据，使得生成的轨迹拥有更高的精度和光洁度，而加工程序量比标准格式减少 3 0 5 0 ，实际加工时间则因为避免了机床控制器的等待时间而大幅度缩短。该模块是希 1 9 西安理工大学硕士学位论文 望使用具有样条插值功能的高速铣床( f a m 圮或s m e n s ) 用户必备工具。 通过后处理完成一个操作后，产生的刀具路径还是一个内部刀具路径，如果要