一种新型插补算法の研究和开发.pdf

华北工学院2 0 0 l 届硕士研究生毕业论文 摘要 y t 1 7 6 9 2 f 我国是一个机床生产大国和应用大国，虽然目前研究和使用数控技术 的研究机关和厂家不少，并且取得了长足的进步，但是与世界上发达国相 比，差距仍然很大，数控技术咀研究应用水平还很低。这些都严重制约着 我国制造水平的提高。) 一歹 在本篇论文当中，以提高我国目前所广泛使用的经济型数控c n c 系统 的实用性为目的，依靠现在最流行的计算机图形学技术和b 样条技术，提 出了切实可行的新型实用的b 样条插补算法。利用这种插补算法，不仅使 加工误差大大减小，而且由于计算速度的增加使得加工的速度、精度等均 可以得到提高。 另外，利用改进的最小偏差法，还给出了任意直线和任意圆弧的插补 算法，同样具有以上所述的优点。 课题全部是利用现在最流行的c + + 语言作为算法程序的支撑语言，充 分地发挥c + + 语言的各种优势，便于算法程序的进一步扩展。 关键字：c n c 、最小偏差法、b 样条、面向对象 华北工学院2 0 0 i 届硕士研究生毕业论文 a b s t r a c t o u rc o u n t r yi st h eg r e a to n eo fm a n u f a c t u r i n ga n da p p l y i n gm a c h i n et o o l s a l t h o u g h t h e r e a r e i n v e s t i g a t i o n sd e p a r t m e n t s a n d f a c t o r i e s ，w h i c h a r e i n v e s t i g a t i n ga n du s i n g c n c t e c h n i q u e t h e yh a v eg o t t e nq u i e tg r e a tp r o g r e s s e s b u tt h ed i f f e r e n c e sb e t w e e nt h ed e v e l o p e dc o u n t r i e sa n du sa r ev e r yb i go h r c n cl e v e lo fi n v e s t i g a t i o na n da p p l i c a t i o ni sq u i e tl o w t h o s e ，a l lo fa b o v e ， b a d l y r e s t r i c tm a n u f a c t u r i n gl e v e lo fo u rc o u n t r y o fm yt o p i c ，m ya i m sa r et oa d v a n c et h ep r a c t i c a b i l i t yo ft h ee c o n o m i c a l c n c s y s t e m st h a t a r ew i d e l yu s e di no u rc o u n t r y d e p e n d i n go nc o m p u t e r g r a p h i c s a n dt h et h e o r yo fb s p l i n e s ，i b r i n g f o r w a r dan e wa n d a p p l i e d i n t e r p o l a t i o na r i t h m e t i c i t g r e a t l ym i n i s hm a c h i n i n ge r r o r 、e n h a n c et h es p e e d a n dp r e c i s i o nb e c a u s eo fi t sa d v a n t a g e s o t h e r w i s e is c h e m eo u tt h ei n t e r p o l a t i o na r i t h m e t i co fd i s c r e t i o n a l1 i n ea n d a r co nb a s eo ft h em e t h o do fa m e l i o r a t e ds m a l l e s tw r a p i nt h es a n l ew a y , i th a s m a n ya d v a n t a g e s ，t o o t h e s u p p o r t i n gl a n g u a g eo f a l lp r o g r a mi nm y t o p i ci sc + + t h ea d v a n c eo f c + + i s f u l l yu s e di nt h ep r o g r a m t h ep r o g r a m w i l lb ee x p a n d e dw e l lb e c a u s e o ft h ea b o v e k e y w o r d s ：c n c 、t h em e t h o do f t h es m a l l e s tw a r p 、b - s p l i n e s 、f 钟幽 e 懈( 昀哦一0 i e 舶d ) 乍北i 学院2 0 0 1 届颂十蝴究生毕业论文 l 绪论 1 1 引言 机床 _ 业是制造业的基础。机床是生产各种技术装备的工作母机，它 性能的好坏，直接决定着其它技术装备的质量。而技术装备的性能高低和 水平优劣，则直接影响着国民经济各生产部门的产品质量、生产效率和经 济效益。所以说，在国民经济的发展之中，提高机床的各部分性能，占着 基础性的重要作用。 数控技术的问世，使机械加工进入了自动化的时代。它解决了传统方 式难以解决的复杂零件的制造问题，改变了以往机械加工中的周期长、效 率低的局面，能充分适应多品种、小批量的现代生产方式，从而大大提高 对现代化工业和军事装备需求的能力。因此，数控技术使得机床性能产生 了“质”的飞跃，极大地推动了制造业的发展，成为现代制造技术中的基 石。在世界著名企业中，数控机床在生产设备中的比例不断提高，如美国 波音公司中的数控机床达到约9 0 ，g e 公司达到约8 0 ，日本在1 9 9 0 年 的时候，机床的数控化率已经为8 0 。它的制造能力高度发达，无不在于 其数控技术的高度发展而形成的强大的自动化制造手段。 我国是个机床生产大国和应用大国，虽然目前研究和使用数控技术 的研究机关和厂家不少，并且取得了长足的进步，但是与世界上发达国相 比，差距仍然很大，数控技术的研究应用水平还很低。这些都严重制约着 我固制造水平的提高。高性能的数控设备依赖进口，不仅代价昂贵而且受 到技术限制，有时因为经验和认识上的不足，还会受到很大损失。所以发 展民族数控事业，是迫在眉睫的大事。国家在近几个“五年规划”中，都 把数控技术的研究列为重中之重。 曲线曲面加工，亦即复杂形面的加工，一直是数控技术和c a d c a m 技术的主要应用和研究对象。这类零件的制造难度大，常规方法无法完成 或者加工的效果根本不能令人满意，数控加工为其提供了可能。然而，要 在机床上真正加工出高质量的光整型面却并非易事。 由极小步长和极密行间距所要求的巨量零件程序令人无法接受，而且 其制作、校验的代价非常高昂。因此，目前的许多数控加工，实际上还足 作为零件型面的粗成型所用，最后还要由人工打磨和修光。难以保证获得 预期的加工精度，而且工人劳动强度大、效率低这些，显然与使用数 控加工技术的目的和发挥其优越性向去甚远。因此可以看出，曲面曲线加 工之中的庞大的零件程序是c a d c a m 应用中的实际“瓶颈”。 为此，我的论文针对二维曲线加工提出了一种新的方法，这是一种由 c n c 系统自身实现曲面加工中x 、y 轴连续刀具轨迹的直接插补算法。 华北工学院2 0 0 1 届硕士研究生毕业论文 实现高速、高精度和高效率地进行曲线曲面加工，直是数控技术的 研究重点。正如在c n c 上具备圆弧功能后，可以直接引用c n c 本身功能 而不必再去逐点离散加工。所以我们自然也希望c n c 同样具有对工程中的 任意曲线、曲面的直接加工能力。当前c n c 已经进入了相当高的发展水平， 但是c n c 的根本作用仍然在于机床运动的控制。只有充分发展c n c 的几 何轨迹控制能力，才能简化零件加工信息，使c a d 的几何数据只需要少量 处理后即能用于加工，从而打开c a d c a m 应用中的“瓶颈”问题。 1 2 课题主要解决的问题 我的论文主要研究和解决了以下主要几个方面的问题： 首先，基于目前c n c 在曲线加工中仍主要以离散的“点”为单位，我 将其提高为对连续刀具运动轨迹以至于整条加工曲线的加工能力。这样的 c n c 插补算法，一次输入的加工对象特征参数，使c a d 几何数据经过计 算机的处理后，直接用于加工，从而大大简化了编程工作。 其次，由于在计算机上首先得到加工过程中的所有加工点，从而可以 预知整个加工路线，容易实现加工过程的仿真。这样不仅节约了试加工是 所浪费的材料，而且省事、省时、省力、省钱，使数控加工的辅助时间和 费用大大降低。 第三，使c n c 的插补算法直接与高级程序语言( c + + 编程语言) 相连 接，又使c n c 利用加工对象的特征参数为初始量，这就增强了加工程序的 修改能力，并且可以充分地发挥加工人员的经验优势和利用加工人员的想 象力优势。 第四，高速度、高精度、高效率c n c 所追求的目的。要达到以上的目 标，除了优良的硬件伺服特性之外，还要取决于c n c 的控制软件。当c n c 具有连续加工零件轨迹的能力时，由于加工信息的简化，则可以无需依靠 外部d n c 的服务，即可完成符合要求的加工。 最后，我还要表明，在c n c 上具有各种曲线的加工信息之后，其加工 信息已经不再是简单的归于单一的离散点的加工方式，而是拓展到以曲线 为加工单元。因此，要支持这种新的插补算法，必须还要配置相应的 c a d c a m 接口设施。我相信，为了发展我国的制造业，每一个研究人员 都会尽力使自己的工作更深入、全面些，从而使广大的使用人员可以更多 地解放时间和思想。 1 3 论文主要涉及的各个学科以及各章主要介绍的内容 本文针对目前我国绝大多数厂家正在广泛应用的经济性数控机床，为 华北工学院2 0 0 1 届硕士研究生毕业论文 了更好地发挥利用c n c 机床的高精度、高速度、高效率特性，以提高插补 功能和其计算、加工的效率为目的，从插补算法入手，寻找新的途径、新 的办法。 整个设计过程中我主要学习和应用了c n c 技术、c a d c a m 技术、自 由曲线曲面理论、计算机图形学、w i n d o w s 编程、v c + + 与c + + 的编程和数 据结构、计算方法、矩阵理论等等许多方面的知识。整个毕业课题的完成 过程，是我在研究生阶段真正获得提高的阶段，其中涉及的各个学科中的 丰富知识和广泛阅读而得来的知识让我终身受益。 论文中，在下面的一章里介绍了有关数控机床和c n c 系统方面的主要 内容，尤其是把与自己毕业课题紧密相关的知识做了更近一步的详细介绍， 比如c n c 系统的发展趋势、组成及其优点特点、开放式数控c n c 系统、 c n c 系统的软件介绍、插补计算及我自己所应用的经过我改善之后的最小 偏差法的算法等；第三章中就涉及到的有关c a d 系统这内容的知识进行 了一些介绍，主要是国内外c a d 系统的发展现状和趋势、课题当中所用到 的数据结构、参数化设计方法以及一种应用到的解方程组的算法等；第四 章所介绍的内容是论文的主要所在，即计算机图形学和平面几何学的内容， 主要有曲线理论、b 样条曲线理论和三次准均匀b 样条曲线的表达、边界 控制与插值等；第五章主要涉及所设计算法的实现根本c + + 编程语言， 讲述了为什么要选择c + + 语言作为开发支撑语言? c + + 语言的优势与特点 在哪里? 在制作的算法程序中体现出了什么等。第六章里主要是编制的算 法程序简单的程序流程图和算法简介，大致把程序的内容描述一下。 华北工学院2 0 0 1 届硕士研究生毕业论文 2c n c 技术的概述与分析 c n c 技术包括数控系统和编程技术。其中，数控系统是指挥机床运动 控制的执行单元，是硬件；而数控编程则是负责产生加工用的零件程序， 是软件。两者相互结合，就构成自动化加工的手段。 2 1 回望数控c n c 系统的发展2 1 1 3 j 【9 l 数控可以说是军备竞赛的产物。1 9 4 8 年，美国帕森兹公司为研制新型 直升机浆页的需要，提出了革新的思想。在m i t 的协助下，经过约三年的 努力，于1 9 5 2 年完成。它是采用电子管、继电器和模拟电路构成的三坐标 连续轨迹控制铣床的试验样机，通常称之为第一代数控机床( n c ) 。1 9 5 9 年，晶体管电路取代了笨重的电子管电路，机床缩小了体积，使得它能够 在工业上应用，这是第二代n c 。1 9 6 5 年，出现了采用集成电路的n c ，提 高了可靠性，象征着n c 进入了第三代。至此，数控技术在工业发达国家 进入了应用阶段。 以上所述的三代数控系统，机床的各项功能控制，都是由硬件逻辑完 成的，因此称它们为“硬线”数控( 亦即n c ) 。n c 一经设计之后，就无 法进行更改，而且电路复杂，难于编程，限制了其进一步的发展和应用。 1 9 7 0 年，在美国芝加哥机床的博览会上，展出了由小型计算机为核心 的计算机数控系统( c n c ) ，标志着数控系统进入了以计算机为主体的第四 代。至此，机床功能由原来硬件逻辑实现改为现在由软件来实现，称之为 “软连接”系统。软件的灵活性，极大地推动了c n c 的发展。 1 9 7 4 年，出现了以微处理器为基础的c n c ，象征着数控系统进入第五 代。微处理器的应用，进一步缩小了工作母机的体积，降低了成本，并且 由于c r t 的应用，简化了编程操作。由此，c n c 达到了一般企业可以接 受和普及的程度。 1 9 7 7 年，美国麦道飞机公司推出了多处理器的分布式c n c 系统，使 c n c 进入第六代，其特征是大规模集成电路，大容量高可靠的磁泡存储器 的应用，可编程接口和为f m s 用的遥控接口，控制功能更为完备，基本上 完成了标准型单机系统的开发。 自1 9 8 1 年以来，c n c 进入第七代，达到了全功能的技术特征。其体 系结构朝着柔性模块化方向发展，辅助软件发展很快，具有交互式对话编 程，三维图形校验，实时多任务操作和向机床制造厂提供二次开发手段， 以便使其纳入机床制造厂的丰富工艺经验。在产品上，实现了标准化、系 列化，可以按用户需求来分别扩充、裁剪，以满足各种不同层次上的需求。 目前最新型的c n c 处于第八代，它的技术特征是面向高速度、高精度 华北工学院2 0 0 i 届硕士研究生毕业论文 和面向f m s 、f a 。 虽然现在c n c 的处理功能非常强大，但是，c n c 的功能并不是以c p u 的位数和个数来衡量的，它最终的目的仍然是为实现高速度、高精度、高 效率的轮廓加工。在高速度、高精度的加工中，涉及主轴、刀具和机床工 艺系统等许多方面，就c n c 而言，则在于其程序解释执行能力和伺服驱动 特性。高速度和高精度是密不可分、相互联系的。高速化为高质量的精细 表面加工提供了可能，否则加工时间过长而效率过低难以实用。在高精度 的方式下，零件轮廓被细化为极微小线段逼近，必须保证这些微段程序的 传送、插补、加减速控制等的连续处理，要求c n c 具有高速度的处理能力。 另外，影响c n c 加工精度的因素还有c n c 零件解释执行、伺服系统 驱动精度和速度特性、插补周期的时间长短本文的主要目的，就是针 对c n c 系统，从插补的角度，就解决系统中的高速度与高精度的问题，提 出自己的解决办法。 2 2c n c 机床的组成7 】 c n c 机床一般由输入输出设备、c n c 装置( 或称为c n c 单元) 、伺 服系统、驱动装置( 或称为执行机构) 、可编程控制器p l c 及电气控制装 置、辅助装置、机床本体及测量装置组成。图( 2 1 ) 是c n c 机床的组成 框图，其中除了机床本体外的部分，统称为计算机数控( c n c ) 系统。 电气【旦| 路辅助装置 r 。+_ f 中 i_ r 机 j 操作面板j l 竺r 1 主轴伺服单元h 主轴驱动装置r 。 h lb i。b 床 输入输出 计算机叫进给伺服单元r | 进给驱动装置r 。 本 设各 茎薹匡t l 体 一函。砭：i j 。琶丙d 菥床酌蕴磁一 2 3 c n c 系统的优点和特点1 6 1 1 7 】【1 0 1 数控系统与通用计算机相联系之后，由于计算机各项性能的不断飞跃， 使得传统数控系统也出现了许多令人兴奋的变化。可以预见，随着软硬件 华北工学院2 0 0 1 届硕士研究生毕业论文 设备的不断完善，c n c 系统一定会有更加意想不到的进步。 ( 1 ) 用存储的软件实现控制 华f l l 7 _ 学院2 0 0 1 届硕士研究生毕业论文 设备的不断完善，c n c 系统一定会有更加意想不到的进步。 ( 】) 用存储的软件实现控制 一般的计算机是用存储的软件进行操作，c n c 也是用存储的软件进行 操作以代替普通n c 的硬件控制。现代的c n c 都把系统软件存储在半导体 只读存储器( r o m ) ，或可擦除的只读存储器( e p r o m ) 中。现在有把硬 盘作为存储器的趋势。使用这样的器件，软件的内容存入后，可长期保持 不变，可提高c n c 的性能和稳定性。 ( 2 ) 有存储零件程序和修改零件程序的能力 c n c 系统都有编辑功能，程序员可以利用c n c 系统的显示装置和软 件编辑功能来修改零件程序。现代c n c 都有手动数据输入( m d i ) 功能， 用来输入零件程序，而且普遍设置了串行数据传送接口，或把c n c 内部的 零件程序送出。 ( 3 ) 有故障诊断功能 c n c 有诊断程序，当c n c 出现问题时，能显示出故障信息，使操作 人员和维修人员能及时了解出故障的部件，减少维修停机的时间。 ( 4 ) 可用软件取代机床继电器控制 普通n c 的m 、s 、t 等指令是通过继电器实现控制的。继电器电路的 缺点是速度低，可靠性差，而且改变电路很困难。而p l c 把机床的各种开 关控制作为软件控制，由c n c 的计算机来处理，使机床的全部动作都由软 件加以控制和监视。 ( 5 ) 可实现调节控制 c n c 把计算机引入机床位置控制回路中，利用计算机的数据处理能 力，可实现各种控制策略。 ( 6 ) 有保护零件的能力 保护零件必须要考虑三个方面：必须保证零件程序数据的正确性；必 须监视零件程序在机床上的执行情况，以保证机床服从命令；在检测到错 误时，必须在零件变成废品之前采取措施。 2 4 开放型数控c n c 系统6 c n c 装置是c n c 系统的核心部分，它由硬件和软件共同构成，软件 在硬件的支持下工作，离开了硬件，软件便无法工作，因而其硬件构成在 很大程度上决定着c n c 系统的功能。反之，硬件构成又需要根据控制对象 所需要的c n c 功能来决定，因此在构成c n c 硬件时，必须从系统的功能 要求出发。 由于本论文对c n c 的硬件并没有做过多的涉及和仔细的研究，在这里 只是简单的提一下硬件的主要内容，和将来的发展方向。 华北工学院2 0 0 1 届硕士研究生毕业论文 2 4 1c n c 装置的硬件构成 无论c n c 装置的体系结构如何，概括起来其硬件有如下一些部分： ( 1 ) 计算机部分。是c n c 装置的核心，主要任务是对数据进行算术 和逻辑运算，存储系统程序、零件程序和运算的中问变量以及管理定时与 中断信号等；( 2 ) 电源部分；( 3 ) 面板接口和显示接口；( 4 ) 开关量i o ( 输入输出) 接口。c n c 和m t ( 机床) 之间的出入信号不能直接连接， 而要通过i o 接口电路连接起来。它的主要任务是进行电平转换和功率放 大；( 5 ) 内装型p l c 部分。p l c 是替代传统的机床强电的继电器逻辑，利 用逻辑运算功能实现各种开关量的控制。现代c n c 多采用内装型p l c ，因 此它已经成为c n c 装置的一个组成部分；( 6 ) 伺服输出和位置反馈接口。 这部分硬件和c p u 一起组成c n c 系统位置控制的硬件支持；( 7 ) 主轴控 制接口。主要是对主轴转速的控制；( 8 ) 外设接口。它的主要任务是把零 件程序和机床参数通过外设输入c n c 装置或从c n c 装置输出，同时也提 供c n c 与上位计算机的接口。现代c n c 系统的c n c 装置还具有完备的 数据传送和通信接口，为了适应工厂自动化( f a ) 和c i m s 的需求，近年 来，又添加了网络通信接口。 2 4 2开放式数控体系结构 按i e e e 定义：“开放性控制系统应提供这样的能力：来自不同卖主的 种种平台上运行的应用都能够在系统上完全实现，并能和其他系统应用互 操作，且具有一致性的用户界面。”由此定义可知，开放性c n c 系统是一 个模块化的体系结构，由系统平台和面向应用的功能模块所构成，其特点 是：互操作性；可移植性；扩展性；互换性。 对于开放性控制系统，由于标准的系统平台提供了统一的接口规范，因 而不同的数控系统提供商开发的功能模块只要遵守这一规范即可在不同的 控制平台上运行，而各个功能单元在整个系统中是相对独立的。这种结构 特点使得数控系统开发商在各自功能单元的开发过程中只要考虑本身的性 能，发挥各自优势并能进行广泛的合作；机床制造厂可以不依赖某个数控 系统开发商，而是根据需要自由地配置各种功能块组成最合适的控制系统： 而最终用户亦可任意选用不同的供应商提供的不同的功能单元来构筑自己 所需的控制系统，也可按需要增添和减少系统功能，是按最优化、最合理 的系统配置。 2 4 3通用p c 机组成的数控体系 美国旨在推动其工业界形成一个广泛的伙伴关系，以利于同国外竞争 的庞大计划，下一代工作站机床控制器( 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 o l l e r ) ，在1 9 8 7 年由总统里根签署。 华北工学院2 0 0 1 届硕士研究生毕业论文 鉴于其庞大与复杂，以及计算机功能已经发展到相互兼容、统一操作 系统、为用户提供开发平台、推出开放性体系结构等阶段，到了9 0 年代初， 正当其它发达国家，如日本和欧洲诸国相继制定开放性数控发展计划时， a m p r oc o m p u t e r 公司的策略发展部行政副总裁p i c kl e h r a u m 提出了“利用 p c 机体系结构，设计新一代的嵌入式应用”，s o f t w a r ed e v e l o p m e n ts y s t e m 的j a m e ss c h a l l e g e r 又提出“w i n d o w s 和嵌入式计算机技术的融合”，主张 利用现有p c 机的软硬件规范设计新一代数控系统( 简称为p c - n c ) 。数控 系统的设计发生了巨大的变化，人机界面也越来越计算机化。 随着p c 机的性能和质量的提高、数量的增加、价格的下降，人们对 通用p c 熟悉程度的深化，基于通用p c 的数控系统很快就上市了。 基于通用p c 的数控系统可以充分利用p c 机的软硬件资源，使设计任 务减轻；可充分利用计算机工业所提供的先进技术，方便地实现产品的更 新换代；良好的人机界面便于操作；开放式体系结构便于在工厂环境内集 成；由于有更多的硬件供选择，c n c 的成本对于用户来说非常灵活。 那么，基于通用p c 的数控系统到底有什么优势和特点呢? ( 1 ) 硬件支持。在同一时期，工业上的标准p c 成百万台生产出来， 它们都能使用各种制造厂家的插卡，都能使用同样的应用软件。原始设备 制造商( o e m ) 或最终用户将不必受由c n c 制造厂家提供的硬件约束。 ( 2 ) 软件利用。c n c 软件将随着建立c n c 的目的而变化，每一个制 造厂商都会试图把若干个特点包括进去，是用户具有最大的机械加工能力， 而且配置最简单。 ( 3 ) 标准p l c 引用。以p c 几开发的c n c 就可以使用现有的、具备 与c n c 通信所需的串行连接的、标准的p l c ，来满足其要求，且所花的额 外费用很少。 ( 4 ) 开放式结构。对于以p c 机为基础的c n c ，计算机的全部标准连 接系统( d n c 、l a n ( 局域网) 和m a p ( 制造自动化协议) ) 都可以用来 把控制器与其它计算机连接起来。这种能力非常有助于富有柔性的工作条 件。 ( 5 ) 技术的转移。基于p c 机的c n c 系统可以充分利用计算机工业 所提供的先进技术，可以方便地实现产品的升级换代，p c 机的操作系统特 别是实时多任务操作系统的支持使计算机的图形、网络、数据库等技术均 容易在数控系统中实现。 当今数控系统的特点是以微处理器为基础，发展总线式、模块化、开 放性的智能c n c 。上面已经指出，随着c n c 系统向着高可靠性、高速度、 高效率、高精度、高柔性方向发展，c n c 系统硬件结构和软件结构越来越 接近于计算机的硬件和软件结构。可以说跟上计算机前进的步伐，充分利 用计算机资源和成果已成为数控技术发展的总趋势。如图( 2 - 2 ) ，为教学 华北工学院2 0 0 1 届硕士研究生毕业论文 型( 经济型) c n c 系统。 图( 2 2 )经济型( 教学型) 数控系统的体系结构 2 5 c n c 系统的软件介绍n n 铂 2 5 1 c n c 系统的软硬件界面 c n c 系统是由软件和硬件组成的，硬件为软件运行提供了支撑环境。 软件结构取决于c n c 系统中的软硬件的分工，也取决于软件本身的工作性 质。在信息处理方面，软件和硬件在逻辑上是等价的，有些工作由硬件可 以完成，在原则上也能由软件完成。但是，硬件和软件有不同的特点，硬 件处理速度快，造价高线路复杂，故障率也高；软件灵活，适应性强，处 理速度慢。因此在c n c 系统中，软硬件的分工是由性能价格比决定的。 很显然，随着计算机工业的迅猛发展，软硬件在c n c 系统中的分工会 越来越倾向于软件。如图( 2 - 3 ) ，是三种典型的c n c 系统的软硬件界面， 由这三种界面，我们同样可以看出c n c 的发展是越来越趋向于软件。 2 5 2c n c 系统的软件结构特点 c n c 系统的控制软件融合了当今计算机软件技术中的许多先进技术 其中最突出的是多任务并行处理和多重实时中断。 华北工学院2 0 0 1 届硕士研究生毕业论文 嫂件 扣 一软件呻七一硬件 筇二种 硬件 卜 一软件斗扣 一 硬件 第三种 硬件_ j 七一软件扣 一 硬件 图( 2 - 3 )3 种典型的软硬件界面 ( 1 ) c n c 的多任务并行处理性质 c n c 是一个专用的实时多任务操作系统。c n c 系统通常作为一个独立 的过程控制单元作用于工业自动化生产中，因此它的系统程序包括管理和 控制两大任务。系统的管理包括通信、显示、诊断、零件程序的输入输出 以及人机界面管理( 参数设置、程序编辑、文件管理) ，这类程序实时性要 求不高；系统的控制包括译码、刀具补偿、速度处理、插补、位置控制、 开关量i o 控制等，这类程序完成实时性很强的控制任务。 数控系统的基本功能是由上述功能子程序实现的。如图( 2 - 4 ) 是c n c 多任务并行处理关系图，其中( a ) 是c n c 的任务分解图，( b ) 和( c ) 是 c n c 多任务并行处理关系图，双箭头表示两者有并行处理的关系。 ( 2 ) 多任务并行处理的实现 并行处理是指计算机在同一时间间隔内完成两种或两种以上性质相同 或不同的工作。并行处理的最显著的优点是提高了运算速度。目前在c n c 系统的硬件设计中，已广泛使用资源重复的并行处理方法，如采用多c p u 的系统体系结构来提高系统的速度，而在c n c 的软件设计中则主要采用资 源分时共享和资源重叠流水处理技术。 ( 3 ) 实时中断处理 c n c 控制软件的另一个重要特征是实时中断处理，c n c 系统的多任务 性和实时性决定了系统中断成为整个系统必不可少的重要组成部分。c n c 华北工学院2 0 0 1 届硕士研究生毕业论文 系统的中断管理主要靠硬件完成，而系统的中断结构决定于系统软件的结 构，中断的类型有：外部中断、内部定时中断、硬件故障中断、程序性中 6 并行处理 c n c 的根本作用是对机床运动的轨迹控制。正如在c n c 上具有圆弧 华北工学院2 0 0 1 届硕士研究生毕业论文 功能后，可再不必再把圆弧细化成微小线段进行加工，所以自然也更期望 c n c 本身即有复杂轨迹处理能力，不再使用庞大的微段直线n c 代码。因 此提高c n c 的轨迹处理能力，这是提高c a d c a m 工作效率技术的关键。 2 6 。1插补原理 插补是c n c 中的轨迹控制策略，它要解决的问题就是要用一种简单快 速的算法计算出刀具运动的轨迹信息，并经过p i d 调节后控制伺服单元的 速度指令。 在c n c 系统中，插补器的硬件功能全部或部分地由计算机的系统程序 来实现。c n c 根据来自数据处理结果缓冲区( a s ) 中存储的零件程序数据 段的信息，以数字方式进行计算，不断向系统提供坐标轴的位置命令，这 种计算叫做插补计算，简称插补。直线和圆弧是构成工件轮廓的基本线条， 因此c n c 一般都具有直线和圆弧插补功能。目前，渐渐又出现了许多具有 特殊功能的插补软件。插补软件的任务是完成在轮廓起点到终点的中间点 的坐标计算。对于轮廓控制系统而言，插补是最重要的计算任务。插补必 须是实时的，即必须在有限的时间内完成计算任务，对各坐标轴分配速度 或位置信息。插补程序的运行时间和计算精度影响着整个c n c 系统的性能 指标。就目前普遍应用的插补算法而言，可分为如下两类： ( 1 ) 脉冲增量插补 脉冲增量插补也称为行程标量插补，就是用软件模拟n c 系统常用的 逐点比较法、d d a 积分法以及这两种算法的改型算法。插补的结果是产生 单个的行程增量，以一个个脉冲的方式输出给步进电机。脉冲增量插补输 出的频率主要受插补程序所用的时问限制，它仅仅适用于中等精度 ( 0 0 l m m ) 和中等速度( 1 3 m m i n ) ，以步进电机为驱动元件。 ( 2 ) 数据采样插补 数据采样插补也称为时间分割插补，适用于闭环和半闭环以直流或交 流电机为执行机构的位置采样控制系统。插补程序的调用周期可以和系统 的位置采样周期相同，也可以是采样周期的整数倍。在这种系统中，插补 程序的运行时间不多于计算机时间负荷的3 0 4 0 ，在其余时间内，计 算机可以实现显示、译码、刀补等数控功能。有时，数据采样插补是分两 步完成的。第一步为粗插补，它是在给定起点和终点的曲线之间插入若干 个点。粗插补的特点是把给定的一条曲线用一组直线段来逼近，即算出每 个插补周期的坐标位置增量值。第二步为精插补，它是在粗插补算出的每 一条微小直线段上再做“数据点的密化”工作。在实用中，粗插补运算一 般称为插补，通常用软件实现，而精插补可以用软件也可以用硬件来实现。 2 6 2最小偏差法 华北工学院2 0 0 1 届硕士研究生毕业论文 如前文所述，与国际制造业发达国家的先进水平相比，我们国内的数 控设备无论在那一方面都有不小的差距。虽然有的厂家也能买进比较先进 的设备，但是由于技术人员的技术素质上不去，这些设备的功能也不能被 完全利用。所以，经过了解我们得知，绝大多数的厂家目前基本上仍以经 济型数控机床为主。正如前文所讲，本课题的研究主要是针对国内的实际 情况，从实用、新型的目的着手，把c n c 的驱动装置定位在步进电机上， 并充分发挥计算机这一有力的计算工具，采用一种更为有利有用的插补方 法最小偏差法，来进行工件轮廓的加工过程研究。下面就最小偏差法 做一详细地介绍。 简单地说，最小偏差法就是以计算机的强大计算功能为依托，根据加 工之前所获得的初始变量，从曲线的数学表达式中得到真实的加工点坐标 值，然后通过在最小偏差正方形中的位置判断，得到一个最佳的进给方式， 发出脉冲进给命令。以上所有的工作都由软件完成。最后的脉冲进给命令 有计算机与c n c 机床之间的通信接口直接传送给机床，使机床各个加工坐 标轴作出相应的动作，以完成工件的加工。如图( 2 5 ) ，就是一个最小偏 差正方形。 p u l s e 图( 2 - 5 )最小偏差正方形 在图( 2 - 5 ) 中，正方形的边长就是一次脉冲的距离，记为p u l s e ( 以 图( 2 - 5 ) 为例，这里取p u l s e 0 ) ，设当前加工点为p 。，我们可以得到另外 的三个正方形的边界点：p a ( x i ，y i + 1 ) ，p b ( x i + 1 ，y i ) 和p i + 1 ( x i y ，+ 1 ) ， 其中x i + l = ) ( ，+ p u l s e ，y i + 1 y i + p u l s e 。正如前面提到的，一般的情况下，考虑 到在加工的时候，脉冲值p u l s e 都取得很小，因为要满足加工精度的要求， 所以脉冲值必须比加工工件的长度要小很多，因此最小偏差正方形的大小 也就很小，我们就可以得到一下结论：在正方形中，工件轮廓曲线一定与 边p 。p 或边p b p 。+ l 相交，即在正方形之中一定没有斜率符号不一致的点， 设交点为p 。( x 。，y m ) 。 通过以上的论述，有两种需要面对的结果： 第一种，p 。点在边p 。p 。+ i 上。这时我们利用最简单的数学比较方法来 进行脉冲紧给方向的判别。假如1 x m - x i i p u l s e 2 ，则同时在x 、y 轴方向上 华北工学院2 0 0 1 届硕士研究生毕业论文 输出脉冲，下一个最小偏差正方形的p 。点就是点p i + - ；否则有 l x m - x ，( p u l s e 2 ，这时，只在y 轴方向上输出脉冲，下一个最小偏差正方形 的p 点就是点p 。 第二种，p 。点在边p b p 。+ l 上。假如假如【y m - y i l 一p u l s e 2 ，则同时在x 、 y 轴方向上输出脉冲，下一个最小偏差正方形的只点就是点p 卜l ；否则有 l y m - y 。l = x i & & x m = p u l s e 2 ) a d d x a n d y 0 ；同时在x 、y 轴方向上输出脉冲 e l s e a d d y o ；只在y 轴方向上输出脉冲 e l s e i f ( f a b s ( y m y i ) = p u l s e 2 ) a d d x a n d y o ； e l s e a d d x o ； p 。点在边p b p i + l 上 同时在x 、y 轴方向上输出脉冲 只在x 轴方向上输出脉冲 华北工学院2 0 0 1 届硕士研究生毕业论文 3 关于c a d 有关技术的介绍 经过三十来年的发展，c a d 技术得到了迅速普及，已经成为许多技术 的重要组成部分。它使产品设计工作的内容和方式发生了根本性的变革， 已经成为工业发达国家保持竞争优势，开拓市场的主要手段。它几乎推动 了一切领域的设计革命，彻底改变了传统手工设计绘图的方式，极大地提 高了产品开发的速度，提高了设计革命。这一新技术的应用将使人类的聪 明才智和创造能力与计算机高速而准确的计算能力、大容量的存储和数据 处理功能结合起来，使两者相得益彰。c a d 技术的发展与应用水平已成为 衡量一个国家的科学技术现代化和工业现代化的重要标志之一。 3 1国内国外c a d 技术的发展状况川1 3 】1 1 4 l 计算机辅助设计( c a d ，c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 技术是电子信息技 术的一个重要组成部分；是促进科研成果开发和转化、实现设计自动化、 加快国民经济发展和国防现代化的一项关键新技术：是产品和工程设计水 平、降低消耗、缩短科研和新产品开发周期、大幅度提高劳动生产率的重 要手段；是科研单位提高自主科研和开发能力，企业提高创新能力和管理 水平，参与国际竞争的重要条件；也是进一步向计算机辅助制造( c a m ， c o m p u t e r a i d e d m a n u f a c t u r i n g ) 、计算机集成制造系统( c i m s ，c o n t e m p o r a r y i n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 发展的重要基础。 应用c a d 技术来进行产品设计，能使设计、生产、维修工作快速而高 效率地进行，所带来的经济效益是十分明显的。例如：过去生产一个大规 模集成电路芯片，要花费两年时间，用c a d 只要两周即可完成：美国道格 拉斯公司生产f 1 5 战斗机，用c a d 技术试制第一架飞机便解决了发动机 气道和机舱密封等关键问题：哥伦比亚航天飞机表面防热系统的成功组装， 也是采用c a d 技术的成功典范；英国的三叉戟飞机比美国的波音7 4 7 飞机 早开工，却晚了一年完成，其原因就是美国7 4 7 采用了c a d 技术；美国 g m 公司汽车设计中应用c a d 技术，使新型汽车的设计周期由5 年缩短到 3 年，新产品的可信度由2 0 提高到6 0 ；法国一家公司在飞机设计中应 用c a d 技术能在很短的时间内设计出几十个方案，供用户进行选择，使新 产品的性能提高了9 ；以前波音公司的飞机维修手册叠在一起有3 米多 厚，而现在在一张光盘上可以存储1 0 0 0 多张图样信息。以上种种，都是采 用c a d 技术所带来的好处。 我国c a d 技术的研究和开发工作起步比较晚，自8 0 年代开始，c a d 技术应用工作才逐步得到了开展。近几年来，各个部门和单位都把推广和 普及c a d 技术提到议事日程之上。“九五”期间，国家科委颁布了1 9 9 5 华北工学院2 0 0 1 届硕士研究生毕业论文 2 0 0 0 年我国c a d 应用工程发展纲要，机械工业部发布了“三大战役”的 战略部署，其中，“开发能力高强战役”是重要战役之一，而推广应用c a d 技术是其重要手段。为此，机械工业部颁发了机械工业1 9 9 5 2 0 0 0 年推 广应用c a d c a m 技术发展规划，并组织实施了机械工业“c a d 应用1 2 1 5 工程”，目前正在组织落实“c a d 应用1 5 5 0 工程”的工作并把1 9 9 7 年定 为“c a d 推广年”，把c a d 推广工作作为重中之重的项目。可以预言，今 后几年c a d 水平将在我国得到广泛地应用。到2 0 0 0 年，我国c a d 科技 开发及应用推广水平将达到中等发达国家9 0 年代中后期的水平。 3 2c a d 系统的软硬件组成m i c a d 系统包括硬件系统和软件系统两大部分。硬件系统是c a d 技术 的物质基础；软件系统是c a d 技术的核心，它决定了系统所具有的功能。 硬件和软件组合形成了c a d 系统。因此，了解和掌握c a d 技术、研究和 和开发c a d 系统，必须具备一定的硬件和软件知识。 3 2 1c a d 系统硬件的构成及分类 c a d 系统的硬件一般由计算机主机、常用外围设备、图形输入和输出 设备组成。现代c a d 系统均为交互系统，交互是靠用户操作图形输入设备 来实现的。如图( 3 1 ) ，表示了一个c a d 系统的硬件基本构成。 外存储器 输入设备输出设备 硬盘、软盘、光盘、磁带 图形终端 f 图形终端 鼠标、键盘 1 计算机主机 绘图机 数字化仪 中央处理器打印机 扫描器 内存储器 图形输入板 。f 通信设备 串行接口、网络接口 图( 3 - 1 )c a d 硬件系统基本组成 c a d 系统作为计算机应用系统的一个分支，也经历了三个阶段的发 展，即多个用户共享一台计算机；一个用户使用一台计算机；一个用户共 享多台计算机。因此，从系统结构看，c a d 系统总体结构配置大致可以分 为三大类，即单机式系统、集中式系统、工作站网络系统。 华北工学院2 0 0 1 届硕士研究生毕业论文 3 2 2c a d 系统软件的构成及分类 所谓软件是指使用和发挥计算机效率、功能的各种程序，整个计算机 系统的工作过程都是由软件来控制和实现的。软件水平是决定计算机系统 是否性能优劣、功能强弱和方便适用的关键因素。在不同的c a d 系统中， 对软件的要求各有不同，这些软件的开发设计一般需要由计算机的软件人 员和专业领域的设计人员密切配合合作，才能取得满意的效果。 c a d 软件可分为系统软件、支撑软件和应用软件三个层次，它们之间 的关系如图( 3 - 2 ) 。 产品应用软件 支撑软件 图形开发平台 数据库管理软件 程序搜计软件 操作系统软件 图( 3 - 2 )c a d 软件系统的层次结构 ( 1 ) 系统软件 它对计算机资源进行自动管理和控制，它处于整个软件的核心内层， 主要包括操作系统、数据通信系统等。所有软件都在操作系统的管理和支 持下进行工作，它使计算机协调一致并且高效地完成各种任务。 ( 2 ) 支撑软件 它是帮助人们高效率开发软件的软件工具系统，也称为软件开发工具。 计算机辅助设计系统的支撑软件组合要包括图形支撑系统和数据库管理系 统，它们是c a d 的核心技术。此外，程序设计语言、面向计算机对象的专 用语言等也属于支撑软件，这些软件为计算机辅助设计系统的开发提供了