（机械制造及其自动化专业论文）基于pc的cnc数控铣床系统的研制.pdf

重庆大学硕士学位论文 摘要 摘要 、厂 l 髓着p c 大举进入数控领域，开放性数控系统成为国内外数控技术研 究的热点，正在逐步打破并取代传统的专用型数控系统在数控领域的垄断 地位。本文选择通用p c 机为硬件平台，开发了一种具有开放性的c n c 数 控铣床系统。了 本文详细介绍了该系统的总体方案、硬件配置和软件设计。整个系 统在硬件结构开放性的前提下加强了软件功能的模块化。硬件设计中注重 系统硬件的模块化、标准化与系列化。软件设计中注重各功能的柔性和通 用性。系统具有功能强大的编辑功能，快速、高精度的插补算法及丰富的 插补功能，完善的刀具补偿，友好的人机界面，方便独特的人工干预及动 态仿真等功能。论文在优化插补算法、消除圆弧插补累积误差以及步进电 机的半闭环控制等数控理论方面进行了卓有成效的研究。 一论文研制的以通用p c 机为核心的c n c 系统，具有高速度、高精度、 高柔性的特点，以及较高的性能价格比和丰富的软件支持，并能随着计算 机技术的发展引进新的功能k 重庆大学硕士学位论文 a b s t r a c t 呲p cr u s hi n t ot h en ci n d u s t r y ，t h eo p e ns v s t e mh a sb e c o m et h e r e s e a r c hh o t s p o to fn ct e c h n o l o g y i tw i l l g r a d u a l l yr e p l a c et h et r a d i t i o n a l p r o p r i e t a r yn u m e r i c a l c o n t r o ls y s t e mw h i c hi sc u r r e n t l yt h em a i n p r o d u c t o i l n cm a c h i n et o o lm a r k e t an e w t y p eo f p c b a s e do p e nc n cm i l l i n gm a c h i n es y s t e mw a sd i s c u s s e d i nt h i sd i s s e r t a t i o n i nd e t a i l ，t h eh a r d w a r ec o n f i g u r a t i o na n ds o f t w a r ed e s i g no f t h es y s t e mi sd e s c r i b e d ，b o t hh a r d w a r e c o n f i g u m t i o na n ds o f l x v a r ed e s i g n e m p h a s i so nt h es y s t e mr o o d u l a f i z a t i o n ，s t a n d a r d i z a t i o na n df l e x i b i l i t y t h e p o w e r f u l e d i t f u n c t i o n ，r a p i d a n d p r e c i s ei n t e r p o l a t i o na r i t h m e t i c ，r i c h i n t e r p o l a t i o nf f m c f i o n , p e r f e c t t o o l c o m p e n s a t i o n ，f r i e n d l y m a n m a c h i n e i n t e r f a c e ，c o n v e n i e n ta n du n i q u em a n u a li n t e r f e r e n c ea n dr e a lt i m es i m u l a t i o n a r ei n t e g r a t e di nt h i ss y s t e m s o m e n e w t h e o r y o f c n c a r e p u t f o r w a r d i n t h i s t h e s i s ，f o r e x a m p l e ，a n e w m c u r s i v e i n t e r p o l a t i o na l g o r i t h mb a s e do n t h em i n i i n u m p a t h e r r o r i n t e r p o l a t i o n m e t h o di s p r o p o s e d ，a na c c u m u l a t i o n e r r o re l i m i n a t i o nm e t h o do fc i r c l e i n t e r p o l a t i o ni sp r e s e n t e da n dan e wt e c h n o l o g yo fh a l fc l o s e dl o o pc o n t r o l s y s t e mb a s e d o nt h es t e d - m o t o ri sr e c o m m e n d e d k e yw o r d s ：p c ，c n c ，o p e ns y s t e m 蘑庆大学硕士学位论文 1 绪论 1绪论 数控技术是现代制造业的基础，而制造业又是直接影响一个国家综 合实力( 工业和国防) 和国际竞争力的全局性重大基础产业。目前，美、 日、欧在世界控制机市场上的竞争日趋激烈，都在全力研制新一代开放式 c n c ，成为高档c n c 研制与生产的先驱l l 。 1 1 数控系统的发展 2 0 世纪5 0 年代，数控机床研制成功是制造技术发展过程中的一个 重大突破，标志着制造领域中计算机控制时代的开始，是现代常8 造高技术 的基础，具有重要的实际意义和深远的影响【2 】。 1 1 ，1 世界数控系统的发展简史 1 9 4 6 年诞生了世界上第一台电子计算机，它为人类进入信息社会奠 定了基础。六年后，即在1 9 5 2 年，计算机技术应用到了机床上。在美国 诞生了第一台数控机床，从此，传统机床产生了质的变化。近半个世纪 以来，系统经历了两个阶段和六代的发展【3 】。 1 数控( n c ) 阶段( 1 9 5 2 - - - 1 9 7 0 年) 早期计算机的运算速度低，这对当时的科学计算和数据处理影响还 不大，但不能适应机床实时控制的要求。人们不得不采用数字逻辑电路 制成一台机床专用计算机作为数控系统，被称为硬件连接数控( h a r 沪 w l r e d c ) ，简称为数控( n c ) 。随着元器件的发展，这个阶段经历了 三代，即1 9 5 2 年第一代电子管；1 9 的年第二代一晶体管；1 9 6 5 年第三代小规模集成电路。 2 计算机数控( 刚c ) 阶段( 1 9 7 0 现在) 到1 9 7 0 年，通用小型计算机业已出现并成批生产。其运算速度比 五、六十年代有了大幅度的提高，这比逻辑电路专用计算机成本低、可靠 性高。于是将它移植过来作为数控系统的核心部件。从此进 了计算机数 控( c n c ) 阶段( 把计算机前面应有的“通用”两个字省略了) 。1 9 7 1 年，美国i n r e l 公司在世界上第一次将计算机的两个最核心的部件运 算器和控制器，采用大规模集成电路技术集成在一块芯片上，称之为微处 理器( m i c r o p r o c e s s o r ) ，又称为中央处理单元( 简称c p u ) 。1 9 7 4 年， 微处理器被应用于数控系统。这是因为小型计算机功能太强，控制一台机 床能力有多余( 故当时曾用于控制多台机床) ，但不及采用微处理器经济 重庆大学硕士学位论文 绪论 合理，而且当时的小型计算机可靠性也不理想。虽然早期的微处理器速度 和功能都还不够高，僵可以通过多处理器结构来解决。因为微处理器是通 用计算机的核心部件，故仍称为计算机数控。到了1 9 9 0 年，p c 机( 个人 计算机) 的性能已发展到很高的阶段，可满足作为数控系统核心部件的要 求，而且p c 机生产批量很大，价格便宜，可靠性高。数控系统从此进入 了基于p c 的阶段。 总之，计算机数控阶段也经历了三代。既1 9 7 0 年第四代一小型计 算机；1 9 7 4 年第五代一一微处理器和1 9 9 0 年第六代一一基于p c ( p c - b a s e d ) 。 必须指出，数控系统近五十年来经历了两个阶段六代的发展，只是 发展到了第五代以后，才从根本上解决了可靠性低，价格昂贵，应用不方 便( 编程难) 等关键问题。因此，即使在工业发达国家，数控机床大规模 地得到应用和普及，也是七十年代末八十年代初以后的事情，也即数控技 术经过了近三十年的发展才逐步普及应用。 1 1 ，2 国内数控系统发展现状 我国从1 9 5 8 年起，有一些科研院所、高等学校和少数机床厂起步进 行数控系统的研制和开发。由于受到当时国产电子元器件水平低、部门经 济计划等因素的制约，未能取得较大的进展。在改革开放以后，经过“六 五”( 8 1 8 5 年) 的引进国外技术，“七五”( 8 6 9 0 年) 的消化吸收和 “八五”( 9 t - 9 5 年) 国家组织的科技公关和正在进行的“九五”( 9 6 - 2 0 0 0 年) 国家组织的产业化公关，才使得我国数控系统技术有了质的飞 跃【4 】。在1 9 9 9 年1 0 月2 6 日北京结束的国际四大名展之一的c i m t 9 9 展 览会上【s 1 ，国内数控枫床有了很大的发展，不仅数量增加、技术水平提 高了，而且品种也有发展，几乎可以满足国内所有行业的要求。具体表现 在： 外观质量和防护等级有了显著改进。 高速、高效已在国产机床产品上实现。 机床的性能和技术水平有了明显提高。 但是，我国机床行业的整体水平和国外先进水平相比还有不少差 距。主要有： 产品的结构布局单调、陈旧，立式和卧式加工中心象是一个面 孔，多年来变化很少。而且都是通用型的，专用机床很少，且 运行速度平均偏低。 2 重庆大学硕士学位论文绪论 国产数控机床中，配国产数控系统的少，不到1 0 ，主要还是 配f a n u c 、s i e m e n s 等著名厂家的系统。 机床的许多零配件不配套。许多气动、液压、轴承等配套件还 不得不进口，这使国产机床的价格优势丧失了。 机床的实验研究开展得还不够，表现在技术创新能力差，开发 速度慢，难以适应市场多变的要求。许多技术都来源于国外， 一些高速主轴都是引进国外的。 数控机床应用软件的开发满足不了用户要求，研究用户的加工 工艺少，这也是专机少的重要原因之一。国产数控机床的应用 水平和效益远未达到应有的水平。 1 1 3 数控技术发展的趋势1 6 9 1 继续向开放式、基于p c 的第六代方向发展 由于基于p c 的数控系统具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件 资源丰富的特点，越来越多的数控系统厂家将会走上这条道路。至少采用 p c 机作为它的前端机，来处理人机界面、编程、联网通信等功能。由原 来的系统承担数控的任务。p c 机所具有的友好的人机界面将普及到所有 的数控系统，远程通讯、远程诊断和维修将更加普遍。日本、欧盟和美国 等针对开放式的c n c ，正在进行前后台标准的研究。 2 向高速化和高精度化发展 要求数控系统高速处理并计算出伺服电机的移动量，并要求伺服电机 能高速度地作出反应。为使在极短的空程内达到高速度和在高速度下保持 高定位精度，必须具备高加、减速度和高精度的位置检测系统和伺服驱动 系统。另外就是通过减少数控系统的误差和采用补偿技术来提高精度。 3 向智能化方向发展 随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展，数控系统的智能化程 度将不断提高。 ( 1 ) 应用自适应控制技术。数控系统能检测过程中的一些重要信息， 并自动调整系统的有关参数，达到改进系统运行状态的目的。 ( 2 ) 引入专家系统指导加工。将专家的经验以及加工的一般规律与特 殊规律存入系统中，以工艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家 系统。当前已开发出模糊逻辑控制和带自学习功能的人工神经网络电火花 加工系统。 ( 3 ) 智能化数字伺服驱动装置。可以通过自动识别负载，而自动调整 参数，使驱动系统获得最佳的运行。 重庆大学硕士学位论文 1绪论 1 2 基于p c 的开放型数控系统 i o 一2 0 从数控系统控制器的发展历程来看，以往的控制器是一种专用和封闭 的体系结构。专用有两层含义： ( 1 ) 系统硬件各厂家的主板、伺服电路扳专门设计，厂家之间产品 无互换性。 ( 2 ) 系统软件结构无可移植性，也无伸缩性。 目前市场上占统治地位的s 1 日刚s 、f a n 比和a b 等产品基本上都是属 于此类。 传统的c n c 又是一种封闭的体系结构，它有以下特点： ( 1 ) 控制软件专用。各控制软件依赖于专用控制系统的硬件体系结构 和软件设计思想。 ( 2 ) 控制系统很难适应机床，特别是机床要更换控制系统时，需要设 置大量的参数。 ( 3 ) 机床制造商对控制器供应商的依赖性很大。机床制造商一般对控 制器供应商挑选余地不大，自身开发的专利无法融入控制系统中去，必须 依赖控制器供应商。 从用户的角度讲，传统的e n c 给用户带来以下困难：首先，很难对多 个供应商的设备和解决方案进行集成。其次，只能有限地加入自己的功 能。第三，对机床很小的改动将导致整个系统很大的改动。 随着用户需求的多样性和p c 产业化，尤其是网络、通讯、操作系统 及控制技术突飞猛进地发展，促使国外各大公司相继推出基于p c 的称为 “开放”的c n c 产品，这些产品可分为三类： ( 1 ) p c 作前端，c n c 作后端。代表产品有s i n u m e r i k8 4 0 d ，此产品选 用p c 作前端，并可对数控轴进行配置。选用传统c n c 是因为传统c n e 可 完成多达1 0 轴的控制，而且有些复杂的5 轴加工只能采用传统c n c 来实 现。 ( 2 ) c n c 在p c 中。此类产品是把运动控制卡或完整的c n c 单元插入 p c 机的插槽中。主要产品有w i z d o mc o n t r o l s 公司的p a r a d y m _ 3 1 ，此产品 采用d e l t at a u 公司的p 姒c 可编程多轴运动控制卡实现运动控，放入p c 机中。优点是：成本低( 采用标准计算机) ；可运行用户自定义的软件； 界面比传统的a 屺友好。 ( 3 ) 单p c ，双c p u 平台。此产品充分利用现有计算机技术的发展，一 个c p u 完成实时运动控制运算，另一个c p u 完成非实时管理、诊断等任 务。代表产品是c i n c i n n a t im i l a c r o n 公司的a 2 i 0 0 。 目前推出的产品都只能称为准开放，因为： 4 重庆大学硕士学位论文 绪论 ( 1 ) 虽系统运行于标准软硬件环境( p c ) 上，支持多种操作系统硬件 体系结构及通讯传输协议，即大部分功能是开放的，但若要任意增减应用 程序，使它们起协同工作，仍要做一些编程工作，可重构性差。因为并 不是所有的应用程序都采用统一的a p i 进行编程。 ( 2 ) 实时运动控制还不对用户开放。 1 3 本课题的研究意义和内容 1 3 1 本课题研究的意义 机械制造自动化从过去的刚性自动化生产线、c n e 机床发展到当前 的f m s 与c i m s ，标志着机械制造自动化水平进入了一个崭新的柔性自动 化、集成化制造阶段。在实施c i m s 工程时，国内外已取得许多重要研究 成果，并产生了巨大的社会与经济效益。但也经常因某些相关基础技术影 响了实施效果，其中问题之就是作为c i 胚中的关键设备一一数控机床 的控制系统，即c n c 系统满足不了实际要求。因此在很大程度上制约了 f m $ 与c i 峪技术的进一步发展。造成这种原因的主要因素是国际上各主 要c n c 系统生产厂家出于技术保密的目的，生产的c n c 系统专用性太强， 不便维护与扩展，且价格昂贵。随着通用计算机( 如i s a p c i 总线3 2 位 工业控制系统杌) 技术的高速发展，大规模集成电路和表面安装技术使其 体积小、存储容量大、运算速度快机及计算精度高，且各种功能模块多， 抗干扰能力强，稳定可靠，加之通用计算机软件资源丰富智能化程度 高、图形功能强、柔性好。因此，在这些众多成果的基础上，众多数控厂 家以标准化模块结构方式，分别研制或选用一系列不同功能的硬件通用模 板，并设计一系列相应的控制软件通用模块，通过这些通用模块板的选择 与组合，构成开放型c n c 系统，来满足不同类型的数控机床控制要求。 发展通用化、开放型的数控系统，符合国际数控技术发展的最新潮 流。采用p c 机总线结构的模块功能板，可以为软件开发和功能扩展提供 优良平台，同时对c n c 系统制造，将大大缩短开发周期，更易满足用户的 不同要求；对用户而言则可获得功能强大。价格便宜的c n c 系统。全世界 每年不同的制造厂家共生产约1 5 0 0 0 0 台数控系统【2 1 j ，每种系统都是他们 自己设计的，这些不同的设计各具特点，所以更换硬件的来源仅限于原有 厂家，其价格在某种程度上不受竞争的影响。而良好定型可靠的p c 机经 过多年的发展，具有软硬件的开放性，不仅有各种丰富的支持，而且价格 低廉。采用p c 机作为硬件平台有许多好处。一方面，p c 机成熟的硬件技 术可减少开发者的硬件开发、调试和维护费用，缩短开发周期；可以增加 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 机床制造厂家( 使用者) 的配置灵活性，减少系统的服务和维修成本：而 且p c 机系统极易扩充及升级换代。另一方面，p c 机可提供包括磁盘操作 系统的丰富的软件支持，使c n c 软件的开发和使用都比较方便；可以利用 p c 机大容量的外存设备( 硬盘、软盘等) 保持大量的零件程序，丰富零 件程序的输入输出手段：使用p c 机丰富的软件环境，还可以把系统的用 户界面设计得非常友好，使产品更加接近于人机工程的要求。最后，p c 机的标准外围设备( 如以太网卡、扩展r 煳内存等) 具有开放性，可为用 户提供一个良好的网络连接，从而方便3 n 2 通讯及组网，为f 临及c i i s 仓日造条件。总之，p c 机有着广阔的技术资源和光明的应用前景，具有较 好的性能价格比。 综上所述，以p c 为基础的c n c 系统目前正在迅速发展，机床数控领 域的竞争也越来越激烈，这为我国的c n c 的开发和应用带来了新的机遇和 新的挑战。p c 技术是开放的，不属于某一家公司垄断，全世界有成百上 千的硬件公司和软件公司为其提供技术支持，并有一系列完善的标准，这 为我们开发讲c 系统带来了极为有利的条件。在这个大背景下，从分发挥 p c 的价格和技术优势，推出了具有自主知识产权的c n c 数控铣床系统， 是十分必要而有意义的。 1 3 2 本课题研究的内容 基于以上对课题意义的讨论，本文研究的主要目的是研制和开发一 套基于p c 的0 4 c 数控铣床系统。该系统在保证传统的数控铣床系统的一 般功能基础上，还增添了具有一些具有自身特点的功能模块。系统的开发 不仅是一个理论上的探讨，而且是个直接适用于生产加工的系统，它要 直接转化为生产力。该数控铣床系统的主要特征体现在以下几个方面： 1 以个人计算机( p c ) 为控铝核心。如前所述，p c 的性能价格比 的提高，为戋们采用p c 作为数控系统核心提供了可能。p c 丰富 的软件支撑为我们的开发赢得了时间。p c 硬件的标准化为系统 的升级换代和维修维护提供了最便捷的方式。以p c 作为控制系 统的核心是我们走向开放式数控系统的最基本的途径。 2 。开放式的硬件平台结构。本系统以p c 作为前端接口，p c 进行大 部分的处理工作，包括系统界面、程序编辑、插补运算、译码和 预处理及中断处理等，运动控制板插入到p c 的标准插槽中对伺 服驱动器进行控制。这样能充分保证系统性能，同时软件的通用 性能强而且编程处理灵活。 3 人工干预功能。本系统可以在加工过程中灵活地进行人工干预， 以应付加工过程中的突发事件，以及毛坯尺寸不均匀等异常情 6 重庆大学硕士学位论文 1绪论 况。进行人工干预后，可以从当前刀具点继续原加工过程，也可 以返回干预开始点继续加工过程，形式灵活，迸绘速度倍率改变 可以实时响应，同时加工模式实时切换( 连续、单段和暂停) 等 常规功能同样具备。 4 丰富的插补功能。本系统不仅具有般经济型数控系统所应有的 直线插补和圆弧插补功能，而且具有空间直线插补功能，支持三 坐标联动。本系统还具有通用二次曲线插补功能，以及样条曲线 插补功能。 5 强大的模拟显示功能。得益于p c 的采用，本系统采用高级语言 t u r b oc 开发。其强大而灵活的图形功能，为本系统开发生动友 好的界面提供了可能。模拟加工模块旨在提高数控编程的可靠性 和安全性，对首件试切尤为重要。该功能优于普通的中档数控系 统的地方在于，不仅可以作为一个纯粹的模拟，而且可以在正式 加工中实时显示和跟踪刀具的轨迹。一般采用单片机控制的经济 型数控系统则根本不具有此项功能。模拟加工模块将控制步进电 机的脉冲替换为模拟刀具中心的运动，操作者可以清楚地看到工 件轮廓和刀具中心轨迹的运动，从刀具偏置的位置和状态可以判 断加工的正确与否。图形刀具的运动和坐标的更新均跟踪实际刀 具的运动和轨迹。 6 完善的刀具补偿功能。包括刀具长度补偿和刀具半径补偿功能， 采用符合i s o 标准和国标的g 代码程序编制和输入。尤其是刀具 半径补偿，包括刀具建立、刀具撤消和刀补进行以及左、右偏置 的切换等，并可在模拟显示中跟踪刀具的轨迹。 重庆大学硕士学位论文2 系统总体设计 2数控铣床系统总体方案设计 2 1 系统硬件模块设计 基于模块化设计思想，本系统以标准模块化研制模式，在i s a p c i 总线p c 机插件板中，除配备基本系统( c p u 主板、c r t 显示器显示板、存 储器接口板) 外，还有多通道光电隔离输入与输出板、三轴步进电机控制 板等。硬件结构见图2 1 ，基本系统与p c 通用计算机兼容，外存储器可 以是软、硬盘驱动器，键盘通过编程可重新定义。 图2 1系统硬件结构图 本系统驱动电机为步进电机，由步进电机控制板及相应的控制软件 模块，组成三轴联动的开环c n c 系统，本系统在开环基础上添加了位置检 测传感器，使其具有了一些闭环的特点。开关量输入输出板，其输入 8 重庆大学硕士学位论文 2 系统总体设计 接口用于接受机床操作面板的各开关按钮信号和机床的各限位开关信号： 输出接口用于把机床的各工作状态指示灯信号送到机床操作面板和把控制 机床动作的信号送到相应继电器，c p u 定时从输入接口固收状态并定时向 输出口送出各控制信号。固态电子磁盘板中主要包含了r a m 和e p r o m 芯片， 最大存储容量可达6 4 3 1 b 。数控加工程序可存放于具有带电保护的r a m 中， 而c n c 系统控制程序可存放于e p r o m 中，开机直接自动引导系统工作。 整个系统的硬件存储容量大、模块化程度高、通用性强，便于维护 与系统的升级和功能的扩展。 2 2 系统软件模块设计 借助于通用计算机丰富的软件资源，以通用p c 机作为开发平台，采 用结构化程序设计语言t u r b oc ，按模块化方式设计能满足不同功能要 求的c n c 系统通用控制软件。 随着c i m s 技术不断发展，对c n c 系统的柔性与智能化程度要求越来 越高，而柔性与智能化程度的高低在很大程度上取决于c n c 系统控制软件 完成的工作，而系统软件的内容十分繁杂，如系统初始化；数控加工程序 输入、编辑与编译：插补预处理；刀具半径补偿及刀位计算；速度处理； 升降速处理：传动间隙补偿；参数设景；加工状态( 坐标、参数或图 形轨迹) 显示；脉冲分配；中断控制；手动千预功能；自建汉字库及汉字 显示等问题。故需建立一系列相对应的功能软件模块。此外功能相同的软 件模块，当其控制方式不同时，则其模块内容也不相同。例如数控加工程 序的输入方式有键盘输入、磁盘输入、通信传入等；又如插补方法模块， 虽然某一种机床根据其加工功能，在较多插补方法中一般只需选其一种， 但作为模块化设计及为了适应不同c n c 系统的组合，则软件模块设计时应 考虑具有多项选择，以满足不同插补方法的需要，因此设计开放型c n c 系 统控制软件模块，不仅要考虑控制方式和控制轴的数量，而且应考虑其运 动方式( 如点位运动、轮廓控制等) 、工艺用途及不同的加工参数。所以 控制软件模块的设计与调试工作量远比硬件模块设计与制作的工作量大。 本系统是采用p c 机作为硬件平台的数控系统，根据p c 的硬件资源 和c p u 的性能，我们采用前后台型的系统软件控制体系结构。前台程序 主要负责插补计算、伺服控制、面板扫描等工作。后台程序负责预处理、 间隙补偿、刀具补偿、协调管理、显示更新等功能。基于p c 的数控铣床 的系统控制软件结构，如图2 2 所示。 9 重庆大学硕士学位论文2 系统总体设计 图2 2 铣床系统软件结构图 系统初始化主要任务为系统正常工作，对有关变垂及工作寄存器单 元置入所需的初始状态通过系统参数设置的改变，重新启动系统时可自 动改变初始化有关内容，以提高系统的柔性。 系统管理程序协调系统的软、硬件有序工作，是其他程序模块的主 控程序。其中可调用系统的其他各模块，如编辑及监控模块、预处理模块、 l o 重庆大学硕士学位论文 2 系统总体设计 加工控制模块和手动模块。 编辑及监控模块用于加工程序的输入和编辑，以及系统工作参数的 设置，同时显示刀具位置坐标及刀位图形轨迹，故障诊断对数控加工程序 的编制错误及对软硬件故障( 如电机过载或工作台超程等) 及时提供故障 类型并报警。 数据预处理模块为插补运算及系统控制提供必要的数据信息表，其 内容包括译码子模块，刀补予模块，速度控制子模块和间隙补偿子模块， 其中译码子模块包括了功能复杂的g 代码处理。通过预处理，可减轻插补 工作负担，提高系统实时处理能力。 对机床的运动控制和辅助控制由加工控制模块来实现。这是c n c 软 件最核心的部分，内容包括插补控制、位置控制及开关量控制等。插补运 算包括空间直线插补、圆弧插补及样条曲线插补。采用改进的最小偏差法 进行插补运算具有插补速度快和插补精度高的优点。同时加工过程中可 进行实时动态仿真，对加工状态进行跟踪及监控。 手动模块用于加工前的机床调整和加工中的人工干预，后者是本系 统的特色之，在加工过程中可响应暂停或电子手轮和机动手柄的干预， 干预后可返回干预点。 2 3 铣床系统的功能设计 本系统是一个完整的实用性的系统。在保证一般数控铣床系统的基 本功能的前提下，着重融入了p c n c 和开放性的概念。 ( 1 ) 人工干预性功能 这是本系统的重要特色，即数控自动加工过程中，可以随时通过操 纵电子手轮或机动手柄，插入手动操作功能，以应付发生的某些紧急情况， 如切削负荷过大，毛坯不均匀，或出现打刀、碰撞等，而不是象传统的处 理方法按下急停或暂停。 ( 2 ) 手动调整功能 如同普通铣床一样，可操作x 、y 、z 方向电子手轮，方便地移动刀 架沿x 、y 、z 方向移动，实现对刀调整。 ( 3 ) 机动进给功能 输入零件参数如斜度、圆弧圆心等参数，并选择主轴转速、进给量 及加工平面，对刀调整，即可通过机动手柄，实现x 、y 、z 方向的单坐标 机动进给，任意两轴联动的直线加工或圆弧加工，以及x 、y 、z 三坐标联 动的空间直线加工。 ( 4 ) g 代码程序输入、编辑、纠错功能 重庆大学硕士学位论文2 系统总体设计 本系统开发有图形界面为接口的g 代码程序输入、编辑模块，具有 方便且丰富的增加、删除、插入、改写、翻页等功能。此外，还有一个功 能强大的代码纠错模块，可检测出程序的数十个错误，包括语法错误、越 界错误等，并采用人机交互的方式给出屏幕提示，包括错误码和错误的具 体内容和位置，清晰明了。在自动加工或模拟加工前也要先通过纠错模块 的检查，提高了编程的效率和加工的可靠性和安全性。 ( 5 ) 模拟加工功能 模拟加工模块是本系统的另一个特色。在模拟加工模块中，通过加 工过程的仿真。操作者可以清楚地看到加工的全过程，包括刀具移动的真 实轨迹和零件工件轮廓。而且，坐标实时显示、频率实时改变以及连续、 单段、暂停等加工方式的选择和人工干预功能依然有效。在该方式下，还 可以通过选择模拟图形的比例，放大或缩小零件图形以便于观察。通过选 择坐标平面x y 、y z 、x z ，可以方便地在三个坐标平面切换，以便观察在 各个平面的加工状态。 ( 8 ) 自动加工功能 本数控系统功能广泛，可以选择连续、单段、暂停加工模式，可随 时修改当前倍率并立即响应，还可响应手动干预。 ( 7 ) 丰富的插补功能 本系统不仅有直线插补和圆弧插补功能，还包括空间直线插补、二 次曲线插补以及样条曲线插补功能。基本的直线和圆弧插补采用最小偏差 法进行插补运算，其插补速度快、插补精度高。 ( 8 ) 刀具补偿和间隙补偿 本铣床系统采用先进的c 机能刀具半径补偿技术，能根据零件轮廓 自动进行刀具偏置处理，并可以在模拟加工模块中显示出来。另外，本系 统还具有传动间隙补偿功能，在换向及过象限加工时能自动进行间隙补 偿。 ( 9 ) 数据通讯功能 本系统可通过r s 一2 3 2 c 串行口进行数据通讯，实现c a d c a m c n c 的 集成。 12 重庆大学硕士学位论文 3 数控加工理论分析 3 数控加工理论分析 3 1 插补原理的研究 3 1 1 插补方法概述 在c n c 系统中，插补运算是生成加工轨迹的一个最基本的子程序， 其算法优劣可用插补精度和执行时间来评价，前者直接影响工件的轮廓精 度和表面光洁度，后者会限制机床的最大进给速度。 插补是数控装置依据编程时的有限数据，按照一定的方法产生直线、 圆弧等基本线形，并以此为基础完成所需要的轮廓轨迹的拟合工作。能 完成插补工作的装置叫插补器。早期n c 系统中插补器由数字电路组成， 称为硬件插补，而在现代c n c 系统中，插补器功能主要由软件来实现， 称为软件插补。硬件插补运算速度快，但柔性小，插补功能弱，硬件结构 复杂，目前只在特殊应用场合或作为软件、硬件结合插补时的第二级插补 使用。软件插补结构简单，具有很大的柔性，控制灵活，插补功能强，但 插补运算速度不如硬件插补速度。在本系统中，由于采用了较高性能的 p c 机，所以采用软件插补方法，简化了硬件结构，控制更加灵活。 根据插补所采用的原理和计算方法的不同。插补可以分为脉冲增量 插补和数据采样插补。脉冲增量插补主要有数字脉冲相乘法、逐点比较 法、矢量判别法、数字积分法、单步追踪法、目标点跟踪法和最小偏差法 插补、加密判别和双判别插补法等。数据采样插补适用于闭环、半闭环以 直流和交流伺服电机为驱动装置的位置采样控制系统。插补运算分两步完 成，第一步为粗插补，第二步为精插补。粗插补在每个插补周期内计算出 坐标实际位置增量值，而精插补则在每个采样周期内采样闭环或半闭环反 馈位置增量值及插补输出的指令位置增量值，然后算出各坐标轴相应的插 补指令位置和实际反馈位置，并将二者比较，求得跟随误差，根据所求得 的跟随误差算出相应轴的进给速度，并输给驱动装置。数据采样插补采用 时间分割的思想，根据编程的进给速度，将轮廓曲线分割为采样周期的进 给段，即用弦线或割线逼近轮廓轨迹。常用的数据采样插补方法有直接函 数法、扩展数字积分法、二阶递归扩展数字积分法、双数字积分插补法、 角度逼近圆弧插补法等。目前，开环的c n c 系统常用的插补方法有逐点 比较法、数字积分法、最小偏差法。逐点比较法插补方法简单、速度控制 调节容易：数字积分法逻辑能力强。可以实现一次、二次甚至高次曲线的 插补，适合于多坐标联动控制；最小偏差法插补精度高，小于或等于二分 重庆大学硕士学位论文 3 数控加工理论分析 之一个脉冲当量，对多坐标也适用，在加工过程中，总有一个方向的步进 电机的速度是恒定的，转速只与工作频率有关，这对驱动系统很有好处。 综上所述，在各种插补方法中，最小偏差法具有较高的插补精度和 诸多优点，是一种很有发展前景的插补方法。但是，传统的最小偏差法是 基于直接函数法和逐点比较法的基础上改进的，虽然其插补精度提高到 o5 脉冲当量，但这是以牺牲执行时间为代价的。应用该方法，无论是直 线还是圆弧插补，每步插补方向的选择需要先试算两个或三个插补方向上 的偏差再比较其绝对值大小，使算法复杂，执行速度降低，实际应用受到 5 艮制，尤其对插补精度和运动速度均较高的场合。为此，本文提出了一种 改进的最小偏差法，突破了传统的先递推偏差再比较绝对值大小的算法结 构，将偏差计算与偏差比较合并考虑，直接递推偏差比较结果，使算法大 为简化，插补运算速度提高一倍左右，同时还保留了其高精度的特点。 3 1 2 改进的最小偏差法原理 1 直线插补算法 考虑典型的第0 卦限直线起点坐标( 0 ，0 ) ，终点坐标( x e ，y e ) ， 当x e y e 时，进给方向为x 方向和对角线方向。如图3 1 所示。 y ( x e ，y e ) 心尸j 必 祭 a a i ，、上 7 一 p ia i ( 0 ，o ) 图3 1 直线插补示意图 x 设第i 步插补点为p i 0 0 , y i ) , n 第件1 步有两个口- l o g 的插补点： a i 0 ( i + l ，y i ) , a i ( x i + l ，y 件1 ) 它们与理想直线间的偏差为 1 4 重庆大学硕士学位论文 3 数控加工理论分析 ( 一f ) = y e 1 十1 ) 一y f ( 鳓= ( r + 1 ) 一瓦y e 【z z + 1 ) 根据新插补点距理想直线的偏差应最小的原则，取判别函数为 n = 皿m f ) 一蛔) 】 2 = ( x w e y i x e ) + 2 y e x e 、7 若f i 0 ，则下一插补点应为b i ，且 x = x i + 1 乏三7 2 l 【( + x l i + 1 ) 一x e ( y i + 1 ) 】+ 2 y e x e ( 3 | 2 ) f + l =+ 1 ) 一+ 1 ) 】+ 一 、 7 = f + 2 f y e x e ) 若f i 0 ，则应选加为下一个插补点，且 x = x + 1 麓三；( m + d y e x e m 2 y e x e ， f + i = 2 【( 。聊+ 一 y f 】+ 一 、7 = f + 2 y e 对起点，x i = y i = = o ，由式( 3 1 ) 有 疋= 2 y e j 国( 3 4 1 显然，由初值( 3 1 4 ) 起应用递推公式( 3 2 ) 或( 3 3 ) 迭代至x i = x e ， 即完成该直线的插补运算。与原最小偏差法相比避免了两个插补方向的偏 差试算及绝对值大小比较。而是将它们归于一式，直接递推偏差比较结 果，每步插补仅需一次递推计算，算法大为简化。 对任意直线的插补，可先通过坐标平移将起点移至坐标原点，再根 据直线终点的不同卦限，应用坐标变换方法，将其统一为典型的0 卦限内 直线来插补。坐标变换及插补进给方向参见图3 。2 和表3 1 。象限的确定 可以用一个状态字s 来表示。通过预置状态字的值形成状态表，插补过程 中将当前坐标与状态表的状态字比较，就可得出当前插补象限。 状态字s 的格式如下： d 71 0 6d 5d 4d 3d 2d 1d 0 1 5 重庆大学硕士学位论文 3 数控加工理论分析 s x 一一0 ：x 0 ，1 ：x 0 ，s y - 0 ：y 0 ，1 ：y i r l ，1 ：i x i m 。地迪蟛； ，弋v 9 蕊7 图3 2 直线插补坐标变换图 表3 i 直线插补坐标变换表 控制字低三位终点卦限 uv 终点坐标变换 0o00x y d 廷y loo1y x “茚妫 l012y - x ( y e - x e ) 001 3- xy ( - x e , y e ) o1 14- x- y ( - x e ，- y e ) ll l5 - y- x ( - y e , - x e ) 110 6- yx ( - y e , x e ) ol0 7x- p y ( x e , - y e ) 1 8 重庆大学硕士学位论文3 数控加工理论分析 图3 3 直线插补流程图 下面对圆弧插补精度进行分析，如图3 1 所示，筒点是向x 方向进给 一步的新加工点，b i 是向对角线方向进给一步的新加工点，点对于直 线的偏差为m a i ，点b i 对于直线的偏差为n b i ，显然 重庆大学硕士学位论文3 数控加工理论分析 m a i a i n b i a b i 故m a i + n b i a i + a b i = 1 个脉冲当量 因此，m a i 和n b i 中较小者必定小于0 5 个脉冲当量。而进给规则规 定下一步的进给方向是偏差最小的那个加工点，所以该最小偏差法的直线 插补每个加工点对于直线的偏差小于o 5 个脉冲当量。 2 圆弧插补原理 考虑典型的第0 象限逆圆弧( 图3 4 ) ，圆心在原点，半径为r ，起 点( x o ，y o ) ，终点( x e , y e ) 。设第i 步插补点为p i ( x i , y i ) , n 第i + l 步可 能的插补点有a i ( x i , y i + 1 ) , b i ( x i - 1 , y i + 1 ) 。它们与理想圆弧间的径向偏差分 别为： a ( a i ) = a ( b i ) = 睦竺! 二苎：i l 一1 ) 2 + ( y + 1 ) 2 一r2 l 为使刀具向较小偏差方向进给，当 a ( a ，) ( 日) 时，应取4 为下一插补点，否则取届为下一插补点。 取偏差函数为： e = ( x 。- i ) 2 + ( 誓+ 1 ) 2 一r 2 1 8 ( 3 5 ) ( 3 6 ) 重庆大学硕士学位论文 3 数控加工理论分析 代入式( 3 5 ) ，得 f e + 2 x ，- 1 i 吲 解得： 曩 妄( 1 2 x 。) 故有 ( 1 ) 当e 去( 1 2 x 。) 时，应取一，为下一插补点，且 x i + 1 = x ，z + l = 】：+ 1 只= ( x 一1 ) 2 + ( i + l + 1 ) 2 一r 2 = 只+ 2 瓦l + 1 ( 2 ) 当只昙( 1 2 肖) 时，应取岛为下一插补点，且 二 x h = x ，一i ，y j + i = e + 1 只+ l = ( 置“- 1 ) 2 + ( r + l + 1 ) 2 一r 2 = f 一2 x , + l + 2 f “+ 2