（机械制造及其自动化专业论文）开放式三轴联动数控铣系统研制.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 基于运动控制器的开放式数控系统具有灵活的软硬件结构 它是一种新 型的模块化 可重构 可扩充的控制系统 能够快速而经济地响应新的加工 需求 已成为当前数控技术发展的必然趋势 代表了数控技术的发展方向 结合运动控制器及p c 机 对开放式数控铣床系统的相关内容进行了研 究 主要包括如下几部分 1 探讨了开放式数控铣系统的体系结构 包括开放式数控铣床系统 的硬件结构和软件结构 2 对数控铣床的运动控制进行了研究 包括铣床的三轴联动控制和 主轴的运动控制 铣床的三轴联动控制通过调用运动控制器提供 的插补运动功能实现的 主轴的运动控制包括主轴的起停与分段 调速控制 它们都是利用通用i o 接口实现的 3 研究了数控代码的编译和处理方法 主要针对刀具半径补偿问题 进行了处理 最终将数控程序转化成为直接用来控制铣床运动的 各种数据 4 对数控铣削加工仿真的相关内容进行了研究 包括刀具运动轨迹 仿真和工件材料去除仿真 在工件材料去除仿真中 详细设计了 工件的材料去除算法 在上述研究的基础上 开发了组成数控铣床控制系统的各个模块 并将 各模块进行集成 最终形成了功能较为完善的开放式数控铣床控制系统 关键词 开放式数控 运动控制器 刀具半径补偿 加工仿真 离散矢量模 型 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 开放式数控技术概述 删 数控技术是当代集微电子技术 计算机技术 自动控制技术于一体的先 进制造技术 数控系统 包括数控装置和伺服单元 作为数控技术的核心部件 其性能的改进及技术的发展给予机械加工设备以 质 的变化 奠定了现代 柔性制造技术 计算机集成制造技术及未来的智能制造技术的基础 自1 9 5 2 年美国人帕森斯研制成功了数控系统后 5 0 年来机床数控系统比任何一种用 于机床的控制技术发展都快 特别是过去的1 0 年 为了满足市场和科学技术发 展的需求 现代制造技术对数控设备提出了更高的要求 从性能上而言 除 了高速 高精度 高可靠性和柔性化 集成化 智能化与网络化已成为新一 代数控发展的必然趋势 从市场适应性而言 加工的多样化和专业化对加工 个 性化 的要求日益增强 只有开发研制能较方便地增加专用功能的 带有个 性化的数控系统才能切实地满足多样化 专业化市场的需求 综上所述 传统 的数控系统由于其结构体系上的封闭性已面临极大的挑战 要实现数控设备 迸线 联网 高柔性化 智能化和个性化 研究数控系统结构体系的开放性 智能化已势在必行 开放式数控系统是各发达国家在2 0 世纪9 0 年代开始争先发展的新型控 制系统 是计算机软硬件技术 信息技术 控制技术融入数控技术的产物 根据 e e 的定义 开放式数控系统应能使各种应用系统有效地运行于不同供 应商提供的平台上 具有与其他应用系统相互操作及用户交换的特点 可概 括为 1 开放性 建立开放结构控制器平台 使控制系统具有硬件无关性 用 户可根据需求选用通用p c 机 利用p c 机上w 甜d o w s 环境形成良好的人机 界面 2 移植性 用户可随意增加或减少控制功能 配置不同的伺服轴数和 p l c 点数 并能配置不同开发商生产的标准软件或自己开发的软件 3 扩展性 通过开放结构控制系统平台 可任意添加应用模块 4 网络化 开放式数控系统与机床各驱动部分之间有多种国际标准数 字通信接口 同轴电缆或光缆 和通信协议 用于高速通信和网络互连 作为工业应用越来越广泛的工业p c 机 除了具有一般通用计算机的特点 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 外 还由于具有开放式的模块化结构 较强的数据处理能力 很好的实时性 能 较强的工业环境适应性 高可靠性 丰富的过程i o 良好的软件开发环 境 以及高性能的网络和通信支持等优良性能 使其在世界各国工业界得到广 泛的应用 基于工业p c 机的c n c 系统是一种新型的开放式数控系统 可以 满足开发者和用户适应环境改变或新技术出现而要求修改 扩展系统功能的 要求 可以更好地适应现代制造系统发展的要求 就工业p c 机与数控系统结构形式而言 当今世界上的开放式c n c 系统大 致可分为三种类型 1 p c 嵌人n c 结构的开放式数控系统 把一块p c 主板插入传统的 c n c 机器中 p c 板主要运行于非实时控制 c n c 主要运行以坐标轴运动为 主的实时控制 2 n c 嵌人p c 结构的开放式数控系统 把运动智能控制板插入p c 机的i s a 伊c i 标准插槽中作实时控制用 而p c 机主要作非实时控制 3 纯p c 型开放式数控系统 其开放式功能完全由软件实现 这种系统 目前正处于探求阶段 还没有大规模投入到实际的应用中 n c 嵌人p c 结构的开放式数控系统 是以软件技术的研究和开发作 为主体 辅之以智能运动控制卡的控制系统 主要硬件设备采用市场流行的 工业p c 机和多轴运动控制器 这种系统的特点是灵活性好 性能稳定 可共 享计算机的所有资源 是当前最为理想的开放式数控系统 二 从8 0 年代末美国提出开放式数控系统的概念算起 开放式数控系统已经 经历了二十多年的发展历程 有许多相关的研究计划在世界各国相继启动 其中影响较大的有美国的o m a c 欧洲的o s a c a 和日本的o s e c 等计划 在这期间 开放式数控系统大致产生了三种类型的结构 在专有系统中简单地 嵌入p c 技术 运动控制器以p c 插件的形式插入到p c 机扩展槽 完全采用 以通用p c 为硬件平台的全软件型数控系统 从开放式数控系统目前的研究成 果来看 全软件型数控虽然提供了一种高度开放的体系结构 但由于操作系统 实时性 标准统一性及系统稳定性等一系列问题 其系统实现技术还处于研 究和实验阶段 相对全软件型数控系统而言 p c 数控功能板型是目前比较现 实而有效的实现开放式数控系统的途径 由p c 机处理非实时部分 实时控制 由插入p c 机扩展槽中的运动控制板来承担 这种方法能够借助所插入控制板 的可编程能力 x 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 我国的开放式数控系统的研究比较侧重于对用户的专用控制功能的实 现 例如华中科技大学的研究者们就提出 开放式数控系统除了使硬件模块 具有统一的接口及互换性外 更重要的是使数控系统软件各模块之间具有一 致的接口及互换性 方便用户 使其易于融入新技术 降低使用成本 我国的开 放体系结构数控系统的研究尚处于起步阶段 目前 基于p c 平台 使用运动控制器的开放式数控系统正在得到广泛的 应用 由于p c 的通用性 开放性 各种接口 协议的透明与稳定 许多厂家 开始生产专门的基于p c 的运动控制器 这些运动控制器遵循标准的p c 总线 如i s a p c i 等 厂家提供各种库函数 动态链接库等作为应用程序与运动控 制器的接口 在通用p c 平台的基础上 用户只需要选择适合自己需要的运动 控制器 使用通用的编程语言和运动控制器厂家提供的a p i 就可以搭建十 分个性化的数控系统 这种模式是典型的 搭积木 模式 以模块化的方式 向用户提供运动控制器 不仅适应了开放式系统的发展趋势 同时在很大程 度上减少了用户的开发风险 缩短了开发周期 提高了系统的柔性 并且为 设备改造节约了大量的人力物力 使用户从底层的开发中解放出来 可以将 精力集中在对设备更好的控制上 目前 各种形式的运动控制器不仅在机床 行业得到了广泛的应用 而且在食品加工 航天 医疗器械 材料输送 纺 织等行业都得到了广泛的应用 综合国内外开放式数控系统的研究现状 开放式数控系统尚存在一些问 题需要解决 主要表现为如下几点 1 到目前为止 利用w i n d o w s 操作系统对机床进行的实时控制还不 完善 人们渴望有一个标准化的 友好的软件控制系统 2 各系统体系结构不一致 相互之间缺乏兼容性 特别是软件体系结 构 使得用户开发工作量大 影响了开放式数控的发展 3 作为完全开放的数控系统 其安全性和可靠性受到很大的威胁 因 此除了采用容错元件来保证系统可靠性和利用看门狗电路来保证其安全性以 外 还需要更加行之有效的措施来避免各种因素对系统软硬件造成的损坏 4 软件控制系统的可视化效果不好 特别是数控加工过程的三维可视 化 包括工件的材料去除等 还很不完善 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 1 2 课题研究内容 针对开放式数控软件系统存在的加工仿真可视化 人机交互界面的友好 性 系统可靠性等问题 利用工控机 运动控制器 研制开放式数控铣床软 件控制系统 系统能对整个加工过程进行控制 并结合实物进行仿真模拟 具体研究内容包括如下几点 1 开放式数控系统模式 存在的主要问题综述 2 结合硬件 开发可视的 交互的数控编程系统 3 对数控程序进行编译处理 生成可直接用来控制铣床加工的数据 4 对数控编程结果进行运动模拟 各种校验 5 按照运动控制器功能对铣床进行协调控制 包括各轴的进给及主轴 控制 6 对切削过程的材料去除进行模拟 最终获得功能较为完备的开放式数控铣床软件控制系统 1 3 研究意义 从硬线数控 n c 到计算机 c n c 可以说是数控技术的一大进步 随 着生产的发展 中小批量的产品越来越多 机床的柔性和多能化成为一种趋势 机床制造商希望能够把自己的技术加入到控制系统中 并且逐步摆脱对控制系 统厂家的依赖 因此对数控系统开放化的要求越来越高 针对于此 实现数控系 统的开放化 针对不同的应用要求和应用环境 在较大范围内让用户自由地选 择与配置不同的硬件和软件 并根据实际需要在开放式系统的基础上开发适合 需求的专用系统 扩充系统功能 是数控技术的一个必然 开放式系统的目的在于追求一种统一的标准 在此标准之上允许各个厂 家开发自己的功能模块 并且将各种软硬件和功能模块相互之间的依赖性降 到最低 用户可以通过模块的组合来搭建个性化的数控系统 满足自己的需 求 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章开放式数控铣床系统的框架设计 2 1 数控铣系统的硬件结构 2 1 1 硬件系统框架 数控铣系统的硬件包括p c 机 运动控制器 驱动器 电动机 立式铣床 p c 机提供了 个软件的开发平台 采用w i n d o w s 操作系统 用户可以根据运 动控制器提供的接口函数开发自己的软件控制系统 运动控制器可以对机床 的连续轨迹运动进行多轴联动控制 内部提供了典型的插补算法 如直线插 补 圆弧插补等 驱动器驱动电机按照预定的方向转动 电动机直接驱动机 床的机械部分 使工作台和刀具产生相对运动 立式铣床提供了一个工件的 加工平台 在机床开放式数控系统的开发中 采用 n c 嵌人p c 结构模式 即硬件 结构利用工业p c 机作为主体 运动控制器插在其p c i 标准插槽上 外接端子 板 输入输出接口卡 步进电机驱动模块 主轴变频调速模块等构成硬件总 体结构 p c 机作为非实时处理 实时控制由控制卡来承担 扶而方便地实现 人机界面的开放化和个性化 这种系统的特点是灵活性好 功能稳定 可共 享计算机的所有资源 系统硬件结构如图2 1 所示 斡圜喜幸鏖 机床 图2 1 开放式数控铣床系统的硬件结构 图2 1 开放式数控铣床系统的硬件结构 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 本软件控制系统主要包括如下几大模块 1 数控加工程序编辑与处理模块 可以实现数控加工程序的手动编辑与修改 从外部导入数控程序 检验 数控程序的语法错误 对数控加工程序进行处理 包括坐标指令 刀具半径 补偿指令 辅助功能指令 运动指令等的处理 最终生成可用来直接控制机 床运动的数据 2 数控铣床运动控制模块 利用运动控制器提供的控制功能实现对数控铣床的三轴联动控制 包括 直线和圆弧插补运动等 设置系统参数 如各轴进给的速度 加速度等 还 可以对系统进行复位 回机械原点 3 数控铣床加工过程仿真模块 根据数控代码仿真实际的加工过程 以验证数控代码的正确性 包括虚 拟场景的交互 如缩放 平移 旋转操作等 虚拟场景中机床 刀具 工件 的建模 对加工仿真过程进行控制 如加工仿真参数的设置 开始 暂停仿 真加工等 同时对切削过程的工件材料去除进行模拟 4 机床控制面板设计模块 提供方便可视的人机交互界面 通过控制面板 可以改变控制模式 控 制自动加工过程及主轴的起停 实现机床运动的手动调试 控制面板还可以 显示系统的状态 如系统当前的工件坐标和机床坐标 进给速度 正在加工 的程序段等 利用控制面板的显示乔面 可以编辑数控程序 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 机以及电液伺服阀一液压马达 与开环进给系统最主要的区别是 安装在执行 部件或其他传动元件上的位鼍检测装鼹 将执行部件的实际位移量转抉成电 脉冲或模拟电压量后 反馈到输入端并与输入位置指令信号进行比较 将两 者的差值放大和变换 控制伺服驱动装置驱动执行部件以给定的速度向着消 除偏差的方向运动 直到指令位置与反馈的实际位置的差值等于零为止 在 系统中 位置指令与位置检测反馈信号比较得到位置误差经变换放大作为速 度指令的环节称为位置环 即位置控制回路 还有速度控制回路与电流控制 回路 即速度环与电流环 执行部件或伺服电机的遮度一般用脉冲 位移脉 冲 频率一电压变换器件变换成速度反馈信号 与速度指令信号进行比较 电 流环的反馈电流由电流检测元件实测伺服电机的电流来获得 从控制原理的 角度看进给伺服系统是一个三环控制系统 由于采用了位置检测反馈装置 所以闭环进给系统的进给精度主要取决 于检测装置的分辨率和精度 闭环进给系统的定位精度一般可达 o 0 0 5 o 0 1 m m 最先进的水平可达士u 1 脚 采用直流或交流伺服电机的闭环进给系 统 电机的最高转速一般为1 5 0 0 3 0 0 0 r m i n 如果将电机与导程为l o m m 的 丝杠直接相连 则执行部件的移动速度一般可以达到l 3 0 m m m i n 采用直流 或交流伺服电机的闭环和半闭环迸给系统 具有较高精度 速度和动态特性 在数控机床中得到了广泛的应用 闭环和半闭环进给系统因为采用了位置检测装置 所以在结构上较开环 进给系统复杂 成本也较高 另外 闭环和半闭环系统的设计和调试都较开 环系统困难 闭环系统可以消除机械传动机构的全部误差 丽半闭环系统只 能补偿系统环路内部元件的误差 因此半闭环进给系统的精度比闭环系统的 精度要低一些 但是它的结构与调试都较简单 尤其是将角位移检测与速度 检测元件和伺服电机作为一个整体 机床制造厂家无需考虑位置检测装置的 安装问题 这种形式的半闭环进给系统在现代数控机床上得到了广泛的应 用 西南交通大学硕 研究生学位论文第1 8 页 3 设置控制信号的输出类型 控制器既可以输出模拟量 也可以输出脉冲量 不可同时输出 控制 器默认输出为模拟量 用户可以调用函数 8 h o r t g tc t r l m o d e i n t m o d e 设 置输出模式 参数m o d e o 表示为模拟量输出模式 1 表示为脉冲输出模 式 当输出设置为脉冲量时 默认情况下 控制器输出 脉冲 方向 信号 用户可以调用函数 汀s t 印p u l s e 设置控制器输出 正负脉冲 信号 调用 函数g ts t e p d i r 设景控制器输出 脉冲 方向 信号 4 设置轴的控制方式 是开环控制还是 半 闭环控制 调用g tc l o s e l p 命令 当前轴工作在闭环方式 运动控制器将当前规 划的运动位置 速度 加速度送入数字伺服滤波器 与反馈的实际位置进行 比较获得控制输出信号 这种方式能够实现准确的位置控制 s v 运控器的 默认控制方式为闭环控制方式 调用g to p e l l l p 命令 当前轴工作在开 环方式 允许主机通过g ts e t m t r c m d 命令直接设置运动控制器的控制轴 输出信号 这种方式主要用于只需转矩控制的运动或标定驱动器 运动控制 器无法实现准确的位置控制 5 设置数字饲服滤波参数 数字伺服滤波器用于计算控制输出信号 s v 运动控制器采用p d 滤波 器 外加速度和加速度前馈 即p d 十k v f f k a f f 波器 通过调节各参数 该 滤波器能对大多数系统实现精确而稳定的控制 伺服滤波器的参数可由主机 设置 p d 十k v f h k a f f 滤波器原理如图3 7 所示 图3 7 数字饲服滤波器原理图 数字滤波器的输出计算公式如下 占 霉 一 匕 控翩糯i i i 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 u e 足p e f 2 5 6 k g k 咿 口c c g 彤耐 口 其中 u 数字伺服滤波器输出值 e 一第n 个采样时刻的位置误差 e a 州一第n 个采样时刻的目标位霞 只m 一第n 个采样时刻的实际 p 位置 一一第n 个采样时刻的累积误差值 m e 一当前目标速度 单位 为计数值 采样周期 q a m 一当前目标加速度 单位为计数值 采样周期2 b 一电机静差补偿 如果系统正在运行而积分项的值未知 把嵇设定为一非0 值将引起突 然的 跳跃 为避免这种情况 需先把l m i 积分限 设定为0 飚设定为期 望值 再设置l 讧到期望的积分限 这样就清除了所有以前的积分值 从 而使积分从前一个点开始平稳运算 数字伺服滤波器的输出静差补偿主要用 于补偿控制轴单方向外力的影响 如 机床垂直轴的重力 滤波器的输出静 差补偿值可以通过主机命令设定 补偿值的范围为 3 2 7 6 8 到 3 2 7 6 7 滤 波器的输出静差补偿默认值为o 数字伺服滤波器输出的最大取值范围为 2 1 5 其对应的模拟量输出为 1 0 v 而实际输出的取值范围受控制饱和 值的限制 控制饱和值的大小 0 3 2 7 6 7 决定了滤波器的有效输出范围 主机可以由g ts e 廿v i t r l m t 命令修改控制饱和值的大小 控制滤波器的有效 输出范围 该值的默认值为3 2 7 6 7 3 3 数控铣床三轴联动控制 运动控制器可以实现两种轨迹的多轴协调运动 直线插补 圆弧插补 描述复杂的多轴协调运动轨迹的最简单的方法是利用坐标系 在坐标系内能 够方便地描述运动对象的运动轨迹 因此 多轴协调运动又称为坐标系运动 多轴协调运动模式又称为坐标系运动控制模式 运动控制器通过坐标映射将控制轴由单轴运动控制模式转换为坐标系 运动控制模式 在坐标系运动控制模式下 可以实现单段轨迹运动 多段轨 迹连续运动 运动控制器开辟了底层运动数据缓冲区 可以实现多段轨迹快 速 稳定的连续运动 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 3 3 1 坐标映射 运动控制器利用一个四维坐标系 x y z a 描述直线 圆弧插补 轨迹 通过调用g tm a p a 撕s 命令将在坐标系内描述的运动通过映射关系映 射到相应的轴上 从而建立各轴的运动和要求的运动轨迹之间的运动学传递 关系 运动控制器根据坐标映射关系 控制各轴运动 实现要求的运动轨迹 调用g tm a p a 撕s 命令时 所映射的各轴必须处于静止状态 坐标映射命令 函数原型是 8 h o r t g tm 印a 盖i s s h o r t a x i s u m d o u b l e m a pc o l n t 其中 a i s n u m 为轴号 1 2 3 或4 调用坐标映射命令以后 该轴工作于坐 标运动模式 该轴的实际位置记为a x i s n 单位是脉冲 数组m 印c o u n t 包 括五个元素 顺次记为c x c y c z c a c 坐标轴x y z a 所对应 的相应坐标记为x y z a 上述函数描述的映射关系能够简单地描述成如 下公式 4 工括一 c z c y c z e d c 简单的坐标映射代码如下所示 v o i dm 印a 血s s h o r tr t l l d o u b l ec m l 5 1 0 o 0 o p 根据系统设置坐标映射数组 d o u b l ec n t 2 5 1 o o o 产根据系统设置坐标映射数组 d o u b l ec n t 3 5 o o 1 o 0 产根据系统设置坐标映射数组 d o u b l ec n l 4 5 0 o o 1 o p 根据系统设置坐标映射数组 n n g t m a p a x i s 1 c n l l e h d r n n 产映射第1 轴到x 轴 r n l g r m a p a x i s 2 c n t 2 e r r o r n n 产映射第2 轴到y 轴 m l 娟t m a p a x i s 3 c n t 3 c r r o m 1 产映射第3 轴到z 轴 r 仃1 g t m 印a x i s 4 c n t 4 e n d r m 1 p 映射第4 轴到a 轴 如果控制轴与运动方向由于某种原因不垂直 为了利用直角坐标系x o y 描述运动轨迹 可以通过简单的变换得到控制轴与直接坐标系的关系 如 l 号轴 x y t a nd 2 号轴 y c o sq 坐标映射函数如下 v o i dm a p a i s fs h o r tr t n d o u b l ec n t l 5 l o o o 0 d o u b i ec n t 2 5 o 0 0 o 0 j 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 l 页 c n t l 1 t a n 3 c n t 2 l 1 c 0 8 3 产这里倾斜角度为3 0 n n g tm a p a x i s 1 c m l e 肿 n n m l 研 印a x i s 2 c m 2 e o n n 以次类推 坐标平移 坐标旋转 坐标比例变换 利用坐标比例变换能 够方便地实现长度单位转换 等计算功能都能够通过坐标映射实现 3 3 2 多段坐标系轨迹连续运动实现 运动控制器在 坐标系轨迹运动未完成 状态下 不接受新的坐标系轨 迹运动命令 只有在前一轨迹运动结束后 才可以发送新的坐标系轨迹运动 命令 为了方便地实现多段坐标系轨迹连续运动 运动控制器提供一个大小 为被字的缓冲区 可以先将部分坐标系运动命令存放在这个控制器内部的循 环队列命令缓冲区 然后发出执行命令 在运动控制器执行缓冲区内存放的 运动命令的同时 主机能够继续向这个缓冲区内下载运动命令 这样就降低 了对主机通讯实时性的要求 又提高了通讯效率 而运动控制器通过对缓冲 区内的连续段运动轨迹信息的预处理 能够获得良好的运动特性 缓冲区操作的主要函数如下 g ts t r t i i s t 卜打开并清空缓冲区 g tm v y 一定位缓冲区坐标起点 二维 g tm v x y z 卜一定位缓冲区坐标起点 三维 g tm v x y z a 卜一定位缓冲区坐标起点 四维 g ta d d s t o 一再次打开缓冲区 g te n d l i s t 一关闭缓冲区 可以放入缓冲区的命令如下 g ts e t s y n v e l 设置多轴协调运动轨迹切线速度 g l s e t s y n a c c 设置多轴协调运动轨迹切线加速度 g th 1 y f 卜一两维真线插补 g tl r l y z 一三维直线插补 g tl 1 1 y z a 一四维直线插补 g l a r c x y 一x y 平面圆弧插补 以圆心位置和角度为输入参数 g t 舢c x y p 一x y 平面圆弧插补 以终点位黉和半径为输入参数 g y z 一y z 平面圆弧插补 以圆心位置和角度为输入参数 g t 舡c y z p 一y z 平面圆弧插补 以终点位置和半径为输入参数 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 g ta r c z x 卜一z x 平面圆弧插补 以圆心位置和角度为输入参数 g ta r c z x p z x 平面圆弧插补 以终点位置和半径为输入参数 可以不断向缓冲区中发送坐标系运动命令 直到缓冲区满 运动控制器 内的缓冲区为4 0 9 6 1 6 b i t 环形队列缓冲区 缓冲区满时 运动控制器拒绝 接收用户输入的多轴协调运动描述命令 并返回缓冲区满的信息 在启动缓 冲区中的命令后 随着命令的执行 缓冲区会有新的空间 可以继续发送更 多的命令 启动 停止缓冲区中的坐标系运动命令的函数有g ts t m 以t n g ts t p m 呱 和g te s t p m m 用户调用g ts t n t n 命令 缓冲区中的命令 将顺序执行 在启动缓冲区中命令之前 必须确定运动控制器的缓冲区内有 运动描述命令可以被执行 也就是说在此之前主机已调用过g ts t r c s t 和 g tm v x y g tm v x y z 玎m v x y z a 命令 调用g ts 砒m t n 命令后 不发关闭缓冲区命令g t e n d l i s t 运动控制器会一边将主机新发的坐标系运 动命令加入缓冲区 一边执行缓冲区中的命令 g ts t p m 协 表示平滑停止坐 标系运动 g te s t p m 缸1 表示紧急停止坐标系运动 利用缓冲区实现连续轨迹运动的部分代码如下 g t s 缸t l i s t 0 m l 弼t m v x y z a o o o o o 0 1 o o o o o o 0 0 1 e r r o r 咖 产设置缓冲区起点定位坐标 o m m o m m 岫l o m m 合成速度3 州m i n 合成加速度o 9 州m i l l 24 r i l l g tl r l x y 1 0 lo e r r o r 哟 运动到坐标 1 0 m m 1 0 m m r t n g t j 恤x y o o 1 2 3 x 啪r n n 以坐标 o o 为圆心 以坐标 1 0 1 0 为起点 正向1 2 3 度圆弧 r t n g t l n x y z a o o 1 0 1 2 e r r d r n n 运动到坐标 o 0 1 0 1 2 咖 玎e n d l i 昌t e r r o r n n f 疾闲缓冲区 r t n g ts t r t m m e r r o r r 协 启动缓冲区的命令 3 3 3 多轴协调运动轨迹速度规划策略 基于坐标系的多轴协调运动沿轨迹方向的合成速度采用梯形曲线加减速 策略 函数g t s e t s r i l v e l g t s e t s y n a c c 分别设置相应的最大速度和加 速度 对于缓冲区中命令 除g t m v x y g t m v x y z g t m v x y z a 函数外 运动控制器在第一段直线插补 或圆弧插补 命令时合成速度由零 加速到最大速度 并在最后一段目标位置处减速到零 而在轨迹中间的各直 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 线插补段和圆弧插补段转接处 尽可能减少沿轨迹切线方向合成速度的变化 以获得稳定的运动特性 但是此时需要考虑各控制轴的加速度特性 防止加 速度过大造成轨迹失真 因此对各控制轴 运动控制器提供函数 g ts e t a c c l r n t 该命令属于面向控制轴的命令 能够根据各控制轴的实际 机电特性 设置各轴的加速度极限值 并采用下面的策略确定转接点合成速 度 策略1 在插补轨迹段转接点 首先考虑两段轨迹速度的自然过渡 合成 速度按照设定的速度和加速度加减速 同时确认各相关运动轴的加速度没有 超过各轴设定的加速度极限 如果超过加速度极限 则采用镣略2 此时 为 满足用户设定的运动速度要求 采用减速段发生在前一段轨迹 加速段发生 在后一段轨迹的策略 这将保证在任一段运动轨迹上 运动的合成速度都不 会超过用户设定的最大速度 策略2 在插补轨迹段转接点 如果采用策略l 时 某一个运动轴的加速 度超过了设定的加速度极限 则计算出适当的轨迹转接处的目标合成速度 在满足轨迹转接点处各轴加速度极限的前提下 合成速度下降尽可能少 尽 量避免在轨迹段转接处产生较大的速度波动 此时同样采用减速段发生在前 一段轨迹 加速段发生在后一段轨迹的策略 在设置速度和加速度信息来进 行轨迹规划时 应确保加速或者减速在一段轨迹之内完成 即能在一段轨迹 之内达到目标速度 并能在一段轨迹之内减速到零 3 3 4 连续轨迹运动中断点的信息 i 主机调用g t s t p m t n g t e s t p m t n 命令后 能够通过调用 g t g e t b r k p n t g t g e t m t n n m 命令获得中断点的相应信息 g t g e t b r k p n t 获得中断点的坐标 g t g e t m t n n m 返回中断处正在执行的程序段编号 程序 启动缓冲区中命令后 程序段编号随输入缓冲区段数递增 g l m v x y 或 g t v x y z g t v x y z a 不记段号 郎该指令运动时段号为o 以后段号 当缓冲区内的程序段已经执行完毕 而用户又没有执行 e n d l i s t 函数关 闭缓冲区 那么控制器将认为坐标系运动还没有结 羲蓊弱鼍麓露尊鲢j 襄氆酾动惑辍稻嘉工件模艇 x 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 7 页 第4 章开放式数控系统的软件设计 4 1 数控程序的编译与处理 数控程序的编译处理是指通过编译数控代码 生成直接用来驱动数控机 床协调运动的数据 不同于数控程序生成时的前嚣处理和后置处理 数控程 序的处理工作包括如下几个部分 1 编译数控程序 检查数控程序中的语法错误 2 运动信息处理 包括工件坐标系与机床坐标系之间的转换 相对坐 标与绝对坐标的转换 刀具半径与长度补偿等 3 功能信息处理 主要处理辅助功能 如主轴的超停 换刀指令等 4 其它信息处理 主要是指进给速度指令 主轴转速控制指令和换刀 指令的处理 5 生成直接用来驱动数控机床协调运动的数据 4 1 1 数控程序的生成 数控程序的生成分为手工和自动两种方法 手工编程是指编制数控加工 程序的各个步骤均由人工来完成 对于几何形状不太复杂的零件 计算比较 简单 加工程序不多 适合于手工编程 自动数控编程是从零件的设计模型 获得数控加工程序的全部过程 其主要任务是计算加工走刀过程中的刀位点 般为刀具轴线与刀具表面的交点 编程人员只需要根据加工对象的不 同 对加工过程和工艺的要求进行简单的描述 借助c a d c a m 系统自动计算 出加工运动轨迹 并输出零件的加工程序 相应地 在数控程序的编译窗口 可以手动编辑数控程序i 同时提供了与外部c a d c a m 系统的接口 即用户可 以导入由c a d c a m 系统自动生成的数控加工程序 4 1 2 数控程序指令 数控程序包括如下几种指令 1 准备功能g 指令 用来规定刀具和工件的相对运动轨迹 即规定插补功能或快速定位 机 床坐标系 坐标平面 刀具补偿 坐标偏置等多种加工操作 j b 3 2 0 8 8 3 标准 中规定 g 指令由字母g 及其后面的二位数字组成 从g 0 0 到g 9 9 共1 0 0 种代 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 第3 章数控铣床三坐标联动控制系统 3 1 进给伺服系统嘲 进给伺服系统是数控机床的重要组成部分 它由伺服驱动电路 伺服驱 动装置 位置检测装置 机械传动机构以及执行部件等部分组成 其作用是 接受数控系统发出的进绘位移和速度指令信号 由伺服驱动电路作一定的转 换和放大后 经伺服驱动装置和机械传动机构 驱动机床的工作台 主轴刀 架等执行部件进行工作进给和快速进给 数控机床的进给伺服系统与一般机 床的进给系统有本质的差异 它能根据指令信号自动精确地控制执行部件运 动的位移 方向和速度 以及整个执行部件按一定的运动规律以合成一定的 运动轨迹 进给伺服系的性能 如最高移动速度 跟踪精度 定位精度等动 态和静态性能 在很大程度上决定了数控机床的加工精度 加工表面质量和 生产效率 数控进给伺服系统按照有无位置检测和反馈 可分为如下三类 1 开环进给伺服系统 开环系统是最简单地进给系统 这种系统的伺服驱动装置主要是步进电 机 功率步进电机 电液脉冲马达等 由数控系统送出的进给指令脉冲 经 驱动电路控制和功率放大后 驱动步进电机转动 通过齿轮副与滚珠丝杠螺 母副驱动执行部件 由于步进电机的角位移量和角速度分别与指令脉冲的数 量和频率成正比 而且旋转方向决定于脉冲电流的通电顺序 因此 只要控 制指令脉冲的数量 频率以及通电顺序 便可控制执行部件运动的位移 速 度和运动方向 这种系统不需要对实际位移和速度进行测量 更无需将所测 得的实际位置和速度反馈到系统的输入端与输入的指令位置和速度进行比 较 故称之为开环系统 系统的位移精度主要决定于步进电机的角位移精度 齿轮丝杠等传动元件的导程或节距精度以及系统的摩擦阻尼特性 此类系统 的位移精度较低 其定位精度一般为 o 0 2 哪 如果采取螺距误差补偿和传动 间隙补偿等措施 定位精度可提高到 o 0 1m m 此外 由于性能的限制 开环 进给系统的进给速度也受到限制 在脉冲当量为o o l 姗时 一般不超过 5 m m i n 2 闭环和半闭环进给伺服系统 闭环和半闭环进给系统所用的伺服驱动装鼍主要是 直流和交流伺服电 x 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 1 页 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 根据 i s o 标准 当刀具中心轨迹在编程轨迹前进方向的右边时 称为右补偿 用 g 4 2 指令实现 反之称为左补偿 用g 4 1 指令实现 需要撤销刀具补偿时 用 g 4 0 指令实现 在零件加工过程中 采用刀具半径补偿功能 可大大简化编程的工作量 具体表现在如下两个方面 1 由于刀具的磨损或因换刀引起的刀具半径变化时 不必重新编程 只需修改相应的偏置参数即可 2 由于轮廓加工往往不是一道工序能完成的 在粗加工时 要为精加 工工序预留加工余量 加工余量的预留可通过修改偏置参数实现 而不必为 粗 精加工各编制一个程序 刀具半径补偿常用方法有b 刀补和c 刀补两种 b 刀补的特点是刀具中心 轨迹的段间连接都是以圆弧进行的 其算法简单容易实现 但存在一些无法 避免的缺点 首先 当加工外轮廓尖角时 由于刀具中心通过连接圆弧轮廓 尖角处始终处于切削状态 要求的尖角往往会被加工成为小圆角 其次在内 轮廓加工时 要由程序员人为地编进一个辅助加工的过渡圆弧 并且还要求 这个过渡圆弧的半径必须大于刀具半径 给编程工作带来一定的麻烦 c 刀补 方法的特点是相邻两段轮廓的刀具中心轨迹之间用直线进行连接 由数控系 统根据工件轮廓的编程轨迹和刀具偏置量直接算出刀具中心轨迹的转接交 点 然后再对刀具中心轨迹作伸长或缩短的修正 这就是所谓的c 机能刀具 半径补偿 它的主要特点是采用直线作为轮廓之间的过渡 因此 该刀补法 的尖角工艺性较b 刀补要好 其次在内轮廓加工时 它可以实现过切自动预 报 从而避免过切的产生 c 刀补采用的处理方法是 一次对两段进行处理 即先预处理本段 然后根据下一段的方向来确定其刀具中心轨迹的段间过渡 状态 从而便完成了本段的刀补运算处理 然后按照同样的方法处理下一段 直至程序结束为止 刀具半径补偿进行的过程可分为刀补建立 刀补进行和刀补撤销三步 刀补建立时 刀具从起刀点接近工件 并在原来编程轨迹基础上 刀具中心 向左或向右偏移一个偏置量 在该过程中不能进行零件加工 刀补进行时 刀具中心轨迹与编程轨迹始终偏离一个刀具偏置量的距离 刀补撤销时 刀 具撤离工件 使刀具中心轨迹终点与编程轨迹的终点 如起刀点 重合 它 是刀补建立的逆过程 同样 在该过程 x 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 2 页 编程轨迹线形的不同 相应的刀具中心轨迹也会有不同的转接形式 在c n c 装置中 都有圆弧插补和直线插补两种功能 对由这两种线形组成的编程轨 迹有以下四种转接形式 直线一直线转接 直线一圆弧转接 圆弧一直线转接 圆弧一圆弧转接 根据两段编程轨迹的矢量夹角a 指两编程轨迹在交点处非加工侧的夹 角a 和刀补方向的不同 刀具中心轨迹从 编程段到另 个编程段的段间 连接方式即过渡或转接方式有一下几种 缩短型 伸长型插入型 a b c c 2 c l 图4 1 刀具中心轨迹的直线 直线转接形式 在上图4 1 a 中 爿扶月口为刀具半径矢量 对应于编程轨迹倒 月丹 刀具中心轨迹将在c 点相交 这样 相对于删和月尸而言 将缩短一个凹与 此 的长度 这种转接称为缩短型转接 其矢量夹角a 1 8 在图4 一l b 中 c 点将处于刀和肋的延长线上 因此 称之为伸长型 转接 其矢量夹角9 0 s 口 1 8 矿 对于图4 1 c 而言 若仍采用伸长型转接 势必要增加刀具非切削的空 行程时间 为了解决这个问题 令占f 等于口 口且等于刀具半径矢量的长度 占 和月口 同时 在中间插入过渡直线 等于中间插入一个程序段 这种转 按形式称之为插入型转接 其矢量夹角岔 9 旷 刀具中心轨迹计算的任务是求算其组成线段各交点的坐标值 计算的依 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 3 页 据是编程轨迹和刀具中心偏置量 即刀具半径矢量 图中 硝 船 肋 为刀具半径矢量 o a f 点的坐标分别汜为d 工 儿 4 y f 坼 y 删 爿f 为编程矢量 其对应的单位向量记为n z y n 2 x y 在图4 一l 中就是计算c k y c c l x yc c 2 x y c 2 点的坐标值 各点的计 算公式如下 x 工o 毋 l y y o 一麒h lo x k x f 七q 2 y x2y f h n z c l x y 小十x m ty c y 一 0 耐一y 1 z c 2 石 r y 2 一x n 2 y c 2 y j r x 2 y n j x c z 趣刚 y c y j 十钞h l 其中 参数f y j y x 2 一 x 一x y 2 工蚍y 2 一x 2 y 州 若 虬2 一上 2 y o 说明j c 与凹重合 可视为无交点 以上讨论了直线一直线转接形式下的刀具中心轨迹计算方法 下面主要讨 论直线 圆弧转接形式的刀具中心轨迹计算方法 圆弧一直线转接形式同理 刀具中心轨迹的直线一圆弧转接形式如图4 2 所示 o j j o 图4 2 刀具中心轨迹的直线一圆弧转接形式 在图4 2 中 o a f o l 圆弧a f 圆心 点的坐标 圆弧a f 的半径r 及偏置半径r 均为已知 将o a a f 圆弧在a 点的切线所对应的单位向量分别 匠为 z y 工 乩2 需要求解c c t c l c f 点的坐标 c 点的坐标可通过求解直线与圆弧的交点获得 j c 直线的参数方程表达 为 算 n t 为参数 y y 州 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 4 页 代入偏置后的圆弧方程 石一工 2 十 y y 2 一r 2 0 可获得关于 t 的一元二次方程 甜2 研 c o 其中 n 上三 以 6 2 x 一x x y 一y y c x 一z d 2 y o y 2 一 只一r 2 这样就 可求出参数t 的值 然后代入直线参数方程即可求得直线与圆弧的交点c 的 坐标 需要注意的是点的取舍问题 选取距离a 点距离较近的点作为最终c 点的坐标 c c 1 c 点坐标的求解与直线 直线转接形式相同 可按照如下 公式进行计算 x c i x r 虼l 1 y c i y 一厂 z 川一y 川 z c 2 工 y 2 工 2 y c 2 y 一r 2 y 2 工 z y n 2 y y 月一蹦j n x c z 十执m y o 乃 秒 1 其中 参数 y 一y t r z 一 一z 咒z x m 虬z 一 2 y 若 帆 y n 2 一 n y tj 说明j c 与c a i 重合 可视为无交点 对于圆弧 圆弧转 接形式刀具中心轨迹的计算 c 点坐标可通过求解两个圆弧的交点获得 其 它与直线 圆弧转接形式刀具中心轨迹的计算方法完全相同 在此不再累述 刀具半径补偿功能在实施过程中 各种转接形式和过渡方式的情况 可 绘制成表4 1 和4 2 所示 表中实线表示编程轨迹 虚线表示刀具中心轨迹 口为矢量夹角 r 为刀具中心的偏置量 箭头为走刀方向 表中是以右刀补为 例进行说明的 左刀补的情况与右刀补相似 就不再重复 在表4 1 中 从起刀点开始的第一程序段为刀补建立的程序段 当撤销 与下段程序的编程轨迹的转接为非缩短型方式时 刀具中心将从起刀点快速 走到本段编程矢量终点处的刀具半径矢量的顶点 当本段与下段的编程轨迹 的转接形式为缩短型方式时 刀具中心将从起刀点快速直接走到下段编程轨 迹起点处的刀具半径矢量的顶点 刀补撤销是刀补建立的逆过程 是最后一个程序段带有撤销指令g 4 0 当 撤销段与上段的编程轨迹的转接是非缩短型方式时 刀具中心从撤销段的起 点处刀具半径矢量的顶点走到编程终点 如果当撤销段与上段的编程轨迹的 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 6 页 黼 ji 伸 溱 一骅 长口 9 0 0 第一 l 心 型 下面以 个实例说明刀具半径补偿的工作过程 如图4 3 数控系统完成 从o 点到e 点的编程轨迹的加工步骤如下 a z b cd 图4 3 刀具半径补偿实例 1 读入o a 判断出是刀补建立 继续读下一段 2 读入a b 因为矢量夹角么o a b 9 0 且又是右刀补 g 4 2 由袭4 一l 可知 此时段间转接的过渡形式是插入型 则计算出a b c 的坐标值 并 输出直线段o a a b b c 供插补程序运行 3 读入b c 因为矢量夹角么a b c 1 8 0 由表4 2 可知 该段间转接的 过渡形式是缩短型 则计算出f 点的坐标值 输出直线段e f 5 读入d e 假定有刀补撤销指令g 4 0 因为矢量夹角么c d e 9 0 尽管 是刀补撤销 由表4 1 可知 该段间转接的过渡形式是伸长型 则计算出g h 点的坐标值 然后输出直线段蚝 g h h e 6 刀具半径补偿处理结束 刀具补偿计算时 首先要判断矢量夹角口的大小 然后决定过渡方式和 求算交点坐标 角a 可以根据两相邻编程矢量的夹角来决定 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 8 负 4 2 1 数控加工仿真分析 加工仿真模块是数控系统软件的一个重要组成 其主要目的是检验数控 加工程序编制的正确性 检验加工刀具的运动轨迹的合理性以及在实际加工 过程中提供直观的图形显示 程序编好以后 先进行加工仿真模拟显示 无 误后才能进行正式加工 在加工仿真时 系统不发出控制脉冲 系统各坐标 轴不运动 其余同实际加工完全 致 通过加工过程仿真 实现数控加工程 序的图形显示 可以宣观地了解整体情况 对于不符合加工工艺要求的地方 可以返回进行修改 同时也显示加工过程中刀具运行的轨迹 如下刀 抬刀 等 在加工仿真的过程中 可以完全像实际运行一样作暂停加工 继续加工 和单段加工等控制 仿真的加工速度也可以进行调整 加工仿真还可以在实 际加工过程中提供直观的图形显示 在加工仿真模块的开发中 将其分为5 个子功能模块 即数控加工程序的图形显示 刀具运动轨迹仿真 工件材料 去除的动态仿真 仿真信息显示 仿真参数的设置 其中 对数控加工程序 的图形显示可进行放大 缩小 移动 旋转