開放式數(shù)控系統(tǒng)的構(gòu)建及其關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、數(shù)控技術(shù)是制造業(yè)實現(xiàn)自動化、柔性化、集成化生產(chǎn)的技術(shù)基礎(chǔ)，已被世界各國列為優(yōu)先發(fā)展的關(guān)鍵工業(yè)技術(shù)，數(shù)控水平的高低直接影響到制造業(yè)的現(xiàn)代化程度。當(dāng)前，機(jī)械產(chǎn)品在國內(nèi)外市場上是否具有競爭力，很大程度上取決于數(shù)控技術(shù)的發(fā)展、推廣和應(yīng)用。開放式數(shù)控系統(tǒng)的出現(xiàn)為我國數(shù)控技術(shù)水平的提高提供了很好的契機(jī)，充分利用我國豐富的腦力資源，通過開發(fā)我國自主產(chǎn)權(quán)的開放式數(shù)控系統(tǒng)是縮短我國制造業(yè)水平與世界先進(jìn)水平間差距的有效途徑。
　　在此背景下，本文對開

2、放式運動控制器的功能模塊實現(xiàn)技術(shù)以及控制器產(chǎn)品變型設(shè)計技術(shù)進(jìn)行了深入研究。
　　基于面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù)、動態(tài)鏈接庫設(shè)計技術(shù)和接口標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計技術(shù)開發(fā)了全軟件型機(jī)床運動控制器的基本功能模塊單元，以此為基礎(chǔ)構(gòu)建了開放式軟件化數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)平臺。機(jī)床是一種典型的反應(yīng)式系統(tǒng)，其加工操作是一個復(fù)雜的動態(tài)行為過程，采用層級式有限狀態(tài)機(jī)（Finite State Machine，F(xiàn)SM）規(guī)劃機(jī)床控制系統(tǒng)的動態(tài)行為，在各功能模塊單元的開發(fā)過程中實現(xiàn)了模

3、塊的有限狀態(tài)機(jī)描述。所開發(fā)的控制器產(chǎn)品以及滿足未來加工要求的運動控制器采用產(chǎn)品族方式組織，提出了基于產(chǎn)品族的運動控制器變型設(shè)計方法，采用該設(shè)計方法的控制器產(chǎn)品開發(fā)是一個對已開發(fā)運動控制器及其涉及技術(shù)繼承與擴(kuò)展的過程。對既有運動控制器的重用以及變型設(shè)計減小了控制器開發(fā)的難度，實現(xiàn)了控制器開發(fā)過程中相關(guān)技術(shù)手段的有效復(fù)用。
　　目前，具有復(fù)雜輪廓外形零部件的高速、高精加工必須采用五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床完成。國外一些知名數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)商在其數(shù)控

4、系統(tǒng)產(chǎn)品中配備了曲線插補(bǔ)功能，該功能很好地解決了線性插補(bǔ)存在的問題，顯著地提升了數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品的性能。但是他們對具有這些曲線插補(bǔ)功能的數(shù)控系統(tǒng)實行對華禁運和技術(shù)封鎖，研究五坐標(biāo)機(jī)床的曲線插補(bǔ)技術(shù)并借助于開放式數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)曲線插補(bǔ)功能具有重要意義。對高檔數(shù)控機(jī)床的曲線插補(bǔ)功能進(jìn)行分析，研究了五坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床的非均勻有理B樣條（NURBS）插補(bǔ)方法，提出了一種五坐標(biāo)NURBS插補(bǔ)指令格式并在開放式運動控制器中對具有該指令格式的NURBS插補(bǔ)功能

5、予以實現(xiàn)。為實現(xiàn)五坐標(biāo)刀具路徑的實時插補(bǔ)控制，運動控制器在執(zhí)行該插補(bǔ)功能時首先求解刀位矢量并建立刀位曲線方程，建立位置曲線弧長參數(shù)與方位曲線角度參數(shù)間的映射關(guān)系，獲得協(xié)調(diào)曲線方程。三種樣條曲線的建立很好地解決了機(jī)床運動過程中直線軸運動與旋轉(zhuǎn)軸運動的同步。通過與等參數(shù)規(guī)劃位置樣條曲線和方位曲線的插補(bǔ)方法進(jìn)行比較，驗證了該插補(bǔ)功能在機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸控制方面的優(yōu)越性。加工實驗證明了該插補(bǔ)功能的可行性。
　　傳統(tǒng)五坐標(biāo)曲線插補(bǔ)功能與數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)

6、形式密切相關(guān)，提供插補(bǔ)功能的運動控制器專屬于特定的數(shù)控機(jī)床。對于特定的NC程序文件而言，當(dāng)五坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)發(fā)生變化或工件位置等因素發(fā)生變化時，該NC程序文件失效。為解決該問題，同時考慮運動控制器盡可能的集成CAD/CAM系統(tǒng)功能，研究了面向工件坐標(biāo)系下離散刀位點的曲線插補(bǔ)方法。開發(fā)了面向離散刀位點的曲線插補(bǔ)功能。為降低刀位矢量計算誤差的影響，選取刀軸矢量表征加工過程中的刀具姿態(tài)，控制器根據(jù)輸入離散刀具路徑信息生成插補(bǔ)需要的位置曲線、刀

7、軸曲線和協(xié)調(diào)曲線。同時，控制器集成了五坐標(biāo)加工所必需的逆運動學(xué)變換功能，控制策略的變化使得控制器中立于五坐標(biāo)機(jī)床結(jié)構(gòu)形式，在簡化數(shù)控編程難度的同時增強(qiáng)了運動控制器的適應(yīng)能力。仿真分析和加工實驗證明了插補(bǔ)算法的正確性以及插補(bǔ)功能的可行性。
　　對于流體中運動的零部件，為減小其運動的阻力，對輪廓外形的光順性有較高的要求。為滿足這類零部件數(shù)控加工的特殊要求，開發(fā)了數(shù)控程序光順預(yù)處理器。該處理器首先對輸入其中的數(shù)控加工程序進(jìn)行光順性判斷，