复杂曲面插补技术在开放式数控系统平台加工实现

DOI：10.16660/ki.1674-098X.2018.05.001
复杂曲面插补技术在开放式数控系统平台加工实现
①
李传军 王国永
(承德石油高等专科学校高教研究室 河北承德 067000)
摘 要：开放式数控系统由于其开放、通用和兼容等特点，解决了传统数控系统封闭性的问题，能较好地适应现代制造业中小批量生产的需求。

本文通过研制开发一种基于TwinCAT技术的开放式数控系统平台，实现复杂曲面的插补算法。

复杂曲面直接插补技术是一种先进的数控技术。

所谓复杂曲面直接插补，是指复杂曲面上的理论刀轨曲线不经过微小直线段离散，而直接通过数控系统插补器对理论刀轨曲线进行插补。

关键词：数控加工 开放式数控系统 TwinCAT 复杂曲面中图分类号：TP311
文献标识码：A
文章编号：1674-098X(2018)02(b)-0001-02
①基金项目：河北省重点研发计划先进装备制造专项(项目编号：17211812D)。

作者简介：李传军(1975,4—)，男，汉族，河北承德人，硕士，教授，研究方向：数控技术。

1 加工方式的优点
复杂曲面插补技术在开放式数控系统平台加工实现，这种加工方式具有几个明显的优点：(1)加工精度更高。

(2)加工代码量小。

(3)加工效率更高。

(4)加工质量更高。

2 TwinCAT简介
Tw i nCAT是德国BECK HOF F公司于1986年推出一款基于P C 的控制器，其自带的实时内核可以将非实时的Wi ndow s 操作系统转变为一个实时控制系统。

Tw i nCAT 的最新版本已集成于Visual Studio开发环境，支持最新的IEC61131-3编程标准，并可与.NET环境进行混合编程，大大提高了系统开发的便捷性。

Tw i nCAT支持绝大多数广泛使用的通信方式和现场总线，并具有良好的实时性能。

由于Tw i nCAT强大的实时性和便捷的编程环境，它已经广泛应用于各个行业，并得到了良好的市场效应，因此,本文选择TwinCAT作为实验平台的软件开发平台。

图1所示为TwinCAT软件的主界面，主要分为System、Motion、PLC、C/C++、SAFETY和I/O这5个部分。

Sys t em：系统设置，包括任务的配置、实时性设置和路由的配置等。

Motion：虚拟轴配置，通过I/O模块与物理轴相对应，支持简单的点对点控制和复杂的轨迹控制。

P L C ：逻辑程序的编写和调试环境，编程语言为I EC61131-3，可通过Tw i nCAT A DS协议与外部程序通信。

可以建立至多4个虚PLC CPU，每个虚拟CPU最多可运行4个用户任务，而每个任务可以添加16个虚拟轴，所以,可以控制多达256个轴。

C++：逻辑程序的编写和调试环境，编程语言为C++，不同于常用的C++编程，Twi nCAT中的C++编程可以实现实时循环计算，同样可通过Tw i nCAT ADS协议与外部程序进行通信，但不支持大部分通用的C++函数库。

I/O：外部硬件扫描和配置，如伺服驱动器、伺服电机和I/O模块等，是TwinCAT软件环境和外部硬件通信的门户。

TwinCAT的实时环境是TwinCAT的核心部分，主要由TwinCAT的实时内核构成，最小的控制周期可达50μs，还具有高度的开放性和灵活性，可以为各个功能模块单独配置专用的内核，并可分别设置最大的时基、负荷和可能的周期时间。

3 实验平台的硬件结构
本文以三轴加工中心为基础，在工作台上加装AC旋转台实现五轴联动结构，图2为其结构简图。

由于Twi nCAT平台将传统的运动控制卡等硬件设备的功能软件化并集成于PC 中，所以硬件系统的结构十分简单明了，仅包括伺服驱动器、伺服电机、现场总线、工控机、I/O模块和其他的一些辅助模块(如手轮、行程开关)等。

大部分主要硬件模块为德国BECKHOFF公司产品，主控制器为C6640系列工控机，配备I nt e l i 5四核CPU、8G RAM和500G ROM，具有强大的计算能力，能够满足低至50μs 的插补周期。

伺服系统采用A X520
6系列双轴伺服驱
三轴联
动刀轨
图1 叶片曲面三维建模及路径规划
图2 叶片曲面实际加工结果
(a) 工件加工过程 (b) 工件加工结果
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（a）三维建模（a）工件加工过程（b）
工件加工结果（b）路径规划
准。

除此之外,通过手机上的APP还可以让我们自主修改触发指令，相当于自家电器密码输入，这样不仅大大减少了操作上的失误，也给我们带来更多操作乐趣。

移动终端的APP 还可以安装在家里的废旧手机上，这样也会大大增加手机的利用率，有利于环保节能，让一台“退休”的手机担任起家里“管家”的角色。

除了电器的操控外，本系统还添加了环境温湿度检测，有害气体检测报警等功能，让本系统更加人性化和实用化。

除此之外,通过手机上的APP还可以让我们自主修改触发指令，相当于自家电器密码输入，这样不仅大大减少了操作上的失误，
也给我们带来更多操作乐趣。

3 系统测试
(1)系统已经初步完成移动终端与语音识别控制的链接。

图3 系统测试
稳定性还在测试中。

(2)手机APP的登录界面已经完成。

4 结语
随着智能家居热潮在世界范围内的日渐兴起和人们生活水平的不断提高以及智能电子技术在生活中的广泛应用，智能家居已经成为未来家居装饰潮流发展的最新方向。

从目前的发展形势来看，在未来至少20年时间里，智能家居行业会成为我国的主流行业之一，其市场发展前景是非常广阔的，而基于And roid的智能语音识别及远程控制系统也将会有更大的发展空间。

本系统与Android系统联系在一起，使得它的实用性变得更强，它拓宽了本系统的适用范围和升级渠道，为本系统提供了更大的发展升级空间，能够初步实现家居的智能化，与市面上的智能家居系统相比，它的造价低廉实用性和普遍性更强。

使得本产品更有利地面对接下来的机遇与挑战。

参考文献
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动器，连接A M8x x x系列交流伺服电机，能提供充足的扭矩，并具有20位高精度多圈绝对值编码器。

X、Y、Z这3个平动轴采用滚珠丝杠传动，丝杠导程均为6mm，A、C两个旋转轴采用蜗轮蜗杆传动，传动比分别为3∶1和4∶1。

I、O模块为EL系列输入输出模块，通过EK系列总线耦合器顺序拼接，避免了复杂的电缆连接。

4 复杂曲面加工验证
选取某型号发动机叶片的压力面曲面为对象，分别采用三轴NURBS刀轨和五轴双NURBS刀轨进行加工。

三维模型和三轴/五轴加工刀具路径规划如图1所示。

对于三轴联动加工，使用NURBS拟合技术将CAD软件输出的微小直线段刀位代码转换为自定义的NURBS代码；对于五轴联动加工，使用双NURBS拟合技术将CAD软件输出的微小直线段刀位代码转换为自定义的双NURBS代码。

选取长方体型的尼龙工件，先后经过粗加工、半精加工和精加工工序，工件及机床局部和NURBS刀轨加工结果如图2所示。

5 结语
在此次复杂曲面插补技术在开放式数控系统平台加工实现中，其误差主要来自使用直线段逼近理论刀轨曲线，从而产生了逼近误差和刀轨拟合误差以及机床误差。

通过加工实验实现验证，并通过以上3个方面的进一步优化，更进一步提高复杂曲面加工精度。

参考文献
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