五轴五联动数控系统的开发研制

五轴五联动数控系统的开发研制

西安交通大学　帅　梅　刘　渊　王广炎　王小椿

摘要　介绍了五轴五联动数控系统的开发、设计思想,推出一种基于通用微机(PC机)的多处理器数控系统,论述了组成系统的软、硬件设计思路及功能。实践证明该系统可靠、实用。

关键词:数控机床　数字控制系统　计算机控制　伺服系统

R esearch and Development of Five-Axis CNC System

Shuai Mei　Liu Yuan　Wang Guangyan　Wang Xiaochun Abstract　Based on the introduction of development and design theories on five-axis CNC system, the paper presents CNC system on general PC,the design thinkings and function of the hardware and software in this system are also discussed.The reliability and practicality of the system are proved well. K ey Words:numerically controlled machine;digital control system;Computer control;

Servo systems

1　概述

五轴五联动数控机床主要应用于自由曲面的加工。由于其重要的应用价值(特别是对军事工业的深远影响)以及技术上的复杂性,因而长期以来,五轴联动数控系统一直为西方国家所封锁。而国内厂家无法独立制造五轴联动数控机床的根本原因在于国内无一厂家能攻克这一难关。我们正是瞄准这一国内机械行业的重大课题,经两年攻关,已圆满完成了这一产品样机的生产制造,并已与汉江机床厂联合开发生产五轴五联动卧式数控铣床,不久将投放市场。

2　五轴五联动数控系统的整机设计思想

211　系统主控方案的确定

由于PC机技术的快速发展,目前国际上的数控系统有向PC机过渡的趋势。国外某些公司也已成功地制造出了四轴和四轴以下以PC机为核心的数控系统。但由于五轴联动系统要求实时完成两个回转轴的坐标偏

移补偿和五根伺服轴的位置监测及控制,因此国外有一些专家断言,以PC机作为五轴联动数控系统是不可能的。如果采用专门的高速芯片或多CPU并行处理技术,则系统的成本将大幅度提高,而且小批量生产专用主板的质量也难以保证。

在整个系统的开发之前,我们在软件开发中创造性地提出了一种可以快速递推的“无累积误差空间扭曲样条”,并立即意识到该项技术会在数控技术中发挥重大作用。接着又攻克了“快速坐标偏移算法”和“无柔性冲击快速进给插补算法”。所有这些软件都为开发以PC机作为核心的数控系统打下了坚实的理论基础。数控系统中最关键的插补算法,国内外现有的算法都无法避免累积误差,每向前插补几步之后就要进行校正运算,占用了大量机时。“无累积误差空间扭曲样条”克服了上述缺点,在提高计算精度的同时节约了大量的计算机资源,实现了以PC机为核心的五轴联动数控系统。以一张315m 长的水轮机叶片为例,用本算法向前递推5000步后累积的舍入误差不足011μm。实

13

1998年第10期

图1　PC 机直接控制结构

际加工中递推一般不超过200～300步,因而误差可忽略不计。

为了减少机床的振动趋向,世界各大机床厂及数控设备厂都在研究避免快速移动的柔性冲击的方法。较典型的是日本三菱公司的交流伺服系统,通过控制电机加速度的变化率来减轻机床的柔性冲击。然而三菱公司的伺服单元不仅价格昂贵,而且由于各轴的柔性加减速过程各自为政,可能使刀尖相对于工件的实际轨迹偏离计算轨迹。“无柔性冲击快速进给插补算法”直接把平滑的快速进给指令发给各伺服单元,故无论采用哪一家公司的伺服单元都可以获得平稳的快速特性。由于以上算法的使用,一个486PC 机就可以轻松地胜任主插补运算、刀位偏置补偿、数据传递、键盘管理和整个系统的管理工作。

因此,在讨论系统的总体方案时,我们确定了系统的主控部分采用PC 机这一方案。212　主体方案的确定

基于PC 机的数控系统可采用以下两种方案:

(1)PC 机直接控制

这种方案的控制结构如图1所示。该方案的优点是结构紧凑、简单实用,但PC 机的负荷太重。因为在加工时,PC 机要进行对刀具轨迹的拟合、插补运算及刀位偏移补偿运算,并且要将计算出的结果定时传到伺服系统以实现对电机的控制。而且在精度要求较高时,因为不能及时响应连续进给的数据要求而无法满足要求。因此,该方案

只适用于对精度、速度要求不高的联动轴数

量较少的专用系统。

(2)多微处理器控制多微处理器控制结构具有一定的并行分布式结构特点,其工作原理如图2所示。

在这种方案中,系统的硬件主要包括三部分:PC 微机(上位机)、通讯单片机、伺服控制单元(下位机)。

这种方案的特点是在上位机和下位伺服控制单元之间加设了通讯单片机。

因为在设计的五轴联动数控系统的上位机上运行的是“无累积误差空间扭曲样条”插补算法,这种算法全部采用32位浮点数,算出的理论位置值要转换成脉冲数传给下位伺服控制部分,而这个脉冲数也是32位的长整数,因而对于16位的PC 总线来说,传送32位数需2次握手,这样,对于五根轴每传送一个点的位置信息至少需要传送10次,而且必须将这10个数据在4ms (一个插补周期)内传送到伺服控制单元。如果采用第一种方案,对于上位机来说,既要负责插补运算,又要每4ms 定时向下位机传送至少10个数据,还要完成五根轴的PID 算法,其负荷太重,适时性太差。而且PC 机本身的一些特性决定了在某些特殊情况下如加工文件存、读盘时,系统在短时间内不响应任何中断(时间可能超过4ms ),这样会影响到位置数据的时间连续性,从而影响到加工工件的表面质量。因而,在上位微机和下位伺服控制单

元之间加设通讯单片机,用它来专门处理上位机和下位各伺服控制单片机之间的数据传输,则可避免负荷重、适时性差及位置数据时间不连续等缺点。

鉴于以上分析,我们最终采用了第二种方案。

3　五轴五联动数控系统的总体

结构及各部分功能

311　硬件的具体实现及功能

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3 组合机床与自动化加工技术