具有ＮＵＲＢＳ插补功能的五坐标数控机床运动控制器，它涉及一种数控机床的运动控制器。本发明专利技术的目的是为了解决现有数控机床运动控制器存在开放性差、灵活性差，导致控制器不易功能扩充及修改，无法满足可配置型运动控制器的要求；以及采用型值点直接插值方法使控制器中的信息量成倍增加，造成ＮＣ程序量严重受限等问题。所述运动控制器包括人机接口模块、任务协调模块、任务生成模块、轴组模块、轴模块、逆运动变换模块、控制规律模块和离散逻辑控制模块。采用本发明专利技术的ＮＵＲＢＳ插补方法进行数控加工时，在ＮＣ程序大量减少的同时，加工误差较线性插补误差大幅减小。采用模块化的体系结构，满足可配置型运动控制器的要求，增强数控系统的开放性，控制器的功能扩充及修改可针对具体模块施行。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种数控机床的运动控制器，特别是一种具有NURBS插补功 能的五坐标数控机床软件化运动控制器，属于数控机床软件
技术介绍
五轴联动数控机床是机床数控
制高点的重要标志，在国民经济发 展和国防建设等方面具有特别重要的现实意义。目前，叶轮、叶片、船用螺旋 桨、重型发电机转子、汽轮机转子、大型柴油机曲轴等复杂零部件的加工普遍 采用五轴联动数控机床的线性插补功能完成。然而该加工方式存在的数控代码 文件庞大、加工效率低和加工质量差等缺点，严重影响了五轴联动数控机床潜 力的发挥。五坐标样条曲线插补技术成为机床数控领域的研究热点。Langeron 等人提出了一种采用非均匀B样条曲线表达刀具路径和刀具方位的数控代码 指令格式。陈良骥等人提出双NURBS插补指令格式。Fleisig等人提出了采用 五次多项式样条插值刀具路径，采用贝齐尔曲线插值刀具方位点的曲线插补方 法。以上曲线插补方法较好的解决了线性插补存在的问题，但仍有以下不足 以上文章只涉及数控机床的插补算法，未涉及控制器的研制过程；Langeron 及陈良骥等人提出的插补方法中输入控制器的样条曲线为机床坐标系下加工 信息，数控程序依赖于数控机床的形式，当加工条件变化时，NC程序需重新 编制；Fleisig等人采用型值点直接插值方法，控制器中的信息量将成倍增加， NC程序量严重受限；位置曲线和方位曲线参数取同的方法只适用于两曲线长 度相当的场合，当长度差别较大时将出现大的加工误差。SIEMENS、 FANUC和DMG等数控机床制造商在其高端数控系统中推出了曲线插补功能，并在实际应用中取得了良好的加工效果。然而，这些曲线插 补功能的实现方法未有公开的介绍。具有曲线插补功能的数控机床价格昂贵，并且其购买条件受到诸多限制。所以我们着手进行了具有NURBS插补功能的 五坐标数'控机床软件化运动控制器的研发。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有数控机床运动控制器存在开放性差、灵活性 差，导致控制器不易功能扩充及修改，无法满足可配置型运动控制器的要求； 以及采用型值点直接插值方法使控制器中的信息量成倍增加，造成NC程序量 严重受限等问题。为此，本专利技术提供了一种具有NURBS插补功能的五坐标数 控机床运动控制器。本专利技术为解决上述技术问题采取的技术方案是本专利技术所述运动控制器为运行在PC机Windows操作系统上的应用程序系统，所述运动控制器读取五坐 标数控程序后产生的机床各轴运动指令通过SERCOS接口传递给伺服系统实 现五坐标数控机床的数控加工;所述运动控制器包括以下单元:人机接口模块、 任务协调模块、任务生成模块、轴组模块、轴模块、逆运动变换模块、控制规 律模块和离散逻辑控制模块，其中人机接口模块，用于负责操作者与控制器之间的交互，还用于(主要)完 成在数控系统运行前和运行中数控系统参数的修改和设定；任务协调模块，用于进行任务分配以及负责所述运动控制器内各模块的协 调与调度；任务生成模块，用于解析零件加工程序文件(NC程序)，提取加工程序 中的各种信息并生成包含运动信息的运动段指令和逻辑控制指令，还用于对运 动指令进行刀具补偿，还用于生成方位曲线和协调样条曲线；轴组模块，用于完成插补任务，对译码得到的运动指令按照进给速度要求进行细分，得到单个插补周期内的进给量，并输出给各个轴模块；轴模块，用于接收来自轴组模块的指令，同时读取外部的反馈信息，根据 用户需求选择性地调用伺服控制规律完成位置控制或速度控制等功能，并将控 制信息发送给逆运动变换模块；逆运动变换模块，用于对工件坐标系下表示刀具位置的位置矢量点及表示 刀轴方位的刀位矢量点进行逆机床的运动学变换，求取插补周期结束时刻机床 各运动轴的位置信息，并将控制信息发送给外部执行单元；控制规律模块，用于负责伺服控制规律的计算，提供多种控制策略(如 PID控制规律、模糊控制规律和神经网络等)；离散逻辑控制模块，用于负责对外部输入和内部状态变量进行布尔运算得到相应输出和内部状态变量，并对外部输入输出设备进行控制；上述各模块单元对外提供可操作、可执行接口以及向用户提供程序接口 ； 任务生成模块生成协调样条曲线的具体过程为根据插补过程中位置曲线两点间弧长与方位曲线两点间角度存在一一对 应的关系，位置曲线上参数",与参数"2间所夹弧的长度s采用式1计算 ""2)=〖V(A"))2 +(/("))2 +( ("))2 (1)方位曲线i方位矢量a和方位矢量^间的夹角a采用式2计算 义=arccos(仏'《2) (2)采用式3所示多项式样条建立位置曲线弧长S和方位曲线矢量间的夹角;i 的映射关系，以获得机床线性轴与旋转轴间的协调运动关系Cs;^^3 (s—s/ 好,4 《w(3)、 6式中M,为样条系数列； 任务生成模块生成方位曲线的具体过程为:设存储在"NURBS"结构体的"machA"和"machC"数组中的角度值分别为H， …，W和^。，c,，…,c^，则对应的方位矢量《,(^0,l，…,")可以通过公式4 求得sina,. .cosc, .sina, .sine, cos a,(4)加工过程中为了获得连续变化的机床旋转轴角度，需要构造一条通过所有 方位矢量的方位曲线与位置曲线相对应;选取非均匀B样条曲线作为方位矢量的插值曲线；选取两方位矢量间的夹角作为方位曲线的节点矢量，两矢量^与《 "间的夹角通过公式5求取A,. =arccos(^ .仏+1)，/ = O，l，."，"一l (5)方位曲线的控制顶点采用计算机辅助几何设计CAGD中的B样条曲线反算 方法获得；当方位曲线的节点矢量和控制顶点确定以后，相应的方位曲线唯一确定； 所述轴组模块完成插补任务的具体过程为当双端队列SingleStep_deqUe中的信息通过共享内存传递给轴组模块，并 且控制器接收到autorun指令时，轴组模块进行实时插补运算设输入控制器的位置样条曲线为/K")，方位样条曲线为《(A)，任务生成 器模块单元生成的协调样条曲线为义CS);以第A + 1个插补周期的插补点求取为例说明曲线的实时插补运算过程；假定进给速度设定为^ ，所述运动控制器的插补周期设定为r ，则有所以(6)<formula>formula see original document page 12</formula>(7)将参数w对^进行二阶Taylor展开，得其截断高阶余项的计算公式:<formula>formula see original document page 12</formula>这里& ="(")为第*个插补周期，^ = W时刻参数W的值;从而|伞(")|| (9)II "" L叫设和分别为参数％和对应的位置样条曲线上的插补点, r为该两点对应的曲率圆弧半径，丄为两点间弦长；其中f为弓高误差；两插补点间的弦长通过下式求取丄=|/^+1)1("*)| (10)弓高误差的求取表达式为~-一2-(争2 (11)从而可以求出满足弓高误差要求的插补最大弦长为-4xp:2孩2r-《) (12)将公式10求得的插补点间弦长与公式12求得的插补最大弦长进行比较，如果丄超出最大弦长丄exp的本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种具有ＮＵＲＢＳ插补功能的五坐标数控机床运动控制器，所述运动控制器为运行在ＰＣ机Ｗｉｎｄｏｗｓ操作系统上的应用程序系统，所述运动控制器读取五坐标数控程序后产生的机床各轴运动指令通过ＳＥＲＣＯＳ接口传递给伺服系统实现五坐标数控机床的数控加工；其特征在于：所述运动控制器包括以下单元：人机接口模块（１）、任务协调模块（２）、任务生成模块（３）、轴组模块（４）、轴模块（５）、逆运动变换模块（６）、控制规律模块（７）和离散逻辑控制模块（８），其中： 人机接口模块（１），用于负责操作 者与控制器之间的交互，还用于完成在数控系统运行前和运行中数控系统参数的修改和设定； 任务协调模块（２），用于进行任务分配以及负责所述运动控制器内各模块的协调与调度； 任务生成模块（３），用于解析零件加工程序文件，提取加工程序中的各种信息 并生成包含运动信息的运动段指令和逻辑控制指令，还用于对运动指令进行刀具补偿，还用于生成方位曲线和协调样条曲线； 轴组模块（４），用于完成插补任务，对译码得到的运动指令按照进给速度要求进行细分，得到单个插补周期内的进给量，并输出给各个轴模块 ； 轴模块（５），用于接收来自轴组模块的指令，同时读取外部的反馈信息，根据用户需求选择性地调用伺服控制规律完成位置控制或速度控制等功能，并将控制信息发送给逆运动变换模块（６）； 逆运动变换模块（６），用于对工件坐标系下表示刀具位置的位置 矢量点及表示刀轴方位的刀位矢量点进行逆机床的运动学变换，求取插补周期结束时刻机床各运动轴的位置信息，并将控制信息发送给外部执行单元； 控制规律模块（７），用于负责伺服控制规律的计算，提供多种控制策略； 离散逻辑控制模块（８），用于负责对 外部输入和内部状态变量进行布尔运算得到相应输出和内部状态变量，并对外部输入输出设备进行控制； 上述各模块单元对外提供可操作、可执行接口以及向用户提供程序接口； 任务生成模块（３）生成协调样条曲线的具体过程为： 根据插补过程中位置曲线两 点间弧长与方位曲线两点间角度存在一一对应的关系，位置曲线上参数ｕ↓［１］与参数ｕ↓［２］间所夹弧的长度ｓ采用式１计算： Ｓ（ｕ↓［１］，ｕ↓［２］）＝∫↓［ｕ↓［１］］↑［ｕ↓［２］］＊＊＊ （１） 方位曲线上方位矢量ｑ↓［１ ］和方位矢量ｑ↓［２］间的夹角λ采用式２计算 λ＝ａｒｃｃｏｓ（ｑ↓［１］.ｑ↓［２］） （２） 采用式３所示多项式样条建立位置...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：刘源，王永章，韩德东，韩振宇，富宏亚，路华，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：93[中国|哈尔滨]
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