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1、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ResearchandDevelopmentofFive-AxisCNCSystemShuaiMeiLiuYuanWangGuangyanWangXiaochunAbstractBasedontheintroductionofdevelopmentanddesigntheoriesonfive-a
2、xisCNCsystem,thepaperpresentsCNCsystemongeneralPC,thedesignthinkingsandfunctionofthehardwareandsoftwareinthissystemarealsodiscussed.Thereliabilityandpracticalityofthesystemareprovedwell.KeyWords:numericallycontrolledmachine;digitalcontrolsystem;Computercontrol;Servosystems移补偿和五根伺服轴的位置监测及控制,因1 概
3、述此国外有一些专家断言,以PC机作为五轴五轴五联动数控机床主要应用于自由曲联动数控系统是不可能的。如果采用专门的面的加工。由于其重要的应用价值(特别是高速芯片或多CPU并行处理技术,则系统的对军事工业的深远影响)以及技术上的复杂成本将大幅度提高,而且小批量生产专用主性,因而长期以来,五轴联动数控系统一直为板的质量也难以保证。西方国家所封锁。而国内厂家无法独立制造在整个系统的开发之前,我们在软件开五轴联动数控机床的根本原因在于国内无一发中创造性地提出了一种可以快速递推的厂家能攻克这一难关。我们正是瞄准这一国“无累积误差空间扭曲样条”,并立即意识到内机械行业的重大课题,经两年攻关,已圆满
4、该项技术会在数控技术中发挥重大作用。接完成了这一产品样机的生产制造,并已与汉着又攻克了“快速坐标偏移算法”和“无柔性江机床厂联合开发生产五轴五联动卧式数控冲击快速进给插补算法”。所有这些软件都铣床,不久将投放市场。为开发以PC机作为核心的数控系统打下了2五轴五联动数控系统的整机设计思坚实的理论基础。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想差,每向前插补几步之后就要进行校正运算,211 系统主控方案的确定占用了大量机时。“无累积误差空间扭曲样由于PC机技术的快速发展,目前国际条”克服了上述缺点,在提高计算精度的同时上的数控系统有向PC机过渡的趋势。国外节约了大量的
5、计算机资源,实现了以PC机某些公司也已成功地制造出了四轴和四轴以为核心的五轴联动数控系统。以一张315m下以PC机为核心的数控系统。但由于五轴长的水轮机叶片为例,用本算法向前递推联动系统要求实时完成两个回转轴的坐标偏5000步后累积的舍入误差不足011μm。实1998年第10期31©1995-2006TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.际加工中递推一般不超过200～300步,因而只适用于对精度、速度要求不高的联动轴数误差可忽略不计。量较少的专用系统。为了减少机床的振动趋向,世界各大机(2)多微处理器控制床厂及数控设
6、备厂都在研究避免快速移动的多微处理器控制结构具有一定的并行分柔性冲击的方法。较典型的是日本三菱公司布式结构特点,其工作原理如图2所示。的交流伺服系统,通过控制电机加速度的变在这种方案中,系统的硬件主要包括三化率来减轻机床的柔性冲击。然而三菱公司部分:PC微机(上位机)、通讯单片机、伺服控的伺服单元不仅价格昂贵,而且由于各轴的制单元(下位机)。柔性加减速过程各自为政,可能使刀尖相对这种方案的特点是在上位机和下位伺服于工件的实际轨迹偏离计算轨迹。“无柔性控制单元之间加设了通讯单片机。冲击快速进给插补算法”直接把平滑的快速因为在设计的五轴联动数控系统的上位进给指令发给各伺服单元,故无论采用
7、哪一机上运行的是“无累积误差空间扭曲样条”插家公司的伺服单元都可以获得平稳的快速特补算法,这种算法全部采用32位浮点数,算性。由于以上算法的使用,一个486PC机就出的理论位置值要转换成脉冲数传给下位伺可以轻松地胜任主插补运算、刀位偏置补偿、服控制部分,而这个脉冲数也是32位的长整数据传递、键盘管理和整个系统的管理工作。数,因而对于16位的PC总线来说,传送32因此,在讨论系统的总体方案时,我们确位数需2次握手,这样,对于五根轴每传送一定了系统的主控部分采
