[發明專利]具有NURBS插補功能的五坐標數控機床運動控制器

無效

• 申請號: 200910072574.9
• 申請日: 2009-07-23
• 公開（公告）號: CN101615024A
• 公開（公告）日: 2009-12-30
• 發明（設計）人: 劉源;王永章;韓德東;韓振宇;富宏亞;路華
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G05B19/4103
• 分類號: G05B19/4103;G05B19/414
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所
• 代理人: 楊立超

技術領域

本發明涉及一種數控機床的運動控制器，特別是一種具有NURBS插補功能的五坐標數控機床軟件化運動控制器，屬于數控機床軟件技術領域。

背景技術

五軸聯動數控機床是機床數控技術領域制高點的重要標志，在國民經濟發展和國防建設等方面具有特別重要的現實意義。目前，葉輪、葉片、船用螺旋槳、重型發電機轉子、汽輪機轉子、大型柴油機曲軸等復雜零部件的加工普遍采用五軸聯動數控機床的線性插補功能完成。然而該加工方式存在的數控代碼文件龐大、加工效率低和加工質量差等缺點，嚴重影響了五軸聯動數控機床潛力的發揮。五坐標樣條曲線插補技術成為機床數控領域的研究熱點。Langeron等人提出了一種采用非均勻B樣條曲線表達刀具路徑和刀具方位的數控代碼指令格式。陳良驥等人提出雙NURBS插補指令格式。Fleisig等人提出了采用五次多項式樣條插值刀具路徑，采用貝齊爾曲線插值刀具方位點的曲線插補方法。以上曲線插補方法較好的解決了線性插補存在的問題，但仍有以下不足：以上文章只涉及數控機床的插補算法，未涉及控制器的研制過程；Langeron及陳良驥等人提出的插補方法中輸入控制器的樣條曲線為機床坐標系下加工信息，數控程序依賴于數控機床的形式，當加工條件變化時，NC程序需重新編制；Fleisig等人采用型值點直接插值方法，控制器中的信息量將成倍增加，NC程序量嚴重受限；位置曲線和方位曲線參數取同的方法只適用于兩曲線長度相當的場合，當長度差別較大時將出現大的加工誤差。

SIEMENS、FANUC和DMG等數控機床制造商在其高端數控系統中推出了曲線插補功能，并在實際應用中取得了良好的加工效果。然而，這些曲線插補功能的實現方法未有公開的介紹。具有曲線插補功能的數控機床價格昂貴，并且其購買條件受到諸多限制。所以我們著手進行了具有NURBS插補功能的五坐標數控機床軟件化運動控制器的研發。

發明內容

本發明的目的是為了解決現有數控機床運動控制器存在開放性差、靈活性差，導致控制器不易功能擴充及修改，無法滿足可配置型運動控制器的要求；以及采用型值點直接插值方法使控制器中的信息量成倍增加，造成NC程序量嚴重受限等問題。為此，本發明提供了一種具有NURBS插補功能的五坐標數控機床運動控制器。

本發明為解決上述技術問題采取的技術方案是：本發明所述運動控制器為運行在PC機Windows操作系統上的應用程序系統，所述運動控制器讀取五坐標數控程序后產生的機床各軸運動指令通過SERCOS接口傳遞給伺服系統實現五坐標數控機床的數控加工；所述運動控制器包括以下單元：人機接口模塊、任務協調模塊、任務生成模塊、軸組模塊、軸模塊、逆運動變換模塊、控制規律模塊和離散邏輯控制模塊，其中：

人機接口模塊，用于負責操作者與控制器之間的交互，還用于(主要)完成在數控系統運行前和運行中數控系統參數的修改和設定；

任務協調模塊，用于進行任務分配以及負責所述運動控制器內各模塊的協調與調度；

任務生成模塊，用于解析零件加工程序文件(NC程序)，提取加工程序中的各種信息并生成包含運動信息的運動段指令和邏輯控制指令，還用于對運動指令進行刀具補償，還用于生成方位曲線和協調樣條曲線；

軸組模塊，用于完成插補任務，對譯碼得到的運動指令按照進給速度要求進行細分，得到單個插補周期內的進給量，并輸出給各個軸模塊；

軸模塊，用于接收來自軸組模塊的指令，同時讀取外部的反饋信息，根據用戶需求選擇性地調用伺服控制規律完成位置控制或速度控制等功能，并將控制信息發送給逆運動變換模塊；

逆運動變換模塊，用于對工件坐標系下表示刀具位置的位置矢量點及表示刀軸方位的刀位矢量點進行逆機床的運動學變換，求取插補周期結束時刻機床各運動軸的位置信息，并將控制信息發送給外部執行單元；

控制規律模塊，用于負責伺服控制規律的計算，提供多種控制策略(如PID控制規律、模糊控制規律和神經網絡等)；

離散邏輯控制模塊，用于負責對外部輸入和內部狀態變量進行布爾運算得到相應輸出和內部狀態變量，并對外部輸入輸出設備進行控制；

上述各模塊單元對外提供可操作、可執行接口以及向用戶提供程序接口；

任務生成模塊生成協調樣條曲線的具體過程為：

根據插補過程中位置曲線兩點間弧長與方位曲線兩點間角度存在一一對應的關系，位置曲線上參數u₁與參數u₂間所夾弧的長度s采用式1計算：