（机械制造及其自动化专业论文）并联机床集成开放式数控系统的研究与开发.pdf

堡! ! 三些壅耋堡主兰鱼迨窒 并联机床集成开放式数控系统的研究与开发 摘要 并联运动机床具有结构和配置形式多样化、运动学设计复杂等特点，相应的数控系统 专用性较强，开发难度较大。根据软件工程思想，本文提出了种并联机床集成开放式数 控系统。该系统的通用模块是译码模块、人机交互模块、刀具轨迹仿真模块等，它们适用 于各种结构并联机构。该平台的非通用模块是并联机构库模块、坐标变换库模块、运动学 变换库模块、运动学仿真库模块等，它们可供用户选择使用。用户可以在本数控平台上， 搭建满足自己需要的数控系统。本数控系统为用户提供了一个统一、集成的设计环境，避 免重复研究，并且缩短了设计周期。本文主要研究内容如下： 根据集成、开放的设计思想，以“i p c 机+ p m a c ”构建数控系统硬件平台。i p c 机作为上位机，完成 实时性要求不高的任务，如译码、仿真等。p m a c 完成实时性要求较高的任务，如插补加工等。 根据软件工程思想和面向对象的设计方法设计开发数控系统软件。以w i n d o w s 2 0 0 0 为 操作平台，以v j s u a lc + + 为编程环境，采用模块化编程技术，设计制作用户界面，并利用 动态链接库实现对p b i a c 运动控制器的直接控制。开发并联集成开放式数控系统的辅助功 能如点动功能、刀补功能和回零功能等。 针对并联机构结构形式多样化的特点，建立并联机构库模块及相应的坐标变换库模块 和运动学变换库模块等，并将其集成到集成开放式数控系统中。用户可以通过智能化人机 界面，对并联机构的结构、参数进行选择和修改。如果并联机构库中的并联机构满足不了 用户的要求，用户可以自行开发并联机构及相应的坐标变换模块、运动学变换模块等，然 后加入到本数控系统中，通过调用通用模块既可以构成能完成特定功能要求的数控系统。 因此，集成开放式数控系统适用于各种并联机床驱动控制。 本数控系统的译码模块可以完成手工编写g 代码的译码工作，还可以对基于m a s t e r c a m 和c o r e l d r a w 软件生成的加工程序文件进行译码，从而可以完成复杂零件的数控加工。 提出了一种新型3 - h s s 三自由度平动并联机构。对并联机构进行运动学分析、尺度综 合及工作空间分析，并完成制作。利用并联机床集成开放式数控系统控制此并联机构加工， 得到正确的加工轨迹。 关键词：并联运动机床，软件工程，数控系统，集成 s t u d ya n dd e v e l o p 淝n to nt h e i n t e g r a t e d o p e n i n gn cs y s t e mf o rp a r a i l e l k 田哪田讧枷c sm a c h l n et o o l a b s t r a c t t h ep a r a l l e lk i n e r n a t i c sm a c h i n et 0 0 1h a st r a i t st h a ta r et h ed i v e r s i f i c a t i o no fs t r u c t u r ea n d c o n f i g u r ea n dt h ec o m p l e x i t yo fk i n e m a t i c sa n a l y s ea n ds oo n n sn cs y s t e mi ss oe x p e r tt h a ti t i sd i 衢c u l tt od e v e l o p b a s e do nt h ei d e ao fs o f t w a r ep r o j e c t t h ep a p e rp r e s e n t sa ni n t e g r a t e d o p e nn cs y s t e mf o rp a r a l l e lk i n e m a t i c sm a c h i n et 0 0 1 t h en cs y s t e m su n i v e r s a lm o d u l e s i n c l u d et h ed e c i p h e rm o d u l e ，t h eh u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o nm o d u l ea n dt h et o o lt r a c k s i m u l a t i o nm o d u l ew h i c hc a l lb eu s e di nc o m m o nb yp a r a l l e lm e c h a n i s m s t h en cs y s t e m s s p e c i a lm o d u l e si n c l u d et h ep a r a l l e lm e c h a n i s m ss t o r e h o u s e ，t h ec o o r d i n a t e sv a r ys t o r e h o u s e m o d u l ea n dt h ek i n e m a t i c sv a r ys t o r e h o u s em o d u l e w h i c hc a l lb es e l e c t e da n du s e db ya l lu s e r s u s e r sc a np u tu pt h en u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e mm e e t i n go n e s e l f sn e e d sb a s e do nt h i sn u m e r i c a l c o n t r o lp l a t f o r mt h en cs y s t e mp r o v i d e saue n v i r o n m e n to fu n i t ya n di n t e g r a t i o n ，w h i c hc a n a v o i ds t u d y i n gn cs y s t e mr e p e a t e d l ya n ds h o r t e n n e dt h ed e s i g nc y c l e a c c o r d i n gt oi n t e g r a t i n g ，o p e nd e s i g nt h o u g h t ，s t r u c t u r et h en u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m a t i c h a r d w a r ep l a t f o r mw i t h ”i p c + p m a c “i p ca st h eh o s tm a c h i n e i tf i n i s h e st h en o tr e a l t i m e t a s k ，f o ri n s t a n c ed e c o d e ，e m u l n i o n ，e t c p m a cf i n i s h e st h er e a l t i m ec h a r a c t e ra n dr e q u i r e s h i 曲e rt a s k ，f o ri n s t a n c ei n s e r ta n dm e n dp r o c e s s i n g d e s i g na n dd e v e l o pt h es o rw a r eo fn cs y s t e m sa c c o r d i n gt ot h es o f tp r o j e c tt h o u g h ta n d t a r g e t o r i e n t e dd e s i g nm e t h o d r e g a r dw i n d o w s 2 0 0 0 a st h eo p e r m i n gp l a t f o r m ，r e g a r dv i s u a lc + + a st h ep r o g r a m m i n ge n v i r o n m e n t a d o p tm o d u l ep r o g r a m m i n gt e c h n o l o g y , i si tm a k eu s e r i n t e f f a c et od e s i g n u t i l i z et r e n d sc h a i ns t o r e h o u s er e a l i z em o v et h ed i r e c t i o n a lc o n f f o lo ft h e c o n t r o l l e rt op m a c d e v e l o pi n t e g r a t eo p e nn cs y s t e m sa u x i l i a r yf u n c t i o ns u c ha sm o v e f u n c t i o n ，c u t l e rc o m p e n s a t ef i m c t i o na n dg oh o m ef u n c t i o n ，e t c a i ma tt 1 1 ep a r a l l e lm e c h a n i s m s s t r u c t u r ef o r md i v e r s i f i e dc h a r a c t e r i s t i c s s e tu pt h e p a r a l l e lm e c h a n i s m sl i b r a r ym o d u l ea n dc o r r e s p o n d i n gc 0 0 r d i n a t ev a r yl i b r a r ym o d u l ea n d k i n e m a t i c sv a r yl i b r a r ym o d t i l ee t c a n di n t e g r a t ei tt ot h ei n t e g r a t eo p e nn cs y s t e m u s e r sc a n c h o o s ea n dr e v i s et h em e c h a n i s m s s t r u c t u r ea n dp a r a m e t e ri np a r a l l e lm e c h a n i s m st h r o n g ht h e i n t e l l i g e n tm a n - m a c h i n ei n t e r f a c e i f p a r a l l e lm e c h a n i s m si ut h ep a r a l l e lm e c h a n i s m sl i b r a r yc a l l n o tm e e tt h er e q u e s t so fu s e r s ，u s e r sc a nd e v e l o pt h ep a r a l l e lm e c h a n i s m sa n dc o r r e s p o n d i n g c o o r d i n a t ev a r ym o d u l e ，k i n e m a t i c sv a r ym o d u l ee t c ，b yo n e s e l f t h r o u 对lt r a n s f e ri nc o i n n 3 0 n u s em o d u l ec a r lf i n i s hs p e c i f i cf o n c t i o nr e q u i r en cs y s t e m s o t h ei n t e g r a t eo p e nn cs y s t e mi s s u i t a b l ef o rv a r i o u sk i n d so f p a r a l l e lm e c h a n i s m st od r i v ea n dc o n t r 0 1 t h ed e c o d em o d u l eo f 廿l i sn cs y s t e mm a yf i n i s hd e c o d et h egc o d eo f w r i t i n gb yh a n d c a n a l s od e c o d eo nt h eb a s i so ft h ep r o c e s s i n gp r o c e d u r ef i l et h a tm a s t e r c a ma n dc o r e l d r a w s o f t w a r et u r ni n t o t h u st h en cc a nf i n i s ht h ec o m p l i c a t e dp a r t sp r o c e s s p r o p o s eo n en e w - t y o e3 h s s 也r e ed e g r e eo ff r e e d o mp a r a l l e lk i n e m a t i c sm a c h i n et 0 0 1 c a r r yo n k i n e m a t i c sa n a l y s i s ，y a r d s t i c ks y n t h e s i z i n ga n dw o r k s p a c ea n a l y s i st ot h em e c h a n i s m o fc o n n e c t i n gi np a r a l l e l ，a n df i n i s hm a k i n g u t i l i z et h ei n t e g r a t eo p e nn cs y s t e mc o n t r o lt h i s p a r a l l e lk i n e m a t i c sm a c h i n et o o lt op r o c e s s a n dg e tt h ec o r r e c tp r o c e s s i n go r b i t k e yw o r d s ：p a r a l l e l k i n e m a t i c sm a c h i n et o o l ，s o l w a r e e n g i n e e r i n g ，r l cs y s t e m ， i n t e r g r a t e d 第一章绪论 1 - 1 引言 并联机床( 亦称虚轴机床) 是9 0 年代中期问世的一种新型数控加工装备，其基本特征是安装刀具的 动平台由多个支路联接到固定平台，通过这些支路上的运动副( 主动副) 驱动平台运动咀改变工具在空间 的位置和姿态，从而实现刀具相对工件的进给运动，如图1 1 示。并联机床实质上是并联机器人技术与 机床技术相结合的产物，它与传统结构形式的数控机床相比具有许多优点。传统机床中，驱动刀具与工 件作相对运动的进给轴按照笛卡尔坐标布置，为串联、开链结构。为了实现5 轴加工，需在传统的3 轴机床上再增加两个轴来控制刀具的姿态，所有这些轴都按串联结构布置。当一个轴运动时，需带动串 联运动链上后面的所有轴一起运动，因此其运动惯性大，动态性能较差，同时，产生的切削力沿开链传递， 使每一部件的缺陷都会对切削精度产生影响。这种机床的优点是各轴运动相互独立，运动控制比较简单 【1 一 图1 1 典型的并联机床原理简图 f i g 1 1t h ef i g u r eo f t y p et h ep a r a l l e lk i n e m a t i c sm a c h i n et o o l 基于并联机器人开发的并联机床，由于其运动平台由几个简单的串联运动链并行驱动，与传统串联 结构鲶机床相e e ，具有如下优点：( 1 ) 系统刚度重量比大。因采用并联、闭链抒系结构，在准静态情况下传 动构件理论上为仅受拉、压载荷的二力杆，故传动机构的单位重量具有很高的承载能力：( 2 ) 响应速度快。 运动部件惯性的大幅度降低有效地改善了伺服控制器的动态品质，允许动平台获得很高的迸给速度和加 速度。因而特剐适合于各种高速数控作业：( 3 ) 机械本体的体积精度较高。各关节误差能够相互抵消一部 分，而串联结构机床各关节的误差是积累的：( 4 ) 环境适应性强。易于可重构和模块化设计，可构成形式多 样的布局和自由度组合：( 5 ) 技术附加值高。并联机床具有“硬件”简单、“软件”复杂的特点，是一种 技术附加值很高的机电一体化产品。因此，并联机床是种具有良好应用前景的新代制造装备。 国内外学术界和工程界对研究和开发并联机床都非常重视。1 9 9 4 年在芝加哥国际机床博览会 ( i m t s 9 4 ) 上首次展出了称为“六足虫”( h e x a p o d ) 和“变异型”( v a r i a x ) 的数控机床与加工中心并引 起了轰动。此后，各主要工业国家都投入了大量的人力和物力进行并联机床的研究与开发。如美国 i n g e r s o l l m lj n g 公司、g i d d i n g s & l e w i s 硷司和h e x a l 公司，英国6 e o d e t i c t e c h n o l o g y 公司，俄罗斯 一一一一! 堑些鏖堑五筮蕉堑堡丕统笪受窭皇五筮 l a p i k 公司，德国m i k r o m a t 公司、亚琛工业大学、汉诺威大学、斯图加特大学，挪威m u l t i c r a f t 公司， 瑞士e t z h 和i f w 研究所，瑞典n e o s 机器人公司，意大利c o m a u 机床公司，丹麦b r a u n s c h w e i g 公司，日本 丰田公司、日立公司、三菱公司，韩国s e n a t e c h n o l o g i e s 公司等单位相继研制出不同结构形式的数控机 床、激光加工和水射流机床、坐标测量机等基于并联机构的制造设备。并联机床所涉及的基本理论问题 同样引起了许多研究单位的重视，由美国国家科学基金会动议，1 9 9 8 年在意太利召开了第一届国际并联 运动学机器专题研讨会，2 0 0 0 年在美国召开了第二届国际并联运动学机器专题研讨会。我国己在国家 “九五”科技攻关计划和“8 6 3 ”高技术发展计划中对并联机床的研究与开发予以支持。中国科学院沈 阳自动化研究所、清华大学、天津大学、哈尔滨工业大学、东北大学、河北工业大学等单位的研究人员 也在积极从事并联机床领域的研究工作，并与相关企业合作研制了数台结构形式各异的样机。基于并联 机器人的多坐标数控机床研究己成为机器人研究领域以及机床制造领域的研究热点。目前，国内外所推 出的各种并联机床大多数都是单纯利用并联机构( 尤其是其中的s t e w a r t 平台机构) 来构造机床( 也有一 些在并联机构的动平台上再串接一、两个转动关节以增加工具的姿态空间) 。根据其相应的并联机构所 具有的自由度主要有6 自由度( 6 条腿) 以及3 自由度( 3 条腿) 两类：按照各分支链的驱动方式可分为两神 形式：一种形式为各分支链( 定长杆) 的一端通过滑块( 或丝杠螺母副) 沿固定平台导轨移动( 简称“腿滑 动”) 来改变动平台的位置及姿态：另一种形式为通过各分支链杆长的伸缩( 简称“腿伸缩”) 来改变动平 台的位置及姿态“1 。 “腿伸缩”的6 条腿机床现在已推出的并联机床机型中，大多数属于这种类型。这类机床所采用的 并联机构就是最典型的6 自由度s t e w a r t 平台，如图1 1 示。即动平台通过6 条可伸缩的腿与固定平台 相连，通过控制6 条可伸缩腿的长度来驱动动平台运动以改变动平台在空间的位置和姿态。这种形式的 典型代表为美国i n g e r s o l l 公司的“八面体六足虫，0 c t a h e d r a l h e x a p o d ) ，该公司的第一代产品v o h 一1 0 0 0 为立式布局，其第二代产品h o h 一6 0 0 改为卧式布局，该型机床也是世界上首台卧式布局的基于6 自由度 s t e w a r t 平台的并联机床。卧式布局极大地改善了工件的可接近性，也改善了工作空间对机床所占体积 之比。h o h - 6 0 0 型的x 、y 、z 轴行程分别为6 0 0 m m 6 0 0 m m 8 0 0 m m ：a ，b 轴均为1 5 。：工作台为6 3 0 m m x 6 3 0 m m 的分度转台，故可实现5 轴四面加工。刀具的最大进给速度为3 0 m m i n ，加速度为0 5 9 ，主轴转 速为o - - 2 0 0 0 0 r m i n ：最大功率为3 7 5 k w ：最大扭矩为4 91 n m 。刀库放置在机床的左侧，容量为4 0 或8 0 把刀。换刀时刀库进入工作区，换刀后退出，无机械手，空间精度为0 0 2 m m 。德国m i k r o m a t 公司的6 x 型机床为立式布局的“腿伸缩”的6 条腿机床，他们以主轴筒体取代了动平台，3 条腿位于简体上部， 另3 条腿位于筒体下部。如此连接有利于主轴有倾角时受力均匀，机床的固有频率很高，主轴运转极平 稳。国内开发的并联机床中也有几台属于这种类型，都采用了立式布局。清华大学与天津大学联合开发 的v a m t i y 型虚拟轴机床原型样机于1 9 9 7 年底完成。哈尔滨工业大学在c i m t 9 9 上展出了b j 系列的“腿 伸缩”6 条腿机床。在c i m t 2 0 0 1 上，该校又与哈尔滨量具刃具厂联合推出了称为“新一代并联机床” 的“腿伸缩”结构6 条腿机床，据介绍该机机床的加工范围为4 0 0 6 0 0 m m ：主轴最大姿态角2 7 。：主轴 电机功率为9 k w ；主轴转速1 0 8 0 0 0 r m i n ：重复精度为0 0 0 2 m m ：定位精度为0 0 1 5 m m ：机床外形尺寸为 1 8 0 0 m m x l 5 0 0 m m 2 3 0 0 m m 。在c i m t 2 0 0 1 上还展出了一台由清华大学与昆明机床股份有限公司联合研 制的x n z 6 3 数控镗铣虚拟轴机床，x n t 6 3 采用上下平台均分层的s t e w a r t 机构，如此安排能有效降低各支 链干涉的可能。该机床主要技术指标为：作业空间4 0 0 m m 4 0 0 m m x3 0 0 m m ；刀具摆角为2 5 。：定位精度 为0 0 2 n ：最大速度为1 5 m m i n ：主轴转速0 8 0 0 0 r m ie l ，主轴功率为1 0 k w ”1 “。 “腿滑动”的6 条腿机床这类机床的6 条腿眭度固定，通过腿的一端在机架导轨上滑动来改变动平 台的位置、姿态。例如瑞士联邦技术学院机床和制造研究所提出的6 滑块机构( h e x a g l i d e ) ，共有3 条水平 方向的导轨，每条导轨上有两个腿座在上面作相互平行的直线运动，6 根杆长度固定，结构简单，内不含滚 珠丝杠副，也就没有引起热变形的热源，工件可接近性好。此外，日本丰田工机推出的h e x a m 也属于这种 类型，该机床6 条定长的腿通过滑块在倾斜布置的6 根导轨上滑动，来改变动平台的位置、姿态，从而实现 刀具相对工件的进给运动。进给电机可以固定在机座上是这类机床的一个显著优点。“腿伸缩”的3 条 腿机床这种形式的机床通过改变3 条可伸缩腿的长度来实现动平台的3 个自由度的运动，一般都需要采 取一些措施约束掉动平台不需要的自由度。其典型代表为意大利c o m a u 机床公司和瑞典n e o s 机器 2 人公司的t r i c e p t ，t r i e e p t 的并联机构部分具有3 个自由度，靠外侧3 条腿长度( 每一分支链从动平台到机座 的长度) 的变化来使动平台实现3 个自由度的运动，中间的杆件起约束作用以限制不需要的动平台自由 度，其中瑞典n e o s 机器人公司在2 0 0 0 年9 月的美国芝加哥国际机床展览会( i m t s 2 0 0 0 ) 上展出了 t r i c e p t t r 8 4 5 加工中心，为实现5 轴加工，该机床在动平台上串接了两个转动关节，机床进给速度达9 0 m m i n ，加速度2 9 ，体积定位精度达到5 0um ，重复精度为1 0hm ，主轴功率为3 0 4 5 k w ，主轴转速为 2 4 0 0 0 3 0 0 0 0 r m i n ：刀库容量1 2 把刀，换刀时间5 l o s 。东北大学研制的d s x 5 7 03 条腿并联机床， 也采用了这种“腿伸缩”的结构。该机床利用其中间的空间平行机构约束动平台的3 个转动自由度，在 3 根伸缩杆的驱动下，动平台实现3 维平动。2 4“腿滑动”的3 条腿机床这类机床的3 条腿| 丈度固定， 通过腿的一端在机架导轨上滑动来改变动平台的位置、姿态，一般也需要采取一些措施约束掉动平台不 需要的自由度。德国斯图加特大学机床与制造设备控制技术研究所推出的l i n a p o d 3 条腿机床，采用两条 平行的杆等效于一条腿，其动平台具有x 、y 、z 方向的3 个移动自由度。在c i m t 9 9 上展出的天津大学 与天津第一机床总厂合作研制的l i n a p o d 3 条腿并联机床，每一条腿由3 根平行杆组成，构成带冗余约束 的空间四边形结构，通过每条腿的一端在立柱上移动进而使动平台实现3 维平动“2 。”1 。在c i m t 2 0 0 1 上 展出了大连机床集团与清华大学合作研制的d c b 5 1 0 五轴联动并联机床，该机床的并联机构部分具有3 个自由度，为一种采用两条平行的杆等效于一条腿的“腿滑动”的3 条腿并联机构，其动平台实现3 维平 动，为实现5 轴加工，该机床在动平台上串接了两个转动关节。 不可否认，尽管从理论上讲，并联机床优越性明显，但要真正成熟实用还有一段漫长艰苦的路程要 走。从目前情况看，尚有一些关键技术需要进一步加以解决。 精度问题目前由于尚无有效手段对并联机构动平台的位、姿信息进行实时检测，因而无法直接对动 平台实现全闭环控制。虽然通过精度设计与运动学标定能够改善机床的精度，但与传统机床相比尚有很 大差距。因此，从控制、传感、检测等方面研究直接对动平台实现全闭环控制的方法是解决并联机床精 度问题的最终出路。 关键基础件的研究并联机床所需的关键基础件，包括功率体积比大的高速电主轴单元、高速高性能 直线电机、精密丝杠导轨副以及高精度、高刚度、大转角范围的球铰链等。目前，国外已有专业厂开发 出一些产品，但尚有许多工作要做。 相关的并联机构理论问题例如，建立概念设计的系统方法( 配置形式、布局的确定等) ：实用的工作空 间描述方法( 包括位置空间、姿态空间) ：奇异位形分析、支链干涉及碰撞检查的实用方法：动力学建模及 整机动态设计方法等。考虑并联机床特点的数控系统并联机床与传统机床的本质区别在于动平台在笛卡 尔空间中的运动是关节空间伺服运动的非线性映射( 又称虚实映射) 。进行位置控制时，必须通过位置逆 解模型将事先给定的刀具位姿及速度信息变换为伺服系统的控制指令，并驱动并联机构实现刀具的期望 运动。因此，应针对并联机床的这些特点研究开发相应的数控系统，网络环境下具有开放式体系结构的数 控系统是并联机床的理想选择。 并联机床性能评价标准由于并联机床与传统机床在运动学方面存在本质区别，传统机床的性能评价 标准难以全面、准确地反映并联机床的性能特点。因此，应尽快建立针对并联机床特点的性能评价标准。 在研究解决上述问题的同时，可以同步进行并联机床的开发、应用研究。根据目前的现状，可以从以 下几个方面着手：( 1 ) 寻找用传统方法难以解决问题、而并联机床又能够解决的应用场合。例如需要用强 力压配合的自动装配以及用多个并联机床单元构成一个系统对一些大型、特大型的零、部件或整机进行 各种加工。( 2 ) 有些任务用传统方式也可以完成，但用并联机床可以更好、更经济地完成，例如用砂轮或铣 刀打毛刺、导角、钻油孔：当加工对象为木材、塑料、铝材等易切削材料，且加工精度要求不是特别高时 可考虑用并联机床。( 3 ) 虽然并联机床暂时难以达到高档传统机床的精度，但有许多并联机床的现有精度 水平己能满足要求的应用场合，在这些场合可以考虑使用并联机床”1 。 传统机床的发展已有数百年的历史，而并联机床的出现才不几十年的时间，期望短期内一下子就能 解决并联机床在理论和实践上的一系列难题是不现实的：同样，在并联机床发展过程中暂时碰到一些难 题就认为并联机床没有前途、难以最终走向市场同样是不可取的。正确的态度应把并联机床看成是传统 机床的补充，并通过不断的研究、开发在更多的场合取代传统机床。同时，在研究开发并联机床的过程中 ：；：叁壁垫壁叁堕垂墅垒垄! 墼至筮墼堡! i 耋五蕉 应注意充分吸收、借鉴传统机床中使用成熟的技术、结构形式。也正因为并联机床仍面临诸多的难题才 需要广大机器人学以及机床制造领域的工作者坚持不懈地努力，去探索、解决这些问题。毫无疑问，并联 机床具有良好的前景、广阔的市场。 由于并联机床的结构不同于传统的机床，其数控系统也不同于传统的数控系统，需要数控系统实现 坐标变换及运动学变换的功能，而不同的机构对应不同的坐标变换和运动学变换，而传统的并联机床数 控系统只针对一种数控机床，专用性强而开放性差，不利于二次开发，这样给开发并联机构的数控系统 带来了困难。只有开发研制能较方便地增加专用功能的带有个性化的数控系统才能切实地满足多样化、 专业化市场的需求。根据软件工程思想，本文提出了一种新型并联机床集成开放式数控系统。本数控系 统可以为用户提供了一个统一。集成的设计环境，避免重复研究，并且缩短了设计周期。 1 _ 2 开放式数控系统 开放式数控系统是数控系统发展的大方向，是计算机硬件技术、信息技术、控制技术、融入数控技 术的产物。开放式数控系统具有强大的适应性和灵活配置能力，能适应各种设备可灵活配置，随意集成； 所采用的控制软件具有及时扩展和联结功能，可以顺应新技术的发展，加入各种新功能；不仅自 适应计 算机技术和信息技术的快速更新换代，而且能有效保护用户原有投资；操作简单，维护方便；遵循统一 的标准体系结构规范，模块之间具有兼容性，部件具有互换性和互操作性。 以下简述开放式数控系统产生的背景、概念、特点。阐明了开放式数控系统的指导思想、结构、形 态。论述开放式数控系统的现状、面临课题和发展趋势。 l 一2 1 开放式数控系统产生的背景 机电工业系统中随着技术、市场、生产结构等方面的快速变化，对数控系统提出了更高的要求： 希望能够根据不同的加工要求、迅速、高效、经济地构筑面向客户的控制系统；逐渐降低生产厂家对控 制系统的高依赖性；大幅度降低维护和培训费用；改变过去数控系统的封闭性设计模式，适应未来车间 面向任务和订单的生产模式，使底层生产控制系统更简便有效。在这种背景下开放式数控系统应运而生。 开放式数控系统的主要目的是解决当今变化繁杂的需求与过去控制系统专一固定框架之间的矛盾， 使数控系统易变、紧凑、廉价。开放式数控系统发展的任务从技术上分析，有五大方面：控制、感测接 口，执行器，软件。 ( 1 ) 控制器技术在p c _ n c 方面为提高其智能化要求做到生产厂家根据产品具体情况自由选用电 机和放大器；p l c ( 可编程控制器) 的输入点数和处理速度用户自由确定；自由曲线、自用曲面形成的插 补函数成组化；软件的标液化范围扩大：有各种情况适用的c p u 可增设存储器。 ( 2 ) 接口技术在p c n c 方面为进一步网络化，要求具有情报功能与操作标准化；能接受企业的 c a d c a m 情报；可实现与工厂c a d c a e c a t 系统连接。 ( 3 ) 执行技术要求开发各种执行器，包括高速切削主袖，气压轴承，液压轴承陶瓷轴承，高速 移动直线电机，高精度定位和真圆度专用电机等。 ( 4 ) 软件技术要求开发相应高级语言叙述的有关情报简明记述自由曲线和曲面表述不同水平 的数据；专用宏命令的通用性，积极采用网络技术”1 。 开放式n c 的概念：参照i e e e 对开放式系统的规定，笔者认为：一个真正意义上的开放式n c 必须提 供不同程序协调运行于系统平台之上的能力，提供面向功能的动态重组工具，提供统一标准化的应用程 序用户界面。开发式n c 既有接口的开放性问题，又有自身功能开放性问题，它具备以下特点： ( 1 ) 开放性提供标液化环境的基础平台，允许不同功能的模块介入。 ( 2 ) 移植性不同应用程序模块能运行于不同厂家生产的系统平台上，同时，系统的软件平台也可 运行于类型和特性不同的硬件平台上。 ( 3 ) 扩展性功能的增减只舞功能模块的装卸。 4 虑注意充分吸收、借鉴传统机床中使用成熟的技术、结构彤式。也正因为并联机床仍面临诸多的难题才 需要广大机器人学以及机床制造领域的工作者坚持不懈地努力，去探索、解决这些问题。毫无疑问，并联 机床具有良好的前景、广阔的市场。 由于并联机床的结构不同于传统的机床，其数控系统也小同于传统的数控系统，需要数控系统实现 坐标变换及运动学变换的功能，而不同的机构对应不同的坐标变换和运动学变换，而传统的并联机床数 控系统只针对一种数控机床，专用性强而开放性差，不利于二次开发这样给开发并联机构的数控系统 带来了困难。只有开发研制能较方便地增加专_ ； j 功能的带有个性化的数控系统才能切实地满足多样化、 专业化市场的需求。根据软件丁程思想，本文提出了一种新型并联机床集成开放式数控系统。本数控系 统可以为用户提供丁一个统一t 集成的设计环境，避免重复研究，并且缩短了漫计周期。 1 - 2 开放式数控系统 开放式数控系统是数控系统发展的大方向，是计算机硬件技术、信息技术、控制技术、融入数控技 术的产物。开放式数控系统具有强大的适应性和灵括配置能力，能适应粹种设备町灵活配置，随意集成； 所采用的控制软件具有及时扩展和联结功能，可以顺应新技术的发展，加入各种新功能；不仪能适应计 算机技术和信息技术的快速更新换代，而且能有效保护用户原有投资：操作简单，维护方便；遵循统一 的标准体系结构规范，模块之间具有兼容性，部件具有互换性和互操作性。 以下简述开放式数控系统产生的背景、概念、特点。削明了开放式数控系统的指导思想、结构、形 态。论述开放式数控系统的现状、面临课题和发展趋势。 1 - 2 1 开放式数控系统产生的背景 机电_ 业系统中随着技术、市场、生产结构等方面的快速变化，对数控系统提出丁更高的要求： 希望能眵根据不同的加工要求、迅速、高效、经济地构筑面向客户的控制系统：逐渐降低生产厂家对控 制系统的高依赖性；大幅度降低维护和培训费用；改变过去数控系统的封闭性设计模式，适应未来车间 面向任务和订单的生产模式，使底层生产控制系统更简便有效，在这种背景下开放式数控系统应运而生。 开放式数控系统的主要目的是解决当今变化繁杂的需求与过去控制系统专一固定框架之间的矛盾， 使数控系统易变、紧凑、廉价。开放式数拧系统发展的任务从技术上分析有五太方面；控制、感测接 口，执行器，软件。 ( 1 ) 控制器技术在p c _ 堋方面为提高其智能化要求做到生产厂家根据产品具体情况自由选用电 机和放大器；p l c ( 可编程控制器) 的输入点数和处理速度用户自由确定；自由曲线、自用曲面形成的插 补函数成组化；软州的标液化范围扩大；有各种1 隋况适用的c p u 町增设存储器。 ( 2 ) 接口技术在p c n c 方面为进一步网络化，要求具有情报功能与操作标准化；能接受企业的 c a d c 心情报，可实现与工厂c a d c a e c a t 系统连接。 ( 3 ) 执行技术要求开发释种执行器包括高速切削主袖，气压轴承，液压轴承陶瓷轴承，高速 移动直线电机，高精度定位和真剜度专用电机等。 ( 4 ) 软件技术要求开发相应高级语言叙述的有关情报简明记述自由曲线和曲面表述不同水平 的数据；专用宏命令的通用性。积极采用网络技术+ 川。 开放式n c 的概念：参照i e e e 对开放式系统的规定，笔者认为： 个真正意义上的开放式n c 必须提 供不同程序协调运行于系统平台之上的能力，提供面向功能的动志重组工具，提供统一标准化的应用程 序用户界面。开发式n c 既有接口的开放性问题，又有自身功能开放性问题，它具备以下特点： 1 ) 开放性提供标掖化环境的基础平台，允许不同功能的模块介八， ( 2 ) 移植性不同应用程序模块能运行于不同厂家生产的系统平台上，同时，系统的软件平台也可 运行于类型和特性不同的硬件平台上。 ( 3 ) 扩展性功能的增减只需功能模块的装卸。 ( 3 j 扩展性功能的增减只需功能模块的装卸。 ( 4 ) 替代性性能和可品性不同盼功能模块可代替，不影响系统协调运作。 ( 5 ) 操作性拥有标准化接口通信和交互模型。开放性发展从全新角度分析和实现系统的控制功 能，强调向模块化、平台化、工具化、标准化发展。 开放式数控系统的指导思想是： ( 1 ) 利用p c 件技术p c 的可品性和计算能力飞速发展，硬件实现了标准化。p c 支持软件有许多功 能：友好的界面，图象显示，动态仿真，数控编程，故障诊断，网络通讯等。采用程序开发工具，通用 编程语言编制软件模块替代原有模块，方便厂家和个人添加自己特异功能的模块。 ( 2 ) 模块化系统的模块化建立在各种功能要素的逻辑分析之上，将功能分解为逻辑上独立的模块， 实现模块间标准接口的联结，实现“即插即用”。 ( 3 ) 动态配置系统为了实现更灵活的配置和更友好的操作，规定开放式发展能够在系统启动、运 行状态下实现动态配置。基于系统拓扑结构的动态生成其包括构成要素、参数化构成功能、构成要素 问信息流的传递等。 ( 4 ) 移植性开放式n c 要求定义的数据、命名规范、用户接口等有利于不同系统平台的实现。就软 件讲，采用分层设计或用户服务器模式设计应用程序，与软硬件平台相关部分置于底层，便于替换， 容易实现移植。 ( 5 ) 可扩展开放式n c 实现用户或二次开发者安全有效地将自己软件集成到n c 系统中、形成自己 专用系统。方法有两种：一是用固定模块内部结构，预留插入用户专用软件接口；二是提供用户意见 a p i 和编程规范，供用户编制专用模块。 ( 6 ) 鼓励产业界参与开发式n c 发展需求开放性氛围，积极鼓励企业参加研究工作，企业主动参加 或主持研究。 开放式n c 的结构：根据前述定义，其结构分两部分：统一的系统平台，由各功能结构单元对象 ( a r c h i t e c t u r eo b j e c t ) 构成的实用软件模块。 ( 1 ) 系统平台由系统硬件和系统软件构成。硬件由功能需求决定软件分三部分：系统核心如操 作系统，通讯系统，状态的实时配置系统等；可选的系统软件如数据库系统，图形系统等；标准的应用 程序界面( a p ia p p l i c a t i o np r o g r a mi n t e r f a c e ) 是系统功能元对象进入系统平台的唯途径，一方面 隐含系统平台提供服务的真实实现，使软硬件独立；另一方面不同功能元对象在各种类型平台上有统一 界面。系统核心是控制运行基础，系统内部通讯参照i s o o s i 的模型，遵循面向消息的通讯机制 ( m e s s a g eo r e n t e dc o m m u n i c a t i o n ) 。系统与外部上级通讯基于标准协议如m a p 。c n m a ：系统与内部下 层系统通讯适应标准的驱动接口和域总线。实时配置系统是开发式n c 发展的关锡。系统平台开发关锡 是面向对象软件技术、软件重构技术、通讯技术以及各种接口规范的建立和应用。 ( 2 ) 系统参考结构它精确描述功能元与功能模块间的关系，模块间的关系定义各模块和各功能 元的行为及属注，模块和功能元与系统平台问界面。保证各厂家的功能模块在不同平台上工作。n c 参 考结构的开发性、柔性、对控制功能元对象的抽象有效性，是各控制功能既独立又协调的保证。系统参 考结构建立的关键是，在分析掌握原有系统功能和实现基础上，运用成组技术、面向对象技术等工具， 将功能分解和划分分析抽取控制功能共性和特殊性，明确和规定功能模块和功能元行为以及它们相互 操作界面。 “ 开放式n c 的现状：自1 9 5 2 年第一台数控机床诞生以来。数控系统的发展经历了两个阶段和六代： 从1 9 5 2 1 9 7 1 年为硬件连接数控( n c ) 阶段，这一阶段经历了三代、即第一代( 1 9 5 2 年) 电子管、第二代 ( 1 9 5 9 年) 晶体管和第三代( 1 9 6 5 年) 小规模集成电路；从1 9 7 0 年起，进入计算机数控( c n c ) 阶段，这一 阶段也经历了三代、b 口第四代( 1 9 7 0 年) 小型计算机、第五代( 1 9 7 4 年) 激处理器和第六代( 1 9 9 0 年) 基于 p c 的数控“一“。 进入9 0 年代以后，基于个人计算机( p c ) 的数控系统( 简称p c n c ) 成为e n c 发展的主要方向，主要特 点为： ( 1 ) 成本低。采用p c 作为控制系统的核心、可以节省开发专用硬件的费用，从而大大降低系统的 成本。 ( 2 ) 具有开放性。p c 总线是一种开放性总线，这使得p c n c 的系统体系结构具有开放性、模块化、 可嵌入的特点。机床厂和用户一方面可以根据需要选择合适的软硬件模块，以最低的成本组成性能最佳 系统，另一方面也可方便地进行二次开发，追加系统功能，实现功能的个性化。 ( 3 ) 软件开发环境完各。市场上大量的p c 软件开发工具使系统开发工作量大大减少。 ( 4 ) 软件资源丰富。各种