现代数控技术

1、开放式数控系统开放式数控系统 并联机床并联机床第第8 8章章 现代数控技术现代数控技术 第第8 8章章 现代数控技术现代数控技术【内容提示内容提示】介绍开放式数控系统产生背景、基本特征，国内外开放式数控系统的研究动向，及其涉及的关键技术；并联机床的发展历程，相关的设计理论、关键技术和控制技术。 【学习方法学习方法】本章学习时，应注意联系前面章节内容，对比当前数控系统实现技术的变化，结合数控实验了解开放式数控系统的开发方法 。8.1 8.1 开放式数控系统开放式数控系统第第8章章 现代数控技术现代数控技术 p 优化制造过程的计划和调度是减少95%时间的主要手段。p 底层加工设备信息是实现计划和调

2、度的前提。p 制造系统底层数字化加工装备以为主。 5% + 95% = 美国Ingersoll公司分析表明传统的机械零件加工过程：第第8章章 现代数控技术现代数控技术 p 现代制造业的发展趋势国内制造业发展的瓶颈瓶颈8.1 8.1 开放式数控系统开放式数控系统第第8章章 现代数控技术现代数控技术 1、开放式数控系统的产生背景p 数控机床的发展方向对控制器提出了更高要求。生产系统的分散化和开放化生产系统的分散化和开放化的需求用户和机床厂用户和机床厂对附加技术的要求 控制器生产厂商控制器生产厂商追求高质量、低成本和提高产品竞争力的需要 p 数控系统必须“开放”，以满足控制器重新配置、修改、扩充和改

3、装，甚至重新生成的需要。1、开放式数控系统的产生背景第第8章章 现代数控技术现代数控技术 p 生产系统分散化和开放化促进了控制器的开放化。 计算机集成制造的实现形式朝分散型发展，这样更符合实际生产方式的需要。 生产系统提出制造设备开放化要求。CNC要与PC兼容或至少能方便的联网，能够独立、自主的完成一定的任务(包括简易的CADCAM集成，局部的调度和工艺规划，局部的故障监控以及向上一级控制器汇报工作情况等)。1、开放式数控系统的产生背景第第8章章 现代数控技术现代数控技术 p “开放”来自生产设备的客观需要。数控系统中的许多参数数控系统中的许多参数要根据机床的实际情况设定，以供机床制造商调整和

4、修改。（控制器生产商提供的数控系统大多是全功能的数控系统）在生产过程中，控制器也有重新配置控制器也有重新配置，甚至重新生成，满足形成模块化柔性生产系统。 1、开放式数控系统的产生背景第第8章章 现代数控技术现代数控技术 p 机床制造厂推动控制器的“开放化” 数控设备制造厂、机床制造厂各自独立开发产品。市场呼吁机床生产厂和数控系统生产厂联手，开发新一代的数控系统，支持用户二次开发，能够将用户和机床生产商的经验放入数控系统。 功能日益强大的CNC特殊产品加工经验及需求国内数控系统生产方式p 国外数控系统国内的设备本体国内大部分专业数控设备生产厂家所采用的方式，一般国外专业数控系统用得比较多的，如:

5、日本的FANUC,德国的SIEMENS等。p 单片机等为处理器的简易数控系统设备本体国内具备这样能力的厂家比较少，如：现在的华中理工大学、南京数控设备研究所等。p 计算机(PC)运动控制卡设备本体主要以试验数控系统为主，工业级很少。第第8章章 现代数控技术现代数控技术 国内数控系统生产方式-国外数控系统设备本体方式国外数控系统设备本体方式第第8章章 现代数控技术现代数控技术 封闭的封闭的CNC内核内核机床本体机床本体按照具体按照具体生产需求生产需求u软硬件专用，不同厂家互不兼容；u自身的技术经验难以集成；u系统封闭，二次开发困难；u网络功能不能满足信息集成和设备组态的要求。存在的问题：8.1

6、8.1 开放式数控系统开放式数控系统第第8章章 现代数控技术现代数控技术 2. 开放式数控系统的基本特征p 开放式数控系统已经成为当前控制器研究的热点。 p “开放式”的定义并没有统一的定义和标准。 p 从当前世界各国的有关开放式控制器的研究计划中看，开放式控制器应当具有以下基本特征：模块化模块化标准化标准化平台无关化平台无关化可二次开发可二次开发适应网络操作方式适应网络操作方式8.1 8.1 开放式数控系统开放式数控系统第第8章章 现代数控技术现代数控技术 3. 国外开放式数控系统的研究动向p 目前各国都在进行开放式体系结构数控系统的研究。 美国的美国的OMACOMAC、 欧洲欧洲OSACA

7、OSACA、 日本的日本的OSECOSEC计划；计划； 中国的中国的ONCONC计划计划 p 我国开放式数控系统有关接口、通信、软硬件平台和试验验收等相关部分标准还未完全形成。 国家中长期科学和技术发展规划纲要国家中长期科学和技术发展规划纲要、863863计划计划“十一五十一五”发展纲要发展纲要提出了数控装备自主创新的要求，为实现自主研发掌握数控系统核心技术提供了契机。8.1 8.1 开放式数控系统开放式数控系统第第8章章 现代数控技术现代数控技术 （1）美国开放式的发起者p 在1989-1994年中，由美国国防委托Martin Marietta Astronautics(马丁-马瑞塔航天研究

8、所)研究的NGC计划，标志控制器开放化时代的开始。目前，美国GM、Ford、Chysler与控制器厂商合作，开发基于PC的开放式模块化控制器OMAC，其目标是实现：开放性：把现成硬件部件集成到标准控制环境中。 模块化：允许部件“即插即用” 可塑性：控制器变化时，能方便而有效地进行再构造 可维护性：支持最长机床在线时间和最短机床离线时间，易于维修。 8.1 8.1 开放式数控系统开放式数控系统第第8章章 现代数控技术现代数控技术 （1）美国开放式的发起者p NGC的体系结构建立在虚拟机械的基础上。p NGC技术的重要功能概念是策略。NGC系统体系结构图 NGC技术中的策略 工程实例8-1：PMA

9、C-NC数控系统p Deta Tau公司是美国开放式控制器方面的旗手，其PMAC-NC是基于PC+NC板卡结构的数控系统。针对不同用户提供了不同程度的开放：（1）对于一般用户一般用户，PMAC-NC提供了配置软件，可以配置控制轴数、联动轴、伺服参数和I/O表；（2）对于高级用户高级用户，Deta Tau提供关于PMAC-NC的 DLL，可供用户使用VC+、VB等开发工具自行开发菜单和基本操作界面；（3）对于数控装备数控装备OEM厂商厂商，Deta Tau提供关于PMAC-NC的全部C+代码。 8.1 8.1 开放式数控系统开放式数控系统第第8章章 现代数控技术现代数控技术 （1）欧洲从危机中奋

10、起直追p 1987年11月，在德国机床制造厂联合会支持下，由斯图加特大学的制造控制技术研究所提出了新一代控制器的原则：可组配模块化开放式p 1991年10月。开始了一项整个欧洲的控制系统计划OSACA计划，目标是研制出自动化系统中的开放式控制系统体系结构自动化系统中的开放式控制系统体系结构。第第8章章 现代数控技术现代数控技术 p OSACA对开放式的定义：开放式系统应包括一组逻辑上可分的部件，部件间的接口及部件与执行平台间的接口要定义完备，并可实现不同开发商开发的部件可协调工作并组成一个完整的、可运行于不同平台的控制器，并实现对用户和其他自动化系统一致的接口。p OSACA体系结构示意图欧洲

11、从危机中奋起直追第第8章章 现代数控技术现代数控技术 p OSACA参考体系结构的功能模型欧洲从危机中奋起直追第第8章章 现代数控技术现代数控技术 p NC控制核心功能模块结构简图欧洲从危机中奋起直追第第8章章 现代数控技术现代数控技术 p OSACA软件模型欧洲从危机中奋起直追8.1 8.1 开放式数控系统开放式数控系统第第8章章 现代数控技术现代数控技术 （3）日本积极而不盲从p 日本6家公司（东芝、丰田、MAZAK、日本IBM、三菱电机和SML公司，其中有3家机床制造商）于1995年提出日本的OSEC计划，目的是建立一个国际性的工厂自动化控制设备标准。 p OSEC所谓的开放式系统本身被

12、认为是一个分布式系统开放式系统本身被认为是一个分布式系统 。OSEC认为，从制造的观点看，NC是分布式制造系统中的一个服务器。OSEC实证系统的体系结构第第8章章 现代数控技术现代数控技术 8.1 8.1 开放式数控系统开放式数控系统第第8章章 现代数控技术现代数控技术 4、开放式数控系统的关键技术和研究方法p 开放式数控系统研究的关键：开放式数控系统研究的关键：建立开放的数控体系结构并确定开放式的标准。开放式控制器的体系结构是全面描述控制器的组织结构的模型，包括控制其功能模块的划分、控制器软件功能模块的划分。p 研究方法研究方法以欧洲OSACA为代表，从建立理想模型入手，逐步保证新开发的控制

13、其产品遵循理想模型。以日本的OSEC为代表，试图建立中性语言，在现有的数控系统的基础上，通过这种机制使数控系统部分地向用户开放。8.2 8.2 并联机床并联机床第第8章章 现代数控技术现代数控技术 1、并联机床的产生与发展p 并联机床（parallel machine tool），又称虚拟轴机床或并联运动学机器。p 并联机床实质上是机器人技术与机床结构技术结合的产物，其原型是并联机器人操作机。p 具有以下优点：刚度重量比大响应速度快环境适应性强技术附加值高典型的并联机床DCB510并联机床（大连机床集团） 并联加工中心LINKS-EXE700（哈量集团） 典型的并联机床典型的并联机床（概念设计

14、）8.2 8.2 并联机床并联机床第第8章章 现代数控技术现代数控技术 1、并联机床的设计理论与关键技术（1）概念设计）概念设计（2）运动学设计）运动学设计（3）动力学问题）动力学问题（4）精度设计与运动学标定）精度设计与运动学标定（5）数控系统）数控系统8.2 8.2 并联机床并联机床第第8章章 现代数控技术现代数控技术 并联机床的控制技术p 虚拟轴机床运动学方程是并联机床控制的基础。p 利用基础平台和运动平台的八参数虚拟轴机床机构模型建立具有一般意义的并联机构运动学方程。 虚拟轴机床的八参数模型 定平台的六个虎克铰(B1B6)分布在两个平行平面上，并构成两个正三角形。 动平台的六个球铰(T

15、1T6)分布在两个平行平面上，并构成两个正三角形。 数学模型建立数学模型建立第第8章章 现代数控技术现代数控技术 p 基本参数 从机构学上完全定义了虚拟轴机床的机构模型。p 适当地设置这八个参数，可得到一些常见的Stewart平台模型。 虚拟轴机床俯视图 (a)定平台 (b)动平台 数学模型建立数学模型建立第第8章章 现代数控技术现代数控技术 p 虚拟轴机床动平台坐标系在机床坐标系中可以用球面旋矢球面旋矢、RPYRPY角角或者欧拉角欧拉角来描述。 p 姿势变换矩阵姿势变换矩阵通过连续的三次旋转。三次旋转。(最终姿势如图) 、分别为动平台的进动角、章动角和自转角。 ( , ) (,) ( , )

16、ZXZRRRR姿势变换矩阵的欧拉角描述： coscossincossincossinsincoscossinsinsincoscoscossinsinsincoscoscoscossinsinsinsincoscos数学模型建立数学模型建立第第8章章 现代数控技术现代数控技术 p 定平台上各铰接点在基础坐标系中的坐标：记为 ,其中 ,i =1,3,5。记为 ,其中 ,j =2,4,6。11cossiniBiiBiiXrYrZHiB(1)/6ii22cos()sin()jBjBjBjBjBXrYrZH hjB(2)/6jj数学模型建立数学模型建立第第8章章 现代数控技术现代数控技术 p 类似地,

17、可得到运动平台上各铰接点在运动坐标系中的坐标： 记为 ,其中 ,i =1,3,5。记为 ,其中 ,j =2,4,6。11cossiniTiiTiiXrYrZHiT(1)/6ii22cos()sin()jTjBjTjBjBXrYrZH hjT(2)/6jj数学模型建立数学模型建立第第8章章 现代数控技术现代数控技术 p 根据旋转变换，动平台坐标系中动平台各铰链在基础坐标系中位置矢量为 ： (i1，2，6) p 运动平台上各铰接点在基础坐标系中坐标为 (运动学逆解方程) (i1，2，6) p 支链矢量为 ： (i1，2，6)其中：li 为支链长度，l li为单位方向矢量， ， 。iisRTBiiTTRTri iiTillRTrBT,iiii