[发明专利]具有NURBS插补功能的五坐标数控机床运动控制器

摘要

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。

主权项

1、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u1与参数u2间所夹弧的长度s采用式1计算：$S(u_1,u_2)={\∫}_{u_1}^{u_2}\sqrt{{\left(x^{\′}\left(u\right)\right)}^2+{\left(y^{\′}\left(u\right)\right)}^2+{\left(z^{\′}\left(u\right)\right)}^2}---\left(1\right)$方位曲线上方位矢量q1和方位矢量q2间的夹角λ采用式2计算λ＝arccos(q1·q2)(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λ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：$\mathrm{\λ}\left(S\right)=\frac{{(S_{j+1}-S)}^3}{6h_{j+1}}{M}_j+\frac{{(S-S_j)}^3}{6h_{j+1}}{M}_{j+1}+{\mathrm{\λ}}_j\frac{{h^2}_{j+1}}{6}{M}_j\frac{{h^2}_{j+1}}{6}{M}_j$$+\frac{S-S_j}{h_{j+1}}({\mathrm{\λ}}_{j+1}-{\mathrm{\λ}}_j\frac{{h^2}_{j+1}}{6}(M_{j+1}-M_j))j=\mathrm{0,1},\·\·\·,n+6---\left(3\right)$式中：hj＝Sj-Sj-1；Mj为样条系数列；任务生成模块(3)生成方位曲线的具体过程为：设存储在“NURBS”结构体的“machA”和“machC”数组中的角度值分别为{a0，a1，…，an}和{c0，c1，…，cn}，则对应的方位矢量qi(i＝0，1，…，n)可以通过公式4求得：$q_i=\left[\begin{array}{c}\sin a_i\·\cos c_i\\ {\sin a}_i\·{\sin c}_i\\ \cos a_i\end{array}\right]---\left(4\right)$加工过程中为了获得连续变化的机床旋转轴角度，需要构造一条通过所有方位矢量的方位曲线与位置曲线相对应；选取非均匀B样条曲线作为方位矢量的插值曲线；选取两方位矢量间的夹角作为方位曲线的节点矢量，两矢量qi与qi+1间的夹角通过公式5求取：λi＝arccos(qi·qi+1)，i＝0，1，…，n-1(5)方位曲线的控制顶点采用计算机辅助几何设计CAGD中的B样条曲线反算方法获得；当方位曲线的节点矢量和控制顶点确定以后，相应的方位曲线唯一确定；所述轴组模块(4)完成插补任务的具体过程为：当双端队列singleStep_deque中的信息通过共享内存传递给轴组模块，并且控制器接收到autorun指令时，轴组模块进行实时插补运算：设输入控制器的位置样条曲线为p(u)，方位样条曲线为q(λ)，任务生成器模块单元生成的协调样条曲线为λ(S)；以第k+1个插补周期的插补点求取为例说明曲线的实时插补运算过程；假定进给速度设定为V，所述运动控制器的插补周期设定为T，则有：$V=\left|\right|\frac{\mathrm{dp}\left(u\right)}{\mathrm{dt}}\left|\right|=\left|\right|p^{\′}\left(u\right)\left|\right|\·\frac{\mathrm{du}}{\mathrm{dt}},---\left(6\right)$所以：$\frac{\mathrm{du}}{\mathrm{dt}}=\frac{V}{\left|\right|p^{\′}\left(u\right)\left|\right|}---\left(7\right)$将参数u对t进行二阶Taylor展开，得其截断高阶余项的计算公式：$u_{k+1}=u_k+T\frac{\mathrm{du}}{\mathrm{dt}}{|}_{t=\mathrm{kT}}+\frac{T^2}{2}\·\frac{d^{2}u}{{\mathrm{dt}}^2}{|}_{t=\mathrm{kT}}---\left(8\right)$这里uk＝u(tk)为第k个插补周期，tk＝kT时刻参数u的值；从而：$u_{k+1}=u_k+\frac{V\left(u_k\right)\·T_s}{{\left|\right|\frac{\mathrm{dp}\left(u\right)}{\mathrm{du}}\left|\right|}_{u=u_k}}---\left(9\right)$设p(uk)和p(uk+1)分别为参数uk和uk+1对应的位置样条曲线上的插补点，r为该两点对应的曲率圆弧半径，L为两点间弦长；其中ξ为弓高误差；两插补点间的弦长通过下式求取：L＝||p(uk+1)-p(uk)|| (10)弓高误差的求取表达式为：$\mathrm{\ξ}=r-\sqrt{r^2-{\left(\frac{L}{2}\right)}^2}---\left(11\right)$从而可以求出满足弓高误差要求的插补最大弦长为：$L_{\exp }=2\sqrt{\mathrm{\ξ}(2r-\mathrm{\ξ})}---\left(12\right)$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L超出最大弦长Lexp的范围，则将Lexp作为插补弦长对p(uk+1)进行修正，否则按照公式9求得的uk+1进行曲线插补；采用公式1求取参数uk+1对应的位置曲线弧长，并将其带入协调样条曲线方程，可以求得方位曲线对应的角度参数λk+1；将参数λk+1带入方位曲线方程可以求得第k+1个插补周期的方位矢量点。