步进型CNC系统与加工文件的生成方法、实时控制方法技术方案

本申请以WEDM为实施例，提出一种步进型CNC系统与加工文件的生成方法、刀路曲线的实时控制方法。本申请对刀路曲线进行高精度规划，用加工文件取代了通常的G代码程序，取消了G代码编程，编写加工程序犹如使用word编写短信，“开数控就像玩手机，编程就像发信息”，彻底告別了插补时代，显著降低了CNC系统的技术准入门槛及其成本。本申请对工艺参数进行精细的实时控制，显著提高了加工精度与表面质量，为提高拐角加工的加工精度与表面质量提供了有力的技术手段。

【技术实现步骤摘要】

本申请属先进制造领域，具体涉及一种步进型计算机数字控制系统(Computer Numerical Control system，CNC系统)及加工文件的生成方法，用于线切割(Wire-cut Electrical Discharge Machine，WEDM)，激光切割机等数控设备。技术背景现有CNC技术的基本原理是，在一个插补周期中，对于不同的刀路曲线，例如，直线或圆弧，实时操作系统调用直线插补模块或圆弧插补模块，根据进给速度，采用直线插补算法或圆弧插补算法计算出相关坐标轴在插补周期中的进给量，发送给相关伺服驱动器，驱动相关坐标轴产生合成位移。跟随插补周期，如此周而复始，完成工件的加工。本申请将这种控制方法称之为插补迭代控制。插补周期固定不变，是现有CNC系统最重要的系统参数。中低速CNC系统的插补周期一般为8ms、4ms、2ms。插补周期小于0.1ms成为高端CNC系统的标志。插补算法的运算时间和计算精度影晌CNC系统的整体性能，特别是加工精度与加工速度，是现有CNC技术的核心。步进型CNC系统与增量型数控系统是CNC系统的两种基本类型。前者的坐标轴离散进给信息为“0”“1”形态的步进脉沖，后者的坐标轴离散进给信息为坐标值增量。步进型CNC系统完全体现了数字控制的本质，体系结构与控制方法都极为简单。步进型CNC系统的突出优点是两点同步(起点同步与终点同步)简单可靠。对于步进型关联数据流，所有参入联动的坐标轴要么进给一个进给当量，要么不进给。因而，终点同步是步进型CNC系统的内在属性，无须采用交叉耦合控制技术(Cross Coupling Control，CCC)处理动态时滞所导致的轮廓误差。步进型CNC系统的主要缺点是进给速度低，无法满足加工中心等设备的高速加工。在进给速度较低的情况下，许多数控设备，例如WEDM等，采用步进型CNC系统。除基于IEEE定义的现有CNC技术体系所导致的问题外，现有步进型CNC系统存在下述问题。现有步进型CNC系统采用G代码编写NC加工程序(简称G代码程序)，G代码程序成为NC编程的编程界面。上世纪50年代纸带/穿孔卡作为输入的基本物理介质时，为规范在纸带/穿孔卡上表示字符，制定了穿孔的编码标准，即G代码标准，包括ISO6983(国际标准化组织标准代码)，EIA-RS274(美国电子工业协会标准代码)。我国则于上世纪80年代初，根据ISO标准制定了JB3050—82《数字控制机床用七单位编码字符》、JB3208—83《数字控制机床穿孔带程序段格式中的准备功能G和辅助功能M代码》等标准。G代码编程是插补迭代控制的产物。G代码指令的核心是插补指令。插补指令针对特定的曲线与功能。例如，直线插补指令G01、顺圆插补指令G02、逆圆插补指令G03等基本插补指令，用于实时插补相关坐标轴在插补周期中的的进给量。对于一些特定的曲线，例如，抛物线、椭圆、NURBS曲线等，采用扩张的G代码插补指令。对于主轴转速，进给速度等工艺参数，用S指令与F指令表示。基于插补迭代控制，对于不同的刀路曲线，例如，直线、顺圆、逆圆，现有CNC系统必须通过G01、G02、G03等插补指令调用相应的插补模块。由此可见，在现有CNC技术体系中，G代码程序与插补迭代控制是相互依存的。在数控技术的初期，采用手工编写G代码程序。G代码程序中指令繁多，且无法记忆。因而，G代码程序的手工编程十分繁琐、费时、易出错、且难以检验。为此产生了以APT语言(Automatically Programmed Tools)为代表的数控编程系统。上世纪90年代，以CAD/CAE/CAPP/CAM为代表的自动编程系统取代APT成为主流。其中，狭义的CAM已成为NC编程的同义词。上述编程系统均基于G代码，并独立于CNC系统，成为CNC系统的标准配置，且价格不菲。G代码标准是信息技术起步阶段的原始产物，受纸带的限制不可避免地存在信息量过少的缺陷。各个厂商因而对G代码都进行了基本语义之外的扩张，所扩张的指令代码及格式也各不相同，导致G代码程序与相应硬件的依赖，G代码程序在不同的数控系统之间不具有互换性。因而，上述编程系统只能基于标准G代码进行NC编程，通常称为前置处理。G代码程序与插补迭代控制相互依存，导致现有CNC技术产生了下述问题。1、刀路曲线的生成插补迭代控制必须根据进给速度进行实时插补，这就将进给速度与刀路曲线的几何结构耦合在一起。插补计算首先必须保证当前插补点与前一插补点之间的微线段为刀路曲线的数字映像，即离散误差在给定的范围内；另一方面，插补计算出来的坐标轴进给量还必须满足进给速度及加减速等要求。这样一来，插补迭代控制方法将刀路曲线所涉及的时间、空间、工艺要求、机电系统的运动学/动力学特征等要素全部紧密耦合在一起。由于刀路曲线是插补计算的基础，这就导致刀路曲线的生成成为现有CNC技术中研究最为广泛深入的内容。对于刀路曲线的生成，即使坐标轴之间具有复杂的运动关系，任何复杂的数学计算都不是问题，难的是必须在极短的时间内，例如，在0.1ms内实时插补相关坐标轴的进给量。为了实现刀路曲线的高速高精度控制，现有CNC系统唯一的选择是，采用更高性能的硬件，从而大幅度提高插补速度，并有效地处理加减速问题。2、G代码程序的后置处理由于CNC系统种类繁多，机床配置各不相同，对于不同的CNC系统，必须编写不同的后置处理程序，对编程系统生成的G代码程序进行后置处理，以适应特定的CNC系统。现有专用后置处理程序高达上千种之多，以致后置处理理论与技术成为现有CNC技术的重要内容。G代码程序可读性差，不易使用与交换共享，无论是手工编程还是自动编程，其编程与后置处理均是十分专业化的工作，需要专业的编程人员。G代码编程成为数控领域中的一大专业。作为专业人才，编程人员的薪资数倍于普通员工，提高了线切割加工的成本。CNC系统还必须处理与G代码程序相关的作业，包括G代码程序的解释与预处理等。3、进给速度前瞻控制(Look ahead)根据离散误差，CAM系统通常将刀路曲线分为若干微线段，并生成相应的G代码程序段。所谓进给速度前瞻控制，就是在插补运算之前，提前对若干G代码程序段进行加减速预处理，预处理的G代码往往多达1000～5000条。进给速度前瞻控制耗费了大量的计算资源，降低了加工速度。进给速度前瞻控制成为现有CNC的核心技术之一。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种步进型CNC系统，用于控制联动坐标轴联动，包括硬件平台、软件平台和应用软件系统，所述硬件平台为PC系统，所述软件平台为图形界面操作系统；其特征在于，所述应用软件系统包括CANC规划组件，NC信息库，加工文件规划组件，实时内核；(1)、CANC规划组件所述CANC规划组件包括离散坐标系生成模块、L分割规划模块、T分割规划模块；(1‑1)所述离散坐标系生成模块用于按照给定的离散标度，用距离为所述离散标度的等距线将坐标平面网格化，在屏幕上建立离散坐标系；(1‑2)根据加工方位，所述L分割规划模块用于在所述离散坐标系中规划微线段L1,…,Lm的L分割δLi(i＝1,…,n)；所述微线段L1,…,Lm包括所述刀路曲线中的所有直线的加速段/减速段、匀速段，所有圆弧的逼近折线；(1‑3)根据加工工艺，所述T分割规划模块用于校核坐标轴的运动平稳性，规划所述微线段L1,…,Lm的T分割δti(i＝1,…,n)；(2)NC信息库所述NC信息库用于存储控制坐标轴联动的数字控制信息，所述数字控制信息包括所述微线段L1,…,Lm中的每条微线段的联动表与随动表；所述联动表用于存储所述微线段L1,…,Lm的所述L分割δLi(i＝1,…,n)；所述L分割δLi(i＝1,…,n)用于存储所述联动坐标轴的进给量，控制坐标轴联动以产生合成位移；所述随动表用于存储所述微线段L1,…,Lm的所述T分割δti(i＝1,…,n)；所述T分割δti(i＝1,…,n)用于存储所述进给量之间的时间间隔，控制所述合成位移的进给速度；所述NC信息库还包括所述微线段△L1,…,△Lm中的每条微线段的状态字；所述状态字用于指定所述联动坐标轴及其进给方向；所述NC信息库还包括NC信息库索引表，所述NC信息库索引表包括所述微线段L1,…,Lm中的每条微线段的联动表的首地址与末地址、随动表的首地址；(3)、加工文件规划组件所述加工文件规划组件包括NC信息库生成模块、轨迹指令编辑模块、NC信息库索引表生成模块、NC信息库索引生成模块、加工文件生成模块；(3‑1)对于所述微线段L1,…,Lm的L分割与T分割，所述NC信息库生成模块用于按照给定的数据格式在存储空间构造所述微线段L1,…,Lm中的每条微线段的联动表与随动表，生成所述NC信息库；(3‑2)根据加工工艺，所述轨迹指令编辑模块用于将所述微线段L1,…,Lm分为p段，对应地生成p条轨迹指令；(3‑3)对于每条轨迹指令中的每条微线段，所述NC信息库索引表生成模块用于生成NC信息库索引表；所述NC信息库索引表对应地存储每条轨迹指令中的每条微线段的联动表的首地址、随动表的首地址与末地址；(3‑4)对于每条轨迹指令中的每条微线段，所述NC信息库索引生成模块用于生成NC信息库索引，所述NC信息库索引用于链接所述NC信息库；(3‑5)根据加工工艺，所述加工文件生成模块用于在所述p条轨迹指令中，插入开关指令、状态指令，生成加工文件；所述开关指令用于控制紧丝电机的打开与关闭，水泵的打开与关闭；所述状态指令用于控制加工过程的启动、结束、暂停，坐标系设定、原点返回；(4)、实时内核组件所述实时内核组件包括加工文件处理模块、联动坐标轴设置模块、联动命令设置模块、节律控制模块、终点控制模块；(4‑1)所述CNC系统接收加工作业的启动指令后，所述操作系统设置实时内核运行标志，启动所述实时内核；(4‑2)所述加工文件处理模块从所述加工文件中读取第1条轨迹指令，根据所述第1条轨迹指令中的第1条微线段的NC信息库索引，从所述NC信息库索引表中读取所述第1条微线段的联动表的首地址与末地址、随动表的首地址，从所述NC信息库中读取所述第1条微线段的状态字；(4‑3)所述联动坐标轴设置模块将所述联动表首地址写入L指针；将所述随动表首地址写入T指针；将所述状态字写入状态字寄存器，指定所述联动坐标轴及其进给方向；(4‑4)根据所述T指针，所述联动命令设置模块读取所述随动表中的控制节律δti并写入T分割定时器；(4‑5)所述T分割定时器中的定时时间到，所述节律控制模块通过联动接口向所述状态字指定的所述联动坐标轴发送所述L指针指定的进给量，驱动所述联动坐标轴按所述状态字指定的进给方向进给，产生合成位移；向所述状态字指定的虚拟坐标轴发送所述L指针指定的工艺参数；(4‑6)所述终点控制模块判断所述L指针是否等于所述第1条微线段的所述联动表的末地址，如果所述L指针等于所述联动表的末地址，所述第1条微线段加工完毕，执行步骤(4‑2)，所述加工文件处理模块从所述NC信息库索引表中读取第2条微线段的联动表的首地址、随动表的首地址与末地址，从所述NC信息库中读取所述第2条微线段的状态字；否则，执行步骤(4‑4)，T指针指向δti+1，继续加工所述第1条微线段；(4‑7)重复步骤(4‑2)至步骤(4...

【技术特征摘要】
1.一种步进型CNC系统，用于控制联动坐标轴联动，包括硬件平台、软件平台
和应用软件系统，所述硬件平台为PC系统，所述软件平台为图形界面操作系统；其特
征在于，所述应用软件系统包括CANC规划组件，NC信息库，加工文件规划组件，
实时内核；
(1)、CANC规划组件
所述CANC规划组件包括离散坐标系生成模块、L分割规划模块、T分割规划模
块；
(1-1)所述离散坐标系生成模块用于按照给定的离散标度，用距离为所述离散标
度的等距线将坐标平面网格化，在屏幕上建立离散坐标系；
(1-2)根据加工方位，所述L分割规划模块用于在所述离散坐标系中规划微线段
L1,…,Lm的L分割δLi(i＝1,…,n)；
所述微线段L1,…,Lm包括所述刀路曲线中的所有直线的加速段/减速段、匀速段，
所有圆弧的逼近折线；
(1-3)根据加工工艺，所述T分割规划模块用于校核坐标轴的运动平稳性，规划
所述微线段L1,…,Lm的T分割δti(i＝1,…,n)；
(2)NC信息库
所述NC信息库用于存储控制坐标轴联动的数字控制信息，所述数字控制信息包
括所述微线段L1,…,Lm中的每条微线段的联动表与随动表；
所述联动表用于存储所述微线段L1,…,Lm的所述L分割δLi(i＝1,…,n)；所述L
分割δLi(i＝1,…,n)用于存储所述联动坐标轴的进给量，控制坐标轴联动以产生合成
位移；
所述随动表用于存储所述微线段L1,…,Lm的所述T分割δti(i＝1,…,n)；所述T
分割δti(i＝1,…,n)用于存储所述进给量之间的时间间隔，控制所述合成位移的进给
速度；
所述NC信息库还包括所述微线段△L1,…,△Lm中的每条微线段的状态字；所述状
态字用于指定所述联动坐标轴及其进给方向；
所述NC信息库还包括NC信息库索引表，所述NC信息库索引表包括所述微线段
L1,…,Lm中的每条微线段的联动表的首地址与末地址、随动表的首地址；
(3)、加工文件规划组件
所述加工文件规划组件包括NC信息库生成模块、轨迹指令编辑模块、NC信息库
索引表生成模块、NC信息库索引生成模块、加工文件生成模块；
(3-1)对于所述微线段L1,…,Lm的L分割与T分割，所述NC信息库生成模块用
于按照给定的数据格式在存储空间构造所述微线段L1,…,Lm中的每条微线段的联动表与
随动表，生成所述NC信息库；
(3-2)根据加工工艺，所述轨迹指令编辑模块用于将所述微线段L1,…,Lm分为p
段，对应地生成p条轨迹指令；
(3-3)对于每条轨迹指令中的每条微线段，所述NC信息库索引表生成模块用于
生成NC信息库索引表；所述NC信息库索引表对应地存储每条轨迹指令中的每条微线
段的联动表的首地址、随动表的首地址与末地址；
(3-4)对于每条轨迹指令中的每条微线段，所述NC信息库索引生成模块用于生
成NC信息库索引，所述NC信息库索引用于链接所述NC信息库；
(3-5)根据加工工艺，所述加工文件生成模块用于在所述p条轨迹指令中，插入
开关指令、状态指令，生成加工文件；
所述开关指令用于控制紧丝电机的打开与关闭，水泵的打开与关闭；
所述状态指令用于控制加工过程的启动、结束、暂停，坐标系设定、原点返回；
(4)、实时内核组件
所述实时内核组件包括加工文件处理模块、联动坐标轴设置模块、联动命令设置
模块、节律控制模块、终点控制模块；
(4-1)所述CNC系统接收加工作业的启动指令后，所述操作系统设置实时内核运
行标志，启动所述实时内核；
(4-2)所述加工文件处理模块从所述加工文件中读取第1条轨迹指令，根据所述
第1条轨迹指令中的第1条微线段的NC信息库索引，从所述NC信息库索引表中读取
所述第1条微线段的联动表的首地址与末地址、随动表的首地址，从所述NC信息库中
读取所述第1条微线段的状态字；
(4-3)所述联动坐标轴设置模块将所述联动表首地址写入L指针；将所述随动表
首地址写入T指针；将所述状态字写入状态字寄存器，指定所述联动坐标轴及其进给方
向；
(4-4)根据所述T指针，所述联动命令设置模块读取所述随动表中的控制节律δti并写入T分割定时器；
(4-5)所述T分割定时器中的定时时间到，所述节律控制模块通过联动接口向所
述状态字指定的所述联动坐标轴发送所述L指针指定的进给量，驱动所述联动坐标轴按
所述状态字指定的进给方向进给，产生合成位移；向所述状态字指定的虚拟坐标轴发送
所述L指针指定的工艺参数；
(4-6)所述终点控制模块判断所述L指针是否等于所述第1条微线段的所述联动
表的末地址，如果所述L指针等于所述联动表的末地址，所述第1条微线段加工完毕，
执行步骤(4-2)，所述加工文件处理模块从所述NC信息库索引表中读取第2条微线段
的联动表的首地址、随动表的首地址与末地址，从所述NC信息库中读取所述第2条
微线段的状态字；否则，执行步骤(4-4)，T指针指向δti+1，继续加工所述第1条微线
段；
(4-7)重复步骤(4-2)至步骤(4-6)，直至所述第1条轨迹指令中的所有微线段
加工完毕；
(4-8)重复步骤(4-2)至步骤(4-7)，直至所有轨迹指令执行完毕，所述终点控
制模块关闭运行标志。
2.如权利要求1所述的步进型CNC系统，其特征还在于，所述联动表包括“主
动轴”字段、“基底”字段、“周期”字段、“状态字”字段；所述“主动轴”字段用于
标识主动轴，主动轴数据流为默认值全“1”；所述“基底”字段用于标识联动轴数据流
在一个周期中的“0”/“1”分布；所述“周期”字段用于标识所述基底的个数，所述周期
等于所述微线段的终点坐标的最大公约数；所述“状态字”字段用于标识联动的坐标
轴及其进给方向。
3.如权利要求1所述的步进型CNC系统，其特征还在于，所述联动坐标轴包括
虚拟坐标轴，所述虚拟坐标轴为控制工艺参数的开关。
4.如权利要求2所述的步进型CNC系统，其特征还在于，所述虚拟坐标轴的联
动表相对于所述微线段的随动表向前移动S个控制节律：
(△ti-s+,…,+△ti)≈τ，
式中，τ为所述工艺参数的响应时间。
5.如权利要求1所述的步进型CNC系统，其特征还在于，所述图形界面操作系
统包括编程界面；所述编程界面包括CANC规划功能区、加工文件规划功能区；
所述CANC规划功能区包括离散坐标系生成窗口、L分割规划窗口、T分割规划
窗口；所述离散坐标系生成窗口链接所述离散坐标系生成模块、所述L分割规划窗口
链接所述L分割规划模块、所述T分割规划窗口链接所述T分割规划模块；
所述加工文件规划功能区包括NC信息库生成窗口，轨迹指令编辑窗口，NC信息
库索引表生成窗口，NC信息库索引生成窗口、加工文件生成窗口；所述NC信息库生
成窗口链接所述NC信息库生成模块，所述轨迹指编辑窗口链接所述轨迹指令编辑模
块，所述NC信息库索...

【专利技术属性】
技术研发人员：江俊逢，朱一行，
申请(专利权)人：江俊逢，朱一行，
类型：发明
国别省市：广东;44