基于PC-SERCOS的开放式数控系统关键技术

　　在《********》中，智能制造被定为中国制造的主攻方向。制造的智能化离不开相关智能算法的开发以及数控系统的支持。传统的数控系统因其结构相对封闭不利于用户根据自己的需要或者加工的需要对系统进行更改或者升级，大大制约了智能制造领域的发展。所以，数控系统的开放性对于智能制造的进步起着至关重要的作用。同时，开发我国自主产权的开放式数控系统也是缩短我国制造业水平与世界优选水平距离的有效途径。在此背景下，本书针对于实现开放式数控系统的关键技术进行了深入的研究。

　　周肖阳，男，博士，研究生、博士就读于哈尔滨理工大学机械制造专业，现就职于哈尔滨学院，任职讲师。

章 绪论…………………………………………………………………1
1．1 本课题的研究背景及意义……………………………………………1
1．2 开放式数控系统的产生及研究现状…………………………………3
1．2．1 开放式数控系统的历史背景… …………………………………3
1．2．2 开放式数控系统的研究现状… …………………………………4
1．3 SERCOS技术国内外研究现状………………………………………6
1．4 参数曲线插补技术研究现状…………………………………………7
1．5 机床后处理技术研究现状…………………………………………10
1．5．1 后处理技术的发展概况… ……………………………………10
1．5．2 五轴机床后处理器的研究现状… ……………………………10
1．5．3 基于后处理的刀具补偿技术研究现状… ……………………12
1．6 本课题的来源及论文的主要研究内容……………………………13
1．6．1 本课题来源… …………………………………………………13
1．6．2 论文的主要研究内容… ………………………………………13
第2章 数控系统开放技术及系统结构研究………………………17
2．1 概述…………………………………………………………………17
2．2 数控系统开放技术的研究…………………………………………18
2．2．1 传统控制结构存在的问题… …………………………………18
2．2．2 开放式数控系统驱动器设备… ………………………………20
2．2．3 开放式数控系统接口… ………………………………………20
2．2．4 开放式数控系统实时操作系统… ……………………………22
2．3 SERCOS接口通信技术……………………………………………24
2．3．1 SERCOS接口技术原理………………………………………24
2．3．2 SERCOS 接口服务通道的建立……………………………… 26
2．4 SERCOS 接口驱动技术… ………………………………………… 28
2．4．1 SERCOS 接口驱动原理……………………………………… 28
2．4．2 命令通道的建立… …………………………………………… 30
2．5 系统的组成及构架… ……………………………………………… 32
2．5．1 系统组成… …………………………………………………… 32
2．5．2 系统构架… …………………………………………………… 33
2．6 实验验证… ………………………………………………………… 35
2．7 本章小结… ………………………………………………………… 37
第3 章 开放式数控系统插补功能及算法研究… ………………… 39
3．1 概述………………………………………………………………… 39
3．2 NURBS 插补原理… ……………………………………………… 40
3．2．1 NURBS 曲线数学定义… …………………………………… 40
3．2．2 NURBS 曲线插补的直接计算流程… ……………………… 41
3．3 NURBS 插补技术研究… ………………………………………… 42
3．4 NURBS 曲线S 型加减速寻回实时插补算法… ………………… 43
3．4．1 算法基本原理… ……………………………………………… 43
3．4．2 寻回实时插补算法前瞻模块… ……………………………… 44
3．4．3 寻回实时插补算法实时模块… ……………………………… 47
3．5 NURBS 插补在系统中的实现… ………………………………… 50
3．5．1 NURBS 插补指令格式… …………………………………… 50
3．5．2 NURBS 插补数控代码生成… ……………………………… 50
3．5．3 NURBS 插补模块间数据流处理… ………………………… 52
3．6 算法验证及结果分析… …………………………………………… 54
3．7 系统插补功能实例验证… ………………………………………… 62
3．8 本章小结… ………………………………………………………… 64
第4 章 开放式数控系统软PLC 关键技术研究及实现… ……… 65
4．1 概述… ……………………………………………………………… 65
4．1．1 IEC61131-3 国际标准规定… ……………………………… 65
4．1．2 软PLC 优势…………………………………………………… 66
4．2 软PLC 控制系统结构划分………………………………………… 66
4．2．1 传统PLC 结构………………………………………………… 66
4．2．2 软PLC 系统结构……………………………………………… 67
4．3 软PLC 关键技术…………………………………………………… 69
4．3．1 软PLC 编程开发系统技术研究……………………………… 69
4．3．2 软PLC 运行系统技术研究…………………………………… 70
4．4 基于RTX 的软PLC 实现… ……………………………………… 73
4．4．1 软PLC 实现总体框架………………………………………… 73
4．4．2 人机交互模块… ……………………………………………… 74
4．4．3 数据处理模块… ……………………………………………… 77
4．4．4 智能算法模块… ……………………………………………… 80
4．4．5 数据处理模块与智能算法模块实时数据交互实现… ……… 82
4．5 实验验证及性能分析… …………………………………………… 84
4．6 本章小结… ………………………………………………………… 89
第5 章 开放式数控系统后处理技术及数控代码技术实现… …… 91
5．1 概述… ……………………………………………………………… 91
5．2 后置处理的工作原理及流程… …………………………………… 92
5．3 基于后处理技术的刀具半径补偿模型… ………………………… 93
5．3．1 平底铣刀半径补偿模型… …………………………………… 94
5．3．2 球头铣刀半径补偿模型… …………………………………… 95
5．3．3 环形半径铣刀补偿模型… …………………………………… 96
5．4 基于刀具磨损的刀具半径优化补偿模型… ……………………… 97
5．4．1 铣刀磨损模型… ……………………………………………… 97
5．4．2 切触区域求解… ……………………………………………… 98
5．4．3 优化半径补偿方法实现… …………………………………… 102
5．5 基于优化补偿算法的通用五轴机床后处理器实现… …………… 104
5．5．1 通用五轴机床运动学转换方程… …………………………… 104
5．5．2 逆运动学求解… ……………………………………………… 108
5．5．3 加工数控代码生成… ………………………………………… 109
5．6 NC 代码解释器的实现… ………………………………………… 110
5．6．1 NC 代码解释器总体结构… ………………………………… 110
5．6．2 NC 代码格式… ……………………………………………… 111
5．6．3 NC 代码读取… ……………………………………………… 111
5．6．4 NC 代码解释… ……………………………………………… 113
5．6．5 错误处理… …………………………………………………… 114
5．7 性能分析及实验验证… …………………………………………… 114
5．7．1 基于优化刀具补偿通用五轴机床后处理软件实现… ……… 114
5．7．2 加工仿真验证… ……………………………………………… 117
5．7．3 三坐标测量验证… …………………………………………… 121
5．8 本章小结… ………………………………………………………… 124
结论… ………………………………………………………………………… 125
参考文献… …………………………………………………………………… 127
附录1… ……………………………………………………………………… 137
附录2… ……………………………………………………………………… 140
附录3… ……………………………………………………………………… 142
附录4… ……………………………………………………………………… 144