數(shù)控技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

數(shù)控技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢葉佩青精儀系制造所清華大學(xué)精儀系葉佩青Tel：62773269Email：yepq@作業(yè)：閱讀報(bào)告在下列專題中選擇一項(xiàng)，查閱相關(guān)資料并寫出讀書報(bào)告數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展趨勢；進(jìn)給伺服系統(tǒng)和驅(qū)動電機(jī)發(fā)展趨勢；主軸驅(qū)動系統(tǒng)和主軸電機(jī)發(fā)展趨勢；數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢；國外最新數(shù)控系統(tǒng)或機(jī)床介紹、比較（至少6種）

要求：至少閱讀5篇2000年以后的文獻(xiàn)資料，其中外文資料不得少于2篇，并在上交時附上相應(yīng)的參考文獻(xiàn)。閱讀報(bào)告的字?jǐn)?shù)不得少于3500漢字。上交時間11月30日以前。清華大學(xué)精儀系葉佩青Tel：62773269Email：yepq@第8章數(shù)控技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢8.1數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢8.2開放式數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)8.3STEP－NC8.4并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)床及其控制清華大學(xué)精儀系葉佩青Tel：62773269Email：yepq@隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控技術(shù)不斷采用計(jì)算機(jī)、控制理論等領(lǐng)域的最新技術(shù)成就，使其朝著下述方向發(fā)展。運(yùn)行高速化加工高精化控制智能化功能復(fù)合化交互網(wǎng)絡(luò)化8.1數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢清華大學(xué)精儀系葉佩青Tel：62773269Email：yepq@進(jìn)給、主軸、刀具交換、托盤交換等實(shí)現(xiàn)高速化，并具有高加（減）速度。

進(jìn)給率高速化：在分辨率為1m時，F(xiàn)max=240m/min，可獲得復(fù)雜型面的精確加工；在程序段長度為1mm時，F(xiàn)max=30m/min，并且具有1.5g的加減速率；1、趨勢——運(yùn)行高速化反饋信號：4MHz清華大學(xué)精儀系葉佩青Tel：62773269Email：yepq@LinearMotor在高效加工中心上達(dá)到90m/min的快移速度和1g的加速度。直線電機(jī)作為高效驅(qū)動元件正被廣為應(yīng)用，尤其在激光切割和高速加工中。清華大學(xué)精儀系葉佩青Tel：62773269Email：yepq@平面電機(jī)清華大學(xué)精儀系葉佩青Tel：62773269Email：yepq@換刀速度0.9秒（刀到刀）2.8秒（切削到切削）工作臺（托盤）交換速度6.3秒。主軸高速化：采用電主軸（內(nèi)裝式主軸電機(jī)），主軸電機(jī)的轉(zhuǎn)子軸就是主軸部件。主軸最高轉(zhuǎn)速達(dá)200000r/min。主軸轉(zhuǎn)速的最高加（減）速為1.0g，即僅需1.8秒即可從0提速到15000r/min。清華大學(xué)精儀系葉佩青Tel：62773269Email：yepq@SpindleMotor

高速加工：控制、伺服驅(qū)動、主軸、刀具、軸承、導(dǎo)軌、絲杠、卡盤、夾具、冷卻清華大學(xué)精儀系葉佩青Tel：62773269Email：yepq@提高機(jī)械的制造和裝配精度；提高數(shù)控系統(tǒng)的控制精度；采用誤差補(bǔ)償技術(shù)。IC制造裝備、納米控制。

提高CNC系統(tǒng)控制精度：采用高速插補(bǔ)技術(shù)，以微小程序段實(shí)現(xiàn)連續(xù)進(jìn)給，使CNC控制單位精細(xì)化；采用高分辨率位置檢測裝置，提高位置檢測精度（日本交流伺服電機(jī)已有裝上106脈沖/轉(zhuǎn)的內(nèi)藏位置檢測器，其位置檢測精度能達(dá)到0.01m/脈沖）位置伺服系統(tǒng)采用前饋控制與非線性控制等方法。2、趨勢——加工高精化清華大學(xué)精儀系葉佩青Tel：62773269Email：yepq@采用誤差補(bǔ)償技術(shù)：采用反向間隙補(bǔ)償、絲桿螺距誤差補(bǔ)償和刀具誤差補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù);設(shè)備的熱變形誤差補(bǔ)償和空間誤差的綜合補(bǔ)償技術(shù)。研究表明，綜合誤差補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用可將加工誤差減少60％～80％。三井精機(jī)的JidicH5D型超精密臥式加工中心的定位精度為±0.1m。高精加工：控制、伺服驅(qū)動、主軸、刀具、傳感器、軸承、導(dǎo)軌、絲杠、夾具、冷卻清華大學(xué)精儀系葉佩青Tel：62773269Email：yepq@隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，為滿足制造業(yè)生產(chǎn)柔性化、制造自動化發(fā)展需求，數(shù)控技術(shù)智能化程度不斷提高，體現(xiàn)在：3、趨勢——控制智能化加工過程自適應(yīng)控制技術(shù)：通過監(jiān)測主軸和進(jìn)給電機(jī)的功率、電流、電壓等信息，辯識出刀具的受力、磨損以及破損狀態(tài)，機(jī)床加工的穩(wěn)定性狀態(tài)；并實(shí)時修調(diào)加工參數(shù)（主軸轉(zhuǎn)速，進(jìn)給速度）和加工指令，使設(shè)備處于最佳運(yùn)行狀態(tài)，以提高加工精度、降低工件表面粗糙度以及設(shè)備運(yùn)行的安全性。以色列的外置式力自適應(yīng)速度控制器清華大學(xué)精儀系葉佩青Tel：62773269Email：yepq@加工參數(shù)的智能優(yōu)化:將零件加工的一般規(guī)律、特殊工藝經(jīng)驗(yàn)，用現(xiàn)代智能方法，構(gòu)造基于專家系統(tǒng)或基于模型的“加工參數(shù)的智能優(yōu)化與選擇器”，獲得優(yōu)化的加工參數(shù)，提高編程效率和加工工藝水平，縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備時間。使加工系統(tǒng)始終處于較合理和較經(jīng)濟(jì)的工作狀態(tài)。目前已開發(fā)出自學(xué)習(xí)功能的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電火花加工系統(tǒng)。日本大隈公司的7000系列數(shù)控系統(tǒng)具有人工智能自動編程功能。智能化交流伺服驅(qū)動裝置：自動識別負(fù)載、自動調(diào)整控制參數(shù)，包括智能主軸和智能化進(jìn)給伺服裝置，使驅(qū)動系統(tǒng)獲得最佳運(yùn)行。清華大學(xué)精儀系葉佩青Tel：62773269Email：yepq@

智能故障診斷與自修復(fù)技術(shù)

智能故障診斷技術(shù)：根據(jù)已有的故障信息，應(yīng)用現(xiàn)代智能方法，實(shí)現(xiàn)故障快速準(zhǔn)確定位。智能故障自修復(fù)技術(shù)：根據(jù)診斷故障原因和部位，以自動排除故障或指導(dǎo)故障的排除技術(shù)。集故障自診斷、自排除、自恢復(fù)、自調(diào)節(jié)于一體，貫穿于全生命周期。智能故障診斷技術(shù)在有些數(shù)控系統(tǒng)中已有應(yīng)用，智能化自修復(fù)技術(shù)還在研究之中。清華大學(xué)精儀系葉佩青Tel：62773269Email：yepq@日本京都大學(xué)、大阪機(jī)工、三菱電機(jī)、MAZAK等

研究機(jī)構(gòu)具體目標(biāo)實(shí)現(xiàn)安全、高效、高速加工的智能化數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)特征數(shù)控系統(tǒng)各種控制參數(shù)自適應(yīng)數(shù)控機(jī)床加工條件自適應(yīng)加工過程?據(jù)采集及自律學(xué)習(xí)INC(IntelligentNC)清華大學(xué)精儀系葉佩青Tel：62773269Email：yepq@INC結(jié)構(gòu)圖INC(IntelligentNC)體系結(jié)構(gòu)：以數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，以實(shí)時監(jiān)控為核心，采用“分層”結(jié)構(gòu)形式。清華大學(xué)精儀系葉佩青Tel：62773269Email：yepq@復(fù)合化：在一臺設(shè)備上實(shí)現(xiàn)多種工藝步驟的加工，縮短加工鏈車銑復(fù)合—車削中心（ATC，動力刀頭）；鏜銑鉆復(fù)合—加工中心（ATC）、五面加工中心（ATC，主軸立臥轉(zhuǎn)換）；銑鏜鉆車復(fù)合—復(fù)合加工中心；可更換主軸箱的數(shù)控機(jī)床—組合加工中心；集車削和激光加工于一體的機(jī)床；測量/制造復(fù)合，在加工后對工件進(jìn)行在線測量4、趨勢——功能復(fù)合化多功能復(fù)合化機(jī)床消除了車床、銑床、磨床、激光設(shè)備等之間的傳統(tǒng)差異。清華大學(xué)精儀系葉佩青Tel：62773269Email：yepq@PC＋NC異型螺桿加工數(shù)控系統(tǒng)清華大學(xué)精儀系葉佩青Tel：62773269Email：yepq@CAD、CAM、CNC三者關(guān)系圖

清華大學(xué)精儀系葉佩青Tel：62773269Email：yepq@CAD/CAM/CNC

智能4M數(shù)控系統(tǒng)：將測量(Measurement)、建模(Modelling)、加工(Manufacturing)、機(jī)器操作(Manipulator)四者（即4M）融合在一個系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)信息共享、快速制造、快速檢測和快速響應(yīng)。清華大學(xué)精儀系葉佩青Tel：62773269Email：yepq@

支持網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議，既滿足單機(jī)DNC需要，又能滿足FMC、FMS、CIMS、靈捷制造TEAM（technologyenablingagilemanufacture）對基層設(shè)備集成要求的數(shù)控系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)資源共享。數(shù)控機(jī)床的遠(yuǎn)程（網(wǎng)絡(luò)）控制。數(shù)控機(jī)床故障的遠(yuǎn)程（網(wǎng)絡(luò)）診斷。數(shù)控機(jī)床的遠(yuǎn)程（網(wǎng)絡(luò)）培訓(xùn)與教學(xué)（網(wǎng)絡(luò)數(shù)控）5、趨勢——交互網(wǎng)絡(luò)化清華大學(xué)精儀系葉佩青Tel：62773269Email：yepq@數(shù)控系統(tǒng)中采用網(wǎng)絡(luò)與光纖通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動和I/O的控制是數(shù)控技術(shù)的發(fā)展方向。數(shù)控中：德國Intrtamat的SERCOS、美國DELTATAU的Mcro-Link、日本FANUC的SERVO-Link、日本三菱的Tro-Link等。由于技術(shù)封鎖等原因，各系統(tǒng)中光纖通訊采用的協(xié)議沒有兼容性和互換性，要求伺服驅(qū)動器以及I/O模塊必須具有相應(yīng)協(xié)議的光纖通訊接口，這樣的系統(tǒng)軟硬件開放性較差，而且系統(tǒng)的成本也較高。另外的網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議：ARCNET、CANBus、Profibus、USB、IEEE1394。清華大學(xué)精儀系葉佩青Tel：62773269Email：yepq@IEEE1394的前身即FireWire，是1986年由蘋果電腦公司針對高速數(shù)據(jù)傳輸所開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，并于1995年獲得美國電機(jī)電子工程師協(xié)會認(rèn)可成為正式新標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)在大家看到的IEEE1394、FireWire和i.LINK其實(shí)指的都是這個標(biāo)準(zhǔn)，通常，在PC個人計(jì)算機(jī)領(lǐng)域?qū)⑺Q為IEEE1394，在電子消費(fèi)品領(lǐng)域則更多的將它稱為i.LINK。清華大學(xué)精儀系葉佩青Tel：62773269Email：yepq@IEEE1394（FireWire）：高速串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_放式技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，通訊速度最高達(dá)400MHz；目前IEEE1394技術(shù)使用最廣的是數(shù)字成像領(lǐng)域，支持的產(chǎn)品包括數(shù)字相機(jī)或攝像機(jī)等。IEEE1394可以采用光纖進(jìn)行信息的傳輸，大大地提高了系統(tǒng)的通訊速度和數(shù)據(jù)傳輸距離以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。清華大學(xué)精儀系葉佩青Tel：62773269Email：yepq@基于IEEE1394總線的數(shù)字控制系統(tǒng)的硬件原理清華大學(xué)精儀系葉佩青Tel：62773269Email：yepq@PC＋光纖通訊卡FireWire）系統(tǒng)既具有了PMAC與SERCOS控制卡兩者的優(yōu)勢，又在工藝性和配套性方面取得了新進(jìn)展。清華大學(xué)精儀系葉佩青Tel：62773269Email：yepq@基于FireWire的數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

清華大學(xué)精儀系葉佩青Tel：62773269Email：yepq@1.傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)的特點(diǎn)由生產(chǎn)廠家支配價格和結(jié)構(gòu)，各種接口不能通用。功能集成停止在微電子技術(shù)的應(yīng)用上，而不是針對開放式的生產(chǎn)環(huán)境和功能。對于不同的產(chǎn)品，操作、維護(hù)方法都必須進(jìn)行相應(yīng)的培訓(xùn)。對于使用者控制器成為黑盒子無法自行修改更新。8.2開放式數(shù)控的體系結(jié)構(gòu)清華大學(xué)精儀系葉佩青Tel：62773269Email：yepq@2.用戶對控制器的要求開放性：可重構(gòu)性、可維護(hù)性、允許用戶進(jìn)行二次開發(fā)模塊化：具有平臺無關(guān)性接口協(xié)議：可傳遞性、可移植性可進(jìn)化性：智能化NC語言統(tǒng)一化：中性語言NML：FADL、OSEL競爭性：經(jīng)濟(jì)性、可靠性適應(yīng)計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的生產(chǎn)系統(tǒng)的開放化清華大學(xué)精儀系葉佩青Tel：62773269Email：yepq@3.開放式數(shù)控系統(tǒng)特征模塊間接口協(xié)議描述精確，允許各模塊獨(dú)立開發(fā)；允許體系結(jié)構(gòu)本身能被擴(kuò)展；系統(tǒng)構(gòu)件（軟件和硬件）具有標(biāo)準(zhǔn)化(Standardization)與多樣化(Diversification)和互換性(Interchangeability)的特征允許通過對構(gòu)件的增減來構(gòu)造系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)“積木式”的集成。構(gòu)造應(yīng)該是可移植的和透明的；開放式體系結(jié)構(gòu)（IEEE）：具有在不同的工作平臺上均能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能、且可以與其他的系統(tǒng)應(yīng)用進(jìn)行互操作的系統(tǒng)。清華大學(xué)精儀系葉佩青Tel：62773269Email：yepq@4.開放式數(shù)控裝置的概念結(jié)構(gòu)硬件配置單元軟件配置單元標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)硬件數(shù)控系統(tǒng)基本硬件數(shù)控功能應(yīng)用程序DOS(WINDOWS)實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng)RTM應(yīng)用程序接口NC構(gòu)件庫清華大學(xué)精儀系葉佩青Tel：62773269Email：yepq@5.開放式體系結(jié)構(gòu)數(shù)控的優(yōu)點(diǎn)數(shù)控系統(tǒng)廠品種減少、批量增加，易于滿足用戶要求；開放式的標(biāo)準(zhǔn)框架，促進(jìn)各行業(yè)的軟件廠商參與；軟件開發(fā)效率提高，產(chǎn)品更新加快。機(jī)床廠可使整機(jī)具有個性化，降低開發(fā)成本。減少對系統(tǒng)廠的依賴，保護(hù)自己專有技術(shù)。最終用戶方面購買機(jī)床時的初期成本透明化；機(jī)械設(shè)備變更時，而降低壽命周期成本；能實(shí)現(xiàn)用戶自身獨(dú)特的的FA系統(tǒng)設(shè)計(jì)；用戶界面的一致性，易于使用和培訓(xùn)；清華大學(xué)精儀系葉佩青Tel：62773269Email：yepq@美國的NGC

(NextGenerationController)

OMAC(OpenModularArchitectureController)歐州的OSACA

(opensystemarchitectureforcontrolswithinautomationsystems)日本OSEC：(OpenSystemEnvironmentforControllerArchitecture)TRUE-CNC6.開放式數(shù)控技術(shù)研究狀況清華大學(xué)精儀系葉佩青Tel：62773269Email：yepq@一、OMAC美國的NGC和OMAC計(jì)劃1989～1994年NGC，開發(fā)“開放式體系結(jié)構(gòu)和NML(NeutralManufacturingLanguage)中性語言”；1994年GMFordChyslerbasedonPC

OMAC計(jì)劃。具有經(jīng)濟(jì)性、開放性、模塊化、可維護(hù)性、可塑性等。OMAC定義了標(biāo)準(zhǔn)化的OMACAPI；用戶可以加入自己需要的特殊功能；充分利用WindowsOS、CAD、CAM等PC現(xiàn)有資源，以RTOS（RealTimeOperationSystem）為核心；采用實(shí)時的數(shù)據(jù)庫。產(chǎn)品：PMAC－NC。清華大學(xué)精儀系葉佩青Tel：62773269Email：yepq@OSACA的參考體系結(jié)構(gòu)RA(ReferenceArchitecture)由一系列邏輯上相互獨(dú)立的控制模塊構(gòu)成，具有平臺無關(guān)性。控制器軟件功能模塊AS(ApplicationSoftware)模塊之間具有友好的接口協(xié)議API(ApplicationProgrammingInterface)通過平臺API交換系統(tǒng)信息。應(yīng)用層AO(ArchitectureObjects)人機(jī)界面定義GUI運(yùn)動控制MC（MotionControl）邏輯控制LC（LogicControl）數(shù)控宏指令NCDL（NumericalControlDescriptionLanguage）二、歐共體的OSACA計(jì)劃清華大學(xué)精儀系葉佩青Tel：62773269Email：yepq@OSACA系統(tǒng)平臺結(jié)構(gòu)清華大學(xué)精儀系葉佩青Tel：62773269Email：yepq@信息交換層MBCP(MessageBasedCommunicationPlatform）

支持各模塊間的數(shù)據(jù)交換，將軟件同硬件平臺隔離，使數(shù)據(jù)交換與系統(tǒng)無關(guān)。系統(tǒng)配置CS(ConfigurationSystem)

記錄控制系統(tǒng)組成，描述系統(tǒng)啟動自舉所需要的信息和操作數(shù)據(jù)庫DS(DatabaseSystem)

所有信息由數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一管理，支持刀具信息類庫、加工技術(shù)技巧等類庫，在開放式體系結(jié)構(gòu)中通過系統(tǒng)配置層CS對相應(yīng)功能和信息進(jìn)行配置，體現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫管理的優(yōu)越性。人機(jī)界面GUI支持系統(tǒng)清華大學(xué)精儀系葉佩青Tel：62773269Email：yepq@1994年開始OSEC計(jì)劃，基于PC平臺、開放式體系結(jié)構(gòu)，定義了FADL（FactoryAutomationEquipmentDescriptionLanguage）中性語言。包含各種產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的體系結(jié)構(gòu)。以保證與現(xiàn)有技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)化的控制組件相兼容。用對象的形式實(shí)現(xiàn)各功能塊軟件部件化，精確定義對象的接口協(xié)議（OSECAPI）。不規(guī)定各功能塊接受信息后應(yīng)該進(jìn)行怎樣的處理。三、日本的OSEC計(jì)劃清華大學(xué)精儀系葉佩青Tel：62773269Email：yepq@OSEC結(jié)構(gòu)模型資源管理動作生成EIA碼譯碼器OESC執(zhí)行系統(tǒng)手動執(zhí)行機(jī)械控制機(jī)床控制設(shè)備控制伺服控制PLC控制資源控制信息綜合區(qū)域OSECAPIOSECAPI在控制中隱藏硬件，伺服和PLC控制塊的輸入信息是硬件的唯一接口，實(shí)現(xiàn)電機(jī)、I/O等控制硬件的即插即用。清華大學(xué)精儀系葉佩青Tel：62773269Email：yepq@OSEL（OSELanguage）的目標(biāo)：具有高度的擴(kuò)充性、再利用性、維護(hù)性，容易實(shí)現(xiàn)企業(yè)和個人的獨(dú)自的附加值。將終端用戶和機(jī)械廠家積累的固有的生產(chǎn)技術(shù)用軟件的形式封裝，使之能夠再利用。加工技巧的軟件部件化：基于特征CAD系統(tǒng)的CAM，將加工技巧以類庫的形式部件化。OSEL是抽象化進(jìn)一步提高的能實(shí)現(xiàn)軟件部件化的面向?qū)ο蟮腃++語言。促進(jìn)從“制造物品”為中心的商業(yè)活動，向制造物品的生產(chǎn)活動所需的知識和技巧為中心的新型商務(wù)活動轉(zhuǎn)化。清華大學(xué)精儀系葉佩青Tel：62773269Email：yepq@OSEL的特征：獨(dú)立于作業(yè)機(jī)械的描述：為了保證可移植性，建立各種特殊機(jī)械的機(jī)械類庫。廣泛的編程層次：將軸的直線和圓弧運(yùn)動作為最終輸出，它們經(jīng)過更高層的加工過程描述，進(jìn)行廣泛的編程。劃分實(shí)時/非實(shí)時處理：實(shí)時處理限定在發(fā)出位置指令等比較單純的處理。曲線曲面的直接描述：曲線加工用函數(shù)調(diào)用形式直接發(fā)出指令，大大壓縮模具等曲面加工程序的大小。與EIA代碼和CL數(shù)據(jù)的后方互換性：有效利用現(xiàn)有技術(shù)資源，提出與已存在的EIA代碼和CL數(shù)據(jù)相適應(yīng)的方法。清華大學(xué)精儀系葉佩青Tel：62773269Email：yepq@OSEL的信息處理流程OSEL-F程序試驗(yàn)?zāi)Ｐ虯刀具軌跡生成刀具半徑補(bǔ)償?shù)毒邔傩约傧肭邢鳁l件OSEL-I程序試驗(yàn)?zāi)Ｐ虰坐標(biāo)系變換動作范圍檢驗(yàn)刀具長度補(bǔ)償實(shí)際切削條件I/O指令OSEL-X程序試驗(yàn)?zāi)Ｐ虲OSEL執(zhí)行程序（OSEL-EX）加工特征類庫刀具類庫機(jī)械類庫清華大學(xué)精儀系葉佩青Tel：62773269Email：yepq@加工特征類庫：不依賴于機(jī)械的加工方法，用加工特征類的方法定義。機(jī)床廠和終端用戶等可以自由地增加這個基類的派生類，從而可以增加獨(dú)自的加工技巧。機(jī)械類庫：假想編程坐標(biāo)系向物理坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換以及實(shí)際的I/O指令等依賴于機(jī)械的處理，使用分類方法描述。刀具類庫：包含用于加工特征類庫所需的刀具的尺寸和加工條件，以及機(jī)械類庫所需的實(shí)際的刀具名稱。清華大學(xué)精儀系葉佩青Tel：62773269Email：yepq@清華大學(xué)精儀系葉佩青Tel：62773269Email：yepq@研究機(jī)關(guān)：美國斯坦福大學(xué)、加州大學(xué)等CNC研究機(jī)構(gòu)具體目標(biāo)：高性能數(shù)控機(jī)床的CNC系統(tǒng)嵌入智能化單元，獲取、處理和有效利用各種信息，簡化操控。結(jié)構(gòu)體系:以開放性模塊結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，采用“功能部件”的結(jié)構(gòu)形式，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)功能用功能模塊組實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)特征T:Transparent,透明性,Transportable,可傳遞性，Transplantable,可移植性

R:Revivable（可再生性）

U:User－Reconfigurable（可重構(gòu)性）

E:Evolving（可進(jìn)化性）

四、TRUE-CNC

清華大學(xué)精儀系葉佩青Tel：62773269Email：yepq@TRUE-CNC

結(jié)構(gòu)圖TRUE-CNC

清華大學(xué)精儀系葉佩青Tel：62773269Email：yepq@8.3STEP—NC1.目前CNC系統(tǒng)現(xiàn)狀:繪制描述加工零件幾何形狀、尺寸公差和材料等屬性的CAD圖紙，并以符合STEP標(biāo)準(zhǔn)的IGES格式存放到文件；將該IGES文件讀入CAM系統(tǒng)，后置處理成RS274D（ISO6983）標(biāo)準(zhǔn)定義的G代碼；由CNC讀入G代碼文件進(jìn)行數(shù)控加工。可見目前CNC系統(tǒng)基于IGES和ISO6983標(biāo)準(zhǔn)清華大學(xué)精儀系葉佩青Tel：62773269Email：yepq@

IGES建立CAD數(shù)據(jù)輸出的統(tǒng)一接口，使不同數(shù)據(jù)格式的CAD之間可以交換數(shù)據(jù)。其本質(zhì)特征只是交換數(shù)據(jù)，不能傳遞工程圖紙的真正意義。CAM與CNC間采用ISO6983，用G、M、S代碼指定機(jī)床軸運(yùn)動。其特征是面向加工過程，描述如何（HOW）加工。這種始于60年代穿孔紙帶時期的數(shù)控標(biāo)準(zhǔn)，已不能夠滿足當(dāng)前數(shù)控技術(shù)高速發(fā)展的需要。STEP（ISO10303）是關(guān)于產(chǎn)品數(shù)據(jù)表示和交換的國際標(biāo)準(zhǔn)，提供一種不依賴于具體系統(tǒng)的中性機(jī)制，能夠描述產(chǎn)品整個生命周期內(nèi)的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)各個工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)品信息的標(biāo)準(zhǔn)化。清華大學(xué)精儀系葉佩青Tel：62773269Email：yepq@缺點(diǎn)：按ISO6983由CAM生成的代碼，數(shù)據(jù)量極大。不支持5軸銑、樣條數(shù)據(jù)、高速切削等功能。設(shè)計(jì)信息生成G代碼的同時丟失了尺寸公差、精度要求、表面光潔度等大量信息。生成G代碼的過程單向不可逆，在加工車間做出的修改無法反饋到設(shè)計(jì)部門。針對各種機(jī)械的數(shù)據(jù)層不具有互換性，需要與各種機(jī)械相適應(yīng)的后置處理。各廠商開發(fā)的宏和擴(kuò)展EIA代碼，使系統(tǒng)間語言不具通用，對用戶造成封閉使用狀態(tài)。清華大學(xué)精儀系葉佩青Tel：62773269Email：yepq@STEP－NC（ISO16469）：是STEP在NC領(lǐng)域的擴(kuò)展，定義了AP238應(yīng)用協(xié)議，作為CAM與CNC系統(tǒng)間的接口，可以與其他協(xié)議共享數(shù)據(jù)。解決了ISO6983的缺點(diǎn)，本質(zhì)是基于加工對象特征描述加工什么（What）。基于STEP-NC標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，描述基于STEP-NC標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品數(shù)字模型，更加準(zhǔn)確、簡潔，非常適合于網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動的數(shù)字制造。2.基于STEP-NC數(shù)控系統(tǒng)的出現(xiàn)清華大學(xué)精儀系葉佩青Tel：62773269Email：yepq@清華大學(xué)精儀系葉佩青Tel：62773269Email：yepq@3.STEP—NC數(shù)控系統(tǒng)模型命令刀軌數(shù)字產(chǎn)品模型加工操作AP238定義檢查誤差A(yù)P219定義幾何形狀A(yù)P203、214定義特征AP224定義XMLAP238文件STEP-NC解析器CAM底層NC控制器執(zhí)行指令

機(jī)床NC用戶圖形界面AP238文件STEP-NC控制器STEP-NC控制器由NC用戶圖形界面、STEP-NC解析器、CAM和底層控制器組成。清華大學(xué)精儀系葉佩青Tel：62773269Email：yepq@4.STEP-NC控制器加工零件的方法：制作AP214文件，描述加工零件的3D模型和公差；加工計(jì)劃編制系統(tǒng)（processplanningsystem）讀入該文件生成AP238文件，包含原材料、加工特征、過程序列和刀具要求等加工零件所需的全部信息。STEP-NC控制器讀取該AP238文件完成零件加工。清華大學(xué)精儀系葉佩青Tel：62773269Email：yepq@傳統(tǒng)數(shù)控與STEP-NC的數(shù)控加工過程對照清華大學(xué)精儀系葉佩青Tel：62773269Email：yepq@STEP-NC數(shù)控系統(tǒng)與傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)比較清華大學(xué)精儀系葉佩青Tel：62773269Email：yepq@5.STEP-NC的優(yōu)點(diǎn)：采用STEP取代IGES，STEP-NC取代RS274D（ISO6983）。STEP的本質(zhì)特點(diǎn)是共享數(shù)據(jù)（sharedata），通過相互間交流信息實(shí)現(xiàn)協(xié)同工作。不僅可以傳遞工程圖紙的幾何信息，而且可以傳遞工程圖紙全部信息、真正含義。STEP-NC本質(zhì)特征是面向加工對象，描述加工什么（what），即根據(jù)給定的形狀、尺寸、公差、加工次序和刀具等，從原材料加工出合格的工件。清華大學(xué)精儀系葉佩青Tel：62773269Email：yepq@1）對企業(yè)，從CAD傳到CAM的圖紙減少75％；2）對車間，CAM計(jì)劃編制時間減少35％；3）采用智能優(yōu)化，對中小工件加工時間減少50％；4）更加安全、合適的刀具選擇；5）不需要后置處理。STEP（AP214）STEP-NC（AP238）STEP-NC控制器快35％

快50％

快75％幾何形狀相同CADPlanningCAM+CNC清華大學(xué)精儀系葉佩青Tel：62773269Email：yepq@6.STEP-NC的國內(nèi)外研究狀況1997年3月，歐洲ESPRITIII計(jì)劃的OPTIMAL和MATRAS項(xiàng)目定義了第一個基于STEP面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型和應(yīng)用于銑削的CNC接口。隨后歐洲針對銑削加工發(fā)起STEP-NC計(jì)劃，為發(fā)展車、磨、快速原型加工、木材和玻璃切削等新的數(shù)據(jù)接口奠定了基礎(chǔ)。目前STEP-NC已在Siemens、Fidia、歐洲OSACANC數(shù)控的原型樣機(jī)上得到實(shí)現(xiàn)。韓國1999年9月起開始研究STEP-NC，主要集中在銑削加工和車削加工。清華大學(xué)精儀系葉佩青Tel：62773269Email：yepq@美國1999年11月起開始實(shí)施“模型驅(qū)動的制造智能控制”（MDICM）和“超級模型”（SuperModel）兩項(xiàng)工程。前者目標(biāo)發(fā)展STEP-NC，使其成為一種高效、數(shù)字化的CNC設(shè)備輸入文件標(biāo)準(zhǔn)，使CNC設(shè)備成為模型驅(qū)動的、具有智能控制的加工設(shè)備。后者最終目標(biāo)是用公開的規(guī)范來描述所有加工過程的數(shù)據(jù)。美國的STEPTools公司是制造業(yè)數(shù)據(jù)交換軟件的開發(fā)者，率先開發(fā)了基于STEP-NC的數(shù)字產(chǎn)品模型，用作機(jī)床的輸入。清華大學(xué)精儀系葉佩青Tel：62773269Email：yepq@在ARC咨詢公司評選出的2001年度自動化領(lǐng)域十大技術(shù)中，STEP-NC數(shù)控系統(tǒng)涉及其中三項(xiàng):STEP-NC、基于STEP的XML標(biāo)準(zhǔn)、JAVA編寫的STEP-NC解析器。清華大學(xué)精儀系葉佩青Tel：62773269Email：yepq@8.4并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)床及其控制并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)床（虛擬軸機(jī)床、6條腿數(shù)控機(jī)床）是數(shù)控機(jī)床在結(jié)構(gòu)上取得的重大突破。特點(diǎn)并聯(lián)結(jié)構(gòu)機(jī)床是現(xiàn)代機(jī)器人與傳統(tǒng)加工技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物；沒有傳統(tǒng)機(jī)床所必需的床身、立柱、導(dǎo)軌等制約機(jī)床性能提高的結(jié)構(gòu)；具有現(xiàn)代機(jī)器人的模塊化程度高、重量輕和速度快等優(yōu)點(diǎn)。清華大學(xué)精儀系葉佩青Tel：62773269Email：yepq@

鑒于并聯(lián)機(jī)床具有許多傳統(tǒng)機(jī)床所無法比擬的卓越性能，它作為一種新型的加工設(shè)備，已成為當(dāng)前機(jī)床技術(shù)的一個重要研究方向。近年來，受到了國際機(jī)床行業(yè)的高度重視。在近幾年的國際知名機(jī)床博覽會上，一些世界著名的機(jī)床廠商都展出了他們研制的并聯(lián)機(jī)床，得到了行家們的高度評價，被認(rèn)為是“自發(fā)明數(shù)控技術(shù)以來在機(jī)床行業(yè)中最有意義的進(jìn)步”，“21世紀(jì)新一代數(shù)控加工設(shè)備”。清華大學(xué)精儀系葉佩青Tel：62773269Email：yepq@VAMT1Y–thefirstparallelkinematicprototypemachinetoolinChina.Itwasshowedat4thChinaMachineToolExhibitionin1998

Height：

3500mmweight：

3000kgWorktable: 500×500mmworkspace：φ500Angle： 30°

一、PKM’sControlTechnology

清華大學(xué)精儀系葉佩青Tel：62773269Email：yepq@CNCsystembasedonRTLinux＋PMACPost-processorofParallelKinematicMachines清華大學(xué)精儀系葉佩青Tel：62773269Email：yepq@運(yùn)動學(xué)分析：

運(yùn)動坐標(biāo)系原點(diǎn)OT1在基礎(chǔ)坐標(biāo)系中的位矢為：清華大學(xué)精儀系葉佩青Tel：62773269Email：yepq@s表示sin，c表示cos，a是進(jìn)動角，b是章動角，g是自轉(zhuǎn)角

繞OB1XYZ的Z軸轉(zhuǎn)a角，達(dá)到x1y1z1的姿勢；繞當(dāng)前的x1軸轉(zhuǎn)b角，達(dá)到x2y2z2的姿勢；繞當(dāng)前的z2軸轉(zhuǎn)g角，達(dá)到終端的姿勢OT1xyz。則姿勢變換矩陣為：終端姿勢描述清華大學(xué)精儀系葉佩青Tel：62773269Email：yepq@定平臺上各鉸接點(diǎn)在基礎(chǔ)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)：

Bi=

Bj=

清華大學(xué)精儀系葉佩青Tel：62773269Email：yepq@運(yùn)動平臺上的各鉸接點(diǎn)在運(yùn)動坐標(biāo)系中的坐標(biāo)：

Ti=

Tj=

清華大學(xué)精儀系葉佩青Tel：62773269Email：yepq@動平臺上各鉸接點(diǎn)在基礎(chǔ)坐標(biāo)系中坐標(biāo)為：TiB=RTi+rT(i=1,2,…,6)于是支鏈?zhǔn)噶繛椋簂ili=RTi+

rT-Bi(i=1,2,…,6)

其中l(wèi)i為第i支鏈長度，li為第i支鏈單位方向矢量Bi=[Xi,Yi,Zi]T，Ti=[xi,yi,zi]T。上式即為運(yùn)動學(xué)逆解方程。動平臺各鉸鏈位置矢量在基礎(chǔ)坐標(biāo)系中為：si=RTi

(i=1,2,…,6)清華大學(xué)精儀系葉佩青Tel：627732