線接觸加工數(shù)控系統(tǒng)的研究

分析了線接觸加工的加工方法。此數(shù)控系統(tǒng)是基于WINDOWS的全軟件數(shù)控系統(tǒng)，包括多個軟件控制模塊，通過控制銑刀的有效走刀姿態(tài)，利用銑刀側(cè)刃進行一次走刀完成對整個可展直紋面的加工。此外該系統(tǒng)具有圖形自動編程功能，保證了機床加工過程的自動化。

    在傳統(tǒng)的銑削加工中對面的加工多采用點接觸加工方式，這種加工方法的刀位計算簡單但加工效率與加工精度都較低，因此近年來出現(xiàn)了線接觸銑削加工，線接觸加工是利用銑刀側(cè)刃與加工工件的輪廓表面以一條直線的方式接觸，線接觸加工因為增加了刀具與工件的切觸長度，是基于面的加工方法。當(dāng)我們適當(dāng)改變加工方法，就可以利用銑刀的側(cè)刃進行一次走刀完成對整個曲面的加工。這樣不但可以提高加工效率，還可以避免逼近誤差和非線性誤差，從而改善加工精度。這種加工方法適合于空間平面、圓柱面、圓錐面、柱面、錐面、適合于線接觸加工的函數(shù)曲面等可展直紋面。在國際標(biāo)準(zhǔn)化組織規(guī)定的數(shù)控代碼和各數(shù)控與機床生產(chǎn)廠商所擴展的數(shù)控代碼中，一般沒有面加工指令。因此到目前為止也不存在針對面加工的數(shù)控系統(tǒng)。

1 數(shù)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

1.1 數(shù)控系統(tǒng)的硬件組成

    該數(shù)控系統(tǒng)是基于WINDOWS環(huán)境下的全軟件數(shù)控系統(tǒng)。因此其硬件部分主要是系統(tǒng)控制的輸出接口。另外由于WINDOWS操作系統(tǒng)是一個非實時性的操作系統(tǒng)，為解決線接觸加工數(shù)控系統(tǒng)的實時性，我們通過引入外部實時時鐘的方式來解決WINDOWS操作系統(tǒng)的實時性問題。數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

    其中PC機的控制輸出是利用ISA總線同外部I/O接口連接向電機發(fā)送控制脈沖信號。I/O輸出邏輯單元與實時時鐘是利用CPLD可編程邏輯器件來實現(xiàn)的。

1.2 數(shù)控系統(tǒng)的軟件部分

    該線接觸加工數(shù)控系統(tǒng)的軟件主要包括兩大部分:線接觸加工機床控制部分和圖形自動編程系統(tǒng)。

1.2.1 線接觸加工機床控制部分

    該數(shù)控系統(tǒng)是WINDOWS環(huán)境下全軟件的數(shù)控系統(tǒng)，機床的控制全部采用軟件的方式來完成。

    （1）WINDOWS操作系統(tǒng)具有強大的功能和友好的人機界面，但它是一個非實時性的操作系統(tǒng)，利用WINDOWS系統(tǒng)中所提供的各種實時措施很難滿足數(shù)控系統(tǒng)中對強實時性的要求。在這里，我們利用硬件和軟件兩個方面來解決Windows平臺上的實時時鐘問題。硬件方面通過制作ISA接口卡，利用CPLD產(chǎn)生所需要的實時時鐘中斷信號，通過接口卡上的ISA總線傳給PC機，在軟件方面則通過編寫設(shè)備驅(qū)動程序響應(yīng)該時鐘中斷。在這里我們采用VC++6.0+DDK+DriverStudio來開發(fā)ISA板卡的驅(qū)動程序。

    （2）本線接觸加工數(shù)控系統(tǒng)采用C++ Builder6.0編程工具來完成譯碼、預(yù)處理模塊、刀補模塊、插補模塊、速度控制、位置控制、等各部分功能。

    （3）數(shù)控系統(tǒng)對伺服系統(tǒng)和其他外設(shè)發(fā)送控制指令,必須對ISA的端口進行讀寫操作，這是數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)其功能的根本所在。在DOS操作系統(tǒng)下可以直接完成這些操作，由于WINDOWS NT操作系統(tǒng)徹底屏蔽了用戶對I/O的操作，WINDOWS NT采用分層的I/O系統(tǒng)。用戶態(tài)與核心態(tài)之間有一系列的系統(tǒng)組件。主要的有I/O管理器、設(shè)備驅(qū)動程序、硬件抽象層（HAL）、注冊表數(shù)據(jù)庫等。圖2為I/O請求流程圖。

    在WIDNOWS 環(huán)境下需開發(fā)相應(yīng)的I/O驅(qū)動程序才能完成I/O操作。通過驅(qū)動程序與應(yīng)用程序的通信來實現(xiàn)對I/O的控制輸出。

    應(yīng)用程序與WDM驅(qū)動程序的通信過程是：應(yīng)用程序先用CreatFile函數(shù)打開設(shè)備，然后用Device IoControl和WDM進行通信，也可用ReadFile從WDM中讀數(shù)據(jù)或用WriteFile寫數(shù)據(jù)給WDM。當(dāng)應(yīng)用程序退出時用CloseHand關(guān)閉設(shè)備。

    驅(qū)動程序與應(yīng)用程序的通信：驅(qū)動程序與應(yīng)用程序的通信可以利用DeviceIoControl異步完成，也可用WIN32事件通知的方法，另外也可以通過創(chuàng)建一個命名的事件，供驅(qū)動程序和應(yīng)用程序共同使用，但這種方法只適用于NT驅(qū)動程序與應(yīng)用程序的通信。

1.2.2 線接觸加工圖形自動編程系統(tǒng)

    這一部分的存在主要是由線接觸加工的特點決定的，線接觸加工利用銑刀側(cè)刃進行一次走刀完成對整個空間可展直紋面的加工，是基于面的加工方式，對面加工的數(shù)控程序采用手動方式非常復(fù)雜，而我們在這里采用自動編程系統(tǒng)，利用特征圖形的方式輸入，最后利用一條數(shù)控代碼完成對可展直紋面以及一些特征曲線的加工。下面是關(guān)于線接觸加工圖形自動編程系統(tǒng)的主要組成部分以及各部分的實現(xiàn)方法：

    （1）零件的圖形輸入部分。這里將采用特征圖形的輸入方式，用基于面的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲數(shù)據(jù)�？梢詫崿F(xiàn)一般二維圖形、空間平面和空間旋轉(zhuǎn)面、直紋面或其他三維曲面的圖形輸入。

    （2）圖形數(shù)據(jù)的獲取。采用特征區(qū)域法，用鼠標(biāo)激活該圖形來尋找圖形的特征數(shù)據(jù)。根據(jù)輸入的特征圖形，獲取該特征圖形的數(shù)據(jù)信息，然后通過一定的數(shù)據(jù)格式進行保存，為以后的數(shù)據(jù)處理奠定基礎(chǔ)。

    （3）生成刀位文件。進行刀位軌跡計算時，首先進行刀具干涉處理，然后將被加工零件圖形根據(jù)切削工藝給定的切削深度等參數(shù)，用等距直線分別求其交點，從而確定刀具每一步的切入點和切出點；其它的關(guān)節(jié)點再依據(jù)特征圖形的數(shù)據(jù)點和工藝要求即可獲得。

    （4）數(shù)控代碼的生成。刀位補償運算后生成數(shù)控代碼，曲面加工數(shù)控代碼的定義是利用ISO代碼集中的預(yù)留部分以及擴充的G代碼。根據(jù)數(shù)控機床特征文件，將刀位數(shù)據(jù)文件逐條翻譯成可用于加工的數(shù)控代碼文件。執(zhí)行后置處理命令時將自動按設(shè)計文件定義的內(nèi)容，輸出所需要的數(shù)控代碼文件。

    （5）動態(tài)仿真部分。通過動態(tài)模擬走刀路線以及刀具在整個運行過程中的姿態(tài)，驗證是否符合所設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)和要求的走刀；在走刀過程中，檢測所獲取的數(shù)據(jù)的正確性。

2 結(jié)語

    應(yīng)用線接觸加工方法，本文研究了線接觸加工數(shù)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過控制銑刀的有效姿態(tài)，利用銑刀側(cè)刃進行一次連續(xù)的走刀就可以實現(xiàn)對整個可展直紋面的加工。這種加工方式的數(shù)控代碼簡單，同時可避免逼近誤差和非線性誤差，是一種新型高效的數(shù)控加工方法。該數(shù)控系統(tǒng)用于機床的加工控制，可以大大改善加工精度，提高加工效率。