CN101825884A - 用五轴四联动的数控系统实现五轴五联动轨迹控制的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种用五轴四联动的数控系统实现五轴五联动轨迹控制的方法，包括如下步骤：通过设置FANUC数控系统参数和编制FANUC数控系统PMC(FANUC数控系统专用机床PLC控制器)梯形图，把在联动过程中运动较少的轴设为PMC轴；编制用户宏程序，从程序中把各坐标轴的相关坐标信息、指令速度、直线或圆弧信息传送到宏变量，通过速度计算公式计算得出所需的数据控制坐标轴的运动；编制后置处理程序，在需要进行五轴联动时在程序段前加上调用宏程序的指令或代码。通过上述措施可以使五轴四联动数控系统实现宏观上的五轴五联动运动轨迹控制，用直接调用宏程序的方法可以缩短数据的处理时间，提高系统的控制精度。控制精度误差≤0.02mm。

Description

用五轴四联动的数控系统实现五轴五联动轨迹控制的方法

技术领域

本发明是关于用五轴四联动的数控系统实现五轴五联动轨迹控制的方法。

背景技术

五轴联动数控机床是一种科技含量高、精密度高，专门用于加工复杂曲的机床，这种机床系统对一个国家的航空、航天、军事、科研、精密器械、高精医疗设备等等行业，有着举足轻重的影响力。五轴联动数控机床系统是解决叶轮、叶片、船用螺旋桨、重型发电机转子、汽轮机转子、大型柴油机曲轴等等加工的唯一手段。当研制复杂曲面遇到无法解决的难题时，往往转向求助五轴数控系统。由于五轴联动数控机床系统价格十分昂贵，加之NC程序制作较难，使五轴系统难以“平民”化应用。国外五轴联动数控机床是为适应多面体和曲零件加工而出现的。五轴联动数控机床的应用，其加工效率，相当于两台三轴机床，甚至可以完全省去某些大型自动化生产线的投资，大大节约了占地空间和工作在不同制造单元之间的周转运输时间及费用。五轴联动数控是数控技术中难度最大、应用范围最广的技术。它集计算机控制、高性能伺服驱动和精密加工技术于一体，应用于复杂曲面的高效、精密、自动化加工。五轴联动数控机床是发电、船舶、航天航空、模具、高精密仪器等民用工业和军工部门迫切需要的关键加工设备。国际上把五轴联动数控技术作为一个国家工业化水平的标志。长期以来，以美国为首的西方工业发达国家，一直把五轴联动数控机床系统作为重要的战略物资，实行出口许可证制度。对中国、前苏联等社会主义阵营实行封锁禁运。国内军工企业无法直接从日本或德国购买到五轴五联动以上(含五轴五联动)的日本FANUC或德国SIEMENS数控系统。

五轴联动数控系统联动轴数比较多，同时又涉及到两个回转运动，插补算法复杂，而且其各组成部分，如伺服驱动单元、位置反馈单元、误差补偿、电气控制、机床机械结构等在不同的应用场合有不同的特点。目前，多数数控系统不能满足这种多样性的需要，对不同的应用场合，就得选用不同型号的数控系统，这势必增加开发与维护费用。

发明内容

本发明的任务是利用FANUC 0i-MC五轴四联动数控系统，实现宏观上的五轴五联动加工复杂工件的方法。

本发明实现上述目的技术解决方案是：一种用五轴四联动的数控系统实现五轴五联动轨迹控制的方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)设置FANUC数控系统参数和编制梯形图，把在联动过程中运动较少的轴设为PMC轴；

(2)编制用户宏程序，从程序中把各坐标轴的相关坐标信息、指令速度、直线或圆弧信息传送到宏变量，通过速度计算公式计算得出所需的数据控制坐标轴的运动；

(3)后置程序的处理，在程序段前加上调用宏程序的指令或代码。

本发明具有如下有益效果。

本发明针对FANUC 0i-MC五轴四联动数控系统，采用设置参数、编制PMC梯形图、编制用户宏程序及后置处理软件等方法实现宏观上的五轴五联动数控功能。

用直接调用宏程序的方法可以缩短数据的处理时间，提高系统的控制精度。根据实测的测量数据进行加工测量后得知，其控制精度误差都≤0.02mm。同时通过后置处理程序生成零件加工程序，可以降低操作的复杂系数，提高效率。

通过在实际生产中的应用证明，这种方法是完全可行的和成功的，开创了数控系统的应用先河。如在数字化装配、钻铆系统上都具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是后置程序处理流程图

图2是用户宏程序流程图

具体实施方式

参阅图1。(1)设置FANUC数控系统参数和编制FANUC数控系统PMC(FANUC数控系统专用机床PLC控制器)梯形图，把在联动过程中运动较少的轴设为PMC轴

PMC轴是在数控轴的基础上实现控制的，即PMC轴要占用一个数控轴。只要对任一个数控轴的参数进行设定就可以把它变为PMC轴，然后再编制PLC梯形图对它进行控制，梯形图控制地址的变化，就可以使同一个轴在数控轴和PMC轴之间进行自由切换。

梯形图控制地址：G136.2。

只要把G136.2这个地址置“1”，Z轴就从数控轴变为PMC轴，它的运动距离和运动速度由宏程序计算并赋给两个宏变量，然后由PLC调用。在需要五轴联动时通过指令同时启动PMC轴和其余四个数控轴就能实现五轴联动了。五轴联动结束后再把G136.2置为“0”，这样Z轴就成为了数控轴。在NC程序中设定一个“M”代码，通过PLC译码来启动PMC轴的运行和停止，如：“M08”定为启动PMC轴，“M09”停止PMC轴并切换为数控轴。

这里把Z轴设为PMC轴。

相关参数设置：

参数8001

#0＝1 PMC轴控制中，所有轴机床锁住信号MLK对PMC轴无效

#2＝1 PMC轴控制中，空运转及倍率信号使用PMC轴控制的专用信号

参数8002

#4＝1 PMC轴控制中每分钟切削进给的进给速度单位1/100

参数8004

#0＝1 CNC侧指令了移动指令和辅助功能指令，当指令的轴移动结束后，系统等待辅助功能完成信号时，PMC侧对同一轴发出轴控制指令时执行PMC侧的轴控制指令

#1＝1当某轴按PMC的轴控制指令移动时，CNC又指令同一轴时若指令中不含轴移动指令，不出现报警，执行指令

#5＝1 在PMC轴选择无效状态，进行轴选择切换时，切换有效

#6＝1 PMC轴控制中，减速时不进行到位检查

参数8005

#0＝1 PMC轴控制中，外部减速信号有效

#4＝1 PMC轴控制中的速度指令，位置控制执行

参数8010

A：1 B：2 Z：3 PMC轴控制中各轴DI/DO组的选择

参数8022

A：150 B：150 Z：150 为PMC轴控制中每转进给的上限速度。

(2)编制用户宏程序

参见图2。数控轴和PMC轴的区别在于控制它们的对象不同，数控轴的自动运行是受NC程序控制，NC程序是程编员根据零件数模编制而成，所以NC程序的数据是变化的；而PMC轴的运行是受PLC梯形图的控制，它是PLC程序设计员在设计设备时就设计好并固化在系统内，它的程序是固定的，所以它的大多数数据都是固定不变的。在用PMC轴与其它四个数控轴实现联动时，关键在于在系统自动运行时要把PMC轴不同的坐标数据送到PLC梯形图里进行计算控制。PMC轴的数据包括坐标数据和速度数据。

要把数据传递到PMC轴，只有通过用户宏程序才能实现数据的实时传递，因为用户宏程序具有各种数据传递、读取变量值、变量赋值、数学计算、逻辑判断等功能，因此，设计用户宏程序是关键。在用户宏程序里进行各坐标轴的坐标位置计算、速度计算、PMC轴的数据传递、PMC轴和数控轴的控制。所以，在NC程序里调用用户宏程序就可以完成数据的传递与五轴联动控制。

联动过程中最重要也是最关键的是各轴的速度匹配，主要是PMC轴的速度与其它数控轴的速度匹配问题。

在NC程序中一般都会指定进给速度，但是这个进给速度是各轴的矢量合成速度，在运行时数控系统还将按各轴的运动路程来重新进行计算，然后再把指令速度分配给各坐标轴，合成速度的计算公式如下：

$F=\sqrt{{F_x}^2+{F_y}^2+{F_a}^2+{F_b}^2+{F_z}^2}$

F：NC程序指定的各轴合成进给速度

Fx-Fz：各坐标轴的实际进给速度

要计算各轴的进给速度，首先就必须要知道各坐标轴运行的总的合成路程L，然后根据系统的指令速度计算出系统要走完此段路程所需要的时间T，最后根据各轴运动的路程和时间T才能计算出各轴的运动速度，直线插补和圆弧插补的计算公式是不一样，分别如下：

各坐标轴都是直线插补时的速度公式：

各轴的合成路程(mm)： $L=\sqrt{{L_x}^2+{L_y}^2+{L_z}^2+{L_a}^2+{L_b}^2}$

总的运行时间(min)：T＝L/F

PMC轴的速度(mm/min)：Fz＝Lz/T

数控轴的合成路程：

数控轴的速度：F_数＝L_数/T

Lx～～Lb：各坐标轴移动的增量距离(单位：mm)

圆弧插补时的速度计算公式：

这里只进行X、Y平面的圆弧的插补与计算，圆弧插补时总的路程只计算圆弧的弧长，其它坐标的速度根据走完圆弧所需的时间来计算各自的速度，而圆弧或圆的弧长可以根据圆的起点坐标、终点坐标、半径计算出圆弧的圆心角，然后再计算出弧长，公式如下：

首先计算弧长：S＝α*R

走完弧长时间：T＝S/F

PMC轴速度：Fz＝Lz/T

α：圆弧圆心角，单位：弧度

R：圆弧半径，单位：mm

Fz：Z轴(PMC轴)的运动速度；单位：mm/min

Lz：PMC轴移动的增量距离

根据以上的公式就计算出了PMC轴的进给速度和数控轴的进给速度。在这里，把NC程序中指令数控轴的指令速度F的值，转换为包括PMC轴在内的所有坐标轴的合成指令速度是为了防止在进行速度匹配时，PMC轴的速度过高，受到系统参数限制后出现速度差，从而引起严重的联动错误，通过这样的处理后，所有轴的速度都会在允许的范围内，从而保证联动的可靠性和联动精度。

利用FANUC数控系统提供的用户宏程序变量，从程序中把各坐标轴的相关坐标信息、指令速度、直线或圆弧信息等传送到宏变量，然后根据上面的速度计算公式计算出所需的轴运动速度数据。把PMC轴的移动距离数值(Lz值)送到#1133号宏变量，把PMC轴的速度数值(F_z的值)送到#1132号宏变量，以上的数据都准备好后，用一个M代码通知FANUC数控系统的PMC把数控轴Z轴变为PMC轴并把数据送入系统执行，在紧接的下一程序段执行其余数控轴的坐标移动指令，移动速度为计算的速度F_数，再接下来的程序段为恢复PMC轴为数控轴指令，也是用M代码完成。

(4)后置程序的处理

不管是采用零件数模数据还是采用示教技术采集的点位数据，它们都是一些离散的点，而数控系统只能识别和执行标准的NC程序代码，因此，还需要有一个后置处理程序来对这些离散的数据进行拟合并生成数控系统能够识别的NC代码。开发专用的后置处理软件是实现五联动的关键技术之一，它可以用C语言、VB等专门的开发软件进行程序开发。数控程序的生成采用外置的微机系统，通过数控系统的RS-232接口传输到外置的微机系统。在由数模生成NC程序时，要先判断每一个程序段是否是五轴联动，判断的标准为，看是否是每一个坐标轴的移动距离都大于零，如果是，则进行五轴联动，在处理时就需要在程序段前加上调用宏程序的G指令或M代码，具体数值由参数指定，这样就实现了变五轴四联动为五轴五联动的功能，经过实际使用测试，完全满足实际使用要求。

Claims (5)

1.一种用五轴四联动的数控系统实现五轴五联动轨迹控制的方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)设置FANUC数控系统参数和编制梯形图，把在联动过程中运动较少的轴设为PMC轴；

(2)编制用户宏程序，从程序中把各坐标轴的相关坐标信息、指令速度、直线或圆弧信息传送到宏变量，通过速度计算公式计算得出所需的数据控制坐标轴的运动；

(3)后置程序的处理，在程序段前加上调用宏程序的指令或代码。

2.如权利要求1所述的用五轴四联动的数控系统实现五轴五联动轨迹控制的方法，其特征在于，所述的用户宏程序，是利用FANUC数控系统提供的用户宏程序变量，从程序中把各坐标轴的相关坐标信息、指令速度、直线或圆弧信息传送到宏变量，然后根据速度计算公式计算出所需的数控轴和PMC轴的运动速度数据。

3.如权利要求2所述的用五轴四联动的数控系统实现五轴五联动轨迹控制的方法，其特征在于，把PMC轴的移动距离数值(Z值)送到FANUC数控系统的#1133号宏变量，把PMC轴的速度数值(F_z的值)送到#1132号宏变量，以上的数据都准备好后，用一个M代码通知FANUC数控系统的PMC把数控轴Z轴变为PMC轴并把数据送入系统执行，在紧接的下一程序段执行其余数控轴的坐标移动指令，其余数控轴移动速度为计算的速度F_数，再接下来的程序段为恢复PMC轴为数控轴指令，也是用M代码完成。

4.如权利要求1或2所述的用五轴四联动的数控系统实现五轴五联动轨迹控制的方法，其特征在于，所述的速度计算公式：

$F=\sqrt{{F_x}^2+{F_y}^2+{F_a}^2+{F_b}^2+{F_z}^2}$

F：NC程序指定的各轴合成进给速度

Fx-Fz：各坐标轴的实际进给速度

各坐标轴都是直线插补时的速度公式：

各轴的合成路程(mm)：

总的运行时间(min)：T＝L/F

PMC轴的速度(mm/min)：Fz＝Lz/T

数控轴的合成路程：

数控轴的速度：F_数＝L_数/T

Lx～Lb：各坐标轴移动的增量距离(单位：mm)

圆弧插补时的速度计算公式：

首先计算弧长：S＝α*R

走完弧长时间：T＝S/F

PMC轴速度：Fz＝Lz/T

α：圆弧圆心角，单位：弧度

R：圆弧半径，单位：mm

Fz：Z轴(PMC轴)的运动速度；单位：mm/min

Lz：PMC轴移动的增量距离

5.如权利要求3所述的用五轴四联动的数控系统实现五轴五联动轨迹控制的方法，其特征在于，所述的后置程序是采用VB程序编写，在由数模生成NC程序时，要先判断每一个程序段是否是五轴联动，判断的标准为，看是否是每一个坐标轴的移动距离都大于零，如果是，则进行五轴联动，在处理时就需要在程序段前加上调用宏程序的G指令或M代码，具体数值由FANUC数控系统参数指定，将五轴四联动数控系统变为五轴五联动轨迹控制。

Images