[00357678]五轴协同联动数控系统关键技术研究与产品开发

课题来源及背景：该课题是广西科学研究与技术开发计划项目“五轴协同联动数控系统关键技术研究与产品开发”(合同编号：桂科攻11107002-26)。课题实施时间为2011年1月至2013年12月，2014年5月12日通过广西壮族自治区科学技术厅组织的鉴定。数控系统是数控机床的关键及核心部件，高速、精密、多轴、高效数控系统是决定机床装备功能、性能、可靠性和成本的关键因素。由于高速高精、多轴高效数控系统的研发关系到产业升级和国防安全，因此具有超越经济价值的战略意义，发达国家对出口中国的高性能数控系统始终有所限制，高档数控系统几乎都由国外品牌所垄断，这成为制约中国高档数控机床发展的瓶颈。为此，针对五轴协同联动数控系统具体要求，从底层解决关键核心技术这一宗旨，进行“五轴协同联动数控系统关键技术研究与产品开发”。技术原理：该成果的数控系统采用模块化分级结构及多处理器并行协调运行的软硬件架构。该五轴协同联动数控系统采用基于上位机--开放式工业PC机、下位机--浮点双精度DSP(TMS320C67系列)数字信号处理器分级、多处理器并行协调架构以及外挂可编程逻辑顺序控制器(PLC)的硬件结构，相比传统数控系统具有较高层次的开放性可扩展性和可重构性。自主研发的高性能多轴运动控制器由多块模块化、可重构的功能板卡组成，是五轴协同联动数控系统关键核心技术。基于该硬件架构研发一种可重构的运动控制器软件架构，其以轴为基本控制单元，可根据用户功能和性能指标需求灵活重构实时性强的多轴协调运动系统。该数控系统具有非均匀有理B样条(NURBS)曲线插补、前瞻预处理和轨迹段间的平滑处理等功能，能实现数控机床的高速平滑运动和五轴协调联动运动控制。该系统可根据用户信号输入输出(IO)点数及电气特性要求，与多种商用PLC相连接，具有很好外部扩展性、适应性和灵活性。自主开发的上位机采用应用广泛的Wintel体系架构。引入层次化和模块化设计思想，使该架构具有可移植性、可扩展性以及可互换性等特点。该上位机系统具有丰富的函数接口，G代码文件操作支持多种格式文件导入，可实现对主流CAD/CAM软件生成的五轴加工G代码编译，具有较强的通用性。性能指标：合同书要求的主要性能指标：模块化、智能型五轴协同联动数控系统新产品样机一套。该装置具有2种或以上符合国际、国内主流技术标准的现场总线(或工业以太网)接口；五轴协同联动控制。专利2项：其中发明专利1项、实用新型专利1项。计算机软件著作登记权1项。论文专著3～5篇，其中三大索引收录不少于2篇。培养研究生5名。实际达到的性能指标：模块化、智能型五轴协同联动数控系统新产品样机1套。该装置具有1个CANOpen的现场总线接口，1个工业以太网接口，1个USB接口，1个RS232/485接口；具有五轴协同联动控制功能。申请专利8件，其中获发明专利授权4件、实用新型专利授权3件，在审1件。获计算机软件著作登记权2项。发表核心论文5篇，其中EI收录2篇,中文核心3篇。培养研究生9名。完成复杂曲面叶轮叶片现场加工测试。加工过程机床运行稳定，机床的X、Y、Z、A和C轴实现协同运动，加工出符合设计要求的叶轮外形。完成非均匀有理B样条(NURBS)曲线插补现场加工测试。加工过程机床运行稳定，完成G06K_X_Y_W_F_(G06_是NURBS插补准备指令，K_是节点值，X_、Y_是控制点坐标，W_是权重，F_是进给量)代码的平滑稳定加工，并加工出具有代表性的“蝴蝶形”、“星形”轮廓。技术创造性与先进性：提出以轴为基本控制单元方法，研发基于可重构的运动控制器软件架构，实现数控机床功能复合化、多轴协调同步运动。采用模块化、网络化、开放式分级架构的数控系统结构体系，采用上位机、下位机及外挂可编程逻辑顺序控制器的硬件结构即“工业PC+NC”架构。上位机采用Wintel体系架构，下位机采用基于高速以太网独立型的浮点、双精度多DSP数字运动控制器的多轴并行协调架构。提出基于7段式S曲线加减速全程规划的NURBS曲线自适应分段插补算法和一种自适应前瞻算法，实现复杂曲面叶轮叶片加工和非均匀有理B样条曲线插补及数控机床的高速平滑运动。技术成熟度、使用范围及安全性：该成果已试用于桂林广陆数字测控股份有限公司的部分技改项目、部分数控机床产品和高档柔性钣金加工中心设备上，间接产生的经济效益达500多万元。预计在桂林广陆公司后续的技术改造项目和数控机床产品中约配套30套。由项目的科研成果所形成的核心技术也已应用到6自由度关节型工业机器人的运动控制中。存在问题：需进一步完善系统的人机界面；增加数控系统的MTBF时间；加快成果产品化进程。