摘要
开放式数控系统是当前数控技术研究的热点，而软CNC又是开放式数控系统中的核心技术。本文针对基于SERCOS的开放式数控体系，研究开发了软CNC。本文首先就开发环境进行研究，得出软CNC的结构，然后将开发任务进行分解，对软CNC进行具体开发。软件是在Windows NT中嵌入实时RTX子系统的环境下开发的，采用VC++6.0面向对象的编程语言，利用多线程来实现多任务的执行，通过创建共享内存来实现进程间的通讯。本文重点进行了软CNC中的代码解释、刀具补偿和插补的研究，最后针对三坐标铣床进行了实际测试。
数控系统中的代码解释是把输入的信息最终要转换成系统能够识别的信息，并针对输入的格式和内容进行检查，对错误进行警报。针对标准数控代码的特点，编制了一套代码解释的程序，并且可以对程序进行扩展。刀具补偿是数据处理中的重要组成部分，其中比较烦琐的部分是半径补偿。本文针对各种转接情况进行了详细的分析，并就临界状态的情况逐一进行了介绍，从而可以实现半径补偿功能。插补可以说是软CNC中的最重要的部分，它的性能的优劣直接关系到整个系统的运作。本文着重研究了在基于SERCOS的开放式数控体系下，如何实现高速、高精度的插补计算。通过对几种插补算法的分析比较，并具体的对两种插补算法进行了程序编制，最终确定了插补的算法，并在此基础上，对空间任意一个平面上的圆弧的插补进行了研究。
最后在三坐标铣床上进行了实际测试，实现了对语法分析、数据处理、插补计算、运动控制以及反馈显示整个数据流程的控制，基本实现了机床数控的功能。
Soft-CNC research is the most important part of the research work of open NC system, which became the research hotspot of NC technology. This paper mainly introduces how to realize the functions of CNC, including translation of NC codes to the system, tools compensation and interpolation. In this paper, open NC system is based on SERCOS interface while software is programmed with VC++6.0 on Windows NT operating system, which is embedded with RTX. In addition, a shared memory is created for the communication between two processes and a thread is created for the multitasks.
There are there main tasks of soft-CNC. The first task is translating NC codes to the system. The second is data processing. And the third is interpolation. In order to translate NC codes to the system, three parts of compilation is needed. The first part is to parse the accidence of words, the second part is to analyze the grammar of sentences, and the third part is to translate. This paper introduces a simple method of translation according to the feature of NC codes. And this paper can realize the function of tools compensation after carefully analyze the different joining conditions of lines or arcs. In addition, the paper can fulfill the function of interpolation, which is very important in the research of soft-CNC. Besides the function of a plane linear or arc interpolation, it can realize the linear or arc interpolation on any plane in the space. At last, it is tested on a three-coordinate milling machine.
Soft-CNC can realize the functions of CNC in high performance and high speed CNC system. With its great advantages, it will be widely used in many fields.
引文
1 王永章. 机床的数控技术. 哈尔滨工业大学出版社. 1995
2 游有鹏 董伟杰 张晓峰 王珉 开放式数控系统——新一代NC的主流 航空制造技术 1995（5）：35-37
3 戴晓华，王文，王威，秦兴，陈子辰. 开放式数控系统研究综述. 组合机床与自动化加工技术. 2000年第11期5-7
4 雷为民 乔建中 李本忍 滕弘飞，关于软件数控的一些基本构想，小型微型计算机系统，1999年2月第20卷第2期81-87
5 章富元 方江龙 汤季安，对我国数控技术发展的思考，中国机械工程
6 康存锋 陈卫福 黄旭东 范晋伟. 基于PC的开放式数控系统 北京工业大学学报，2001，27(3)：375-377
7 李佳特. 开放的道路. 软件天地. 2002，3：16～19
8 周济，周艳红. 数控加工技术.国防工业工业出版社. 2002：10～12
9 ESPRIT III OSACA，Open system architecture for controls within automation systems，OSACA Final Report，April 30 1996，http：//www.osaca.org
10 魏仁选,周祖德等. 可重用面向对象数控系统及其开发环境研究 华中理工大学学报,1999,27(3):19～21
11 马俊涛,刘积仁. 面向复用过程的自描述模块接口模型 东北大学学报,1999,20(3):32～35
12 刘爱林.肖跃加等 基于ＷＩＮ95/ＮＴ的开放式数控系统 机械与电子,1999(4):32～34
13 郇极,尹旭峰. 基于数字伺服现场总线技术的开放式数控系统 中国机械工程,1999,10(10):1132～1134
14 林弈鸿,李小力. 开放式数控系统的构造、界面与协议 中国机械工程,1998,9(5):22～24
15 聂秋根,张洪兴等. 开放化CNC系统模块化的设计 制造技术与机床,1999(28):52～54
16 卞立乾. 充分利用、改造通用PC机,促进数控产业的形成和发展. 中国机械工程，1998，9(5)：8～10
17 Rigobert Kynast. SERCOS interface Technical Overview ，1999
18 SoftSERCANS——SERCOS interface Master-Connection for PC Based Control Systems，Rexroth Indramat，2000
19 RTX_5.0_User's_Guide. VenturCom, Inc.2000
20 SERCOS Input/Output Unit. Rexroth Indramat，2000
21 G. Pritschow，Ch. Daniel. Open System Controller - A Challenger for the Future of the Machine Tool Industry，Annals of the CIRP，1993(42).1
22 Frederick M、Proctor、James S. Albus. Open architecture controllers，IEEE SPECTRUM，1997
23 Japan OSEC. Open system environment for controller architecture overview(Draft 2.0)，1997
24 Wolfgang Sperling、Peter Lutz，Designing、applications for an OSACA Control，Proceedings of the International Mechanical Engineering Congress and Exposition，1997
25 蒋立源，康幕宁，冯博琴. 编译原理. 西北工业大学出版社.2001（4）：5～35
26 刘磊. 数控代码解释器NCI的研究与实现. 华中理工大学硕士论文. 1996：10
27 姚习武，朱志红，田文超. Windows平台下数控代码解释系统的研究与实践. 机械设计与制造工程. 1999，28（3）：24～28
28 Stanislaw Zietarski. System Integrated Product Design, CNC Programming and Postprocessing for Three-axis Lathes. Journal of Materials Processing Technology ,2001,109:294～299
29 Rida T. Farouki, Jairam Manjunathaiah, Guo-Feng Yuan. G Codes for the Specification of Pythagorean-hodograph Tool Paths and Associated Feedrate Functions on Open-architecture CNC Machines. International Journal of Machine Tools& Manufacture, 1999,39: 123～143
30 余雪华，钱新思. 微机数控加工程序译码的C语言实现方法. 湖北汽车工业学院学报. 1999，13（3）：45～50
31 张国彬，林亨，袁守华，王哓芳. 车削中心数控加工仿真系统程序检查模块的开发. 机械设计与制造，2001，6：13～15
32 付永忠，吴晓. Win95平台下数控系统的数据处理方法. 制造技术与机床. 2000，9：16～18
武峰，金健，郭小军. 面向开放式数控系统的解释器研究. 武汉船舶职业技术学
33 院学报. 2002，9：27～29
34 姚习武，朱志红，田文超. 数控代码超前解释的研究与实践. 机械与电子. 1999，2：38～40
35 陈杰，陈健. 数控程序语法检查模块的设计. 煤矿机械. 2002，5：12～13
36 Yih-Fang Chang. Buffered DDA Command Generation in a CNC. Control Engineering Practice. 2002(12):1～8
37 刘德平，侯伯杰. CNC系统刀具半径补偿功能的实现. 组合机床与自动化技术，2002，2：18～20
38 章声. C计算机图形仿真. 组合机床与自动化技术，2002，5：18～20
39 李欣生，陈怀斌，侯伯杰. C机能二维刀补的分类及算法. 组合机床与自动化技术，1995，11：27～32
40 宁亭. C机能平面刀补转接矢量的算法研究. 组合机床与自动化技术，1994，4：27～32
41 朱世春，刘学平，刘光复. 微机数控系统刀具半径补偿的矢量分析和处理. 中国机械工程，1995，6：83～86
42 Chih-Ching Lo. Real-time Generation and Control of Cutter Path for 5-axis CNC Maching. International Journal of Machine Tools& Manufacture, 1999,39:471～488
43 Mahadevan Balasubramaniam, Sanjay E.Saram, Krzyztof Marciniak. Collision-free Finishing Toolpaths from Visibility Data. Computer-Aided Design 2003(35):359～374
44 J.D.Decotignie. Distributed Path and Speed Control in Machine-Tool Axis Motion. IECON,1991.:772～777
45 Chih-Ching Lo, Chao-Yin Hsiao. CNC Machine Tool Interpolator with Path Compensation for Repeated Contour Machining. Computer-Aided Design 1998,30(1):55～62
46 乐光学. CNC系统插补算法的优化设计，机械工艺师，2001.4：21～23
47 李礼夫，刘丰林，邓兴奕. 三坐标数控磨轮修整器的无积累误差插补控制方法. 机床与液压. 1998（12）：28～29
48 黄坚. 由二维插补拓展为三维插补的实现方法. 机械与电子.2001（5）：73～74
49 王敏. 圆弧插补的两种算法及五种终点判别方法的比较研究. 组合机床与自动化加工技术. 1996（3）：5～10
50 熊俊良. 数控系统圆弧数据采样插补算法. 兵工自动化. 2002，21（4）：18～21
51 冯冰，谭翰墨，刘波. 一种快速高精度的原弧插补方法. 广西民族学院学报. 2000，6（8）：197～209
52 高宏卿，熊蔡华. 空间平面曲线的变换插补算法. 江汉石油学院学报1995，17（3）：102～104
53 张建生，迟磊. CNC高速插补的探索. 南通工学院学报. 2001，17（2）：26～28
54 李波，蔡光起，孙奕澎. 圆弧插补新算法. 机械工程师. 1999，（8）：3～4
55 Wei Hu. Interpolation Algorithm Based on Central Angle Division. International Journal of Machine Tools& Manufacture,2002,42: 473～478
56 Hai-Yin Xu. Linear and Angular Feedrate Interpolation for Planar Implicit Curves. Computer-Aided Design 2003,35:301～317
57 Behnam Bahr, Xiaomao Xiao, Krishnan Krishnan. A Real-Time Scheme of Cubic Parametric Curve Interpolations for CNC Systems. Computers in Industry,2001,(45):309～17
58 Xunnian Yang. Efficient Circular Arc Interpolation Based on Active Tolerance Control. Computer-Aided Design 2002(34):1037～1046
59 Longxiang Yang, Ian Yellowley. High-speed Contouring Using a Novel Dynamic Interpolation Mechanism. International Journal of Machine Tools& Manufacture, 2001,41:773～794
60 Rong-Shine Lin. Real-time Surface Interpolator for 3-D Parametric Surface Machining on 3-axis Machine Tools. International Journal of Machine Tools& Manufacture, 2000,40:1513～1526
61 S.-S. Yeh, P.-L.Hsu. The Speed-controlled Interpolator for Machining Parametric Curves. Computer-Aided Design 1999(31):349～357
62 K.D.Oldknow, I.Yellowley. Three-dimensional Dynamic Interpolation Using Stateline Based Control Architectures. International Journal of Machine Tools& Manufacture,2002,42: 1627～1641
63 王宏甫，任玉田，段超群. 四坐标数控铣床的开发. 北京理工大学学报. 1994（10）：91～95
64 党钊，黄大贵，张军，葛森. 基于智能运动控制器的开放式多轴连动数控系统. 机械，2001，28（4）：57～59
R.V.Fleisig, A.D.Spence. A Constant Feed and Reduced Angular Acceleration Interpolation Algorithm for Multi-axis Machining. Computer-Aided Design
65 33(2001):1～15
66 K.Aoki, N.Iwazawa, T.Tsujisawa, Y. Sakaguhci, K. Nakawatase. High-Accuracy Path-Tracking by Multi-Axis Coordination in CNC Machines. IEEE Functional Devices Research Labs, NEC Corporation,1994:1842 ～1847
67 Min-Yang Yang, Won-Pyo Hong. A PC-NC Milling Machine with New Simultaneous 3-Axis Control Algorithm. International Journal of Machine Tools& Manufacture,2001,41: 555～566