SINUMERIK 840D系统在串并混联试验台曲线加工中的应用
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摘要
近年来一些少自由度并联机构成为新的研究热点，同时，数控系统的开放化
是当今数控技术的主流。本课题就是针对这两个趋势，分析了一种新型、结构简
单、造价低的平面二自由度的并联机构，同时对 SINUMERIK 840D 数控系统的结
构和性能进行了深入的研究，利用其提供的 OEM 二次开发软件开发出了与新型平
面二自由度的并联试验台配套的人机管理界面，实现了多种曲线的自动化加工。
主要工作如下：
(1) 分析了高速数控机床试验台的运动变换，建立几何约束方程，成功的建立
了该机构的正、逆解数学模型，同时对机构的速度、加速度进行分析，给出了刀
位与各轴之间速度转换的数学模型及该试验台的作业空间，为研究试验台的插补
算法提供了理论依据。
(2) 根据试验台的位置、速度反演的数学模型给出了粗精插补的方法：粗插补
采用时间片的方法将刀位在时间轴上离散化，给出每个点序的位置、速度，精插
补是在伺服驱动器上采用 PVT 运动模式实现了直线、圆弧的插补。同时，研究了
数控加工中插补节点的计算方法，利用参数化编程的方法实现了并联试验台的多
曲线自动化加工。
(3) 深入研究了 SINUMERIK 840D 数控系统，利用其提供的 OEM 二次开发
软 件 ， 在 Visual Basic 环 境 下 ， 开 发 出 了 与 试 验 台 配 套 的 加 工 界 面 ， 利 用
SINUMERIK 840D 系统的 NCDDE 服务器提供的变量服务、域服务、程序调用服
务等功能实现了 HMI 和NC 之间的数据传递以及系统内部的通讯，并建立了 HMI
的网络连接。
关键词：并联数控机床 机构运动变换 插补算法 NC 运动控制
SINUMERIK 840D 参数化编程
ABSTRACT
Less degree of freedom parallel mechanism become a new hotspot, in recent years,
open CNC system also become an important direction of CNC technology. According to
these two trends, this paper not only has analyzed a 2 DOF planar parallel mechanism
with simple structure and low cost, at the same time, this subject also has researched
in-depth the configuration of the SINUMERIK840D and has developed the HMI mating
with the new mechanism to realize automatic machining of various non-circular curve
with the redevelopment software OEM provided by SINUMERIK 840D.The main
research of this paper is as follows:
(1) The transform of platform was analyzed. The geometry constraint equations
for this mechanism are given. The forward kinematics of this mechanism is successfully
derived in analytical form and reverse model is given. The velocity and acceleration are
analyzed. Work space of parallel mechanism and mathematical models of the transform
platform of velocity between tool position and every axis are given. Above content
shows theoretical basis of interpolation algorithm.
(2) According to the models of position and velocity, algorithm including rough
interpolation and precise interpolation was given. In rough interpolation, tool position
was discretized along the time axis and every point sequence of position and velocity
were given; in precise interpolation, the PVT algorithm is adopted. By the new
algorithm, line interpolation and circular interpolation were realized. The calculation
method of interpolation node in NC machining was made in research.
(3) This paper developed machining interface mating with the new mechanism un-
der Visual Basic environment. Besides we have realized the data transmission between
HMI and NC and system inner communication with the Variable Service, Domain
Service, PI Service offered by NCDDE Server of the 840D, moreover, the HMI network
connections was built.
Key Words: parallel NC machine tool, interpolation algorithm,
SINUMERIK840D system, Parametric programming
目录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ...................................................................................................................1
§1.1 本文的研究背景及意义 ...................................................................................1
§1.2 国内外的研究现状 ..........................................................................................2
§1.2.1 并联机床数控系统建造的若干技术 .......................................................2
§1.2.2 开放式系统的现状及发展趋势 ...............................................................4
§1.2.3 数控编程的现状及发展趋势 ...................................................................6
§1.3 本文的主要研究内容及组织结构 ..................................................................7
第二章 试验台的运动学分析 .........................................................................................9
§2.1 试验台机构分析 ..............................................................................................9
§2.1.1 数控机床试验台组成 ................................................................................9
§2.1.2 试验台的几何模型 ..................................................................................11
§2.2 机床机构的运动分析 ....................................................................................11
§2.2.1 机构组成及自由度分析 .........................................................................12
§2.2.2 试验台机构运动学的几何约束方程 ......................................................13
§2.2.3 试验台机构位置的正、逆解模型 ..........................................................13
§2.2.4 试验机构的速度与加速度分析 ..............................................................15
§2.2.5 试验机构作业空间的分析 ......................................................................18
§2.3 小结 ................................................................................................................19
第三章 曲线加工插补算法的研究 ...............................................................................20
§3.1 常用的数控系统插补控制方案 .....................................................................20
§3.2 试验台插补算法的分析 .................................................................................21
§3.2.1 试验台的插补策略 ..................................................................................21
§3.2.2 试验台操作空间上的粗插补 ..................................................................23
§3.2.3 试验台各驱动轴的精插补 ......................................................................25
§3.3 非圆曲线加工的实现 .....................................................................................26
§3.3.1 非圆曲线节点计算方法的研究 ..............................................................26
§3.3.2 曲线加工的编程方法 ..............................................................................29
§3.4 曲线加工参数化编程方法的研究 .................................................................32
§3.4.1 参数化编程的原理及方法 ......................................................................32
§3.4.2 西门子 840D 系统中参数编程的实现 ...................................................34
§3.5 小结 .................................................................................................................36
第四章 高速数控机床试验台数控系统 .......................................................................37
§4.1 西门子 840D 系统的功能及特点 ..................................................................37
§4.1.1 840D 系统功能 .......................................................................................37
§4.1.2 840D 系统功能特点 ...............................................................................38
§4.2 试验平台控制系统的硬件结构 ....................................................................39
§4.3 系统的软件结构 .............................................................................................40
§4.3.1 MMC 软件系统 ......................................................................................41
§4.3.2 840D NC 软件系统 ................................................................................. 42
§4.3.3 PLC 软件系统 ......................................................................................... 42
§4.4 开放的西门子 840D 数控系统 ......................................................................43
§4.5 小结 .................................................................................................................45
第五章 系统应用软件及系统内部通讯 .......................................................................46
§5.1 OEM 二次开发软件 .......................................................................................46
§5.1.1 OEM 的功能及 OEM 应用程序 .............................................................46
§5.1.2 顺序控制 ..................................................................................................47
§5.1.3 界面开发及嵌入 ......................................................................................49
§5.2 系统的内部通讯 ............................................................................................51
§5.2.1 动态数据交换 ..........................................................................................52
§5.2.2 840D 数据交换服务 ................................................................................53
§5.3 小结 ................................................................................................................56
第六章 系统运行及加工实例 .......................................................................................57
§6.1 系统软件的运行界面 ....................................................................................57
§6.2 加工实例分析 ................................................................................................59
§6.2.1 圆度误差的数学模型 .............................................................................60
§6.2.2 实例数据分析 .........................................................................................62
§6.3 小结 ................................................................................................................63
第七章 结论 ...................................................................................................................64
§7.1 总结 ................................................................................................................64
§7.2 展望 .................................................................................................................65
参考文献 .........................................................................................................................66
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................69
第一章 绪论
1
第一章 绪 论
随着科学技术和社会生产的迅速发展，机械产品日趋精密、复杂，同时改型
频繁，这不仅给机床设备提出精度与效率的要求，也提出了通用性与灵活性的要
求，数控机床就是在这种条件下发展起来的一种数控装置控制的高效自动化机床。
数控机床的出现使工业生产设备产生了本质的变革，数控技术的应用不仅减轻了
工人的劳动强度，还大大提高了产品质量和精度，如今数控机床已被广泛应用于
机械运动控制的各个领域，机械制造业是一个国家国民经济的基础产业，机械工
业的发达与否是衡量一国工业化程度的重要标志，也是衡量一个国家综合实力的
重要标志[1]。但是，另一方面，在激烈的市场竞争中，企业为了提高生产效率和降
低成本，也在不断引进新的生产技术和生产设备，但引进国外大型的数控设备需
要大量的资金，因此在有限的资金条件下，学习、消化国外先进技术，利用现有
的成熟的数控系统对一些专用机床进行二次开发或者对旧的设备进行数控化改造
就成为一些企业首选的节约成本，提高效率的有效途径[2]。
§1.1 本文的研究背景及意义
机械制造业是一个国家国民经济的基础产业，机械工业的发达与否是衡量一
国工业化程度的重要标志，也是衡量一个国家综合实力的重要标志。因此，大力
发展以数控技术为核心的先进制造技术己成为世界各发达国家加速经济发展、提
高综合国力和国家地位的重要途径。
高性能、高集成度、工艺复合化、多轴化也是当今数控机床研究的趋势。传
统的串联的运动机床已不能满足超精密、超高速、激光和细微加工等新工艺的要
求。虚拟轴并联数控机床研究应运而生，成为世界机床厂家研究的技术之一。由
于并联机构所体现的高力重比，高刚性以及无误差积累，特别是运动学简单，便
于实时控制等串联机构所无法比拟的优点。因此，基于串并混联、内外副混合驱
动或纯并联的少自由度机构的并联机床正逐渐受到人们的青睐，研究并联、串并
混联的数控机床控制技术，充分发挥其高力重比、高刚性以及无误差积累、运动
学简单、便于实时控制等优点成为数控机床行业的新动态之一[3,4]。
从整体来讲数控机床高速化、高加速度化、高精度化、复合化、智能化、开放
化、网络化、多轴化、绿色化等是其主要发展趋势。高速高加速高精度技术是数
控机床的关键技术，因此更高的动态性能和控制度，更高的进给速度和加速度以
及更低的振动噪声和更小的磨损是现在世界数控机床的发展趋势。但是，传统的
SINUMERIK 840D 系统在串并混联试验台曲线加工中的应用
2
“旋转伺服电机+滚珠丝杠”的驱动系统的传动链从作为动力源的电动机到工作部
件要通过很多的中间传动环节，在这些环节中产生了较大的转动惯量、弹性变形、
反向间隙、运动滞后、摩擦、振动、噪声及磨损。由于这些问题的存在，传统的
滚珠丝杠加旋转电机的伺服传动链已经不能适应高速数控加工上越来越高的要求。
当今的数控机床的驱动基本上向取消从电动机到工作部件之间的各种中间环节的
“直接传动”的概念靠拢。同时随着直线电机的技术日益成熟，这种将电能直接
转化成直线运动机械能而不需要任何中间转换机构的传动装置以其结构简单、无
接触、无磨损、噪声低、速度快、精度高等明显优势使得世界最知名的机床制造
厂商几乎无一例外地推出直线电机驱动的机床产品。因此，研究开发自己的高速
高加速度高精度机床数控系统，对应用于基于直线电机的数控机床的各种关键型
技术参数进行测量的研究，对发展高速高加速高精度加工技术装备，具有重要意
义。
本课题就是以上海理工大学配备西门子公司生产的 SINUMERIK 840D数控
系统、基于直线电机的龙门式高速数控机床试验台为平台，对试验台进行运动分
析，充分利用840D功能强大、系统配置容量大且灵活、开放性好的的特点，以其
提供的对标准型数控系统进行开发的专用开发软件OEM为研究工具，对串并混联
的数控机床的控制进行一系列的初步研究，开发出自己的用户界面，实现各种曲
线的自动加工，为实现串并混联控制的实现打下基础。
§1.2 国内外的研究现状
§1.2.1 并联机床数控系统建造的若干技术
(1) 数控系统硬件平台建造技术[5]
合理的搭建硬件平台是开发并联机床数控系统的关键技术之一。目前，国外
并联机床的数控系统都是基于底层插补核心代码公开或核心内核全面开放的商用
数控系统建造的。如瑞士Neos Robotics公司生产的Tricept系列和德国生产的Urane
并联机床均采用Sinumerik 840D开放式数控系统。韩国生产的Eclipse六轴并联机床
均采用STM2000开放式数控系统。
除了采用上述的商用数控系统外，采用“PC+适配器”也是常用的数控系统硬
件平台。所谓适配器一般为可编程多轴运动控制器。这种控制器可作为PC标准插
件实现伺服控制，并通过内置PLC实现对机床动作的逻辑控制，并为用户提供二次
开发编程语言。目前这类控制器的种类很多，例如Acroloop公司的ACR8010控制器，
Galil公司的DMC-1880控制器、Delta Tau公司的PMAC等。因此，能否正确的掌握
第一章 绪论
3
可编程多轴运送控制器与上位机的接口与通讯技术便成为开放式数控系统开发的
首要前提。
(2) 数控系统的软件设计技术[5,6]
为了实现对并联机床的高速、高精度轨迹控制，数控系统不但需要高性能的
控制硬件，而且与系统软件技术密切相关。系统软件通常包括用户界面、数据预
处理、插补计算、虚实变换、PLC控制、安全保障等模块，并需要简单、可靠、可
做底层访问，且可完成多任务实时调度的操作系统。
位置正、逆解问题(Forward kinematic problem and reverse kinematic problem)不
仅是并联机构运动学研究的核心内容，也是构造机床作业空间算法、控制机床运
动、误差补偿和速度及加速度分析的理论基础。目前，主要采用数值法和解析法
来求解机构的正、逆解。
Dieudnnet采用Newton-Raphson数值算法解决了与标准Stewart平台相似的运动
仿真器的FKP。Behi也采用类似的数值方法解决并联机构的FKP。而Griffs和Duffy
首先采用解析法求解了Octahedral型Stewart平台的FKP，尽管这类3-3构型（两个数
字分别表示运动支链与固定平台、运动平台相连接的铰链数）的机构较为简单，
但推导出了复数域内的16组正解。随后，Nanua和Waldron，Innocenti和Parenti
Castelli分别对6-3构型Stewart平台的位置解析正解进行了分析，都得到了复数域内
的16组正解。Lin、Duffy和Griffs则对4-4构型的并联机构正解进行了研究，得到了
复数域内的24组封闭正解。Innocenti则对6-4配置的并联机构正解进行了分析，得
到了复数域内的32组正解。迄今为止，最为复杂的位置正解分析应属Innocenti和
Parenti-Castelli，对5-5配置并联机构的研究，他们推导出的封闭正解在复数域内的
个数多达40个。
实时插补计算是实现刀具高速、高精度轨迹控制的关键技术之一。在以工业
PC机和开放式多轴位控板为硬件平台建造的并联机床数控系统及商用数控系统中，
由于核心插补算法是针对笛卡尔坐标系开发的，不能用于并联机床伺服驱动的运
动控制。常用且易行的轨迹插补算法，首先根据要求在操作空间中离散刀具轨迹，
并根据硬件所提供的插补采样频率，按时间轴对离散点作粗插补，然后通过虚实
变换将数据转化到关节空间，再送入控制器进行精插补。注意到在操作空间中两
离散点间即便是简单的直线匀速运动也将被转化为关节空间中各轴相应两离散点
间的变速运动，因此若使关节空间中各轴两离散点间做匀速运动，则将在操作空
间合成复杂的曲线轨迹。为此，必须对离散点密化以创成高速、高精度的刀具轨
迹。这不仅需要解决控制器的虚、实映射插补算法效率，而且需要有效的解决速
度过度问题。
SINUMERIK 840D 系统在串并混联试验台曲线加工中的应用
4
数控系统是强实时控制，可靠地实时任务调度是系统开发的又一关键技术。
在数控系统中，实时任务调度通常是在通用操作系统上经扩展实现的。系统任务
调度管理及各模块之间通讯是实时调度的重要组成部分，需要考虑以下问题：
a) 考虑到在一个插补周期内需要根据不同的优先级完成对不同任务的调度，
因此在系统运行时，必须对各项任务的状态进行不间断访问，并根据优先级、激
活和休眠条件进行及时切换。
b) 考虑到实时任务中的实时突发性任务具有强实时性，故需获得较高的优先
权，并通过一步中断来实现。
c) 考虑数控任务中各项任务之间要完成信息交换和资源共享，因此系统必须
提供任务通讯机制，以便使各项任务能够协调同步完成。
综上所述，在制定并联机床CNC系统的多任务调度策略时，首先要根据控制
要求确定任务优先级，并按照任务所处状态合理的切换和执行任务。在此基础上，
还需要通过中断和系统定时器处理不同的实时性任务，并利用通讯机制正确处理
从主机间的任务协调问题，这也是数控系统开发的难点。
友好的用户界面是并联机床数控系统的开发中的不可忽视的重要因素。注意
到目前操作者已习惯传统数控机床操作面板及有关术语和指令，故基于方便终端
用户使用的考虑，在开发用户界面时，必须将在控制原理方面的特点隐藏，而使
提供给用户或需要用户处理的信息尽可能与传统机床一致。这些信息通常包括操
作面板的显示，数控程序代码和坐标定义等。开发系统的编译模块则是这部分工
作重点之一。
§1.2.2 开放式系统的现状及发展趋势
开放式数控系统是各发达国家在20世纪90年代开始争先发展的新型控制器，
是计算机软、硬件技术、信息技术、控制技术融入数控技术的产物。IEEE标准给
开放式数控系统下了这样的定义：能够在多种平台上运行，可以和其他系统互操
作，并能给用户提供一种统一风格的交互方式的数控系统现在实际用于工业现场
的数控系统主要有以下三种类型，分别代表了数控技的不同发展阶段，对不同类
型的数控系统进行分析后发现，数控系统不但从封闭体系结构向开放体系结构发
展，而且正体现出从硬数控向软数控方向发展的趋势[7]。目前有以下三种形式：
(1) “PC嵌入NC”结构的开放式数控系统，如FANUC18i，
16i系统、
SINUME
RIK 840D系统、Num1060系统、AB9/360等数控系统。它是在传统的专用数控中简
单嵌入PC技术，整个系统可以共享一些计算机的软硬件资源，而计算机只参加辅
摘要：
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摘要近年来一些少自由度并联机构成为新的研究热点，同时，数控系统的开放化是当今数控技术的主流。本课题就是针对这两个趋势，分析了一种新型、结构简单、造价低的平面二自由度的并联机构，同时对SINUMERIK840D数控系统的结构和性能进行了深入的研究，利用其提供的OEM二次开发软件开发出了与新型平面二自由度的并联试验台配套的人机管理界面，实现了多种曲线的自动化加工。主要工作如下：(1)分析了高速数控机床试验台的运动变换，建立几何约束方程，成功的建立了该机构的正、逆解数学模型，同时对机构的速度、加速度进行分析，给出了刀位与各轴之间速度转换的数学模型及该试验台的作业空间，为研究试验台的插补算法提供了理论...
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