步进型cnc系统与加工文件的生成方法、实时控制方法
【技术领域】
[0001] 本申请属先进制造领域，具体涉及一种步进型计算机数字控制系统（Computer Numerical Control system，CNC系统）及加工文件的生成方法，用于线切割（Wire-cut Electrical Discharge Machine，WEDM)，激光切割机等数控设备。 技术背景
[0002] 现有CNC技术的基本原理是，在一个插补周期中，对于不同的刀路曲线，例如，直 线或圆弧，实时操作系统调用直线插补模块或圆弧插补模块，根据进给速度，采用直线插补 算法或圆弧插补算法计算出相关坐标轴在插补周期中的进给量，发送给相关伺服驱动器， 驱动相关坐标轴产生合成位移。跟随插补周期，如此周而复始，完成工件的加工。
[0003] 本申请将这种控制方法称之为插补迭代控制。
[0004] 插补周期固定不变，是现有CNC系统最重要的系统参数。中低速CNC系统的插补 周期一般为8ms、4ms、2ms。插补周期小于0.1 ms成为高端CNC系统的标志。
[0005] 插补算法的运算时间和计算精度影晌CNC系统的整体性能，特别是加工精度与加 工速度，是现有CNC技术的核心。
[0006] 步进型CNC系统与增量型数控系统是CNC系统的两种基本类型。前者的坐标轴离 散进给信息为" 1"形态的步进脉沖，后者的坐标轴离散进给信息为坐标值增量。
[0007] 步进型CNC系统完全体现了数字控制的本质，体系结构与控制方法都极为简单。
[0008] 步进型CNC系统的突出优点是两点同步（起点同步与终点同步）简单可靠。对 于步进型关联数据流，所有参入联动的坐标轴要么进给一个进给当量，要么不进给。因而， 终点同步是步进型CNC系统的内在属性，无须采用交叉親合控制技术（Cross Coupling Control，CCC)处理动态时滞所导致的轮廓误差。
[0009] 步进型CNC系统的主要缺点是进给速度低，无法满足加工中心等设备的高速加 工。
[0010] 在进给速度较低的情况下，许多数控设备，例如WEDM等，采用步进型CNC系统。
[0011] 除基于IEEE定义的现有CNC技术体系所导致的问题外，现有步进型CNC系统存在 下述问题。
[0012] 现有步进型CNC系统采用G代码编写NC加工程序（简称G代码程序），G代码程 序成为NC编程的编程界面。
[0013] 上世纪50年代纸带/穿孔卡作为输入的基本物理介质时，为规范在纸带/穿孔卡 上表示字符，制定了穿孔的编码标准，即G代码标准，包括IS06983(国际标准化组织标准代 码），EIA-RS274 (美国电子工业协会标准代码）。我国则于上世纪80年代初，根据ISO标 准制定了 JB3050- 82《数字控制机床用七单位编码字符》、JB3208- 83《数字控制机床穿 孔带程序段格式中的准备功能G和辅助功能M代码》等标准。
[0014] G代码编程是插补迭代控制的产物。
[0015] G代码指令的核心是插补指令。插补指令针对特定的曲线与功能。例如，直线插补 指令G01、顺圆插补指令G02、逆圆插补指令G03等基本插补指令，用于实时插补相关坐标轴 在插补周期中的的进给量。对于一些特定的曲线，例如，抛物线、椭圆、NURBS曲线等，采用 扩张的G代码插补指令。对于主轴转速，进给速度等工艺参数，用S指令与F指令表示。
[0016] 基于插补迭代控制，对于不同的刀路曲线，例如，直线、顺圆、逆圆，现有CNC系统 必须通过GOl、G02、G03等插补指令调用相应的插补模块。由此可见，在现有CNC技术体系 中，G代码程序与插补迭代控制是相互依存的。
[0017] 在数控技术的初期，采用手工编写G代码程序。
[0018] G代码程序中指令繁多，且无法记忆。因而，G代码程序的手工编程十分繁琐、费 时、易出错、且难以检验。为此产生了以APT语言（Automatically Programmed Tools)为 代表的数控编程系统。
[0019] 上世纪90年代，以CAD/CAE/CAPP/CAM为代表的自动编程系统取代APT成为主流。 其中，狭义的CAM已成为NC编程的同义词。
[0020] 上述编程系统均基于G代码，并独立于CNC系统，成为CNC系统的标准配置，且价 格不菲。
[0021] G代码标准是信息技术起步阶段的原始产物，受纸带的限制不可避免地存在信息 量过少的缺陷。各个厂商因而对G代码都进行了基本语义之外的扩张，所扩张的指令代码 及格式也各不相同，导致G代码程序与相应硬件的依赖，G代码程序在不同的数控系统之间 不具有互换性。因而，上述编程系统只能基于标准G代码进行NC编程，通常称为前置处理。
[0022] G代码程序与插补迭代控制相互依存，导致现有CNC技术产生了下述问题。
[0023] 1、刀路曲线的生成
[0024] 插补迭代控制必须根据进给速度进行实时插补，这就将进给速度与刀路曲线的几 何结构耦合在一起。
[0025] 插补计算首先必须保证当前插补点与前一插补点之间的微线段为刀路曲线的数 字映像，即离散误差在给定的范围内；另一方面，插补计算出来的坐标轴进给量还必须满足 进给速度及加减速等要求。这样一来，插补迭代控制方法将刀路曲线所涉及的时间、空间、 工艺要求、机电系统的运动学/动力学特征等要素全部紧密耦合在一起。
[0026] 由于刀路曲线是插补计算的基础，这就导致刀路曲线的生成成为现有CNC技术中 研宄最为广泛深入的内容。
[0027] 对于刀路曲线的生成，即使坐标轴之间具有复杂的运动关系，任何复杂的数学计 算都不是问题，难的是必须在极短的时间内，例如，在〇. Ims内实时插补相关坐标轴的进给 量。为了实现刀路曲线的高速高精度控制，现有CNC系统唯一的选择是，采用更高性能的硬 件，从而大幅度提高插补速度，并有效地处理加减速问题。
[0028] 2、G代码程序的后置处理
[0029] 由于CNC系统种类繁多，机床配置各不相同，对于不同的CNC系统，必须编写不同 的后置处理程序，对编程系统生成的G代码程序进行后置处理，以适应特定的CNC系统。
[0030] 现有专用后置处理程序高达上千种之多，以致后置处理理论与技术成为现有CNC 技术的重要内容。
[0031] G代码程序可读性差，不易使用与交换共享，无论是手工编程还是自动编程，其编 程与后置处理均是十分专业化的工作，需要专业的编程人员。G代码编程成为数控领域中的 一大专业。作为专业人才，编程人员的薪资数倍于普通员工，提高了线切割加工的成本。
[0032] CNC系统还必须处理与G代码程序相关的作业，包括G代码程序的解释与预处理 等。
[0033] 3、进给速度前瞻控制（Look ahead)
[0034] 根据离散误差，CAM系统通常将刀路曲线分为若干微线段，并生成相应的G代码程 序段。所谓进给速度前瞻控制，就是在插补运算之前，提前对若干G代码程序段进行加减速 预处理，预处理的G代码往往多达1000~5000条。进给速度前瞻控制耗费了大量的计算 资源，降低了加工速度。
[0035] 进给速度前瞻控制成为现有CNC的核心技术之一。
[0036] 此外，现有步进型CNC系统还存在下述问题。
[0037] 1、工艺参数的实时控制
[0038] WEDM与其他机床（例如，加工中心）的一个重要区别在于，其加工速度与加工精度 取决于电极丝与工件之间的电脉冲的工艺参数，包括脉冲频率、脉冲宽度、单脉冲能量等。
[0039] 一般来说，对于刀路曲线上的不同曲线段，例如，一条直线或一段圆弧，工艺参数 是不同的。为此，对于该直线或该圆弧，在G代码程序中使用扩张的H指令或E指令来设置 工艺参数。这是现有线切割CNC系统控制工艺参数的基本方法。这不是工艺参数的实时控 制。
[0040] 所谓工艺参数的实时控制指的是，工艺参数，例如单脉冲能量W跟随刀路曲线上 点的位置而改变，即W是点的坐标（X，y)的函数。
[0041] 刀路曲线中的直线（包括斜线），圆弧的连接处（拐角）通常是尖角或小圆弧。这 些尖角或小圆弧的加工称为拐角加工。
[0042] 电极丝是柔性刀具，在放电时的爆炸力和高压水的作用下产生运动滞后，导致拐 角处出现塌角，破坏了拐角的精度。
[0043] 拐角加工精度成为WEDM的基本技术指标。高频电脉冲的频率、脉冲宽度、单脉冲 能量等工艺参数，对加工精度和表面质量影响极大，特别是在拐角加工中，必须对拐角部位 进行工艺参数的实时控制。
[0044] 2、逐点比较法
[0045] 现有线切割CNC系统一般采用逐点比较法作为插补算法。
[0046] 逐点比较法存在下述缺点，从而影晌加工质量与加工速度：
[0047] 1)、逐点比较法不是最优算法。
[0048] 逐点比较法不是最优算法，特别是，一个插补周期产生的步进脉冲不是X轴脉冲， 就是Y轴脉冲。X轴与Y轴不联动（不同时进给），加工速度低。
[0049] 斜线只能用平行于坐标轴的微线段来逼近。因而，斜线的加工速度低于与之等长 的直线的加工速度。圆弧插补的运算时间比直线插补的运算时间长，"停"的时间也就长，导 致圆弧的加工速度远低于与之等长的斜线的加工速度。
[0050] 对于圆弧，逐点比较法产生的X、Y步进脉冲的对称性畸变大，不圆度较大。
[0051] 2)、数字化就是离散化。连续运动经数字化后变成离散运动。就像电影、电视一 样，"走走停停"是CNC控制的坐标轴离散运动的内禀属性。"停"的时间基本上取决于插补 周期。
[0052] 逐点比较法"停"的次数最多。在G代码程序中，90 %以上的指令为插补指令。对 于每条插补指令都必须解释执行，这就导致坐标轴"停"的次数太多，"停"的时间太长。另 一方面，CNC系统必须处理与G代码程序相关的作业，例如G代码程序的解释与预处理等。 这就耗费了大量的计算资源，影晌了 CNC系统的加工速度与加工质量。
[0053] 其次，对于直线（包括斜线）上的匀速段，原本可以用一条指令描述其加工过程。 然而，直线插补算法必须将该直线离散为若干条称之为轮廓步长的微线段，需要用若干条 直线插补指令描述其加工过程。由于工件轮廓曲线往往由大量直线（包括斜线）构成，这 就进一步影晌了 CNC系统的加工速度与加工质量。
【发明内容】
[0054] 为了更清楚地说明本申请的技术原理，进一步揭示G代码程序与插补迭代控制所 存在的问题，将现有CNC系统与计算机系统进行对比。
[0055] 事实上，计算机系统本身就是一个CNC系统。例如，一台PC机与一台打印机便构 成一个CNC系统。
[0056] 打印机的坐标轴为X轴、Y轴。文字由直线、曲线构成，其几何结构是确定性的。文 字，例如汉字，事先被离散为x/y平面上的一个点阵，并固化在字库中。点阵在字库中的地 址称为内码。汉字不同，其点阵、内码均不同。
[0057] 当打印机准备就绪后，向操作系统发出中断请求，操作系统响应中断，将word编 辑的文件发送给打印机。打印一个汉字时，根据其内码，从字库中读取其点阵中各点的X坐 标与y坐标，打印头打印该点阵，也就是该点阵所构成的汉字。
[0058] 从CNC的观点来看，打印机的CNC系统具有下述特点：
[0059] 1)、事先规划汉字的离散几何结构即点阵，并存储在字库中。
[0060] 2)、可以采用多种技术手段精细地规划汉字点阵。
[0061] 3)、采用word编辑文件，对于汉字，用户无须编写与G代码程序相类似的打印程 序。
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