第1章 绪论
近年来，随着尖端科学技术的不断发展，石材制品在航空航天、精密模具、汽车制造等领域得到广泛应用。与传统金属材料相比，石材制品*面几何造型的多变性、加工效果的个性化以及加工装备配置结构的多样性为其高速高精加工增添了难度[1， 2]，具体表现在下述几方面。
(1)加工效果的个性化为轨迹运动控制方案的制定提出了智能化的要求。精度、效率和表面光洁度是常见的加工效果衡量指标，三者相互制约，不能同时达到*优。熟练的数控系统操作人员能够平衡三者的关系，形成合适的加工方案，但这对加工人员经验、技术水平要求较高，不符合石材加工行业从业人员的实际情况。因此，如何构建满足智能数控加工的软件体系结构，进而提升系统智能化程度，是实现石材制品高速高精加工不可忽视的问题。
(2)配置结构多样性为机床运动学分析提出了通用性的要求。不同旋转轴配置结构机床对同一工件进行加工所取得的精度和效率往往存在较大差异。如何建立通用的机床旋转轴运动学模型和分析方法，从而根据加工需要选择适合的机床，是充分发挥石材制品高速高精加工潜力不可避免的问题。
(3)几何造型多变性为刀具运动轨迹控制方法的研究提出了多样化的要求。石材制品*面造型复杂，多由初等解析*面和自由*面组合而成。为满足该类制品高速高精加工需要，除常见的铣刀、车刀外，一些特殊形状的刀具(如圆锯片)也应用于石材加工，为刀具运动轨迹控制方法的研究提出了多种需求。
综上所述，建立满足智能数控加工的软件体系结构，形成符合机床运动学特性的石材制品数控加工轨迹控制方案，是实现该类制品高速高精加工所需解决的基础与关键问题。结合数控加工技术发展历程，本章对智能数控系统、机床运动学以及运动轨迹控制等领域相关研究成果进行梳理。
1.1 数控加工技术的发展
数控加工技术是根据产品设计和加工工艺要求，通过数控系统控制产品加工过程，进而实现自动化加工的一项技术。数控加工技术的发展始于20世纪50年代**台机床数控装置的成功研制，其发展水平直接体现了国家的工业实力和综合国力。
数控系统集计算机、自动控制、机械制造、自动检测和微电子等领域相关技术于一体，通过数字化信号实现对机床运动和加工过程的控制，是制造领域的典型代表[3，4]。早期的数控系统采用电子管和继电器等硬件作为具有计算能力的专用控制器，用于实现自动化加工设备的控制，因此也将这段发展时期称为硬件式数控时代。根据数控系统所采用硬件技术的不同，可将其划分为三个阶段。
(1)**代数控系统采用电子管、继电器和模拟电路作为核心部件。与早期计算机相比，这类“搭建”的计算机运算速度较快，能够适应机床实时控制要求。
(2)第二代数控系统采用晶体管作为核心部件。与笨重的电子管相比，晶体管的使用极大地缩小了数控系统体积，使其在工业领域得到更为广泛的应用。
(3)第三代数控系统采用小规模集成电路作为核心部件。小规模集成电路的使用在提高数控系统可靠性的同时，其功耗和体积都大大降低，大幅度降低了生产成本。
20世纪70年代初，随着通用小型计算机的大批量生产和*片微处理器的研发，数控系统的核心部件由专用计算机转换为具有多片微处理器结构的通用小型计算机，极大地提高了运算速度和系统使用范围，完成了由数控(numerical control， NC)到计算机数控(computer numerical control，CNC)的转变。根据系统核心部件的不同，CNC的发展也可划分为三个阶段。
(1)**代计算机数控系统采用小型计算机作为核心部件。小型计算机的使用，使部分原来通过硬件实现的功能可以由软件完成，标志着数控系统“软连接”时代的到来。
(2)第二代计算机数控系统采用微处理器芯片作为核心部件。微处理器芯片具有可靠性高、功能强、速度快、价格便宜等特点，它在计算机数控系统中的使用，降低了系统的体积和成本，简化了系统编程和操作，实现了真正意义上的机电一体化，也大大提高了数控系统在工业加工领域的普及度。
(3)第三代计算机数控系统又称个人计算机(personal computer，PC)数控系统，是随着个人计算机的普及而得到广泛应用的。与上一代计算机数控系统不同，PC数控系统的软、硬件平台是完全通用的，避免了数控系统生产厂商自行开发生产计算机所带来的开发周期长、更新速度慢、生产成本高等问题，也使得数控加工技术的发展势头更为坚实、宽广和快速。
近年来，PC数控加工技术在性能、功能、加工过程、体系结构以及应用环境等方面呈现出一些新的发展趋势[5]。
1.高速高精加工
精度和效率是数控加工技术发展过程中永恒的追求目标。近年来，随着计算机系统浮点运算能力和函数处理能力的增强、高速电主轴单元技术的突破以及直线电机进给系统的成功应用，高速高精加工技术得到了迅猛发展。
高速加工具有切削速度高、进给速度快、加工时间短等优势，能够显著减少工件变形，提高生产效益。因此，高速加工技术在汽车工业、模具制造以及航空航天等领域大型构件的整体高效加工中具有较大的技术需求和应用潜力。当采用具有高速加工功能的数控系统加工时，机床轴进给速度可达120m/min，主轴转速达到100000r/min，加速度突破2g，在一些情况下甚至可达到15g。
高精加工能够满足计算机中央处理器、天文望远镜镜片等尖端产品的加工精度要求。高精加工技术的发展对于实现惯导器件、光学器件等国家重要领域核心零件的精密加工具有十分重要的意义[6]。目前，机床精密加工精度可达到1μm，超精密加工精度已达到纳米级。综上所述，高速高精加工不仅是先进制造技术的重要组成部分，也是未来PC数控加工技术发展的重要方向。
在数控系统高速高精加工过程中，需要重点解决的关键问题是如何实现指令点的平滑过渡和刀具轨迹的高精度插补，从而避免高速运动冲击，保证机床各轴平滑且精确地运动。为解决这一问题，发那科数控系统配备了纳米插补和光滑刀具中心点(tool center point，TCP)功能。纳米插补使数控系统控制单位精细至纳米级，提高了插补精度。光滑TCP功能通过对刀轴矢量进行平滑处理，能够避免刀轴矢量的大幅变化，从而缩短加工时间。与光滑TCP功能类似，三菱数控系统实现了超光滑*线控制功能，能够实现高精度、稳定的切削。西门子数控系统实现了压缩器的功能，能够将一系列离散微小直线段压缩为一条连续*线，使机床轴的运动更加平稳协调，提高了加工表面光洁度。
2.多轴联动和复合加工
采用多轴联动技术进行数控加工，可时刻保持刀具*佳切削位置，提高复杂*面的加工效率和加工表面光洁度。复合加工技术的实现使数控机床可通过一次装夹完成大部分加工，显著提高了加工效率和精度。因此，多轴联动数控加工技术和复合加工技术在复杂*面的高速高精加工中得到了越来越广泛的应用[7]。
目前，国产高档数控系统主要采用旋转刀具中心点(rotation tool center point，RTCP)编程处理方法控制多轴数控机床的轴运动[8]。该方法通过机床运动学转换模块将工件坐标系下刀尖点位置坐标和刀轴矢量转化为机床各轴运动坐标，并通过补偿机床旋转轴运动所带来的刀具中心点位置变化，保证加工中刀具中心点始终在所要求的轨迹上运动。然而，当采用RTCP功能进行加工时，由于忽视了刀轴矢量变化，易产生刀具姿态误差以及机床轴频繁加减速等问题。为进一步发挥多轴联动机床高速高精加工的潜力，实现对机床各轴的灵活控制，国外一些高档数控系统，如西门子、发那科、海德汉等已实现了刀具姿态控制和指令点平滑等功能。
为适应数控系统复合加工要求，需要在多轴联动数控机床运动学分析、加工工艺规划、指令点编程以及刀具补偿等方面开展深入的研究工作。目前，发那科和西门子数控系统均已实现了能够满足数控系统复合加工需要的刀具定向编程、刀具中心点控制、刀具半径补偿等功能。一些高档数控系统提供了多通道控制功能，提高了系统同步操作能力，在加工中避免了干涉和碰撞情况的发生。
3.网络化、集成化
信息技术的发展强有力地促进了数控系统网络化、集成化进程。计算机数控系统的网络化与集成化发展，使其从*立的基础加工设备转变为制造网络中相互联系的功能节点，为异地制造、远程故障诊断等技术的实现创造了有利条件。
4.开放化
上一代计算机数控系统基于各数控系统生产厂商自行开发的专用计算机设计而成，带来系统使用维护成本较高、系统集成和更新换代的难度过大等问题。随着个人计算机技术和模块化方法的发展成熟，模块化、开放化、标准化的结构体系对数控加工技术的发展起到日益重要的作用，数控系统体系结构的发展逐渐走上了开放化和模块化的宽广道路。
5.智能化
智能化数控加工技术是人工智能与自动控制技术相结合的产物。智能化技术在数控加工中的广泛应用，不仅减轻了机床操作者的劳动强度，而且极大地提高了加工质量和加工效率。智能化在数控系统中的发展主要体现在以下几个方面。
1)加工过程的智能感知与控制
通过将人工智能技术与现代传感技术、自适应控制技术相结合，实现对数控加工关键步骤和要素的智能监控，并通过计算机分析后发出控制信号，从而使数控系统始终保持*佳工作状态。发那科公司提供的伺服调试软件是这一领域研究的典型代表。当采用该软件进行数控加工时，*先在参数设定窗口规定加工设计各项参数值，然后由程序窗口执行调试程序，*后在图形显示窗口中显示数控系统加工反馈信息。通过反复执行上述步骤，自动调整相关加工系数，得到更好的效果。
2)智能化编程
数控系统智能化编程技术应用专家系统相关技术建立知识库和工艺数据库，实现刀具的自动选择、刀具碰撞干涉检查以及与CAD/CAM/CAPP技术的集成，通过智能化操作和一键编程，减轻了操作人员的劳动强度，达到*优加工效果。这一方面的典型代表是海德汉数控系统的SmarT.NC操作模式，该模式配备了输入窗口、图形化支持和模式生成工具，使数控编程过程更为简便。此外，西门子提供的高速加工循环设置功能通过建立专家系统数据库，为不同加工类型分别设计适合的加工策略，实现了加工参数的自适应调整。
3)故障诊断智能化
数控系统智能化故障诊断技术通过模糊数学、神经网络等学科理论以及专家系统技术实现对数控系统和机床故障的智能化诊断，有助于数控加工故障的快速排除和修复。例如，发那科数控系统配备的远程故障诊断功能，可在数控系统产生故障时通过互联网将情况传送回控制系统进行处理。
综上所述，多轴联动、智能化、网络化、模块化是数控系统的主要发展方向。在石材制品的数控加工中，建立满足智能化、网络化、模块化要求的软件体系结构，根据加工精度、加工效率等要求选择适合的机床结构和加工刀具，实现刀具轨迹灵活控制，是异型石材制品多轴智能数控加工中需要解决的关键问题。下面将进一步梳理智能数控系统体系结构、机床运动学分析以及刀具运动轨迹控制等领域的主要研究成果和发展方向。
1.2 智能数控系统体系结构
作为机械制造领域的基础核心单元，如何使数控系统实现一键式操作，减轻对操作人员工艺、路径规划经验的依赖，一直是研究的热点问题。近年来，人工智能、数字化制造、物联网等领域技术的发展成熟，使智能制造成为数控技术发展的必然趋势[9]。
在智能数控技术的研究中，系统体系结构的建立是所需解决的*要问题[10]。为智能数控系统选择适合的软件体系架构模型，对实现系统正常通信、功能扩展以及自主决策有着十分重要的作用。与传统开放式数控系统不同，智能数控系统不仅具有开放式数控系统的高性能、高适用性等特征，还具有机床刀具自主选择、插补方法自主决策、加工环境自主感知等功能。因此，必须从数控系统智能化的要求出发，设计满足加工需求的软件体系结构。
如果将设计、制造、加工的各个阶
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