潜入宁静的泳池远眺风景对远荇的人来说一定是体验到真正旅行的意义的记号。清凉一夏畅游水中世界。而到这些与众不同、不可思议的泳池走一遭定是清凉又有趣！从瀑布泳池，到悬空泳池；从泳池到玻璃缸泳池……这形形色色、特立独行的泳池，你见过吗

    泳池位于智利海滨城市阿尔加罗沃（Algarrobo）著名的旅游景点San Alfonso del Mar，长约1000米面积约8公顷，容积达25万立方米在2007年被吉尼斯认证为世界最大的游泳池。

    泳池最大的特色在于可以容纳小型船只航行建造这座泳池花费了5年时间，耗资近10亿英镑每年的维护费用则高达200万英镑，是用附近太平洋的海水采用自然流通的方式人笁填满的

    赞比亚与津巴布韦边界的维多利亚瀑布泳池，号称世界上最危险的“魔鬼泳池”它位于110米高的维多利亚瀑布之颠，是天然形荿的

    选择在每年雨季水量充沛时去游泳显然是不明智的，你肯定会被卷进波涛汹涌的河水“顺流而下”

    而到了当地旱季，“魔鬼泳池”就会变成冒险者的乐园届时人们可以在相对舒缓水流的“按摩”下，一边尽情饱览秀美壮丽的景色一边在水中嬉闹游戏。

    在感受到腎上腺素直线上升之前最重要的是先要确定自己没有心脏病。

    悬空泳池建于美国德克萨斯州的达拉斯这栋建筑曾经是达拉斯的国家银荇大楼，直到有人买下了整栋楼然后改造成了今天的Joule Hotel

    改造者当时认为如果能修一个从阳台上探出去的游泳池肯定很酷，于是就诞生了一個向外探出8英尺的玻璃泳池游客们可以游到泳池的最低端，观看10层楼下面的市中心的美丽景观

    洲际迪拜节日之城酒店也有一个异曲同笁的泳池。弯曲透明的亚克力板伸出酒店大楼形成一个悬空的泳池。从这里可以俯瞰迪拜的天际线

    这座别具视觉冲击力的血红色泳池，位于泰国著名的苏梅岛海滩度假胜地五星级图书馆酒店以其特有的自然和人文风光而久负盛名，但该酒店的血红色的泳池却能脱颖而絀

    泳池血红色的效果并不是将水染色而成，所以不必担心会有皮肤被染红的风险它的颜色来自于池壁红色，黄色和橙色瓷砖的组合视覺效果

    这座带有花花公子兔标志的泳池坐落于拉斯维加斯棕榈树赌场酒店顶部的花花公子俱乐部。休·海夫纳于1953年创办《花花公子》杂誌它不但在全美最畅销，而且成为全球最富盛名的成人杂志

    该泳池占地面积约8000平方米，周围有一个露天音乐舞台3个酒吧和27个私人包廂。

    这座名流云集的俱乐部泳池池底的兔头标志极易让人产生关于它独特背景的奢靡想象。

NEMO33位于比利时首都布鲁塞尔是一个拥有多个罙度的复式泳池。最深池深33米相当于10层楼的高度从底部仰望，只见得到上方一小点亮光是潜水爱好者的天堂，也是世界上最独特的景點之一泳池直接引进天然泉水，模仿加勒比深海的环境透过太阳能加热，常年使水温保持在33度泳池的灵感来自于一位拥有潜水执照巳32年和有20年潜水教练经历的比利时设计师约翰·比尔奈尔特。他用了7年才打造出这个游泳池，并以电影《海底总动员》中主角小丑鱼尼莫为它命名为“NEMO33（尼莫33）”。

    “不纽约不是在水下”－这是由印度孟买奥美广告公司为汇丰银行做的一个聪明的广告。银行想通过广告提高人们对全球变暖危险的认识

    聪明的广告人看了看空中，突发奇想于是一个以摩天大楼为基础的游泳池就诞生了。从泳池上面向下看就像整个城市都被淹没了。

    所要表达的意思是：全球变暖所带来的后果很严重提醒人们要维护好我们的生态环境，珍惜我们现在所拥囿的否则就会在上面游泳。淹没在池底的城市景观效果神奇但那样的情景是我们不希望看到的。

    新加坡滨海湾金沙酒店（Marina Bay Sands）空中花园裏有一个特别的游泳池乍看上去，游泳池仿佛浮在空中没有边界，在里面畅游的人似乎一不留神就会从200米高空跌落

    媒体报道说，这昰世界上处于这一高度的最大室外泳池这个无边界露天泳池，边缘的位置没有任何的突出遮挡物畅游其中，就仿佛是在一个巨大的瀑咘上方与天齐高俯瞰整个新加坡。而它的安全防护更是别具一格整个泳池的边缘除了防护墙外，还做了一条可容人通行的通道所以，就算你怎么游也不用担心会掉下去的。

    这组效果图一度被认为是ps出来的泳池图片是来自于印度孟买的一栋在建37层的摩天住宅楼。建築物的外观就能看到每户的蓝色游泳池整栋大楼用露天玻璃游泳池取代露天阳台，置身于泳池阳台里可以一边舒心的泡澡一边享受视觉盛宴这个名叫“大玻璃缸”（AquariaGrande）的公寓楼，包括200套房间设计者为香港的罗发礼建筑公司（James Law Cybertecture），此建筑的落成犹如实现了人类的终极梦想

一种计算机辅助数字控制方法与系统

技术领域 本发明属先进控制与先进制造领域 具体涉及新一代控制机中制造关联 数据流的一种计算机辅助数字控制方法与系统 （Computer Aided Numerical Control, CANC )。 本發明用于制造关联数据流文件 将数字控制技术完全软 件化， 将数字控制系统的重构完全软件化 为数字控制技术的研发与数字控 制系统嘚重构建立一个开放平台。 本发明将数字控制信息商品化 从而催生 一个新产业， 即数字控制信息制造业 技术背景

自从 1952年美国 MIT研制出第┅台电子管数控系统以来， 历经晶体管、 集成电路、 小型计算机、 微型计算机之后 数控系统于上世纪八十年代发展 为基于 PC 的开放式数控系统， 产生了现有开放式数控系统的三种模式： PC 嵌入 NC模式、 NC嵌入 PC模式、 软开放式模式

开放式体系结构被认为是实现高性能、 智能化数字控制的关键技术。 NC 嵌入 PC模式的所谓基于运动控制器的开放式数控系统成为现有开放式数控 系统的主流 运动控制器成为一个高新技术产业並风靡全球。 开放式运动控 制器在美国被誉为新一代的工业控制器 在日本被认为是将来的第三次工业 革命。

在一般的意义上 现代制造裝备的体系结构可抽象为三个系统， 即动力 机、 工作机和控制机 动力机提供能量， 控制机向工作机与动力机发送控制 信息 工作机从动仂机获取能量完成产品的制造。

第一次工业革命的标志是工作机的诞生 机械代替手工工具。

第二次工业革命的标志是动力机的诞生 蒸汽机、 内燃机、 电机代替了 人力、 畜力。

第三次工业革命将以自动化为主要标志 即控制机的诞生。

从制造业的观点来看 上述划分是符匼逻辑的。

在制造业中 计算机数字控制系统（筒称数控系统）扮演控制机的角色。 然而 现有数控系统在开放性、 可重构性、 标准化以忣数字控制技术的软件 化等方面存在严重缺陷， 并非可以与动力机、 工作机相提并论 难以成为第 三次工业革命所期盼的控制机。

IEEE ( Institute of Electrical and Electronics Engineers , 电气电孓工程师十办 会） 关于开放式数控系统的定义为： "符合系统规范的应用系统可以运行在多个销售商的不同平台上 可以与 其它系统的应用進行互操作， 并且具有一致风格的用户交互界面 "

中国国家标准《GB/T 2·机械电气设备 ·开放式数控系统.第 1 部分： 总则 ·3.1》抓住 IEEE定义的本质并遵循 IEEE定义的基本原则， 直截 了当将开放性定义为应用软件的"即插即用" 将开放式数控系统定义为：

"指应用软件构筑于遵循公开性、 可扩展性、 兼容性原则的系统平台之上 的数控系统， 使应用软件具备可移植性、 互操作性和人机界面的一致性 "

IEEE定义表明， IEEE将数控系统定义为专鼡计算机系统 因此， 现有开 放式数控系统的体系结构被划分为系统平台和应用软件两大部分 是一种面 向应用软件配置的体系结构。 应鼡软件进而划分为人机控制层和运动控制层 运动控制层是数控系统完成实时控制过程的内核， 与特定的插补迭代控制算 法密不可分

这樣一来， 在 IEEE定义的主导下 插补迭代控制算法的运算规则与实时 操作系统的任务调度规则紧密耦合在一起构成一种实时的数字控制方法， 即 插补迭代控制方法

插补迭代控制方法贯穿于数字控制技术与数控系统的全部历史， 创建了 现有数控系统的"插补时代"

插补迭代控制方法的基本技术方案是， 对于给定的刀路（Tool Path )曲线 与刀具的进给速度 在实时操作系统的控制下， 以插补周期为分时周期 采 用插补迭代算法實时计算相关坐标轴的全部数字控制信息， 实时发送给运动 控制系统（步进运动控制系统或伺服运动控制系统） 以控制机械系统之间的 确萣性运动关系 所述数字控制信息包括坐标轴进给的离散位置信息与这些 离散位置信息之间的关联信息。

众所周知 在求解刀路曲线的坐標值增量时， 插补是数值计算方法中的 一种迭代算法所谓插补算法，在本质上就是从 Xn中获得 X_n+1的运算规贝 'J。 由于函数的连续性 Xn 中必然蘊涵 X_n+1的部分信息， 充分利用这些信息导致 高阶复杂运算筒化为低阶筒单运算 从而大大提高插补算法的速度。 为避免 复杂的高阶运算 一些最优插补迭代控制算法无法使用。 另一方面 对于一 些复杂曲线， 从 Xn中获得 Χη₊₁的运算规则是相当困难的 因此， 高速高精度 的插补迭玳控制算法成为现有数控技术中的核心技术

发明人发现， 插补迭代控制方法存在下述四个本质特征

1、为了提高进给速度，现有开放式數字控制系统必须采用时间分割法（又 称数字增量法）进行插补迭代控制

对于直线， 根据进给速度 F和插补周期 Τ, 时间分割法必须将直线離散 为若干条称之为轮廓步长的微线段 AL_1: ∑AU = , AU = FT? 众所周知 对于长为 L的直线， 只要给出进给速度 F, 便可完成加工任 务 然而， 上述公式表明 由於插补周期导致的实时迭代， 插补迭代控制方 法不得不将一条直线离散为若干条微线段 A

对于曲线， 时间分割法首先用若干条微线段 ALi来逼菦 AL^FT, 这是 粗插补。 然后再进行精插补 即对每条微线段 ALi进行数据点密化。

e, ={TF) ² /(Sr) 描述了逼近误差 与进给速度 F和插补周期 T、 曲率半径 r之间的关系

該公式指出， 对于曲线插补 逼近误差 e_r与进给速度 F和插补周期 T的 平方成正比， 与曲率半径 r成反比 进给速度 F和插补周期 T的增长将导致 逼近誤差 e_r的指数增长， 换言之 逼近误差 e_r对时间与曲率高度敏感。

因此 在插补迭代控制方法中， 逼近误差 e_r对时间的高度敏感性导致时 间被插補周期锁定 不是一个可控的外部变量， 而是一个系统参数

时间成为系统参数是插补迭代控制方法的第一个本质特征， 是插补迭代 控制技术内生的基本缺陷

2、 在插补迭代控制方法中， 每个插补周期中由插补所生成的数字控制信 息 一方面立即实时发送给运动控制系统用於实时驱动坐标轴运动， 另一方 面又作为下一个插补周期的输入实时进行迭代以生成下一个数字控制信息 从而构成数字控制信息的实时迭代。 跟随插补周期的节拍 数字控制信息不 断地生成、 发送、 执行， 从而又以过程迭代的方式周而复始 构成控制过程 的实时迭代。 因此 通过数字控制信息的实时迭代与控制过程的实时迭代， 插补迭代控制方法将数字控制信息的生成、 发送、 执行的整个制造过程予以 实時化

数字控制信息的实时迭代与控制过程的实时迭代（筒称信息实时迭代与 过程实时迭代， 即 I&P实时迭代）是插补迭代控制方法的第二个夲质特征 是插补迭代控制技术内生的基本缺陷。

3、在插补迭代控制方法中在实时操作系统的插补周期统一指挥下的 I&P 实时迭代是一种集Φ控制模式。 在这种控制模式中 实时操作系统指挥一切， "大权独揽 小权不放"， 一竿子插到底 规划、 设计、 施工全包， 而且是 "边 规划、 边设计、 边施工"

"边规划、边设计、边施工 "的集中控制模式是插补迭代控制方法的第三个 本质特征， 是插补迭代控制技术内生的基本缺陷

4、 在插补迭代控制方法中， 逼近误差 e_r与曲率半径 r成反比 与进给速 度 F和插补周期 T的平方成正比。 然而 工件轮廓只是一个几何问题， 洇而 刀路曲线以及逼近误差 e_r与曲率半径 r也只是一个几何问题至于刀具中心以 什么进给速度完成加工任务， 则是一个加工工艺问题与机械系统的动力学问 题

在插补迭代控制方法中， 逼近误差^ 曲率半径 r、 插补周期1\ 进给速 度 F全部紧密耦合在一起 涉及空间、 时间、 速度、 加速喥（减速度）， 甚至 于加加速度 这就是说， 插补迭代控制方法将插补迭代算法与刀路曲线的几 何结构强相关 从而将刀路曲线的几何特征、 工艺特征、 机械系统的动力学 特征全部紧密耦合在一起。 刀路曲线的这种时空之间的耦合关系可筒称为时 空结构的耦合性

刀路曲线嘚时空结构耦合性是插补迭代控制方法的第四个本质特征， 是 插补迭代控制技术内生的基本缺陷

发明人发现， IEEE定义产生了下述五个严重偏差 误导了数字控制技术 与数字控制系统的发展方向。

1 )、 IEEE定义导致数控系统"被计算机化"

从计算机与计算机应用的发展历史来看 采用分時运行多个用户程序的 多任务操作系统是一个划时代的进展。 然而 在本质上， 多任务操作系统只 是为适应内部与外部资源的管理以及内蔀与外部的环境变化而构建的一种内 外资源的管理机制以及响应内外环境变化的应变机制

在 IEEE定义主导下，插补迭代控制方法将实时操作系统的管理机制与应 变机制转变为一种普适的控制机制 实时操作系统便成为进行实时插补迭代 以生成数字控制信息的实时控制中心， 现囿数控系统形成了以实时操作系统 为中心的系统架构 导致整个数控软件成为一个庞大而复杂的中断系统。 现 有数控系统因而完全"被计算機化"成为需要配置实时操作系统的专用计算机 系统。

2 )、 IEEE定义产生了一系列的伪问题 从而导致数字控制技术与数控系 统的复杂化

现有数控系统完全"被计算机化"，导致实时操作系统、插补算法的插补速 度与插补精度、 多轴联动、 实时速度前瞻控制与加减速控制、 高速程序预處 理、 交叉耦合等均成为现有高档数控系统中的关键技术 这些关键技术所要 解决的技术问题都是插补迭代控制方法的上述四个内生基本缺陷产生的， 完 全是一些伪问题 从而人为地导致数字控制技术与数控系统的复杂化。

3 )、 IEEE定义强化了控制过程的实时性

在数控系统中 所謂实时性（Real-time )是指控制过程的某些控制任务 的执行有严格的时间要求， 即必须在规定的时间内完成 实时性是实现实时 控制的前提， 插补迭玳控制算法的计算速度是实现稳定控制的重要条件 插 补迭代控制算法是实时产生控制信息的核心， 其计算速度与计算精度在本质 上决定叻整个系统的性能与可靠性 对于工作机而言 （为叙述筒便起见， 在本发明中 在工作机中包括动力 机及其运动控制系统）， 具有实时性嘚控制任务是 运动控制系统以一定的速 度向坐标轴发送离散位置信息使坐标轴产生相应的合成位移。

在 IEEE定义主导下 插补迭代控制方法采用"边规划、 边设计、 边施工" 的集中控制模式，通过 I&P实时迭代将数字控制信息的全部制造过程实时化 从而强化了控制过程的实时性。

4 )、 IEEE萣义阻碍了数控系统的标准化

开放式体系结构被认为是实现高性能、 智能化数字控制的关键技术 在自然科学中， 有别于封闭系统（又称保守系统） 开放式系统指的是与 外部环境存在物质、 能量与信息交换的系统。

在计算机领域 开放式的基本内涵是应用软件的"即插即用"。

然而 开放式毕竟是一个人文领域的概念， 只可意会难以言传 更重要 的是， 数字控制是过程 而不是对象。 过程的开放性与对象的开放性是完全 不同的 因此， 在数字控制领域 近三十年来， 开放式的内涵始终未能规范 统一

众所周知， 零件以及部件的标准化是现代制慥业的生命线 现代数控系 统是由许多子系统构成的复杂系统， 而这些子系统本身可能也是一个复杂系 统 对于复杂系统而言， 子系统与┅台机器中的部件是相似的 甚至可以说， 子系统就是复杂系统的"部件"如果一个数控系统中的子系统及其接口都标准 化了， 都具有互换性 显然， 这个数控系统就是开放式的

在工程技术领域， "开放式"与"标准化" 在目的、 效果、 方法等方面都极 为接近。 标准化必然意味着使用、 维护、 二次开发的筒单性

能量与物质都是商品， 信息也是一种商品 开放性和标准化的主要目的 就是使数字控制信息获得商品意義下的流动性。

对于计算机数字控制来说 开放性的基本内涵就是数字控制信息的标准 化、 数字控制信息制造过程的标准化、 数字控制信息制造过程之间的界面的 标准化与数控系统的标准化。 数控系统的体系结构及其软硬件资源都要满足 信息制造业中大规模工业化生产的需偠 从而在整个制造产业中为工作机、 动力机等产业提供标准化的控制机。

由此可以看出 信息制造业在其发展的过程中， 为适应工作机、 动力机 等产业的标准化进程 整个制造业的发展环境对于数字控制信息以及数控系 统提出的标准化问题就体现为数控系统的开放性， 其實质是 力求将数字控 制信息的刚性集成制造系统发展为柔性分散制造系统， 从而实现数字控制信 息的标准化、 数字控制信息制造过程的標准化与数控系统的标准化

由此， 发明人将数控系统的开放性定义为： "数控系统的开放性就是数控 系统在柔性化进程中的标准化 即数芓控制信息的标准化、 数字控制信息制 造过程的标准化、 数字控制信息制造过程之间的界面的标准化与数控系统的 标准化。 "

从这一定义可鉯清楚地看出 所谓开放式就是数字控制信息、 数字控制 信息制造过程与数控系统如何实现标准化的问题。 这一定义是制造业所希望 的 吔是制造业完全理解不会产生歧义的。 这一定义为开放性奠定了一个可 操作的平台 也为数控系统如何实现标准化指明了方向。

在 IEEE定义主導下 数控系统"被计算机化 "， 开放性被限定为应用软件 的"即插即用"完全忽视了数字控制在整个控制过程中的技术特征，导致数控 系统的標准化迷失了应有的方向 阻碍了数控系统的标准化进程。

5 )、 IEEE定义误导了数字控制技术的发展方向

在插补迭代控制方法中 高速高精度的插补迭代算法成为现有数控技术 中的核心技术。 因此 日本的 OSEC 计划 ( Open System Environment for Controller )认为， 没有先进的控制算法的开放式数控系统只是进化性的、 不 是理想嘚和革命性的

所谓算法， 筒单地说 就是在计算机上解决某种问题的方法。 美国计算 机学会（ACM ) 关于计算机科学的定义是： 计算机科学研究描述信息与转换 信息的算法过程 算法及其实现过程是计算机科学的基础。

插补迭代控制方法将数字控制技术的发展方向引向先进的插補迭代控制 算法 必然深入计算机科学的核心。

从信息论的角度来看 数控系统只是将压缩在刀路曲线与进给速度中的 数字控制信息解压。

插补迭代控制算法作为数字控制信息的一种解压方法 必须在实时操作 系统的控制下实时地进行插补计算。 实时操作系统的核心是进程調度与线程 调度 实时性将进程调度与线程调度复杂化。 并行算法又将进程调度与线程 调度进一步复杂化 与机器指令级上流水线的并发性和处理器级上进程的并 发性相比， 线程的并发性所面临的不确定性极为复杂 有些计算机人士甚至 认为线程是"万恶之源"。 进程、 线程再加上并行算法 导致实时操作系统的实 时性大大复杂化。

实时操作系统的任务调度严重制约系统的整体性能 为了实现极为复杂 的线程调喥与进程调度， 数控软件势必深入多进程 /多线程嵌套调用以及多重 实时嵌套中断等操作系统的前沿领域 插补迭代控制算法的速度与精度洇而 成为现有数控系统的关键技术指标。

问题在于 一旦工作机的运动速度提高、 或运动精度提高、 或联动轴增 加、 或联动参数增加， 插補周期必然以指数形式变长 从而需要更多位数更 高速度的 CPU、 位数更多实时性更强的实时操作系统、 以及更先进的插补迭 代控制算法。 由此可见 一方面， IEEE定义将插补迭代控制算法的运算规则与实时操 作系统的任务调度规则实时地紧密耦合在一起 从而将数字控制技术的发展 方向引向算法与操作系统的前沿领域； 另一方面， IEEE定义又将数字控制技 术的发展与芯片技术捆绑在一起 这就意味着， 现有数字控制技術的发展取 决于 CPU的速度 也就是说， 在本质上 数字控制技术的发展取决于芯片技 术。 本发明人在发明专利 《计算机数字控制系统数据流關联控制方法与体系 结构》 中 （中国专利号： ZL.9 , 授权公告日： 2009年 8月 19 日 )发明了数据流关联控制方法（Data-stream Related Control, DRC控制） 在数字控制方法上使现有数控系統告别了插补时代， 迈入了数据流关联控制 时代 产生了新一代控制机即数据流关联控制机（DRC控制机）。

在数字控制技术中 "1""0"形式的离散位置信息应用广泛。 然而 在许 多情况下。 离散位置信息不是 "1""0"形态 而是坐标值增量。 "1 ""0"形态的 离散位置信息一般称为步进型关联数据流甴坐标值增量构成的关联数据流， 则称之为增量型关联数据流

表 1为刀路曲线的 5轴联动步进型关联数据流的示意图。 刀路曲线为 X、 y、 Z、 A、 B等 5个变量的函数

由此可见，数字控制信息包括两部分 第一部分是 "1""0"离散位置信息及 其联动性， 也就是 在每个时序点 ti, 实现 X、 y、 Z、 A、 B五轴聯动时每个 坐标轴的 "1"或" 0"的位移信息， 以产生所要求的合成位移 第二部分是所述合 成位移之间的随动性， 也就是由每个坐标轴的运动速度所决定的每个时序点 之间的时间间隔 表 2为带有 W、 E、 H三参数 (例如， W为激光脉沖的宽度、 E为激光 脉沖的能量、 H为激光脉沖的频率 ) 的 5轴 3参数 8联動步进型关联数据流 的示意图 在每个时序点， W、 E、 H三参数的值不同 即\?、 E、 H三参数 需要实时控制。

表 3为刀路曲线的 5轴 3参数 8联动增量型關联数据流的示意图 刀路 曲线为 X、 y、 Z、 A、 B、 W、 E、 H等 8个变量的函数。 表中 时间 T被离 散分割为 n个区间： Ati ， i = l, .. ., n X、 y、 Z、 A、 B等五轴在 Ati内的坐 标值增量为△?、 Ayi, △ 、 ΔΑ?, ΔΒ?, W、 Ε、 Η三参数在 Ati内的改变 量为

由此可见， 数字控制信息包括两部分 第一部分是坐标轴与虚拟坐标轴 的离散位置增量信息及其联动性即 L分割： 在 Ati内， 实现 X、 y、 Z、 A、 B 五轴联动时每个坐标轴的坐标值增量△ 、 Ayi, △ 、 ΔΑ?, Bi以及实现 W、 E、 H三参数的实时控制時每个参数的改变量 AWi、 ΔΕ?, ΔΗ?, 以产生 所要求的合成位移与所要求的参数的改变量

从表 1、 表 2、 表 3中可清楚地看出， 数字控制的基本问题僦是制造关联 数据流

对于增量型关联数据流来说， 数字控制的第一个基本问题是 对于给定 的离散误差 e与优化目标， 如何规划刀路曲线嘚 线段 L 控制相 关坐标轴在 期间产生相应的进给量通过联动产生所要求的合成位移 ALi, 筒单地说， 就是解决增量型关联数据流的联动性

对于增量型关联数据流来说， 数字控制的第二个基本问题是 控制相关 坐标轴在 Ati期间的进给速度从而确定 T分割 ( i = 1,..., n ), 筒单地说， 就 是解决增量型关联數据流的随动性

与插补迭代控制不同， 对于数据流关联控制来说 增量型关联数据流的 联动性只涉及相关坐标轴的坐标值增量， 是一个純粹的离散几何问题 与生 成增量型关联数据流的离散算法 /插补算法及其过程无关。 增量型关联数据流 的几何结构无关 、

与插补迭代控淛不同， 对于数据流关联控制来说 步进型关联数据流与 增量型关联数据流的制造过程是一个非实时的规划过程， 与实时操作系统无 关

顯然， 与步进型关联数据流相比 增量型关联数据流的制造问题要复杂 得多， 一方面是微线段 的优化问题 即离散几何规划问题； 另一 方媔是 T分割 At ( i = l,...,n ) 问题， 涉及进给速度的平稳性 也就是离散运 动规划问题。

因此 在计算机辅助下， 采用离散几何规划与离散运动规划来实现增量 型关联数据流的制造技术 是新一代控制机的首要任务。 发明内容 数据流关联控制（ Data-stream Related Control, 筒称 DRC控制 ）的目的是 为第三次工业革命提出一种控淛信息、 控制方法、 控制过程与体系结构全方 位开放的、 软重构的、 高可靠性的、 标准化的且完全 PC化的控制机（筒称为 DRC控制机 ), 以适应第三佽工业革命对数字控制系统的需要

计算机仿真已成为影响最为深远最为广泛的计算机应用领域之一。 机械 系统中的二轴、 三轴乃至多轴嘚确定性运动关系可以通过三维图形界面 以 可视的图像展现其运动过程，具有良好的人机界面计算机辅助设计（ CAD )、 计算机辅助制造（CAM )、 计算机辅助工艺规划 （CAPP )、 计算机辅助工程 ( CAE ) 已在先进制造领域广泛应用。

本发明的目的在于提出一种计算机辅助数字控制方法 （Computer Aided Numerical Control, CANC )与系统 通过三维图形界面， 实现增量型关联数 据流的制造 从而将数字控制技术完全软件化， 将数字控制系统的重构完全 软件化 为 DRC控制机建立┅个数字控制技术的开放平台。

本发明提出的计算机辅助数字控制方法 其特征在于， 包括关联数据流 规划步骤（ 1 ) , 所述关联数据流规划步驟（ 1 )用于生成关联数据流文件 包 括：

离散坐标系规划步骤（ 101 ): 用于按照设定的离散标度， 用距离为离散 标度的等距线将坐标平面网格化 建立离散坐标系；

刀路曲线规划步骤（ 102 ): 用于在离散坐标系中规划刀路曲线， 按照特 征点将刀路曲线分割为 k条曲线 对分割后的每条曲线， 將坐标轴划分为主 动轴和联动轴 生成刀路曲线文件；

离散几何规划步骤（ 103 ): 用于对所述 k条曲线中的每条曲线生成本征 L 分割；

离散运动规划步骤（ 104 ): 用于对所述本征 L分割生成 T分割； 关联数据流文件规划步骤（ 105 ): 用于按给定的数据格式在存储空间生 成所述 L分割的联动表， 按给定的数據格式在存储空间生成所述 T分割的随 动表； 按给定的数据格式在存储空间链接所述联动表与所述随动表 生成关 联数据流文件。

进一步的方案中 所述计算机辅助数字控制方法， 其特征在于 还包括： 控制流文件规划步骤（2 ): 用于按用户设定的加工工艺规划控制流以控 制开关裝置， 按给定的数据格式在存储空间生成控制流文件；

数据控制流文件规划步骤（3 ): 用于按用户设定的加工工艺与给定的数 据格式 在存储涳间链接所述关联数据流文件与所述控制流文件， 生成数据 控制流文件；

辅助功能规划步骤（4 ): 用于操作辅助功能 包括设置手动、 自动、 指 定程序段等运行状态， 加工轨迹的仿真与显示 通过接口发送所述数据控制 流文件。

上述计算机辅助数字控制方法中 所述离散几何规劃步骤（ 103 ) 中生成 本征 L分割的步骤为：

步骤（1031 )、 从所述 k条曲线中顺序取出一条曲线， 设定优化目标； 步骤（ 1032 )、 以所述曲线的起点为原始导引點 生成所述原始导引点的 邻域； 步骤（ 1033 )、 根据设定的优化目标， 在所述原始导引点的邻域中确定一 个导引点 生成所述导引点与所述原始导引点的坐标值增量；

步骤（ 1034 )、 在所述导引点与所述原始导引点之间生成一条直线段； 步骤（ 1035 )、 对于所述曲线在所述导引点与所述原始導引点之间的曲线 段， 判断所述直线段是否为所述曲线段的微线段；

步骤 （ 1036 )、 如果所述直线段是所述曲线段的微线段 则返回步骤 ( 1033 ), 继续生荿下一个导引点；

步骤（ 1037 )、 如果所述直线段不是所述曲线段的微线段， 则所述导引点 的上一个导引点就是本征映像 所述本征映像即为所述微线段的终点， 所述 上一个导引点与所述原始导引点的坐标值增量就是所述微线段的坐标值增 量；

步骤（ 1038 )、 以所述本征映像作为下一条微线段的原始导引点 顺序重 复步骤（ 1032 )至步骤（ 1037 ), 生成所述曲线的下一条微线段， 直至所述曲 ' '上述计算机辅助数字控^方法中'所述步骤（ ^035 )还包括下述步骤： 步骤（ 1035-1 )、 在刀路方位上生成所述直线段的邻域；

步骤（ 1035-2 )、判断所述直线段的邻域是否为所述曲线段的邻域的子集。 上述计算机辅助数字控制方法中 所述步骤（1031 ) 中的所述设定的优 化目标包括路程最短、 离散误差最小、 配合最优。

上述计算机辅助数字控制方法Φ 所述离散运动规划步骤（1-4 ) 中生成

步骤（104-1 )、 对于所述 k条曲线中的一条曲线， 执行所述离散几何规划 步骤（ 103 ), 生成符合设定的优化目标的本征 L分割；

步骤（ 104-4 )、 校核主动轴 y的运动平稳性约束条件 a

对于 n条微线段 AL ^ALn,校核主动轴 y的运动平稳性约束条件 a:

如果所述约束条件 a不满足 则调整 F以滿足所述约束条件 a; 根据调整 后的进给速度 F , 重新规划 T分割；

步骤（ 104-5 )、 校核联动轴 X的运动平稳性约束条件 b

使所述约束条件 b满足；

步骤（104-8 )、 将所述微线段 AL 的终点设为新起点， 对所述新起点与 所述曲线的终点之间的曲线 顺序重复步骤（ 104-1 ) 至步骤（ 104-7 ), 直至 所述曲线的终点；

上述计算机辅助数字控制方法中， 所述步骤（ 105 )还包括确定性误差补 偿步骤： 根据机械系统的确定性误差 对关联数据流的联动表与随动表进行 修正， 进荇确定性误差补偿

所述坐标轴为三轴以上。

所述坐标轴包括由开关及其控制的参数构成的虚拟坐标轴

所述离散坐标系为非正交离散坐標系。

所述关联数据流包括步进型关联数据流

本发明提出的计算机辅助数字控制系统， 包括硬件平台、 软件平台和应 用软件系统 所述硬件平台为 PC系统， 软件平台为图形界面操作系统； 其特 征在于 所述应用软件系统包括：

离散坐标系规划模块： 用于按照设定的离散标度， 用距离为离散标度的 等距线将坐标平面网格化 建立离散坐标系；

刀路曲线规划模块： 用于在离散坐标系中规划刀路曲线， 按照特征点將 刀路曲线分割为 k条曲线 对分割后的每条曲线， 将坐标轴划分为主动轴和 联动轴 生成刀路曲线文件；

离散几何规划模块： 用于对所述 k條曲线中的每条曲线生成本征 L分割； 离散运动规划模块： 用于对所述本征 L分割生成 T分割；

关联数据流文件规划模块：用于按给定的数据格式在存储空间生成所述 L 分割的联动表， 按给定的数据格式在存储空间生成所述 T分割的随动表； 按 给定的数据格式在存储空间链接所述联动表与所述随动表 生成关联数据流 文件；

进一步的方案中， 上述计算机辅助数字控制系统中 还包括控制流文件 规划模块， 所述控制流文件规划模块用于按用户设定的加工工艺规划控制流 以控制开关装置 按给定的数据格式在存储空间生成控制流文件；

还包括数据控制流文件规划模块， 所述数据控制流文件规划模块用于按 用户设定的加工工艺与给定的数据格式 在存储空间链接所述关联数据流文 件与所述控淛流文件， 生成数据控制流文件； 还包括辅助功能规划模块 所述辅助功能规划模块用于操作辅助功能， 包括设置手动、 自动、 指定程序段等运行状态 加工轨迹的仿真与显示， 通 过接口发送所述数据控制流文件等

所述应用软件系统建立在中间件之上， 各模块之间采用应鼡编程接口

所述软件平台还包括三维图形库 与现有技术对比， 为使本发明产生的原创性有益效果更为清晰 将数控 系统的发展历史列为表 4。

第一代 1952年 电子管数控装置

插补时代 第二代 上世纪五十年代， 晶体管数控装置

控制方法： 插补迭代控制 第三代 上世纪六十年代前期 集成电路数控装置

产 品： 数控装置， 第四代 上世纪六十年代后期 CNC (小型计算机）数控系统 数控系统 第五代 上世纪七十年代， CNC (微型计算机）數控系统

第六代 上世纪八十年代以来 CNC (个人计算机）数控系统 数据流时代 第一代 数据流关联控制方法

控制方法： 数据流关联控制 第二代 CANC (计算机辅助数字控制）

产 品： DRC控制机

表 4总结了数控系统的发展历史， 同时展示了控制机的发展趋势 说明 了本发明产生的原创性有益效果。

1、 从表 4中可以看出 现有数控系统的发展历史可分为两个阶段。 第一 个阶段为硬件逻辑控制阶段 包括电子管硬件逻辑、 晶体管硬件逻辑與集成 电路硬件逻辑， 其产品一般称为数控装置 第二个阶段为计算机数字控制阶 段即所谓 CNC阶段 ( Computer Numerical Control ),所述计算机分别为小型计 算机、 微型计算機与个人计算机， 其产品则为数控系统 数控装置采用插补 迭代控制方法。 在 CNC数控系统中 IEEE定义则将插补迭代控制算法的运 算规则与实时操作系统的任务调度规则紧密耦合在一起构成一种实时控制方 法。 插补迭代控制成为数控装置与 CNC数控系统的共同技术特征 因而称之 为插補时代。

DRC控制机采用数据流关联控制方法 告别了插补时代， 迈入了数据流 关联控制时代

对于关联数据流， 本发明揭示了刀路曲线的时涳结构的非耦合性 将刀 路曲线的离散几何结构与加工过程的工艺特征、 运动控制系统的动力学特征 解耦， 在计算机辅助下进行离散几何規划与离散运动规划 数字控制信息是 开放的， 数字控制信息的制造方法是开放的 整个控制过程是开放的， 数字 控制的离散、 发送、 执荇等子过程之间的界面也是开放的 因此， 本发明将 计算机数字控制 CNC发展为计算机辅助数字控制 CANC,从而实现了从计算 机数字控制时代（CNC ) 向计算机辅助数字控制时代（CANC ) 的飞跃

2、 IEEE定义下的现有 CNC数控系统的体系结构， 与历史上天文学中 地心说的托勒密 （Ptolemy )体系结构类似 均缘于观念嘚错误。

在现有 CNC数控系统中 错误的观念导致插补周期、 轮廓步长等冗余信 息， 人为地制造了一些内生缺陷 派生了一系列的伪问题， 将現有数字控制 技术与现有 CNC数控系统高度复杂化 为数控系统的开放性与标准化设置了 严重的障碍， 导致现有数控系统无法演化为第三次工業革命所期盼的控制机

本发明颠覆了 IEEE定义，将现有高档数控系统中诸如实时操作系统的实 时性、 插补算法的插补速度与插补精度、 多轴聯动、 工艺参数的实时控制、 实时进给速度前瞻控制与加减速控制等关键技术筒化为数字控制技术中的常 规技术手段 将显著促进数字控淛技术与数控系统的普及。

3、 计算机辅助数字控制发现 数字控制技术的核心任务是制造刀路曲 线的数字控制信息， 也就是规划刀路曲线嘚 L分割与 T分割

所述 L分割包括相关坐标轴联动时的位移信息与其所要求的联动性， 用 于控制相关坐标轴联动以产生所要求的合成位移 反映了刀路曲线的离散几 何特征。 所述 T分割包括连续合成所述合成位移时的速度信息与其所要求的 随动性 用于控制所述合成位移之间的时間间隔， 反映了刀路曲线的工艺特 征

所述 L分割涉及刀路曲线的离散几何结构， 是一个离散几何规划问题 所述 T分割涉及进给速度的跳变， 是一个离散运动规划问题

计算机辅助数字控制通过联动表控制相关坐标轴在 期间联动以产生 合成位移； 通过随动表控制所述合成位移嘚连续合成， 也就是刀具的进给速 度 因此， 计算机辅助数字控制实现了数字控制技术的完全软件化

4、 本发明的计算机辅助数字控制系統基于 PC, 因而是开放的。 所述计 算机辅助数字控制系统成为研发数字控制技术的开放式平台

5、 在现有数字控制系统中， 因插补周期的限制 许多优化算法不能采 用， 导致数字控制信息不是最优的 在本发明中， 用户的优化目标不受限制 根据不同的优化目标， 可以采用种种數值计算方法 （包括插补算法）在计算 机辅助下生成数字控制信息

另一方面， 现有数字控制系统将刀路曲线视为欧氏曲线 然而， 由于唑 标轴的运动方向被约束 空间丧失了各向同性， 空间不再是欧氏空间 产生 了对称性破缺。

计算机辅助数字控制发现 刀路曲线不是欧氏曲线， 刀路曲线的 L分割 必须考虑联动轴在点 （ 、 yi ) 的结构因子 Gi,y, 以消除曲线的非欧化误差 在本发明中， 离散几何规划基于离散几何学 按照路程最短、 离散误差 最小、 配合最优等优化目标， 通过导引点逐点导向 构造符合所述优化目标 的本征 L分割， 校正了刀路曲线的非欧化誤差 从而完全解决了 L分割的优 化问题。

6、 工作机重构后 坐标轴之间运动关系发生变化。 在本发明中 坐标 轴之间运动关系的变化只涉忣离散坐标系的系统参数， 对于计算机辅助数字 控制系统的软硬件平台以及增量型关联数据流的整个制造过程不产生实质影 响 因此， 在夲发明中 控制机的重构完全软件化。

7、 在本发明中 计算机辅助数字控制系统是 DRC控制机的关键部件。 CANC系统基于 PC , 是标准化的

因而， 本发奣为数字控制信息的标准化、 数字控制信息制造过程的标准 化、 数字控制信息制造过程之间的界面的标准化奠定了坚实的基础

8、 统计数據指出， 影响计算机系统可靠性的因素 硬件错误大约占百 分之五， 绝大多数的错误来源于系统的管理 因时滞的永恒性与不确定性而 导致流水线 /线程 /进程等层次产生系统管理的 "干扰 "应是影响计算机系统可 靠性的主要原因。 系统管理的错误源于操作系统 PC的实时操作系统是┅个 极为复杂的系统， 因修补漏洞而形成的 "补釘 "难以胜数 不仅在实时性方面难 以满足现代数控设备在高速超高速、 高精度、 高可靠性、 長期连续运转等方 面的要求， 在可信性和安全性方面更无法适应现代制造系统在网络化、 远程 制造方面的要求 因此， 高可靠性、 高可信性和高安全性的实时操作系统成 为现有开放式数控系统的技术瓶颈之一

本发明的 CANC方法非实时制造增量型关联数据流， 与实时操作系统的 實时性无关 数据流控制器没有实时操作系统。 因而 CANC 方法避免了实 时操作系统的系统管理错误所导致的可靠性、 可信性和安全性问题。

9、 工件的零件图、 加工工艺图与机床的规格包括了制造该工件所需要 的全部数字控制信息 本发明的数据控制流文件是所述数字控制信息嘚数字 化形态， 如同设计图纸一样 可以作为商品进入市场。 因此 CANC将催生 一个新产业， 即数字控制信息制造业 附图说明 图 1为正交离散唑标系的示意图；

图 2为计算机辅助数字控制系统的组成模块图；

图 3为计算机辅助数字控制方法的流程图；

图 4为计算机辅助离散几何规划的鋶程图；

图 5为计算机辅助离散运动规划的流程图。 具体实施方式

"数字控制系统"是一个约定俗成的技术术语缺乏严格的定义。一般认为 數字控制系统以控制机械系统之间的运动关系以及辅助装置的逻辑控制为目 标。 前者就是所谓数字控制 后者归于 PLC, 即可编程序逻辑控制。 茬上述 定义中 "机械系统之间的运动关系"过于一般化， 未能揭示数字控制的本质

在先进制造领域， 进给速度 F是用户指定的工艺参数 指嘚是刀具上的 基准点沿着刀具轨迹相对于工件移动时的速度。 用户程序所要求的工件轮廓 取决于刀具中心相对于工件移动的轨迹即刀路曲線 根据加工工艺的要求， 刀路曲线一般由若干条连续的曲线按照加工工艺所规划的顺序构成

工件轮廓是预先确定的， 因此 坐标轴之間的运动关系是确定性的。 数 字控制系统的核心任务就是制造数字控制信息 用于控制工作机中的坐标轴 完成给定的确定性机械运动， 并通过相关坐标轴的位移 （角位移） 的合成实 现刀路曲线 相关坐标轴的位移的合成意味着相关坐标轴必须联动。 因此 通过相关坐标轴位迻的合成来实现刀路曲线， 在本质上 纯粹是一个几何问 题。

任何实际的过程都必然存在误差 离散化必然产生误差。

发明人发现 误差應进一步区分为确定性误差与随机性误差。

离散误差、 零部件的加工误差与装配误差等因素所产生的位移误差 虽 然是随机的， 却是必然產生的并且必然在允许范围内 因之， 这种必然产生 的并且必然在允许范围内的误差可称为确定性误差 确定性误差可以忽略或 通过事先規划予以补偿。 有些误差 例如热变形导致的误差， 虽然与环境温 度、 机械结构及其材料等许多非线性因素有关 然而， 对于确定的工作機与 一定范围内的环境温度 在一定的误差范围内， 热变形误差在不同温度区间 的分布却是预期的 这种误差也可视为确定性误差或称之為准确定性误差。

对于运动控制来说 运动控制系统与机械系统的动态性能的变化必然产 生跟随误差， 这种误差无法预期保持在允许范围內 因而称之为随机性误差。 随机性误差必须通过闭环运动控制系统或半闭环运动控制系统予以动态校 正

因此， 发明人将数字控制定义為： 对于用户给定的工件轮廓曲线及其误 差 在确定性误差的范围内， 通过关联数据流的联动性控制工作机中相关坐 标轴的位移及其产生嘚合成位移 并通过关联数据流的随动性连续控制这些 合成位移之间的跟随速度以实现机械系统的确定性运动关系。

现代计算机的本质有② 一是用最快的速度做最筒单的事， 二进制算术 运算与二进制逻辑运算无疑是最筒单的运算二是"存储程序控制"原理，预先 给定尽可能朂筒单的规则 先存后用， 将计算机要做的工作步骤即运行规则 以及相关的数据事先存储起来 需要时予以执行。 在现代计算机系统中 "存 储程序控制"的观念被推广， 深入每个子系统的每个层次 现代计算机早已不 再是单纯的数值计算机， 而是具有强大信息处理功能的信息處理机 不只是 程序被事先存储， 各种形式的信息也以一定的格式事先存储在数据库中 数 据库系统发展为计算机的三大基础软件之一。 計算机在进行信息处理时 首 先对数据库中事先存储起来的信息进行检索， 然后予以处理 输出给外部设 备。 从控制技术来看 这种方法鈳称之为"存储信息控制方法"。

因此 发明人将计算机数字控制定义为： 对于用户给定的工件轮廓曲线 及其误差， 在确定性误差的范围内 采用存储信息控制方法制造关联数据流， 通过关联数据流的联动性控制工作机中相关坐标轴的位移及其产生的合成位 移 并通过关联数据鋶的随动性连续控制这些合成位移之间的跟随速度以实 现机械系统的确定性运动关系。

在观念上 现有数字控制技术以数字控制系统为中惢， 将数字控制系统 视为控制工作机的实时指挥中心 因而产生了插补周周、 轮廓步长等与工作 机无关的大量冗余信息。

发明人发现 阻礙数字控制技术发展的首要因素是现有的控制观念。 在 观念上 必须对现有数字控制技术进行变革， 树立以工作机为中心的控制观 念 数芓控制系统是为工作机服务的， 其任务只是为工作机制造数字控制信 息 所述数字控制信息中不能夹带工作机不需要的插补周期、 轮廓步長等冗 余信息。

工作机中坐标轴之间的运动关系是确定性的 这就意味着预先给定了坐 标轴之间的运动 "规则"。 关联数据流的制造问题就是對这些运动"规则"的解 读 也就是对工件轮廓曲线的数学表达式中被压缩的数字控制信息进行解压。

因而 发明人进一步发现， 对于工作机來说 关联数据流的制造问题在 本质上是一个数值计算问题， 即工件轮廓曲线的几何规划问题与进给速度的 运动规划问题 并非是实时的。

发明人将数字控制信息的生成、 发送、 执行这一制造数字控制信息的工 艺流程称之为控制流程

根据工艺流程配置相应的生产设备， 进荇专业化标准化生产 这是制造 业走过的必由之路。 显然 工艺流程是分工合作、 实现专业化、 标准化生产 的基础。 将数字控制信息看作昰一种产品 则必然存在制造数字控制信息的 工艺流程。 正如在机械制造中必须按照机械制造的工艺流程来配置相应的加 工设备一样 在信息制造中也必须按照制造数字控制信息的控制流程来配置 相应的嵌入式子系统。 发明人认为 现有数控系统采用插补迭代控制方法产生褙景技术中所揭 示的四个内生基本缺陷与五个严重偏差的根本原因是， IEEE定义存在三个原 则性错误

IEEE定义的第一个原则性错误是，在控制观念上 IEEE定义将数字控制 系统定位为控制工作机的实时指挥中心， 没有关联数据流的概念

IEEE定义的第二个原则性错误是，在体系结构上 IEEE定義忽视了数字 控制的本质， 没有控制流程的概念将数控系统定义为一种需要配置实时操作 系统的专用计算机系统。

IEEE定义的第三个原则性錯误是在控制方法上， IEEE定义忽视了计算 机数字控制的本质 忽视了插补迭代控制算法只是数字控制信息的一种解压 方法， 从而将实时操莋系统的内外资源的管理机制以及响应内外环境变化的 应变机制视为一种普适的控制机制 舍弃存储信息控制方法， 将插补迭代控 制算法嘚运算规则与实时操作系统的任务调度规则紧密耦合在一起构成一种 实时控制方法

因此， IEEE定义必然产生下述问题：

1 )、 一切事物都处于过程之中 都要遍历产生、 发展、 消亡等阶段并演 化出层次结构。 事物在过程中演化出的不同层次的种种结构便成为对象 一 切对象都在过程中实现其功能。

对象只是关于事物在特定层次结构的一种人为抽象 过程则是事物在不 同层次结构中实际运动的动态行为。 过程比对象哽具本质特征 计算机数字 控制系统中的数字控制是一个过程， 而不是对象

IEEE定义完全忽视了数字控制的过程本质， 将数字控制过程视为對象 导致数字控制信息的迭代与控制流程的迭代， 不可能涉及数字控制信息的开 放性、 数字控制过程的开放性与数字控制过程之间的界媔的开放性

2 )、 在操作系统中， 对多用户的多个任务 采用分时处理。 然而 数字 控制过程中的实时任务是一个实时的不可间断的过程。

過程的开放性与对象的开放性是完全不同的 过程的开放性必然涉及数 字控制信息的生成、 发送、 执行的控制流程。 IEEE定义完全没有控制流程的 观念

3 )、 IEEE定义的开放式控制系统的体系结构不是按照制造数字控制信息 的控制流程来配置控制资源的体系结构。

4 )、 IEEE定义没有将数字控淛信息看作是一种产品 未涉及数字控制信 息的开放性。

5 )、 IEEE定义以数字控制系统为中心 所定义的开放性是计算机系统本 身应具有的开放性， 所谓开放式数控系统的体系结构是一种面向数控软件配 置的体系结构 是从计算机系统移植过来的， 不能反映数字控制系统在整个 控淛过程中的技术特征

6 )、 IEEE定义未能从制造系统的宏观视野来审视开放式数控系统的体系 结构， 导致开放式的概念含糊不清 至今也未能统┅。 互操作性、 可移植性、 可伸缩性、 可互换性等描述性词汇便成为开放式的所谓技术规范 阻碍了数 字控制系统的标准化进程。

7 )、 IEEE定义忽视计算机数字控制的本质数字控制系统 "被计算机化"， 从而将数字控制系统的发展引向插补迭代控制算法与控制模块的实时性

8 )、 在 IEEE定義中， 运动控制模块中的实时运动控制不对用户开放 只 要求运动控制模块具有互换性与可伸缩性， 没有可重构性的概念

9 )、 IEEE定义局限于數控软件的功能划分及其相互之间的操作界面， 对 于数字控制的过程特征缺乏系统学范畴的界定 将数字控制系统定义为专用 计算机系统， 从而在实质上将开放式数字控制系统定义为制造数字控制信息 的刚性集成制造系统

10 )、 IEEE 定义不是以工作机为中心， 而是以数字控制系统為中心 从 而产生了插补周期、 轮廓步长等大量冗余信息， 违反了筒单性原则 这些冗 余信息消耗了大量计算资源， 违反了经济性原则

洇此， IEEE定义不是一个关于数字控制系统的开放性定义 只是试图规 范应用软件的 "即插即用"问题，并未解决数字控制系统的开放性反而在體系 结构上将数控系统强制为专用计算机系统， 从而将数控系统的发展牢牢地釘 死于"插补时代"

发明人发现， IEEE定义主导下的现有数控系统 违背了计算机数字控制 的本质， 从而导致现有数控系统在控制观念、 控制结构、 控制模式、 控制方 法、 控制目的、 体系结构等方面产生叻下述问题：

(1)、 在控制观念上 IEEE定义以数字控制系统为中心， 没有控制流程的 观念 没有将数字控制信息视为一种产品。

(2)、 在控制结构上 IEEE定义将计算机数字控制系统 "计算机化 "， 导致 现有数字控制系统成为一个庞大而复杂的中断系统

(3)、 在控制模式上， IEEE定义主导下的现有数控系统采用在实时操作系 统的插补周期统一指挥下的 "边规划、 边设计、 边施工 "的集中控制模式 在这 种控制模式中， 实时操作系统指挥一切 "大权独揽， 小权不放" 一竿子插到 底， 规划、 设计、 施工全包 而且是 "边规划、 边设计， 边施工"

(4)、 在控制方法上， IEEE定义忽视了插补迭代控制算法只是数字控制信 息的一种解压方法 将插补迭代控制方法强制为一种普适的控制方法。

(5)、 在控制目的上 IEEE定义主导下的现有數控系统将插补迭代控制算 法的插补精度与插补速度作为最基本的控制目的。 (6)、 在体系结构上 在 IEEE定义主导下的现有数控系统中， 数字控淛信 息的迭代与控制流程的迭代将整个数字控制系统构造成数字控制信息的强实 时的、 高度刚性的、 封闭的集成制造系统

发明人发现， IEEE萣义下的现有数控系统的体系结构 与历史上天文学 中地心说的托勒密体系结构类似， 均缘于观念的错误

在 IEEE定义的错误观念主导下的现囿开放式数控系统中，数控系统所制 造的数字控制信息、 制造数字控制信息的方法、 以及制造数字控制信息的过 程与过程界面 都是封闭嘚、 非标准的、 不可重构的。 所制造的数字控制信 息成为现有数控系统的内部物品 这就从根本上否定了数控系统的开放性与 可重构性， 囚为地将现有数字控制技术与现有数控系统高度复杂化 为数控 系统的标准化设置了难以逾越的障碍， 必然导致数控系统中的嵌入式子系統 无法演化为标准化的 "功能部件 "必然导致现有开放式数控系统无法演化为第 三次工业革命所期盼的控制机。

发明人舍弃 IEEE 关于开放式数控系统的定义 将开放式数控系统定义 为：

"所谓开放式数控系统是按照控制流程配置嵌入式子系统的计算机数字 控制系统， 具有开放的人机堺面、 开放的数字控制信息、 开放的数字控制信 息制造方法、 开放的数字控制信息制造过程、 数字控制信息制造过程之间的 开放的界面、 開放的应用软件 "

这一定义同样适用于所述嵌入式子系统， 因而是一个系统学与分形几何 学相结合的定义 在所定义的开放式数控系统中鈈存在数字控制信息的迭代 与控制流程的迭代， 控制信息流的拓朴结构是一种线性拓朴结构 应用软件 的开放性就是"即插即用"。

IEEE定义的开放性只涉及应用软件的开放性以及操作使用计算机时的人 机界面的开放性

发明人的这一定义表明， 开放式数控系统的开放性具有六个方媔的内涵：

1 )、 人机界面的开放性 包括数字控制信息制造过程的所有控制过程界 面中的人机界面；

2 )、 数字控制信息的开放性；

3 )、 数字控制信息的制造方法的开放性；

4 )、 数字控制信息的制造过程的开放性；

5 )、 数字控制信息制造过程之间的界面的开放性；

6 )、 应用软件的开放性， 即"即插即用"

按照发明人的上述关于开放式数控系统的定义， DRC控制在控制观念、 控制结构、 控制模式、 控制方法、 控制目的、 体系结构等方面对现有数控系 统进行全面的变革： (1)、 在控制观念上 DRC控制以工作机为中心， 数控系统因而是为工作 机服务的 为工作机制造数字控制信息并且只制造工作机所需要的数字控制 信息。

(2)、 在控制结构上 DRC控制将数控系统"去计算机化"， 将数字控制信 息视为一种产品 建立控制鋶程的观念并按照控制流程配置控制资源， 计算 机从而不再是实时控制中心 而是非实时的制造数字控制信息的运筹中心。

(3)、 在控制模式仩 DRC控制舍弃现有开放式数控系统在实时操作系统 的插补周期统一指挥下的"边规划、边设计，边施工 "的集中控制模式按照"各 尽所能， 各盡其责"的原则 对于数字控制信息的生成、发送与执行采用"先规 划设计， 后优化 再施工 "的分散控制模式。

(4)、 在控制方法上 DRC控制舍弃现囿开放式数控系统的插补迭代控制 方法， 采用基于数据流关联控制的存储信息控制方法

(5)、在控制目的上， DRC控制不再将插补精度与插补速喥作为控制目的 而是将关联数据流的最优状态流作为控制目的。

(6)、 在体系结构上 DRC控制消除了数字控制信息的迭代与控制流程的 迭代， 從而舍弃了现有开放式数字控制系统的强实时的、 高度刚性的、 封闭 的体系结构 提出一种弱实时的、 柔性的、 全开放的体系结构。

因此 发明人的开放式数控系统的定义反映了现代制造业的发展环境对 控制机所提出的标准化问题， 以适应工作机、 动力机等产业的标准化进程

发明人将数字控制信息看作是一种产品， 将控制流程划分为数字控制信 息的生成、 分配发送与执行三个子过程

如此， 转变观念之后 发明人发现， 数字控制信息的制造过程 包括数 字控制信息的解压过程、 数字控制信息的优化过程以及确定性误差的补偿过 程等， 理应昰 "运筹帷幄之中 决胜千里之外"， 是一个非实时的规划过程 而 数字控制信息的分配发送则有如"军令如山"， 数字控制信息的执行更是"兵贵 鉮速" 都必须是实时的。

按照制造数字控制信息的控制流程 DRC控制机的控制结构解耦为数字 控制信息的生成部件、 分配发送部件与执行部件等三类功能部件。 这种控制 方法与体系结构是开放的、 弱实时的、 柔性的 并且实现了在数字控制信息、 数字控制方法、 数字控制过程與数字控制结构等方面的全方位开放， 从根本 上解决了开放式数字控制系统的开放性、 可重构性与标准化

发明人关于数字控制的定义与計算机数字控制的定义说明， 工作机所需 要的数字控制信息只是关联数据流 因此， 数字控制技术与数字控制系统的 基本问题是 对于用戶给定的工件轮廓曲线、 工艺参数及相关确定性误差， 采用什么技术方法来制造关联数据流 特别是制造增量型关联数据流。 本发明提出┅种计算机辅助数字控制方法（ CANC )来制造刀路曲线的增 量型关联数据流与刀路曲线的关联数据流文件

本发明基于发明人创建的离散几何学與离散运动学。

离散几何学研究曲线在延伸方向受约束与延伸量被离散的情况下曲线的 几何不变量 揭示了关联数据流的结构与曲线之间嘚内在联系。 离散运动学 研究非欧几里得空间中运动方向受约束与位移量被离散时的离散运动规律 揭示关联数据流的结构与刀具中心的運动轨迹之间的内在联系。

离散几何学与离散运动学为关联数据流的生成、 优化与控制奠定了理论 基础 为本发明所提出的 CANC方法的技术方案奠定了基础。

不失一般性 本发明以二维运动为例， 建立离散几何学与离散运动学的 若干基本概念

数字化用离散量代替连续量， 这就必然产生误差 在数控系统中， 必须 以一定的精度离散曲线 这种预先设定的允许的离散误差也称为离散标度， 记为 e

对于坐标轴来说， 甴于零部件的加工误差与装配误差、 运动副之间的间 隙与摩擦、 残余应力、 机械系统的刚性等因素的影响 其机械位移存在一个 最小分辨率， 一般称之为进给当量 以 e_f表之。 对于坐标轴来说 小于 e_f的 机械位移是毫无意义的。

一般情况下 离散标度等于进给当量。 在精细结构Φ 离散标度小于进 给当量。

每个坐标轴的离散标度可以不同 例如， X轴的离散标度为 e_x, y轴的离 散标度为 e_y

以离散标度将坐标轴离散， 相互の间的距离为离散误差的平行线将坐标 平面网格化 由此建立的坐标系称之为离散坐标系。 离散标度 e_x e_y是 离散坐标系的系统参数

如图 1 所示， 坐标轴的运动方向相互垂直的离散坐标系称之为正交离散 坐标系 例如直角坐标系、 极坐标系； 坐标轴的运动方向相互不垂直的离散 坐標系称之为非正交离散坐标系。

坐标轴之间的不垂直度、 不平行度 以及坐标轴的反向间隙、 螺距误差 等是机械系统的固有特征， 也是离散坐标系的系统参数

在正交离散坐标系中， 距离为离散标度的等距线将坐标平面网格化 彼 此平行的等距线之交点称为格点， 如图 1中的 a、 b、 c等交点

只有格点才是坐标轴的离散运动所允许的位置。

( 3 )、 允许运动方向、 排斥运动方向和优先运动方向 在数控系统中 坐标轴的运動方向是受约束的。 例如 对于 x/y坐标工作 台，运动方向为 ±x方向、土 y方向、以及 X轴和 y轴联动所形成的 +x/+y、 +x/-y、 -x/+y、 -x/-y四个方向 这 8个运动方向称之為机械系统的允许运动方向。

在数控系统中 加工是刀具相对工件的运动过程， 刀路曲线的延伸具有 方向性 存在逆时针与顺时针两种延伸方向。 这种方向性称之为刀路方位

例如， 对于第 1象限的逆时针圓弧 刀路方位为西北方位。

当刀路方位为西北方位时 只有 -X方向、 +y方姠与 -x/+y方向是允许运动 方向， 其他方向为排斥运动方向

圓弧上点的切线的斜率进一步约束了运动方向。 例如 对于圓弧上的点， 该点处切線的斜率如果大于 1 , -X方向的运动必然偏离圓弧 因而 -X方向是 排斥运动方向， 或者说 -X方向被 -x/+y方向所蕴涵， 允许运动方向为 +y方向 与 -x/+y方向； 该点處切线的斜率如果小于 1 , +y方向的运动必然偏离圓弧 因而 +y方向是排斥运动方向， 或者说 +y方向被 -x/+y方向所蕴涵， 允许运 动方向为 -X方向与 -x/+y方向

該点处的切线如果靠近 X轴， 则 -X方向是优先运动方向； 该点处的切线 如果靠近 y轴 则 +y方向是优先运动方向； 该点处的切线如果靠近 45。线 则 -x/+y方向是优先运动方向。

( 4 )、 曲线的映像集

曲线上的点称为原像 如图 1中的 m点与 n点。

一个格点 如果与曲线的某个原像的距离小于或等于离散誤差， 则称为 该原像的数字映像 筒称为映像， 如图 1中的 a、 b、 c、 d、 e诸点

曲线的全部映像构成一个集合， 称之为该曲线的映像集 例如， 對于半 径为 r的圓 e为离散标度， 半径为 （r - e ) 的圓与半径为 （r + e ) 的圓之间 的圓环上与圓环内的全部格点就是该圓的映像集

在给定的离散坐标系Φ， 曲线的映像集及其在离散坐标系中的分布完全 取决于该曲线的几何结构

显然， 对于曲线上的一个原像 存在多个映像； 反之， 对于┅个映像 在该曲线上则存在多个原像。

对于一个给定的映像 在允许运动方向上与该曲线的原像的距离小于或 等于离散误差的全部映像稱之为该映像的邻域。 例如对于图 1中的映像 b, 如 果刀路曲线为逆时针的 其邻域为 a点； 如果刀路曲线为顺时针的， 其邻域 为 d点与 e点 c点位于排斥运动方向， 不是映像 b的邻域

对于给定的曲线， 其全部邻域构成一个集合 称之为该曲线的邻域集。 曲线的邻域集是其映像集在允许運动方向上的一个子集

( 5 )、 关联数据流 数字化就是离散化。 按离散标度将曲线离散为其映像的一个序列 映像 之间的坐标值增量为一个离散标度， 即等于 "1"或" 0", 该映像序列称为曲线的 微观数字映像 对于所有的坐标轴， 将曲线的微观数字映像按顺序排列 所 产生的 "1""0"形式的坐标轴離散位置信息就是该曲线的步进型关联数据流。

曲线的微观数字映像描述了该曲线的精细微观结构

如果映像之间的各个坐标值的增量不昰一个离散标度而是若干个离散标 度， 该映像序列称为增量型数字映像 对于所有的坐标轴， 将曲线的增量型 数字映像按顺序排列 所产苼的坐标值增量形式的坐标轴离散位置信息就是 该曲线的增量型关联数据流。

对于多个坐标轴 所述关联数据流构成多维关联数据流。

( 6 )、 主动轴与联动轴

显然 对于斜率为 ±1的直线， 其步进型关联数据流全为 "1"

对于其他斜线，在其步进型关联数据流中某个轴的数据流必然铨是 "1", 或者说， "1"是连续的 该轴称为主动轴； 另一个轴的数据流必然不是全 "1", 或者说， "1"不是连续的 而是关于主动轴数据流的一种分布， 该轴稱之为联 动轴 这就意味着， 主动轴数据流可视为离散自变量 联动轴数据流则是主 动轴数据流的分布。

对于任何曲线 过坐标原点的 45°斜线与 135°斜线将 4个象限划分为 8 个区间。 这两条斜线与曲线的交点称为曲线的特征点 在特征点， 曲线从一 个区间进入另一个区间 X轴与 y轴將改变主动 /联动属性。

对于刀路曲线中的一条曲线 与该曲线的最大法向距离小于或等于离散 误差的一些首尾相连的微小直线段 ALi (筒称微线段）之总和称之为该曲线的 逼近折线， 或称为关于该曲线的微线段的离散分割 筒称为 L分割， 记之为

对于坐标轴 用下标区分坐标轴与轴仩的点。 例如 用 ALi, _x、 ALi, _y表 示微线段 ALi的坐标轴分量。 在 AL 中 第一个下标" i"表示该微线段的起点 为 _Xi, 第二个下标 "X"表示微线段 ALi的 X轴分量。

对任意的 i , 微线段 ALi与该曲线的误差不超过离散标度

曲线的 L分割所对应的关联数据流为增量型关联数据流， 换言之 曲线 的 L分割就是曲线的增量型数字映潒。

设 AL ^ Ln为曲线的 L分割中的微线段 且不包含特征点， ALi, _x、 △Li,_y为微线段 ALi 的 X轴、 y轴的分量 再设 x轴为主动轴， 显然 对于所有的 ALi, X轴始终为主动轴。 联动轴 y的数据流是主动轴 X的数据流的分布 因此， 曲线的几何特征仅取决于联动 轴 y的分量 ALi,_y

曲线在点 （ 、 yi) 的曲率导致微线段 ALi的长度必然存在一个最大值。 该最大值称之为曲线在点 （ 、 yi) 的本征长度 当 ALi为本征长度时， 联动 轴 y的分量 ALi,_y称之为点 （ 、 yi) 的离散几何结构因子（筒称结構因子） 以 Gi,y表之， ALi的终点则称为本征映像

对于所有的 i,如果微线段 ALi的长度均为本征长度， 即微线段 ALi 的联 动轴分量都是其起点 （ 、 yi) 的结构洇子 该 L分割则称之为曲线的本征 L 分割， ?为 ALi ( i=l,...,n)?

将时间 Τ划分为长度不等且首尾相连的若干区间： Atl,...,Ati Atm₀ △ti之总和称之为关于时间 T的离散分割 筒称为 Τ分割， 以 Ati( i= l,...,m) 表之， 式中 m = n-l, n为微线段的条数

(10)、 关联数据流的联动性与联动表

步进型关联数据流在每个时序点 ti的" 0"或 "1"形态的坐标值增量称の为 步进型关联数据流在该时序点 ti的状态； 与此类似，增量型关联数据流在每个 时间区间 内的坐标值增量称之为增量型关联数据流在该时間区间 内的 状态

显然， 关联数据流是离散位置信息的一种状态流 在关联数据流的状态 流中， 既包括离散位置信息 又包括这些离散位置信息之间的关联信息。

所述关联信息描述了关联数据流中所述离散位置信息之间的联动性

所谓关联数据流的联动性， 指的是 在每个時间区间 内 （或每个时序 点 ti)相关坐标轴同时进给的坐标值增量， 即 L分割

关联数据流的联动性决定了相关坐标轴在每个时间区间 Ati内（或每個时 序点 ti)的位移及其产生的合成位移， 反映了刀路曲线的几何特征 是数字控 制的本质属性。

对于给定的刀路曲线 关联数据流中的离散位置信息及其联动性作为刀 路曲线的离散几何学属性， 与控制相关坐标轴实现刀路曲线的方法与过程无 关

按照给定的数据格式， 在存储涳间建立联动表来描述 L分割 通过所述 联动表， 将每个时间区间 内 （或每个时序点 ti)相关坐标轴联动时所需要 的位移转换为关联数据流在存儲空间的空间关联性

(11)、 关联数据流的随动性与随动表

所述关联数据流的关联信息， 还包括关联数据流中相邻状态之间的随动 性 所谓关聯数据流的随动性， 指的是关联数据流的发送速度 也就是关联 数据流在相邻状态之间的时间间隔， 对增量型关联数据流来说就是 T分割 對步进型关联数据流来说就是每个时序点 ti之间的时间间隔 （也可以称为 T 分割）。

关联数据流的随动性将刀路曲线的几何特征与加工工艺的時间特征解 耦 决定了所述合成位移之间的跟随速度， 也就是刀具的进给速度 是数字 控制的非本质属性。

按照给定的数据格式 在存储涳间建立随动表来描述 T分割。 通过所述 随动表 将刀具的进给速度转换为关联数据流在存储空间的空间关联性。

在制造业中 公差是工件輪廓曲线的一个基本属性。 公差等于最大允许 尺寸与最小允许尺寸的代数差的绝对值 由代表最大允许尺寸与最小允许尺 寸的两条直线所限定的一个区域称为公差带。 一般 公差的一半远大于离散 误差。

设计时给定的工件轮廓曲线称为基本曲线 设计时给定的名义尺寸， 称 為基本尺寸

对于基本尺寸， 上、 下偏差的绝对值往往是不相等的 将公差中心所对 应的尺寸称为正则尺寸； 对于正则尺寸， 上、 下偏差嘚绝对值是相等的

将设计时给定的工件轮廓曲线中的基本尺寸转化为正则尺寸， 所得到的 工件轮廓曲线称之为正则曲线 在正则曲线的公差带中， 上、 下偏差相等

设 e为离散误差。 与基本曲线 /正则曲线的距离为 ±e的两条曲线称之为该 基本曲线 /该正则曲线的边界线

( 13 )、 运动控制系统的时间当量

在先进控制领域， 步进电机与伺服电机是实现运动控制的两种基本动力 设备 对于步进控制来说， 进给速度超过最高步进频率时 步进电机则失步， 因而步进电机的最高步进频率之倒数可称之为步进运动控制系统的时间当 量 也就是步进一步所需要的时間； 对于伺服控制来说， 在满足动力学的要 求下 进给量为进给当量时的最小采样周期则类似于步进电机的最高步进频 率， 进给速度超过朂小采样周期时 伺服电机则失步， 因而所述最小采样周 期也可称之为伺服运动控制系统的时间当量 以 Et表示运动控制系统的时间 当量。

發明人发现 离散几何学具有下述九个基本特征。

1、 离散几何学的第一个基本特征

在离散几何学中 坐标轴的运动方向是受约束的， 例如 X轴、 y轴只能 在正向或反向作离散的直线运动。 由于运动方向被约束 空间丧失了各向同 性。 因此 在离散几何学中， 空间不再是欧氏空間 曲线的离散几何结构与 其欧氏几何结构不一致。

空间的方向性即空间的 欧化 这是离散几何学的第一个基本特征。

2、 离散几何学的第②个基本特征

由于 x-y坐标工作台存在 X轴单独运动、 y轴单独运动与 X轴、 y轴联动 等 8个允许的运动方向 从而破坏了曲线的微观数字映像的唯一性。

曲线的微观数字映像的非唯一性 这是离散几何学的第二个基本特征。

3、 离散几何学的第三个基本特征

在曲线的微观数字映像中 联动軸数据流是主动轴数据流的分布。

对于直线 其联动轴数据流是主动轴数据流的周期分布。 一个周期中联 动轴数据流中 "1"的个数仅取决于该矗线的斜率 因此， 联动轴数据流的周期 性是离散几何学的几何不变量

在直线的微观数字映像中， 联动轴数据流是主动轴数据流的周期汾布 联动轴数据流的周期性是离散几何学的几何不变量， 这是离散几何学的第三 个基本特征

4、 离散几何学的第四个基本特征

曲线可以離散为一些离散点， 构成曲线的微观数字映像； 曲线也可以离 散为一些微线段 构成曲线的增量型数字映像即逼近折线。 前者的离散几何 え素是离散点 后者的离散几何元素是微线段。

曲线只存在两种数字映像 即微观数字映像与增量型数字映像， 这是离 散几何学的第四个基本特征

5、 离散几何学的第五个基本特征

空间的方向性导致离散误差与运动方向有关。 因而 在曲线的数字映像 中， 曲线中存在的对称性必然被破坏 曲线的数字映像产生了对称性破缺。

数字映像的对称性破缺 这是离散几何学的第五个基本特征。

6、 离散几何学的第六个基本特征

在离散坐标系中 空间的方向性导致 X轴、 y轴的数据流不对称， 存在主 动与联动之区别

坐标轴具有主动 /联动属性， 这是离散几何學的第六个基本特征

7、 离散几何学的第七个基本特征

众所周知， 在欧氏空间中 由于空间的各向同性， 圓上的每个点的几何 结构是相同嘚 圓的 L分割与点 （ 、 _yi )无关。 然而 在离散几何学中， 空 间的方向性导致圓的 L分割与点（_Xl、 yi )有关 点（_Xl、 yi )在圓上的位置不 同， 其 L分割也不哃

因此， 对于任意曲线 联动轴 y在点 （ 、 _yi ) 的结构因子 Gi, _y与本征 L 分割描述了曲线的内在离散几何属性。 联动轴 y在点 （ 、 yi) 的结构因子 Gi,_y与本征 L分割是曲线的离散几何 属性 这是离散几何学的第七个基本特征。

8、 离散几何学的第八个基本特征

曲线的本征 L分割 A (i=l,...,n)为该曲线的全部 L分割的上堺 这是 离散几何学的第八个基本特征。

9、 离散几何学的第九个基本特征

在离散几何学中 任何曲线只有微观数字映像与增量型数字映像這两种 数字映像， 相应的离散位置信息为离散点或微线段 刀路曲线只能根椐离散 位置信息合成相应坐标轴的位移予以实现。 因而 刀路曲线只是相应坐标轴 位移被合成后所产生的结果。

为叙述筒单起见 假定机械系统为 x-y坐标工作台， 其中 X轴、 y轴只能 正向 /反向位移为实现刀路曲线必须且只须不断地改变相应坐标轴的位移量。 反之亦然

因此， 改变相应坐标轴的位移量是实现刀路曲线的充分必要条件 这是 離散几何学的第九个基本特征。

离散运动学基于离散几何学 发明人发现， 离散运动学具有下述七个基 本特征

1、 离散运动学的第一个基夲特征

在离散运动学中， 坐标轴的运动方向是受约束的 例如， X轴、 y轴只能 在正向或反向作离散的直线运动 由于运动方向被约束， 空间喪失了各向同 性 因此， 在离散运动学中 空间不再是欧几里得空间， 刀路曲线不再是欧 氏曲线

空间的非欧化即空间的方向性， 这是离散运动学的第一个基本特征

2、 离散运动学的第二个基本特征

在离散坐标系中， 空间的方向性导致 X轴、 y轴不对称 存在主动与联动 之区别。

坐标轴存在不对称性 具有主动 /联动属性。 这是离散运动学的第二个基 本特征

3、 离散运动学的第三个基本特征

通过事先规划， 控制坐標轴之间的确定性运动关系处于确定性误差的范 围内 这是数字控制的本质。 工件轮廓与刀具的几何结构是预先确定的 因此， 坐标轴之間的运动关 系是确定性的 数字控制系统的核心任务就是制造数字控制信息， 用于控制 工作机中的坐标轴完成给定的确定性机械运动并通过相关坐标轴的位移（角 位移） 的合成实现刀路曲线。 位移的合成一方面要求相关坐标轴必须联动 另一方面要求以最优进给速度连续實现位移的合成。 位移的合成与合成位移 的连续实现是性质不同的两个问题 位移的合成取决于关联数据流的状态， 涉及刀路曲线的空间結构； 合成位移的连续实现取决于关联数据流在相邻状 态之间的时间间隔 涉及加工时的工艺参数。 因此 关联数据流的时空结构 在本质仩并非是耦合的。

关联数据流的时空结构非耦合性 这是离散运动学的第三个基本特征。

4、 离散运动学的第四个基本特征

在离散运动学中 时间是一个独立的自由变量， 这是离散运动学的第四 个基本特征

5、 离散运动学的第五个基本特征

过坐标原点的 45°斜线与 135°斜线将 4个象限划分为 8个区间。这两条斜 线与刀路曲线的交点称为曲线的特征点 在特征点， 曲线从一个区间进入另 一个区间 X轴与 y轴将改变主动 /联动屬性。

X轴与 y轴跟随曲线的特征点不断交替改变主动 /联动属性 这是离散运 动学的第五个基本特征。

6、 离散运动学的第六个基本特征

在牛顿運动学中 曲线运动的位移与速度可以按照平行四边形法则分解 为相应坐标轴方向的分位移与分速度， 反之亦然

在离散运动学中， 曲线運动是相应坐标轴位移的合成 改变相应坐标轴 的位移量是合成曲线的充分必要条件。 每个坐标轴的分速度所产生的合成速 度并不服从平荇四边形法则

速度的平行四边形法则失效， 这是离散运动学的第六个基本特征

7、 离散运动学的第七个基本特征

在 Ati期间， X轴与 y轴联动 即 X轴、 y轴产生位移 ALi,_x、 ALi,_y, 从而 形成合成位移 ALi。 对于每个 合成位移 A 的大小与方向都是变化的 这是刀路曲线的内在属性。

对于连续曲线加工 坐標轴的运动速度必然产生跳变， 导致坐标轴运动 速度的不连续性 这是离散运动学的第七个基本特征。 离散几何学与离散运动学的上述基夲特征奠定了计算机辅助数字控制

发明人发现 CANC 的核心任务是， 将压缩在刀路曲线与进给速度中的 数字控制信息解压制造刀路曲线的数芓控制信息，也就是规划刀路曲线的 L 分割与 T分割

所述 L分割包括相关坐标轴联动时的位移信息与其所要求的联动性， 用 于控制相关坐标轴聯动以产生所要求的合成位移 所述 T分割包括连续合成 所述合成位移时的速度信息与其所要求的随动性， 用于控制所述合成位移之 间的时間间隔

发明人还发现， 在离散几何学中 刀路曲线不再是欧氏曲线， 刀路曲线 的 L分割必须考虑联动轴在点 （_Xl、 yi ) 的结构因子 Gi, _y, 以消除曲线的非欧 化误差

所述 L分割涉及刀路曲线的离散几何结构， 是一个离散几何规划问题 所述 T分割涉及进给速度的跳变， 是一个离散运动规划问題

按给定的数据格式， 刀路曲线的 L分割在存储空间生成的数字映像称之 为所述刀路曲线的联动表 按给定的数据格式， 刀路曲线的 T分割茬存储空 间生成的数字映像称之为所述刀路曲线的随动表

按给定的数据格式， 所述联动表与所述随动表在存储空间链接后所生成 的数字映像称之为关联数据流文件

因此， CANC 的核心任务就是关联数据流规划 按给定的数据格式制造 关联数据流文件。

下面将结合附图及具体实施例对本发明的技术方案进行详细描述 具体实施方式一

如图 2所示， 所述计算机辅助数字控制系统包括硬件平台、 软件平台和 应用软件系統其硬件平台为一般的 PC系统，软件平台为图形界面操作系统

所述软件平台还包括三维图形库，例如 OpenGL OpenGL为 Open Graphics Library之缩写， 是一套独立于操作系統和硬件环境的三维图形库 有着强大 的图形功能和良好的跨平台移植能力， 已成为事实上的图形标准 OpenGL广 泛用于计算机仿真、 可视化技術、 实体造型、 CAD/CAM/CAE等诸多领域。

所述应用软件系统包括：

所述应用软件系统建立在中间件之上 所述应用软件系统的各模块之间 采用应用编程接口 API。

1、 离散坐标系规划模块 DCSP

所述 DCSP模块用于按照设定的离散标度 用距离为离散标度的等距线 将坐标平面网格化， 建立正交离散坐标系戓非正交离散坐标系

2、 刀路曲线规划模块 TPCP

所述 TPCP模块用于在离散坐标系中规划刀路曲线，按照特征点将刀路曲 线分割为 k条曲线 对分割后嘚每条曲线， 将坐标轴划分为主动轴和联动轴 生成刀路曲线文件。

3、 离散几何规划模块 DGP

所述 DGP模块用于对所述 k条曲线中的每条曲线按照設定的优化目标， 通过导引点逐点构造符合所述优化目标的本征 L分割

4、 离散运动规划模块 DKP

所述 DKP模块用于对所述本征 L分割生成 T分割。

5、 关聯数据流文件规划模块 RDFP

所述 RDFP模块用于按给定的数据格式在存储空间生成所述 L分割的联 动表 按给定的数据格式在存储空间生成所述 T分割的隨动表； 按给定的数 据格式在存储空间链接所述联动表与所述随动表， 生成关联数据流文件

所述 RDFP模块设置"误差补偿"窗口。根据坐标轴的反向间隙、螺距误差、 热变形误差等确定性误差（或准确定性误差 ), 所述 RDFP模块对所述关联数 据流的联动表与联动表予以校正 进行误差补偿， 调整所述联动表与所述随 动表

6、 控制流文件规划模块 CFP

所述 CFP模块用于按用户设定的加工工艺规划控制流以控制开关装置， 按给定的数据格式在存储空间生成控制流文件

所述 CFP模块可采用常规的 PLC。

7、 数据控制流文件规划模块 DCFP

所述 DCFP模块用于按用户设定的加工工艺与给定的数据格式 在存储 空间链接所述关联数据流文件与所述控制流文件， 生成数据控制流文件

8、 辅助功能规划模块 MFP

所述 MFP模块用于操作辅助功能， 包括设置手动、 自动、 指定程序段等 运行状态 加工轨迹的仿真与显示， 通过接口发送数据控制流文件等 如图 3所示，所述计算机辅助数芓控制方法包括关联数据流规划步骤（ 1 )、 控制流文件规划步骤（2 )、 数据控制流文件规划步骤（3 )、 辅助功能规划步 骤（ 4 )

步骤（ 1 )、 关联数据鋶规划步骤

所述关联数据流规划步骤（1 )用于生成关联数据流文件。

步骤（2 )、 控制流文件规划步骤

所述控制流文件规划步骤（2 )用于按用户设萣的加工工艺规划控制流以 控制开关装置 按给定的数据格式在存储空间生成控制流文件。

步骤（3 )、 数据控制流文件规划步骤

所述数据控淛流文件规划步骤（3 )用于按用户设定的加工工艺与给定的 数据格式 在存储空间链接所述关联数据流文件与所述控制流文件， 生成数 据控淛流文件

步骤（ 4 )、 辅助功能规划步骤

所述辅助功能规划步骤（4 )用于操作辅助功能， 包括设置手动、 自动、 指定程序段等运行状态 加工軌迹的仿真与显示， 通过接口发送所述数据控 制流文件等

所述关联数据流规划步骤（ 1 ) 包括离散坐标系规划步骤（ 101 )、 刀路曲 线规划步骤（ 102 )、 离散几何规划步骤（ 103 )、 离散运动规划步骤（ 104 )、 关联数据流文件规划步骤（ 105 )等 5个具体步骤。

一、 离散坐标系规划步骤（101 )

所述离散坐标系规劃步骤（101 )用于按照设定的离散标度 用距离为离 散标度的等距线将坐标平面网格化， 建立正交离散坐标系

系统弹出坐标系页面，在所述唑标系页面上设置有"正交离散坐标系 "窗口 与"非正交离散坐标系"窗口；

点击"正交离散坐标系"窗口 弹出如图 1所示的正交离散坐标系页面； 在所述正交离散坐标系页面上设置有 "系统参数 "窗口；

点击"系统参数"窗口， 弹出"离散标度"子项；

在所述 "离散标度"子项的下拉表中对每个坐标軸设置离散标度。根据所 述下拉表 用户可以确定所述正交离散坐标系的离散标度， 例如 对于直线 坐标轴， 离散标度为 0.01mm, Ιμηι, lnm等； 对于旋转坐标轴 离散标度为 1度 ( 1。）、 1分（Γ )等

二、 刀路曲线规划步骤（ 102 )

所述刀路曲线规划步骤（102 )用于在离散坐标系中建立工件轮廓的基本 曲线； 根据加工工艺进行刀具补偿， 对基本曲线进行修正； 根据加工工艺进 行刀路路径规划 按照特征点将刀路曲线分割为 k条曲线， 生成刀路曲线文 件 步骤 1021、 在离散坐标系中生成工件轮廓的基本曲线

用户可以选用系统设置的基本曲线如"直线"、"圓弧"、 "NURBS曲线"、"螺 旋线"、 "抛物线"、 "橢圓"， 或通过 "创建新曲线 "创建用户自己的新曲线 根 据零件设计要求， 建立零件轮廓的基本曲线

设置轮廓曲线的基本尺寸， 例如 对於直线， 基本尺寸为直线终点坐标 值的基本尺寸； 对于圓弧 基本尺寸为圓弧起点坐标值的基本尺寸、 圓弧终 点坐标值的基本尺寸、 圓心唑标值的基本尺寸。 根据所述提示 用户可输入 该曲线的基本尺寸， 输入基本尺寸的上偏差、 下偏差

步骤 1022、 建立正则曲线

系统可以将基夲曲线转化为正则曲线； 或者将正则曲线转化为基本曲线。 对于工件轮廓中的所有曲线 实施以上步骤， 在正交离散坐标系中生成 基本曲線模式下的工件轮廓曲线或正则曲线模式下的工件轮廓曲线

步骤 1023、 刀具补偿

基本曲线模式 /正则曲线模式的工件轮廓曲线生成后， 在所述囸交离散坐 标系中弹出 "刀具补偿 "窗口；

在所述 "刀具补偿"窗口的下拉表中设置有"刀具半径"、 "刀具长度"、 "过 渡圓弧半径"等与加工工艺有关的选項； 用户输入相应数值；

输入完毕后点击"确定" 对基本曲线模式 /正则曲线模式的工件轮廓曲线 进行刀具补偿。

步骤 1024、 根据加工工艺进行刀蕗路径规划

根据加工工艺的要求 用户给出坐标原点、 快速进给路径的终点坐标、 确定刀路曲线上各曲线段之编号顺序、 快速返回路径的終点坐标等信息， 系 统设置"坐标原点"、 "快速进给路径"、 "加工路径 1"、 "加工路径 2" "加 工路径 n"、 "快速返回路径"等 进行刀路路径规划， 确定刀路曲線的加工顺 序 对刀路曲线中的每条曲线设置适当的进给速度。

步骤 1025、 按照特征点 将刀路曲线分割为 k条曲线， 对分割后的每条 曲线 将唑标轴划分为主动轴与联动轴， 生成刀路曲线文件

三、 离散几何规划步骤（ 103 )

所述离散几何规划步骤（103 )用于对所述 k条曲线中的每条曲线， 按照 设定的优化目标 通过导引点逐点构造符合所述优化目标的本征 L分割。

曲线被离散的方法不同 则联动轴数