寧宗奇，王才嶧

（上海工程技術(shù)大學(xué) 高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院，上海 200437）

0 引言

數(shù)控技術(shù)是現(xiàn)代制造系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)。在數(shù)控技術(shù)教學(xué)中，插補(bǔ)、刀補(bǔ)等概念是一些重要的概念，但又很抽象，不便于理解和講授。建立一個(gè)基于開放式數(shù)控平臺(tái)的演示系統(tǒng)，將圖形仿真過程和控制演示過程結(jié)合起來，就可以為抽象的概念提供更加豐富的演示手段，在深刻的感性認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，加深對(duì)抽象概念的理解。同時(shí)系統(tǒng)的擴(kuò)展性強(qiáng)，還可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐教學(xué)的需要，為教師和學(xué)生提供二次開發(fā)平臺(tái)。

1 系統(tǒng)的構(gòu)成

本系統(tǒng)由硬件和軟件兩大部分組成。硬件分為機(jī)械部分、數(shù)控系統(tǒng)（步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器裝置、運(yùn)動(dòng)控制卡）和上位PC。軟件部分主要包括演示軟件和控制軟件兩部分。如圖1所示，采用工業(yè)控制機(jī)（IPC）作為系統(tǒng)平臺(tái)，采用“IPC+多軸運(yùn)動(dòng)控制器” 的典型結(jié)構(gòu)搭建開環(huán)數(shù)控硬件平臺(tái)。

PC部分：采用工業(yè)控制的IPC。IPC具有性能可靠、軟硬件資源豐富的特點(diǎn)，特別是可以利用它的軟件開發(fā)資源，便于運(yùn)動(dòng)控制程序與演示程序的融合。

運(yùn)動(dòng)控制器：運(yùn)動(dòng)控制器采用顧高公司的GT-200-SV型運(yùn)動(dòng)控制卡作為運(yùn)動(dòng)控制器，它可以支持兩軸的步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)，可以很方便地開發(fā)所需要的運(yùn)動(dòng)控制程序。

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)：考慮到實(shí)用性，采用兩臺(tái)57BYG424型步進(jìn)電機(jī)來驅(qū)動(dòng)XY平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)。

圖1 系統(tǒng)的構(gòu)成

驅(qū)動(dòng)器部分：驅(qū)動(dòng)器的性能決定運(yùn)動(dòng)控制的好壞。驅(qū)動(dòng)器采用與57BYG424型步進(jìn)電機(jī)相匹配的SMD2N1型驅(qū)動(dòng)器。

開發(fā)環(huán)境：Visual C++6.0是一個(gè)優(yōu)秀的開發(fā)環(huán)境，可利用的資源豐富，可以直接應(yīng)用運(yùn)動(dòng)控制器所提供的用于二次開發(fā)的動(dòng)態(tài)鏈接庫，便于運(yùn)動(dòng)控制程序和演示程序的融合，采用Visual C++6.0作為系統(tǒng)上位機(jī)軟件的開發(fā)環(huán)境。

1.1 系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)

如圖2所示，采用夾持畫筆的輔助裝置（4）用于在固定于工作平臺(tái)（2）的白紙上繪制插補(bǔ)計(jì)算的具體過程。

系統(tǒng)的機(jī)械部分采用如圖2所示X-Y數(shù)控平臺(tái)。該平臺(tái)通過兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的合成，可以實(shí)現(xiàn)任意平面軌跡，主要用于插補(bǔ)算法過程的演示。Y軸采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件，通過彈性聯(lián)軸器連接滾珠絲杠螺母，實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)沿Y軸方向的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。X軸也采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件，實(shí)現(xiàn)X軸方向的運(yùn)動(dòng)控制，輔助裝置夾持畫筆固定在底座上。X軸和Y軸均采用57BYG424型步進(jìn)電機(jī)以及與之配套的SMD2N1型驅(qū)動(dòng)器，可以實(shí)現(xiàn)兩周的聯(lián)動(dòng)。同時(shí)，還要提供穩(wěn)定的直流電源。

圖2 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

1.2 系統(tǒng)的控制系統(tǒng)

根據(jù)應(yīng)用的需要，該系統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)采用GT-200-SV-ISA運(yùn)動(dòng)控制卡，構(gòu)成開環(huán)系統(tǒng)。GT-200-SV-ISA運(yùn)動(dòng)控制卡是顧高公司研發(fā)基于ISA總線的插卡式運(yùn)動(dòng)控制器，可以支持2軸的步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)。IPC作為上位機(jī)負(fù)責(zé)人機(jī)交互界面的管理和控制指令的發(fā)送；運(yùn)動(dòng)控制卡完成運(yùn)動(dòng)控制的所有細(xì)節(jié)，包括直線和圓弧插補(bǔ)、脈沖和方向信號(hào)的輸出、自動(dòng)升降速的處理、原點(diǎn)和限位等信號(hào)的檢測(cè)等。GT-200-SV-ISA運(yùn)動(dòng)控制卡配備了功能強(qiáng)大、內(nèi)容豐富的Windows動(dòng)態(tài)鏈接庫。對(duì)當(dāng)前流行的編程開發(fā)工具，如Visual Basic 6.0、Visual C++6.0提供了開發(fā)用靜態(tài)連接庫及頭文件和模塊聲名文件，可方便地鏈接動(dòng)態(tài)鏈接庫引用, 便于進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制開發(fā)。

1.3 系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

如圖3所示，軟件系統(tǒng)包括模擬演示模塊、控制演示模塊和控制程序模塊三個(gè)部分。

模擬演示部分主要負(fù)責(zé)將直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)和刀具補(bǔ)償?shù)挠?jì)算及運(yùn)動(dòng)過程放大，在計(jì)算機(jī)上虛擬的演示出來。

實(shí)物演示模塊負(fù)責(zé)將直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)和刀具補(bǔ)償?shù)挠?jì)算及運(yùn)動(dòng)過程放大，同時(shí)通過運(yùn)動(dòng)控制模塊控制XY平臺(tái)，將插補(bǔ)和補(bǔ)償過程用畫筆繪制出來，使演示過程更為形象何直觀。

控制程序模塊主要負(fù)責(zé)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)單軸控制和運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)的兩軸聯(lián)動(dòng)控制，用于待插補(bǔ)的直線和圓弧的繪制。

圖3 軟件結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

2.1 控制程序

控制程序包括兩部分：步進(jìn)電機(jī)的控制程序和數(shù)控平臺(tái)的控制程序。步進(jìn)電機(jī)的控制程序主要用于單軸步進(jìn)電機(jī)的調(diào)試運(yùn)行，主要包括步進(jìn)電機(jī)的起動(dòng)、停止、行程控制和加減速控制。數(shù)控平臺(tái)的控制程序主要用于完成坐標(biāo)系的繪制演示，直線或圓弧的繪制演示，直線插補(bǔ)過程的繪制演示、圓弧插補(bǔ)過程的繪制演示。

數(shù)控平臺(tái)的控制

2.2 圖形仿真程序

圖4 直線插補(bǔ)程序框圖

圖形仿真程序中的直線插補(bǔ)部分采用逐點(diǎn)比較法。逐點(diǎn)比較法又稱區(qū)域判別法，其基本思路是：被控制對(duì)象在數(shù)控裝置的控制下，按要求的軌跡運(yùn)動(dòng)，每走一步都與規(guī)定的軌跡比較，根據(jù)比較的結(jié)果決定下一步移動(dòng)的方向。這種算法的特點(diǎn)是運(yùn)算直觀，插補(bǔ)誤差最大不超過1個(gè)脈沖當(dāng)量，而且輸出脈沖均勻，輸出脈沖的速度變化小、調(diào)節(jié)方便，因此在兩坐標(biāo)的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)中應(yīng)用較為普遍。逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ)可以用硬件實(shí)現(xiàn)，也可以用軟件實(shí)現(xiàn)，用軟件實(shí)現(xiàn)的程序框圖如圖4所示。

逐點(diǎn)比較法的圓弧插補(bǔ)是一加工點(diǎn)與圓心的距離和圓弧半徑相比是大于半徑還是小于半徑來反映偏差的依據(jù)。圓弧插補(bǔ)分順時(shí)針圓弧插補(bǔ)和逆時(shí)針圓弧插補(bǔ)，兩種情況下偏差計(jì)算和坐標(biāo)進(jìn)給不同。第一象限的逆時(shí)針的圓弧插補(bǔ)程序框圖如圖5所示。

圖5 第一象限逆時(shí)針圓弧插補(bǔ)程序框圖

各個(gè)象限的插補(bǔ)的進(jìn)給方向，按表1所示的規(guī)律進(jìn)行計(jì)算。

表1 不同象限的插補(bǔ)進(jìn)給規(guī)律

坐標(biāo)計(jì)算和偏差計(jì)算按照表2的規(guī)律進(jìn)行計(jì)算。

表2 進(jìn)給方向與偏差計(jì)算規(guī)律

按照表1和表2中進(jìn)給方向和偏差計(jì)算的規(guī)律，可以分別得到各個(gè)象限圓弧插補(bǔ)的程序框圖。在多個(gè)象限的圓弧，對(duì)圓弧進(jìn)行過象限處理之后，分別對(duì)每個(gè)象限進(jìn)行處理。

刀具補(bǔ)償包括刀具半徑補(bǔ)償和長(zhǎng)度補(bǔ)償。刀具補(bǔ)償主要對(duì)直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)的B功能刀具進(jìn)行補(bǔ)償，模擬出根據(jù)零件輪廓和刀具半徑求刀具中心運(yùn)動(dòng)軌跡的過程。

2.3 控制演示程序

控制演示程序的目的是實(shí)現(xiàn)一個(gè)能實(shí)時(shí)反映插補(bǔ)計(jì)算和機(jī)床進(jìn)給微觀動(dòng)作的過程?？刂蒲菔境绦蛑饕?fù)責(zé)控制繪圖筆，用繪圖筆模擬刀具，繪制出的直線或者圓弧輪廓上繪制插補(bǔ)和B功能刀具補(bǔ)償?shù)倪^程。以數(shù)控平臺(tái)X軸和Y軸作為需要模擬的直線或圓弧的坐標(biāo)軸，它們的中點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)，首先繪制坐標(biāo)軸；然后再控制程序的控制下繪制直線或圓??；最后，用一個(gè)個(gè)線段代表插補(bǔ)的每一步，演示插補(bǔ)或補(bǔ)償?shù)拿恳粋€(gè)步驟。

控制演示程序首先通過控制X、Y軸的運(yùn)動(dòng)，在繪圖板中央位置繪制直線，建立控制演示的坐標(biāo)系；其次，將該坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)作為直線插補(bǔ)演示的起點(diǎn)、圓弧插補(bǔ)演示的圓心；再次，繪制被插補(bǔ)的直線段或圓弧段；最后，控制畫筆，繪制直線段，用一個(gè)個(gè)直線段繪制直線或圓弧的逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)的每一步過程。

以下程序?qū)崿F(xiàn)XY平面內(nèi)的兩軸直線插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)：起點(diǎn)坐標(biāo)為當(dāng)前坐標(biāo)，終點(diǎn)坐標(biāo)為(X_end, Y_end)。

void Line(double X_end, double Y_end) //走直線到指定坐標(biāo)

以下程序?qū)崿F(xiàn)XY平面內(nèi)的兩軸圓弧插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)：圓弧插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)的起點(diǎn)是當(dāng)前位置坐標(biāo)；終點(diǎn)坐標(biāo)為(X_end,Y_end);圓弧半徑為 R，R為正，此段圓弧是優(yōu)弧，R為負(fù)此段圓弧為劣?。籇ir是圓弧旋轉(zhuǎn)方向，取值為1表示正向旋轉(zhuǎn)，-1表示負(fù)向旋轉(zhuǎn)。

2.4 二次開發(fā)

本系統(tǒng)還提供了開放式的開發(fā)接口，為機(jī)電一體化技術(shù)實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)提供平臺(tái)：讓學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)械結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)、滾動(dòng)導(dǎo)軌、滾珠絲杠的結(jié)構(gòu)工作臺(tái)的移動(dòng)距離；學(xué)習(xí)步進(jìn)電機(jī)的工作原理、運(yùn)動(dòng)控制、速度調(diào)節(jié)；學(xué)習(xí)運(yùn)動(dòng)控制程序的編制規(guī)則以及工作臺(tái)的兩軸聯(lián)動(dòng)；學(xué)習(xí)利用運(yùn)動(dòng)控制卡開發(fā)數(shù)控應(yīng)用程序。

3 結(jié)論

利用開放式數(shù)控平臺(tái)，將圖形仿真程序和數(shù)控應(yīng)用程序進(jìn)行有機(jī)的融合。組成系統(tǒng)的各個(gè)部件來源于不同的部件供應(yīng)商，并且相互之間的兼容性好。系統(tǒng)程序具有模塊化的組織結(jié)構(gòu)，允許用戶根據(jù)需要進(jìn)行擴(kuò)展，可以根據(jù)用戶的需要，在開放式數(shù)控平臺(tái)上進(jìn)行二次開發(fā)出新的模塊。

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