四川省裝備制造業(yè)機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室 雷剛 施蕓 汪健 王濤

本文介紹了數(shù)控切割機(jī)中加工零件的圖形顯示方法，分析了實(shí)現(xiàn)零件顯示的基本方法和步驟，提出了利用檢索零件極值坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)零件尺寸提取的方法，利用坐標(biāo)變換方式實(shí)現(xiàn)了基于切割零件數(shù)控代碼在軟件系統(tǒng)中的圖形顯示。

數(shù)控切割機(jī)在切割加工過程中，需要用戶將加工零件以NC代碼（數(shù)控代碼）的形式輸入數(shù)控切割機(jī)[1]，數(shù)控切割機(jī)讀取NC代碼的數(shù)據(jù)信息控制切割頭進(jìn)行加工。但由于零件的復(fù)雜性、輸入過程中的差錯等可能導(dǎo)致需求與實(shí)際切割效果的差異。為解決該問題，可以在數(shù)控切割機(jī)的軟件系統(tǒng)中添加加工零件的圖形顯示功能[2]。當(dāng)用戶將NC代碼輸入數(shù)控切割機(jī)后，利用圖形顯示功能可以將加工的零件的圖形顯示出來，保證了零件加工的有效性，減少了加工零件的廢品率，提高了生產(chǎn)效率。

1 數(shù)控切割機(jī)的硬件平臺

在現(xiàn)階段，數(shù)控系統(tǒng)有多種不同的形式，在本項(xiàng)目中選用PC104工控板作為整個系統(tǒng)硬件平臺。該工控板具有以下優(yōu)點(diǎn)[3]：

(1)PC104具備小尺寸(96mm×90mm)優(yōu)勢，便于系統(tǒng)的集成。

(2)采用多重疊壓式結(jié)構(gòu)，在工業(yè)現(xiàn)場具有很好的抗震性能。

(3)豐富的硬件和軟件資源，便于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的需要。

(4)PC104應(yīng)用極為廣泛，各大專業(yè)廠商的支持力度大，為系統(tǒng)的開發(fā)提供了便利條件。

2 數(shù)控切割機(jī)的軟件開發(fā)工具

在數(shù)控切割機(jī)軟件開發(fā)中使用MS-DOS作為系統(tǒng)環(huán)境，進(jìn)行系統(tǒng)軟件的開發(fā)。同時為克服DOS環(huán)境下的限制問題，使用DJGPP軟件工具進(jìn)行軟件開發(fā)[4]。DJGPP是一個開源的應(yīng)用軟件，是由DJ Delorie發(fā)起和編寫的。該軟件是全開源的軟件，任何需要的用戶都可以通過網(wǎng)絡(luò)得到軟件的源代碼，并進(jìn)行修改使用，沒有任何費(fèi)用負(fù)擔(dān)。該系統(tǒng)的使用環(huán)境與Turbo C的使用環(huán)境基本一致，對于使用C語言進(jìn)行程序開發(fā)的人員，可以很容易的安裝使用。

3 軟件結(jié)構(gòu)分析

3.1 軟件總體結(jié)構(gòu)

數(shù)控切割機(jī)進(jìn)行零件的顯示實(shí)現(xiàn)過程中，首先需要將各個節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息依次讀出進(jìn)行處理[5]。針對于不同的加工零件，需要根據(jù)顯示屏和加工零件尺寸進(jìn)行計(jì)算，確定顯示區(qū)域大小與零件大小的關(guān)系，確定相互比例和轉(zhuǎn)換坐標(biāo)，經(jīng)過轉(zhuǎn)換后才能實(shí)現(xiàn)顯示。由于數(shù)控代碼是根據(jù)直線和圓弧進(jìn)行圖像擬合的，圖形顯示實(shí)質(zhì)就是利用直線和圓弧繪制工具進(jìn)行繪圖的過程。另外在部分?jǐn)?shù)控切割機(jī)中，可能使用子程序調(diào)用和程序轉(zhuǎn)移指令，在顯示程序中必須對該類復(fù)合指令進(jìn)行處理。結(jié)合以上情況，使用模塊式結(jié)構(gòu)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 軟件結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Software structure diagram

3.2 各軟件模塊功能

(1)顯示預(yù)處理模塊。這一模塊為圖形顯示設(shè)定初始化條件，規(guī)定顯示的區(qū)域和范圍。通過對加工零件數(shù)控代碼的極值檢索，計(jì)算出加工零件的區(qū)域范圍，通過比較顯示區(qū)域和加工零件區(qū)域，計(jì)算出顯示比例。同時根據(jù)顯示器和數(shù)控代碼坐標(biāo)系的差異推導(dǎo)出兩者的轉(zhuǎn)換坐標(biāo)[6]。

(2)直線顯示模塊。這一模塊實(shí)現(xiàn)直線軌跡顯示。通過數(shù)據(jù)分析，調(diào)用直線繪制函數(shù)line()，繪制出G00和G01的運(yùn)行軌跡。

(3)圓弧顯示模塊。這一模塊實(shí)現(xiàn)圓弧軌跡顯示。通過數(shù)據(jù)提取和處理，然后調(diào)用圓弧繪制函數(shù)arc()和circle()，分別繪制出不同的圓弧運(yùn)行軌跡。

(4)回參指令顯示模塊。該模塊完成數(shù)控代碼中回參指令G26/G27/G28的軌跡顯示。分別繪制出3種不同的回參軌跡。

(5)復(fù)合指令顯示模塊。該模塊完成數(shù)控代碼中復(fù)合指令的軌跡顯示。其中G98和G99一起實(shí)現(xiàn)子程序的軌跡顯示；G22和G80一起實(shí)現(xiàn)循環(huán)程序的軌跡顯示。

4 加工零件的極值檢索

為保證將加工零件的圖形合理的顯示在顯示屏上，需要首先對該零件的NC代碼進(jìn)行極值檢索（由于切割機(jī)系統(tǒng)為一個二維系統(tǒng)，實(shí)質(zhì)為X方向和Y方向的極值檢索），進(jìn)而確定顯示比例[7]。由于NC代碼的相關(guān)信息已經(jīng)提取到鏈表的節(jié)點(diǎn)中，極值的檢索實(shí)際就是對各個節(jié)點(diǎn)涉及的數(shù)據(jù)檢索。為此在軟件設(shè)計(jì)中，定義了一個maxxy[i]數(shù)組。其中：

圖 2 圓弧極值檢索方法Fig.2 Arc extremum retrieval method

(1)maxxy[0]存放水平方向(X方向)的正向最大值；

(2)maxxy[2]存放水平方向(X方向)的負(fù)向最大值；

(3)maxxy[1]存放垂直方向(Y方向)的正向最大值；

(4)maxxy[3]存放垂直方向(Y方向)的負(fù)向最大值。

經(jīng)過極值的檢索后，切割軌跡在水平方向的范圍為：maxxy[2]-maxxy[0]；在垂直方向的范圍為：maxxy[3]-maxxy[1]。

在數(shù)控切割機(jī)中，切割路徑都采用直線和圓弧進(jìn)行擬合，所以加工軌跡的極限值檢索就是對直線切割代碼和圓弧切割代碼的極限值檢索。

4.1 直線的極值檢索

具體實(shí)現(xiàn)方法是：先判斷采用的坐標(biāo)表示類型（絕對坐標(biāo)/相對坐標(biāo)），分別進(jìn)入兩種不同處理通道，得到終點(diǎn)坐標(biāo)的數(shù)據(jù)，最后與已有的極限坐標(biāo)值進(jìn)行比較，得到當(dāng)前的極值坐標(biāo)。

4.2 圓弧的極值檢索

具體實(shí)現(xiàn)方法是：先讀入逆時針圓弧切割的參數(shù)信息，首先看起點(diǎn)是否出現(xiàn)極值，其次以圓心為坐標(biāo)原點(diǎn)建立一個二維坐標(biāo)系；然后分別計(jì)算出起點(diǎn)和終點(diǎn)在該坐標(biāo)下的象限位置；最后圍繞圓心O，以起點(diǎn)開始逆時針旋轉(zhuǎn)，直到與終點(diǎn)處于同一象限，在旋轉(zhuǎn)過程中，判斷經(jīng)過的象限情況，分析出極限值出現(xiàn)的位置，最終得到逆時針圓弧上的極限值。程序流程如圖2所示。

5 顯示比例和轉(zhuǎn)換坐標(biāo)的確定

顯示器坐標(biāo)系與數(shù)控代碼坐標(biāo)系如圖3所示，通過對顯示器的坐標(biāo)系和數(shù)控代碼表示的圖形坐標(biāo)系的分析可知，在顯示器上顯示時，不能使用負(fù)值的坐標(biāo)，且Y軸的遞增方向應(yīng)該從上向下，所以需要使用一個轉(zhuǎn)換坐標(biāo)進(jìn)行數(shù)控代碼坐標(biāo)的變換。具體實(shí)現(xiàn)方法是：在X方向，需要向正向平移一個反向極值；在Y方向，由于在顯示和數(shù)控代碼的表示上，變化方向是反向的，所以需要先進(jìn)行鏡像變換，再進(jìn)行正向平移。具體變換關(guān)系如下：

圖3 顯示器的坐標(biāo)和數(shù)控代碼表示的圖形坐標(biāo)示意圖Fig.3 Schematic diagram of the coordinates of the display and the graphic coordinates represented by the NC code

其中：K1為X方向顯示比例調(diào)節(jié)系數(shù)；K2為Y方向顯示比例調(diào)節(jié)系數(shù)。

6 圖形顯示

由于零件的數(shù)控代碼是根據(jù)直線和圓弧進(jìn)行圖像擬合的，圖形顯示實(shí)質(zhì)就是利用直線和圓弧繪制工具進(jìn)行繪圖的過程。

6.1 直線顯示

先讀入該鏈表節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，判斷讀入坐標(biāo)是相對或絕對坐標(biāo)格式，通過參數(shù)計(jì)算得到直線起點(diǎn)和終點(diǎn)的坐標(biāo)；其次根據(jù)初始化中得到的轉(zhuǎn)換坐標(biāo)，進(jìn)行起點(diǎn)和終點(diǎn)的坐標(biāo)變換；最后通過區(qū)分G00和G01的差異，調(diào)用直線繪制函數(shù)line()，分別繪制出G00和G01的運(yùn)行軌跡。

6.2 圓弧顯示

在數(shù)控零件的加工過程中，圓弧運(yùn)行包含G02(順時針圓弧切割運(yùn)行)和G03(逆時針圓弧切割運(yùn)行)兩類代碼，以及圓心和半徑兩種表示形式。由于在標(biāo)準(zhǔn)C語言中圓弧函數(shù)arc()使用的是圓心、弧度和半徑作為接口參數(shù)，為簡化程序處理過程需要將不同的形式統(tǒng)一為逆向畫圓弧。

7 結(jié)語

經(jīng)過對顯示實(shí)現(xiàn)方法的分析、完成了相關(guān)程序設(shè)計(jì)與調(diào)試，并將設(shè)計(jì)的顯示軟件模塊嵌入工程樣機(jī)中，檢驗(yàn)了軟件的可靠性和穩(wěn)定性。具體運(yùn)行狀態(tài)如圖4所示。

圖4 數(shù)控切割機(jī)圖形顯示圖Fig.4 Graphical display of CNC cutting machine

引用

[1] 甘明,袁正萍,陳小亮.數(shù)控切割機(jī)系統(tǒng)加工代碼圖形庫的開發(fā)[J].制造技術(shù)與機(jī)床,2010(2):85-87.

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[3] 周海力,朱達(dá)書,劉沖,等.基于PC104結(jié)構(gòu)的龍芯1A嵌入式控制模塊設(shè)計(jì)[J].測控技術(shù),2017,36(10):98-101+121.

[4] 高強(qiáng)業(yè),王憲平,李圣怡,等.保護(hù)模式軟件開發(fā)環(huán)境DJGPP在實(shí)時高速數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2003(11):42-44.

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[7] 張小林.嵌入式計(jì)算機(jī)PC-104在飛行控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī),2003,20(4):26-27+31.