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三（sān）軸數控銑床半實物仿真實驗係統（tǒng）設計

2016-1-22 來源：哈爾（ěr）濱工程大學工程（chéng）訓（xùn）練中心電工程（chéng）學院作者：朱曉明李欣李霞

摘要: 為了充分發揮四軸（zhóu）運動控製（zhì）開發（fā）平台的功能潛力，以其為研究對象，開發了（le）三軸數控銑床半實物仿真實驗係（xì）統（tǒng）。該係統通過庫函數將軟件功能與硬件（jiàn）控製相結合，實現了通過軟件（jiàn）來控製硬件的（de）控製方式。基（jī）於 OpenGL 圖形（xíng）庫和內置定（dìng）時器實現了路徑仿真和加工仿真功能。該係統既可進行單機路（lù）徑仿真，也可聯機控製（zhì）電機運行及實際路徑仿真，以適應不同的實（shí）驗場合。經過測（cè）試，證明該（gāi）半實（shí）物（wù）仿真實驗係統能有效挖掘實驗設備的潛在功能（néng），有助於培養學生對數控係統的設計能（néng）力。

關鍵詞: 數控係統（tǒng）; 四軸開發（fā）平台; 半實物仿真

0 前言（yán）

運（yùn）動（dòng）控製係統設計是機電類（lèi）及相關專業本科學生的一門重要的實踐創新課程。該課程以機電自動（dòng）化實用控製技術（shù）和運動控製技術為核心內容，在相關實驗平（píng）台（tái）上，通過實時操作為學生提供綜合創新（xīn）、實踐訓練機會，以提高學生的（de）工程意識，培養學生的專業能力、工程實踐能力和創新（xīn）能力（lì）。

在眾多的（de）相（xiàng）關實驗設備中，四軸運動控製開發平台具有（yǒu）很強（qiáng）的代表性。它是許多機（jī）電一體化係統的微縮模型，它采用（yòng）開放式結構設計，對於運動控製（zhì）和機電一體化係（xì）統的教學和科研具（jù）有普遍意義。然而，在一些運動控製係統設計中，由於設備實驗麵板上隻有4 個電機軸（zhóu）轉（zhuǎn）動，無法通過 4 個軸的運行查看控製對象 (比如數控機床的加工刀具) 軌跡（jì）運動的（de）空間效果。因（yīn）此，為了充分發揮四軸運動控製開發平台的功能潛力，結合（hé） TＲIZ 係統理論中的分割原（yuán）則，提（tí）出了（le）在四軸平台上開發三（sān）軸（zhóu）數控銑床的仿真實驗係（xì）統，充分利用電機（jī）編碼器的反饋信息設（shè）計虛擬刀具，完成一個半實物仿真數控係統的設計與開發，使學生在實驗中了解數（shù）控係統的運行過程與設（shè）計方法，這樣（yàng）培養了學生的實（shí）踐能力。

1 實驗係統組成

整個實（shí）驗係統的組成分為兩大部分: 實驗設備機械本體與硬件控製平台。機械本體（tǐ）如圖 1 所示。機械本體包括 4 個控製軸的測試（shì）轉盤、電機（jī）及其驅動器（qì）。麵板上（shàng） 4 個轉盤周圍標有刻度，通過轉盤可以（yǐ）觀察電機的轉動角度（dù）。4 個（gè）電機包括兩個步進電機和兩個交流伺服電機。同時麵板下麵為每個軸配備（bèi）了伺服報警、正負限位、原（yuán）點觸發按鈕，用於完（wán）成對應的運動控製測試功能（néng）。麵板下方還安裝了 16 個 LED燈，用於完成係統的輸出功能設計。LED 燈下方安（ān）裝了 16 個輸入開關，用（yòng）於完成係統的輸入功能（néng）設計。

圖 1 實驗設備機械本體

硬件控製平台采用模塊化結構，使（shǐ）用了上下位機結構。上位機使用（yòng）通用計算機，用（yòng）於設計人機（jī）界麵等非實（shí）時（shí）功能。下位機采用深圳固高公司的運動控製器(型號 GT400- SV)，利用 PCI 總線與計算機連接（jiē），完（wán）成路徑規劃、軌（guǐ）跡控製等實時功能。運動控製器通過端子板與實驗設備連（lián）接。

2 實驗（yàn）係統功能分析和訓練目標

文中（zhōng）所提出的三軸（zhóu）數控銑床實驗仿（fǎng）真係統，是一種半實物仿真係統，主要是利用實驗設備已有的可控電機完成實際的運動軌跡控（kòng）製，同時利（lì）用庫函數取得電機編碼器脈衝（chōng）值，並通過參（cān）數（shù）轉換變為移動坐標值，導入到計算機中的虛擬（nǐ）三維環境（jìng），形成虛擬刀具的運動軌跡，從而完成同步軌跡仿真。同時，利用路徑仿真信息完成加工效果仿真，驗證加工結果的正確性。通過這種設計模式，既可以充分利用設備的控製功能，又可以利用虛擬設計彌補其缺乏控製對（duì）象(刀具) 的缺點（diǎn），對設備是一種有（yǒu）效的（de）功能擴展，發（fā）揮了其潛能。根據數控係統的功能特點（diǎn），主要功能設計包（bāo）括讀（dú）取數控 G 代碼、譯碼、電機（jī）控製、位置反饋與路徑仿真、加工結果仿真等。

根據實驗教學要求（qiú），係統（tǒng）的訓練目標（biāo）主要包括:(1) 功能設（shè）計，包括多軸 (3 軸) 多段連續軌跡的位置控製、位置監控設（shè）計、數（shù）控加工（gōng） G 代（dài）碼的譯碼設計。(2) 編（biān）程設計，包括基於（yú） VC ++ 環境下三維建模設計、動（dòng）態路徑仿真設計、定時器設計、字符串string 類使用、C ++ 下大規模數組的使用菜單欄工具欄設計（jì）。

3 係統軟（ruǎn）件功能（néng）設計

3. 1 開發環境

開發所使用的操作係統平台為微軟公司的 Win-dows2000Pro 版，開發平（píng）台為微軟公司的 VC + + 6. 0軟件開發環（huán）境。同時，控製器廠商固高公司還給用戶提供了配套的運動控製器（qì）庫函數。用戶可通過調用庫函數，給運動控製器發送控（kòng）製命令。而（ér）運動控製器通（tōng）過相應的控製策略，將控製指令轉換為（wéi）控製信號，通過驅動器的（de）放大，控製電機轉動，最終完成相應的軌跡控製任務。通過不同庫函數的組合設計，用戶可以完成特定功能的設計，進行係統定製。

3. 2 譯碼功能設計

為了減少學習難度，譯碼模塊隻識別直線控（kòng）製指令及其控製參數，即 x、y、z 坐標。為了增（zēng）加趣味性，數控係統的加工 G 代碼生成，沒有采用（yòng）專業的Pro/E、UG 軟件，而是采用了藝術（shù）造型軟件 ArtCAM，可輕鬆生（shēng）成漂亮有趣的（de）三維（wéi）圖形加工 G 代碼（mǎ）。譯碼模塊的流程如圖 2 所（suǒ）示。通過該流程處理，可以將數控（kòng） G 代碼中的控製信息（xī）存（cún）入控製指令數組，以便轉為控製指令庫函數。通過譯碼模塊，可將多段 G 代碼文（wén）件（jiàn）轉為相同指令容量的字符指令數組（zǔ），作為控製指令（lìng）生成的數據源。

3. 3 電機軌（guǐ）跡控製與位置反饋（kuì）設計

對於固高運動控製器的軌跡控製方式，分為單段（duàn）軌跡（jì）與多段連續軌跡兩種控製方式。由於（yú）三軸數控銑床的加工代碼包括成百上千段指令，因此屬於多段連續軌跡控製。運（yùn）動（dòng）控製器的多段軌跡控（kòng）製原理是在控製器上設計了一個 8 KB 的環形隊列緩衝區，用（yòng）戶將部分控製指令先存入緩衝區（qū），並執行這些（xiē）緩衝區指令，既提高了通訊效（xiào）率，又（yòu）提高了運行特性。

控製器（qì）對緩衝區中運（yùn）動命令的（de）具體處（chù）理機製如下: 用戶首先不（bú）斷向緩衝區發送運動命（mìng）令，直（zhí）到緩衝區滿。緩衝區滿時，運動控製器拒絕接收（shōu）用戶輸入的命令，並返回緩衝區滿（mǎn）的信息。此時啟動緩衝區的（de）命令隊列，隨（suí）著命（mìng）令的（de）執行（háng），緩衝區會有（yǒu）新的空間釋放出來（lái），用戶可以繼續發送更多的命令。直到所有指令都存入緩衝區 (不是所有（yǒu）指令都執行完)，就可以關閉緩衝區，完成緩衝區指令（lìng）模式。對於（yú）三軸數控係統，存入緩衝區的控製指令（lìng）主要使用固高（gāo）的三坐標運動控（kòng）製庫函數: GT _ LnXYZ ( double x，double y，double z)。其中 (x，y，z) 值是（shì）刀具從當前點以直（zhí）線插補的方（fāng）式（shì）運（yùn）動的目標點。至於具體的插補（bǔ）算法和控製指令發（fā）送，則由運動控製器自動完成，使（shǐ）用戶可以把主要精力放到係統（tǒng）功能設計。

位置反饋功能的設計主要有兩個作用: (1) 使用戶通過虛（xū）擬儀表了（le）解當前刀具的位置; (2) 在聯機路（lù）徑仿真時確（què）定虛擬刀具的空間位置。

位置反饋主（zhǔ）要使用了功能庫函數: GT_GetAtlPos(long＆ pos)。其中長整數指針類型（xíng）自變（biàn）量 pos 存儲了從脈衝編碼器返回的當（dāng）前軸的脈衝形式位（wèi）置。而在（zài）虛擬環境中用戶的坐（zuò）標單位為 mm，因此需要進行係數轉換。由於（yú）設備麵（miàn）板上軸 1 和軸 2 的編碼器分辨率為4 000，軸 3 的編碼器分辨率為 10 000，設虛擬環境下的滾珠絲杠的螺距為 5 mm，則由位置的脈衝量到用戶坐標單位的（de）轉換係數為:

(1) 1 和 2 軸 4 000/5 =800，(2) 3 軸10 000/5 =2 000。也就是說從編碼器（qì）反饋的脈衝值分別除以上述換算係數（shù）可以轉換為虛（xū）擬環境下的用戶（hù）坐標值。

3. 4 路徑仿真設（shè）計

路徑仿真可使用戶在三維環境下（xià）由虛擬刀具的軌跡查看控製效果（guǒ），實驗效果直觀。該係統（tǒng）的路徑（jìng）仿真設計了兩種模式: 聯（lián）機仿真與單機仿真。聯機仿真時控（kòng）製係統（tǒng）與（yǔ）四軸運動控製開發平台連接，直接控製電機運動，並通過編碼器的（de）反饋，顯示為虛擬刀具的（de）空間位置，保持與（yǔ）實際電（diàn）機同步運行。單（dān）機仿真則是控製係統運行在單台計（jì）算（suàn）機上（shàng）、通（tōng）過定時器周期性更新每段指令的刀具終點位置。下麵主要介紹聯機路徑仿真設計。

路徑仿真主要采（cǎi）用 VC ++ 6. 0 內置的 OpenGL 圖形庫完成（chéng）路徑的動態繪製。主要分（fèn）為環境設置（zhì）、位置采集與已（yǐ）有路徑繪製。

在 VC ++6. 0 中進行三維路（lù）徑繪製之前需要（yào）複（fù）雜的環境設置，主要包括創建設備描述表和（hé）像素格式描述表以及環境參數設置。像素格式明確了 OpenGL 繪製平麵的特性，如象素緩衝區是單緩衝還是雙緩衝，數據是ＲGBA 方式還是（shì） Color Index 方（fāng）式等。每個OpenGL 顯示設備一般用名為PIXELFOＲMATDE-SCＲIPTOＲ的結構來表示（shì）像素格式（shì），這個結構包含 26個（gè）屬性信息。環境（jìng）參數（shù）設（shè）置則主要包括光源的個數、性質、陰影模式、深度緩存、顏色混合模式、線寬、清屏顏色、多邊形（xíng）顯示方式。這些參數的設（shè）置需要逐個測（cè）試才能（néng）獲得較好的顯示效果。

位置采集是實現虛擬（nǐ）刀具與實際電機同步的關鍵環節，需保證采集數據的實時性與準確性。其中準確性主要是利用前述庫函數 GT_GetAtlPos(long＆ pos)與單位換算來實現。而（ér）實時性則主要是采用了短時間間隔的內置定時器來（lái）完成。通過定時器的（de）消息處理函（hán）數OnTimer 每一次觸發，實現了電機脈衝數據采集、單位換（huàn）算、三維坐（zuò）標存入路徑點數組。定時器（qì）中的另一個重要設計是更（gèng）新畫麵，利用（yòng）函數 InvalidateＲect(NULL，false)失效當前客戶端界麵（miàn），從而導致重新繪製最新路徑。在開始聯機仿真（zhēn）時通過（guò） SetTimer (1，10，NULL) 啟動（dòng）定時器，定時器的調用周期為 10ms，保證了（le）虛擬刀具軌跡仿真過程的流暢性。

仿真中路（lù）徑繪製的設（shè）計方法（fǎ）是將每次（cì）采（cǎi）集（jí）的三維（wéi）電機位置存（cún）入（rù）路徑點數組，然後將數組中所（suǒ）有點依次用（yòng）直線連接，形成（chéng）一條首尾相連的加工路徑，最後將窗口背景進行顏色清除，重新繪（huì）製整條路（lù）徑並進行雙緩衝（chōng）區顯示。隨著路徑（jìng）不斷更新，就會產生（shēng）路徑的動態同步效果。為了實現畫麵更新不閃爍，采用了雙緩衝技術，通過 OpenGL 的圖形功能函數 SwapBuffers(wglGetCurrentDC())，在視圖類的 OnDraw(CDC*pDC)函數中實現。

整個係統中最為重要的路徑顯示設計采用了OpenGL 裏麵的空間繪圖函（hán）數，其關鍵實現代碼如下（xià）:glBegin(GL_LINE_STＲIP);for (int i = 0 ;i ＜ m_atlPt. size();i ++ ){tp = m_atlPt［i］ ;glVertex3d(tp. x，tp. y，tp. z);}glEnd();)其中模式參數（shù） GL_LINE_STＲIP 的作用是將所有的空間點（diǎn）依次連（lián）成一條折（shé）線。

4 聯機（jī）控製測試

為了測試三軸數控銑床的控製係統譯碼、位置控製及軌（guǐ）跡顯示的（de）穩定性以（yǐ）及準確性，將其與四軸運動控製平台進行（háng）聯（lián）機（jī）測試。其中加工 G 代碼生成采用英國 Deltau 公司（sī）的 ArtCAM 2008 軟件。它是複雜立體三（sān）維（wéi）浮雕（diāo）設（shè）計、珠寶、裝飾設計和加工的首選 CAD/CAM 軟件解（jiě）決（jué）方案，可快速將（jiāng）二（èr）維圖形轉換成三維藝術產品。此次測試利用一個二維蜥蜴圖片生成三維空間（jiān）立體圖形，然後後置生成（chéng）三維加工 G 代碼。在測試之前，需要對其進行處理，隻保留（liú） G00，G01 指令（lìng）代碼，經檢測（cè），最後生成 G 代碼 38 644 行，加工範圍 70 mm × 120 mm × 5 mm。所設計的虛擬毛坯尺寸（cùn）為 150 mm ×150 mm ×10 mm，采用直徑 1. 5 mm 球頭刀。經（jīng）過聯機電機控製後（hòu），生成的聯機加工路徑仿真圖如圖 3 所示。刀具加工軌跡（jì）與虛擬毛坯求交後形成的加工效果仿真圖如圖 4 所示（shì）。對比兩圖可知，者保持了一致性，證明該係統設計合理，運行穩定可（kě）靠。

5 結（jié）論

實驗設（shè）備是實踐（jiàn）教學課程（chéng）中的重要載體，其利用和開發的程度將直接影響（xiǎng）著（zhe）教學（xué）效果。隨著各種先進教學模式的不斷（duàn）產生，各（gè）種開放式的實驗（yàn）設備走進了課堂。如何對（duì）其進行有效開發和融入實（shí）踐教學成為一個重要的課題。文中介紹的（de）基於（yú）開放結構的四軸運動控製開發平台就屬於此類設備。開發者可利用該開放（fàng）式結構（gòu），設計（jì）功能任意的運動控製係統。由於該設備的實驗麵板隻有 4 個電機作為控製對象，無執行機構 (如滾珠絲杠和加工刀具)。因（yīn）此用戶無法直接觀察（chá）執行機構三維空間的軌跡控（kòng）製效果(如刀具的運動軌跡)。基於這種不足，設計了三軸數控銑床實驗係統，通過在三維（wéi）環境（jìng）下的虛擬執行機構，可直接查（chá）看（kàn）三維空間執行結構的軌跡控製效果，解決了該問題，最大限度地發揮了實驗設備的潛力。根據這種設計思想，可以基於該實驗設備，設（shè）計更多的實驗（yàn）控製係統，實現多種場合的運動控製係統功能，充分挖掘其（qí）功能，並給學生更多的學習與鍛煉機會。

參（cān）考文獻（xiàn）：略

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