三軸數(shù)控銑床半實物仿真實驗系統(tǒng)設(shè)計
2016-1-22 來源：哈爾濱工程大學(xué)工程訓(xùn)練中心 電工程學(xué)院 作者：朱曉明 李欣 李霞
摘要: 為了充分發(fā)揮四軸運動控制開發(fā)平臺的功能潛力，以其為研究對象，開發(fā)了三軸數(shù)控銑床半實物仿真實驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過庫函數(shù)將軟件功能與硬件控制相結(jié)合，實現(xiàn)了通過軟件來控制硬件的控制方式。基于 OpenGL 圖形庫和內(nèi)置定時器實現(xiàn)了路徑仿真和加工仿真功能。該系統(tǒng)既可進行單機路徑仿真，也可聯(lián)機控制電機運行及實際路徑仿真，以適應(yīng)不同的實驗場合。經(jīng)過測試，證明該半實物仿真實驗系統(tǒng)能有效挖掘?qū)嶒炘O(shè)備的潛在功能，有助于培養(yǎng)學(xué)生對數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計能力。
關(guān)鍵詞: 數(shù)控系統(tǒng); 四軸開發(fā)平臺; 半實物仿真
0 前言
運動控制系統(tǒng)設(shè)計是機電類及相關(guān)專業(yè)本科學(xué)生的一門重要的實踐創(chuàng)新課程。該課程以機電自動化實用控制技術(shù)和運動控制技術(shù)為核心內(nèi)容，在相關(guān)實驗平臺上，通過實時操作為學(xué)生提供綜合創(chuàng)新、實踐訓(xùn)練機會，以提高學(xué)生的工程意識，培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)能力、工程實踐能力和創(chuàng)新能力。
在眾多的相關(guān)實驗設(shè)備中，四軸運動控制開發(fā)平臺具有很強的代表性。它是許多機電一體化系統(tǒng)的微縮模型，它采用開放式結(jié)構(gòu)設(shè)計，對于運動控制和機電一體化系統(tǒng)的教學(xué)和科研具有普遍意義。然而，在一些運動控制系統(tǒng)設(shè)計中，由于設(shè)備實驗面板上只有4 個電機軸轉(zhuǎn)動，無法通過 4 個軸的運行查看控制對象 (比如數(shù)控機床的加工刀具) 軌跡運動的空間效果。因此，為了充分發(fā)揮四軸運動控制開發(fā)平臺的功能潛力，結(jié)合 TＲIZ 系統(tǒng)理論中的分割原則，提出了在四軸平臺上開發(fā)三軸數(shù)控銑床的仿真實驗系統(tǒng)，充分利用電機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(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)，使學(xué)生在實驗中了解數(shù)控系統(tǒng)的運行過程與設(shè)計方法，這樣培養(yǎng)了學(xué)生的實踐能力。
1 實驗系統(tǒng)組成
整個實驗系統(tǒng)的組成分為兩大部分: 實驗設(shè)備機械本體與硬件控制平臺。機械本體如圖 1 所示。機械本體包括 4 個控制軸的測試轉(zhuǎn)盤、電機及其驅(qū)動器。面板上 4 個轉(zhuǎn)盤周圍標(biāo)有刻度，通過轉(zhuǎn)盤可以觀察電機的轉(zhuǎn)動角度。4 個電機包括兩個步進電機和兩個交流伺服電機。同時面板下面為每個軸配備了伺服報警、正負限位、原點觸發(fā)按鈕，用于完成對應(yīng)的運動控制測試功能。面板下方還安裝了 16 個 LED燈，用于完成系統(tǒng)的輸出功能設(shè)計。LED 燈下方安裝了 16 個輸入開關(guān)，用于完成系統(tǒng)的輸入功能設(shè)計。
圖 1 實驗設(shè)備機械本體
硬件控制平臺采用模塊化結(jié)構(gòu)，使用了上下位機結(jié)構(gòu)。上位機使用通用計算機，用于設(shè)計人機界面等非實時功能。下位機采用深圳固高公司的運動控制器(型號 GT400- SV)，利用 PCI 總線與計算機連接，完成路徑規(guī)劃、軌跡控制等實時功能。運動控制器通過端子板與實驗設(shè)備連接。
2 實驗系統(tǒng)功能分析和訓(xùn)練目標(biāo)
文中所提出的三軸數(shù)控銑床實驗仿真系統(tǒng)，是一種半實物仿真系統(tǒng)，主要是利用實驗設(shè)備已有的可控電機完成實際的運動軌跡控制，同時利用庫函數(shù)取得電機編碼器脈沖值，并通過參數(shù)轉(zhuǎn)換變?yōu)橐苿幼鴺?biāo)值，導(dǎo)入到計算機中的虛擬三維環(huán)境，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(jié)果的正確性。通過這種設(shè)計模式，既可以充分利用設(shè)備的控制功能，又可以利用虛擬設(shè)計彌補其缺乏控制對象(刀具) 的缺點，對設(shè)備是一種有效的功能擴展，發(fā)揮了其潛能。根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的功能特點，主要功能設(shè)計包括讀取數(shù)控 G 代碼、譯碼、電機控制、位置反饋與路徑仿真、加工結(jié)果仿真等。
根據(jù)實驗教學(xué)要求，系統(tǒng)的訓(xùn)練目標(biāo)主要包括:(1) 功能設(shè)計，包括多軸 (3 軸) 多段連續(xù)軌跡的位置控制、位置監(jiān)控設(shè)計、數(shù)控加工 G 代碼的譯碼設(shè)計。(2) 編程設(shè)計，包括基于 VC ++ 環(huán)境下三維建模設(shè)計、動態(tài)路徑仿真設(shè)計、定時器設(shè)計、字符串string 類使用、C ++ 下大規(guī)模數(shù)組的使用菜單欄工具欄設(shè)計。
3 系統(tǒng)軟件功能設(shè)計
3. 1 開發(fā)環(huán)境
開發(fā)所使用的操作系統(tǒng)平臺為微軟公司的 Win-dows2000Pro 版，開發(fā)平臺為微軟公司的 VC + + 6. 0軟件開發(fā)環(huán)境。同時，控制器廠商固高公司還給用戶提供了配套的運動控制器庫函數(shù)。用戶可通過調(diào)用庫函數(shù)，給運動控制器發(fā)送控制命令。而運動控制器通過相應(yīng)的控制策略，將控制指令轉(zhuǎn)換為控制信號，通過驅(qū)動器的放大，控制電機轉(zhuǎn)動，最終完成相應(yīng)的軌跡控制任務(wù)。通過不同庫函數(shù)的組合設(shè)計，用戶可以完成特定功能的設(shè)計，進行系統(tǒng)定制。
3. 2 譯碼功能設(shè)計
為了減少學(xué)習(xí)難度，譯碼模塊只識別直線控制指令及其控制參數(shù)，即 x、y、z 坐標(biāo)。為了增加趣味性，數(shù)控系統(tǒng)的加工 G 代碼生成，沒有采用專業(yè)的Pro/E、UG 軟件，而是采用了藝術(shù)造型軟件 ArtCAM，可輕松生成漂亮有趣的三維圖形加工 G 代碼。譯碼模塊的流程如圖 2 所示。通過該流程處理，可以將數(shù)控 G 代碼中的控制信息存入控制指令數(shù)組，以便轉(zhuǎn)為控制指令庫函數(shù)。通過譯碼模塊，可將多段 G 代碼文件轉(zhuǎn)為相同指令容量的字符指令數(shù)組，作為控制指令生成的數(shù)據(jù)源。
3. 3 電機軌跡控制與位置反饋設(shè)計
對于固高運動控制器的軌跡控制方式，分為單段軌跡與多段連續(xù)軌跡兩種控制方式。由于三軸數(shù)控銑床的加工代碼包括成百上千段指令，因此屬于多段連續(xù)軌跡控制。運動控制器的多段軌跡控制原理是在控制器上設(shè)計了一個 8 KB 的環(huán)形隊列緩沖區(qū)，用戶將部分控制指令先存入緩沖區(qū)，并執(zhí)行這些緩沖區(qū)指令，既提高了通訊效率，又提高了運行特性。
控制器對緩沖區(qū)中運動命令的具體處理機制如下: 用戶首先不斷向緩沖區(qū)發(fā)送運動命令，直到緩沖區(qū)滿。緩沖區(qū)滿時，運動控制器拒絕接收用戶輸入的命令，并返回緩沖區(qū)滿的信息。此時啟動緩沖區(qū)的命令隊列，隨著命令的執(zhí)行，緩沖區(qū)會有新的空間釋放出來，用戶可以繼續(xù)發(fā)送更多的命令。直到所有指令都存入緩沖區(qū) (不是所有指令都執(zhí)行完)，就可以關(guān)閉緩沖區(qū)，完成緩沖區(qū)指令模式。對于三軸數(shù)控系統(tǒng)，存入緩沖區(qū)的控制指令主要使用固高的三坐標(biāo)運動控 制 庫 函 數(shù): GT _ LnXYZ ( double x，double y，double z)。其中 (x，y，z) 值是刀具從當(dāng)前點以直線插補的方式運動的目標(biāo)點。至于具體的插補算法和控制指令發(fā)送，則由運動控制器自動完成，使用戶可以把主要精力放到系統(tǒng)功能設(shè)計。
位置反饋功能的設(shè)計主要有兩個作用: (1) 使用戶通過虛擬儀表了解當(dāng)前刀具的位置; (2) 在聯(lián)機路徑仿真時確定虛擬刀具的空間位置。
位置反饋主要使用了功能庫函數(shù): GT_GetAtlPos(long＆ pos)。其中長整數(shù)指針類型自變量 pos 存儲了從脈沖編碼器返回的當(dāng)前軸的脈沖形式位置。而在虛擬環(huán)境中用戶的坐標(biāo)單位為 mm，因此需要進行系數(shù)轉(zhuǎn)換。由于設(shè)備面板上軸 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(shè)虛擬環(huán)境下的滾珠絲杠的螺距為 5 mm，則由位置的脈沖量到用戶坐標(biāo)單位的轉(zhuǎn)換系數(shù)為:
(1) 1 和 2 軸 4 000/5 =800，(2) 3 軸10 000/5 =2 000。也就是說從編碼器反饋的脈沖值分別除以上述換算系數(shù)可以轉(zhuǎn)換為虛擬環(huán)境下的用戶坐標(biāo)值。
3. 4 路徑仿真設(shè)計
路徑仿真可使用戶在三維環(huán)境下由虛擬刀具的軌跡查看控制效果，實驗效果直觀。該系統(tǒng)的路徑仿真設(shè)計了兩種模式: 聯(lián)機仿真與單機仿真。聯(lián)機仿真時控制系統(tǒng)與四軸運動控制開發(fā)平臺連接，直接控制電機運動，并通過編碼器的反饋，顯示為虛擬刀具的空間位置，保持與實際電機同步運行。單機仿真則是控制系統(tǒng)運行在單臺計算機上、通過定時器周期性更新每段指令的刀具終點位置。下面主要介紹聯(lián)機路徑仿真設(shè)計。
路徑仿真主要采用 VC ++ 6. 0 內(nèi)置的 OpenGL 圖形庫完成路徑的動態(tài)繪制。主要分為環(huán)境設(shè)置、位置采集與已有路徑繪制。
在 VC ++6. 0 中進行三維路徑繪制之前需要復(fù)雜的環(huán)境設(shè)置，主要包括創(chuàng)建設(shè)備描述表和像素格式描述表以及環(huán)境參數(shù)設(shè)置。像素格式明確了 OpenGL 繪制平面的特性，如象素緩沖區(qū)是單緩沖還是雙緩沖，數(shù)據(jù)是 ＲGBA 方式還是 Color Index 方式等。每個OpenGL 顯示設(shè)備一般用名為PIXELFOＲMATDE-SCＲIPTOＲ的結(jié)構(gòu)來表示像素格式，這個結(jié)構(gòu)包含 26個屬性信息。環(huán)境參數(shù)設(shè)置則主要包括光源的個數(shù)、性質(zhì)、陰影模式、深度緩存、顏色混合模式、線寬、清屏顏色、多邊形顯示方式。這些參數(shù)的設(shè)置需要逐個測試才能獲得較好的顯示效果。
位置采集是實現(xiàn)虛擬刀具與實際電機同步的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，需保證采集數(shù)據(jù)的實時性與準確性。其中準確性主要是利用前述庫函數(shù) GT_GetAtlPos(long＆ pos)與單位換算來實現(xiàn)。而實時性則主要是采用了短時間間隔的內(nèi)置定時器來完成。通過定時器的消息處理函數(shù)OnTimer 每一次觸發(fā)，實現(xiàn)了電機脈沖數(shù)據(jù)采集、單位換算、三維坐標(biāo)存入路徑點數(shù)組。定時器中的另一個重要設(shè)計是更新畫面，利用函數(shù) InvalidateＲect(NULL，false)失效當(dāng)前客戶端界面，從而導(dǎo)致重新繪制最新路徑。在開始聯(lián)機仿真時通過 SetTimer (1，10，NULL) 啟動定時器，定時器的調(diào)用周期為 10ms，保證了虛擬刀具軌跡仿真過程的流暢性。
仿真中路徑繪制的設(shè)計方法是將每次采集的三維電機位置存入路徑點數(shù)組，然后將數(shù)組中所有點依次用直線連接，形成一條首尾相連的加工路徑，最后將窗口背景進行顏色清除，重新繪制整條路徑并進行雙緩沖區(qū)顯示。隨著路徑不斷更新，就會產(chǎn)生路徑的動態(tài)同步效果。為了實現(xiàn)畫面更新不閃爍，采用了雙緩沖技術(shù)，通過 OpenGL 的圖形功能函數(shù) SwapBuffers(wglGetCurrentDC())，在視圖類的 OnDraw(CDC*pDC)函數(shù)中實現(xiàn)。
整個系統(tǒng)中最為重要的路徑顯示設(shè)計采用了OpenGL 里面的空間繪圖函數(shù)，其關(guān)鍵實現(xiàn)代碼如下: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依次連成一條折線。
4 聯(lián)機控制測試
為了測試三軸數(shù)控銑床的控制系統(tǒng)譯碼、位置控制及軌跡顯示的穩(wěn)定性以及準確性，將其與四軸運動控制平臺進行聯(lián)機測試。其中加工 G 代碼生成采用英國 Deltau 公司的 ArtCAM 2008 軟件。它是復(fù)雜立體三維浮雕設(shè)計、珠寶、裝飾設(shè)計和加工的首選 CAD/CAM 軟件解決方案，可快速將二維圖形轉(zhuǎn)換成三維藝術(shù)產(chǎn)品。此次測試利用一個二維蜥蜴圖片生成三維空間立體圖形，然后后置生成三維加工 G 代碼。在測試之前，需要對其進行處理，只保留 G00，G01 指令代碼，經(jīng)檢測，最后生成 G 代碼 38 644 行，加工范圍 70 mm × 120 mm × 5 mm。所設(shè)計的虛擬毛坯尺寸為 150 mm ×150 mm ×10 mm，采用直徑 1. 5 mm 球頭刀。經(jīng)過聯(lián)機電機控制后，生成的聯(lián)機加工路徑仿真圖如圖 3 所示。刀具加工軌跡與虛擬毛坯求交后形成的加工效果仿真圖如圖 4 所示。對比兩圖可知，者保持了一致性，證明該系統(tǒng)設(shè)計合理，運行穩(wěn)定可靠。
5 結(jié)論
實驗設(shè)備是實踐教學(xué)課程中的重要載體，其利用和開發(fā)的程度將直接影響著教學(xué)效果。隨著各種先進教學(xué)模式的不斷產(chǎn)生，各種開放式的實驗設(shè)備走進了課堂。如何對其進行有效開發(fā)和融入實踐教學(xué)成為一個重要的課題。文中介紹的基于開放結(jié)構(gòu)的四軸運動控制開發(fā)平臺就屬于此類設(shè)備。開發(fā)者可利用該開放式結(jié)構(gòu)，設(shè)計功能任意的運動控制系統(tǒng)。由于該設(shè)備的實驗面板只有 4 個電機作為控制對象，無執(zhí)行機構(gòu) (如滾珠絲杠和加工刀具)。因此用戶無法直接觀察執(zhí)行機構(gòu)三維空間的軌跡控制效果(如刀具的運動軌跡)。基于這種不足，設(shè)計了三軸數(shù)控銑床實驗系統(tǒng)，通過在三維環(huán)境下的虛擬執(zhí)行機構(gòu)，可直接查看三維空間執(zhí)行結(jié)構(gòu)的軌跡控制效果，解決了該問題，最大限度地發(fā)揮了實驗設(shè)備的潛力。根據(jù)這種設(shè)計思想，可以基于該實驗設(shè)備，設(shè)計更多的實驗控制系統(tǒng)，實現(xiàn)多種場合的運動控制系統(tǒng)功能，充分挖掘其功能，并給學(xué)生更多的學(xué)習(xí)與鍛煉機會。
參考文獻：略
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