（通信与信息系统专业论文）基于dsp的数控铣床曲面插补控制.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 在现代社会中，传统的基于p c 的数控加工系统由于其自身的冗余以及不稳 定性再加上高成本使其已不能完全满足现代加工业的需要。基于嵌入式系统的 数控加工系统在很大程度上满足了工业加工的新要求。嵌入式系统是一种软、 硬件可裁减的系统，它可按照不同的加工需要定制不同的系统，这在很大程度 上增加了数控加工的灵活性。而且其体积小、重量轻便于安装，其稳定性较好， 适合应用于各种恶劣的加工环境。 插补算法是一个数据密化的过程，是数控加工的基础算法【l ，2 j ，它的好坏决 定着加工的精度与效率。本文采用基于t i 公司的d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 对铣 床的运动进行控制。在整个过程中，作者始终坚持理论研究与实际加工相结合 的方法，分别对插补中的直线、圆、圆弧、椭圆、椭圆弧及三次均匀有理b 样 条等算法进行了实现并实际加工出了样品。二维平面图形的加工是空间曲面加 工的基础，因此作者首先对二维平面的图形插补算法进行了研究和实际加工。 在二维的插补算法中，传统的插补算法都是针对不同的图形编制不同的算法， 如果同一个图形加工的方向发生变化那么其相应的算法也会发生变化，这种对 于同种图形仅因方向的不同而重新编制算法的编程方法不仅增加了算法的复杂 度而且使得其加工效率变得低下。作者独创性地将圆和椭圆归为一类并提出了 镜像编程的新概念，给编程带来了极大的方便从而提高了加工效率。在三维空 间曲面的插补算法中，作者通过适当的路径规划达到了简化编程的目的，并采 用了矢量编程的观念，从而规避了空间顺时针加工和逆时针加工所带来的方向 判断。在加减速的处理过程中，作者根据实际加工的特点，将加速段和减速段 置于直线插补中，从而保证了整个加工过程刀具始终以匀速进行加工，从而保 证了加工的平滑性与稳定性。 经过长时间的理论研究与实际加工，在导师的指导下作者及所在的课题组成 员成功实现了空间曲面预定图形的加工。从加工实物可以看出，无论是二维的 简单线型的加工还是三维空间曲面的加工都得到了较好的实现。 关键字：d s p ；运动控制；插补算法；曲面 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t n o w a d a y s ，t h et r a d i t i o n a ln cs y s t e mb a s e do np cc a n tm e e tt h en e e d so ft h e m a n u f a c t u r ei n d u s t r yb e c a u s eo fi t s r e d u n d a n c y 、i n s t a b i l i t ya n dh i 曲c o s t t h e e m e r g e n c eo fe m b e d d e ds y s t e ms o l v e st h i sp r o b l e m e m b e d d e ds y s t e mi saf l e x i b l e s y s t e m ，y o uc a l ld i yi t sh a r d w a r ea n ds o f t w a r et o s a t i s f yv a r i o u sp r o c e s s i n g e n v i r o n m e n t s m a l ls i z e 、l i g h tw e i g h t 、g o o ds t a b i l i t ya l lt h e s e p r o p e r t ym a k ei tm o r e s u i t a b l ef o rav a r i e t yo fh a r s hp r o c e s s i n ge n v i r o n m e n tt h a no t h e rs y s t e m a st h eb a s i cc n c a l g o r i t h m ，i n t e r p o l a t i o na l g o r i t h mi sap r o c e s so fd a t ad e n s i t y , w h i c hd e t e r m i n e st h eq u a l i t yo f p r o c e s s i n ga c c u r a c ya n de f f i c i e n c y i nt h i sp a p e r , w e d ot h em o t i o nc o n t r o lw i t ht i sd s p c h i pt m s 3 2 0 f 2 81 2 ，f r o mt h eb e g i n n i n gt oe n d ， t h ea u t h o ra d o p tt h em e t h o do ft h e o r e t i c a lr e s e a r c ha n d p r a c t i c a lp r o c e s s i n g c o m b i n e d ，w ei m p l e m e n ts o m ea l g o r i t h ma n dg e tt h es a m p l e ss u c ha s ：l i n e 、c i r c l e 、 a r c 、e l l i p s e 、b s p l i n ee t c l i n e a rp r o c e s s i n go f t w o - d i m e n s i o n a li st h eb a s i so fs u r f a c e p r o c e s s i n g ，s ot h ea u t h o rh a v ed o n ead e e pr e s e a r c ho nt h ei n t e r p o l a t i o na l g o r i t h mo f t w o - d i m e n s i o n a la n dg e ts o m es a m p l e s a tt w o - d i m e n s i o n a li n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m ， t h et r a d i t i o n a lw a yi sm a k ed i f f e r e n tp r o g r a m sa c c o r d i n gt od i f f e r e n tg r a p h i c s i fw e w a n tt og e tt l l es a m eg r a p h i ct h r o u g hd i f f e r e n td i r e c t i o n ，w em u s tm a k e u pt w o p r o g r a m s ，t h i sw i l li n c r e a s et h ec o m p l e x i t yo ft h ea l g o r i t h ma n dm a k e si t sp r o c e s s i n g e f f i c i e n c yl o w e r a tt w o - d i m e n s i o n a li n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m ，t h ea u t h o ro r i g i n a l i t y c l a s s i f yt h ec i r c l ea n de l l i p s ei n t oo n ec a t e g o r ya n dp u tf o r w a r dt h en e wc o n c e p to f m i r r o rp r o g r a m m i n gw h i c hi m p r o v et h ep r o c e s s i n ge f f i c i e n c y a tt h r e e d i m e n s i o n a l i n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m ，t h ea u t h o ru s et h ec o n c e p to fv e c t o rp r o g r a m m i n gt oa v o i d t h ed i s c u s s i o no ft h ed i r e c t i o no fc l o c k w i s ea n dc o u n t e r c l o c k w i s ep r o c e s s i n g i nt h e p r o c e s so fa c c e l e r a t i o na n dd e c e l e r a t i o n ，b a s e do nt h ea c t u a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h e p r o c e s s i n gt h ea u t h o rp u t st h eu pa n dd o w ns p e e dc o n t r o li nt h el i n es e g m e n t ，w h i c h e n s u r e st h a tt h ep r o c e s ss p e e di saf i x e dv a l u ea n dt h ee n t i r ep r o c e s sa r es m o o t ha n d s t a i b l e a f t e ral o n gp e r i o do ft h e o r e t i c a ls t u d ya n dt h ea c t u a l p r o c e s s i n g ，u n d e rt h e i i 武汉理工大学硕士学位论文 g u i d a n c eo fi n s t r u c t o r , t h ea u t h o ra n dt h eg r o u pt h ea u t h o rb e l o n g st oh a v e i m p l e m e n t e dt h es c h e d u l e ds p a t i a ls u r f a c eg r a p h i c s p r o c e s s i n g a sw ec a ns e ef r o m t h es a m p l e s ，w eh a v ed o n eag o o dj o bw i t ht h em i l l i n gm a c h i n en o to n l yi nt h e s u r f a c e sp r o c e s s i n gb u ta l s oi nt h et w o d i m e n s i o n sp r o c e s s i n g k e y w o r d s ：d s p ；m o t i o nc o n t r o l ；i n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m ；s u r f a c e i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名：诱王莩 导师签 诌王手 日期聊二2 力帅够乒z 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 数控行业是其它各行业的基础，它的发展快慢在很大程度上制约着其它各 行各业的发展速度，插补算法作为数控行业的核心算法直接决定着数控加工的 精度和效率。本章主要介绍了课题的研究背景、课题来源、课题研究的目的意 义、国内外研究现状及全文的章节结构。 10 1 课题研究背景 1 1 1 课题的研究背景 数控技术在国内的发展已经有几十年的历史了【3 ，4 j ，随着加工需求的不断提 高以及企业对稳定性及生产效率的追求，传统的基于p c 的数控加工系统的弊端 已日益突出。系统冗余、稳定性差、资源浪费、效率低下，种种弊端给基于p c 的数控加工系统带来了极大的瓶颈。嵌入式d s p 系统是一种软、硬件可裁减的 系统，可以针对不同的加工需求定制不同的软硬件系统，其结构上的灵活性以 及性能上的稳定性使其逐渐成为当代数控机床的首选。 数控行业是我们国家长年以来一直大力支持的行业【2 ，3 j ，从1 9 5 8 年起，由一 批科研院所、高等学校和少数机床厂起步进行数控系统的研制和开发。由于受 到当时国产电子元器件水平低、部门经济薄弱等的制约，未能取得较大的发展。 在改革开放后，我国数控技术才逐步取得实质性的发展。经过“六五( 8 1 8 5 年) 的引进国外技术，“七五 ( 8 6 9 0 年) 的消化吸收和“九五 ( 9 1 9 5 年) 国 家组织的科技攻关，才使得我国的数控技术有了质的飞跃。目前，国产机床占 有了国内的部分市场，机床的发展取得了令人瞩目的成绩。然而，纵观整个国 内数控业，国产的机床只是在低端领域占有一席之地而在中端乃至高端机床产 品中有9 5 的市场覆盖率仍被国外机床占有。 作为制造业的数控行业是其它各行业的基础，是一个需要长期发展的行业， 先进的制造技术将会给国家的各行各业带来巨大的财富，数控行业作为制造业 中的尖刀将率先引领其它行业的发展，发展数控行业克不容缓。 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 2 课题的研究目的、意义 本课题来源于国家自然科学基金项目( 5 0 6 7 5 1 6 6 ) ，主要对一些空间曲面图 形的插补运动控制进行实现。插补运算作为机床运动控制的一种基本算法实际 上是一种数据密化的过程，通过无数的插补点来实现路径的逼近，曲面插补算 法在基于p c 的数控系统中的实现已经比较成熟，然而由于基于p c 的数控系统 存在的种种弊端使得整个数控系统在工业中的应用受到了很大的限制，主要表 现为p c 系统结构冗余、软硬件的可裁减性差、系统的可移植性差以及易受干扰。 曲面的数控加工在模具、汽车、造船和航空航天等行业中占有重要地位， 也一直是数控技术和c a d c a m 技术的主要应用和研究对象。目前，由于数控 系统只具有直线、圆弧和少数曲线插补功能，所以对于复杂曲面加工，必须借 助于外部c a m 编程产生刀具运动的离散直线轨迹，然后再利用直线插补完成。 这种曲面加工模式会导致一些难以解决的问题出现，如零件加工程序庞大，难 于对加工进行实时控制等，从而使曲面加工代价高，效率低。 本课题采用基于嵌入式的思想对数控系统曲面插补的实现进行研究，主要 研究如何在嵌入式下对曲面插补算法进行实现，以求对基于嵌入式的数控系统 中已有的插补算法进行完善，并最终实现其在工业上的应用，提高生产效率， 弥补国内在这一技术上的不足。 因此，对于本课题的研究无论是在理论上还是在实际应用上都具有十分重 要的意义。 1 2 国内外研究现状 2 0 世纪人类社会最伟大的科技成果是计算机的发明与应用，计算机及控制 技术在机械制造设备中的应用是2 0 世纪内制造业发展的最重大的技术进步。自 从1 9 5 2 年美国第l 台数控铣床问世至今已经历了5 0 多个年头。数控设备包括： 车、铣、加工中心、镗、磨、冲压、电加工以及各类专机，形成庞大的数控制 造设备家族，每年全世界的产量有1 0 2 0 万台，产值上百亿美元。世界制造业在 2 0 世纪末的十几年中经历了几次反复，曾一度几乎快成为夕阳工业，所以美国 首先提出了要振兴现代制造业。9 0 年代的全世界数控机床制造业都经过重大改 组。如美国、德国等几大制造商都经过较大变动，从9 0 年代初开始已出现明显 的回升，在全世界制造业形成新的技术更新浪潮。如德国机床行业从2 0 0 0 年至 2 武汉理工大学硕士学位论文 今已接受3 个月以后的订货合同，生产任务饱满。我国数控机床制造业在8 0 年 代曾有过高速发展的阶段，许多机床厂从传统产品实现向数控化产品的转型。 但总的来说，技术水平不高，质量不佳，所以在9 0 年代初期面临国家经济由计 划性经济向市场经济转移调整，经历了几年最困难的萧条时期，那时生产能力 降到5 0 ，库存超过4 个月。从1 9 9 5 年“九五 以后国家从扩大内需启动机床 市场，加强限制进口数控设备的审批，投资重点支持关键数控系统、设备、技 术攻关，对数控设备生产起到了很大的促进作用，尤其是在1 9 9 9 年以后，国家 向国防工业及关键民用工业部门投入大量技改资金，使数控设备制造市场一派 繁荣。当今世界工业国家数控机床的拥有量反映了这个国家的经济能力和国防 实力。目前我国是全世界机床拥有量最多的国家( 近3 0 0 万台) ，但我们的机床 数控化率仅达到1 9 左右，这与西方工业国家一般能达到2 0 的差距太大。日 本不到8 0 万台的机床却有近1 0 倍于我国的制造能力。数控化率低，已有数控 机床利用率低、开动率低，这是发展我国2 1 世纪制造业必须首先解决的最主要 问题。每年我们国产全功能数控机床3 0 0 0 4 0 0 0 台，日本1 年产5 万多台数控机 床，每年我们花十几亿美元进口7 0 0 0 9 0 0 0 台数控机床，即使这样我国制造业也 很难把行业中数控化率大幅度提上去。因此，国家计委、经贸委从“八五 、“九 五 就提出数控化改造的方针，在“九五期间，我国也曾做过调研。当时提 出数控化改造的设备可达8 1 0 万台，需投入8 0 1 0 0 亿资金，但得到的经济效益 将是投入的5 1 0 倍以上。因此，这两年来承担数控化改造的企业公司大量涌现， 甚至还有美国公司加入。“十五 刚刚开始，国防科工委就明确提出了在军工企 业中投入6 8 亿元，用于对1 2 1 8 万台机床进行数控化改造。 数控技术从发明到现在，已有近5 0 年的历史。按照电子器件的发展可分为 五个发展阶段：电子管数控、晶体管数控、中小规模i c 数控、小型计算机数控、 微处理器数控；从体系结构的发展，可分为以硬件及连线组成的硬数控系统、 计算机硬件及软件组成的c n c 数控系统，后者也称为软数控系统：从伺服及控 制的方式可分为步进电机驱动的开环系统和伺服电机驱动的闭环系统。数控技 术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征， 而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，它对国计民生的一些重要行 业( i t 、汽车、轻工、医疗等) 的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所 需装备的数字化已是现代发展的大趋势。在数控技术的发展过程中插补功能的 实现是一个重要的技术问题，因为一个好的插补算法可以提高机床的加工精 武汉理工大学硕士学位论文 度。目前，已有的插补算法大都是基于p c 数控系统的【5 。7 j 。早在1 9 8 7 年，日 本丰桥科技大学与北海道大学就研制了一种基于p c 的曲面实时加工的三坐 标曲面加工系统。瑞士苏黎世大学与f i d e s 、a t e k 、和r i g i d 公司联合研制了 o z e l o t 系统。b e c h 于1 9 9 3 年研制了一个具有样条曲面插补功能的c n c 实验 系统。 国外一些研究机构于8 0 年代初便展开了对曲面插补的研究和探讨，日本、 法国、瑞士、加拿大和美国等国家还实现了样机或仿真系统。初期研究的重 点放在改进系统硬件设施和结构上，所以未能取得突破性进展。近几年来， 加拿大的s b e d i 和美国的y d c h e n 等学者开始从插补理论与算法方面探讨曲 面插补问题 8 - 1 4 3 。瑞士苏黎世大学( e t h ) 与f i d e s 、a t e k 和r i g i d 公司联合 研制了o z e l o t 系统。该系统采用小型机和高速浮点器阵列，可对b e z i e r 贡面 进行直接加工。但该系统不能自动处理加工行距，行距必须由外部编程确定， 走刀也仅限于参数方向，且进给按曲面逼近误差方式进行，没有考虑刀具运 动的非线性误差。s b e d i 于1 9 9 3 年研制了一个具有样条曲面插补功能的c n c 实验系统。该系统的曲线曲面插补器包括粗插补和精插补两个过程。粗插补 即用直线逼近轨迹曲线，精插补则是由系统插补器据进给速度和插补周期来 插补直线段。系统采用平面行切的刀具投影法来检查干涉。为了处理初始刀 位计算、干涉检查和插补带来的巨大计算量，s b e d i 采用具有六个并行处理 器的网络来并行处理计算任务。该控制器仅能处理二阶连续的单张曲面，对 于组合曲面由于计算量太大而无法实现。 y d c h e n 提出的曲面加工轨迹实时生成算法，可以实时处理干涉、自适 应步长计算等，完成对i g e s 曲面的直接加工。算法在基于多总线的c n c 控 制器上实现，驻留于一个8 0 3 8 6 芯片中。 华中理工大学在我国首次提出曲面直接插补，并在以工控机为硬件平台 的单c p u ，c n c 系统上实现。开发的s d i 系统被鉴定为我国独创国际先进水 平。该c n c 系统的c p u 为8 0 8 6 + 8 0 8 7 ，系统实现了参数曲面沿参数线加工的 线加工方式和区域参数线加工，能够据残余高度自动确定间距。与以前曲面 插补系统最大的不同是轨迹逼近步长由进给速度和插补周期确定，因而插补 精度可达到n c 原理上的最大逼近精度，从而大大提高了c n c 系统的性能， 同时可适应高速加工。不足之处是由于各方面的限制，系统示能实现实时干 涉处理和对组合曲面的直接插补。为此，s d i 系统采用一种混合n - f 模式，使 4 武汉理工大学硕士学位论文 系统能够用来解决实际问题。在其基础上，王水来、周艳红等展开了进一步 研究，对实时干涉处理和组合曲面实时插补进行了探讨，提出了一些算法， 在8 0 4 8 6 的硬件环境下开发了复杂曲面实时插补系统。 清华大学和南京四开数控设备厂合作，提出了一种基于网络信息的自由 曲面直接插补控制方法。这一方法可在集成环境下，根据网络上传来的曲面 几何信息和加工工艺信息直接生成曲面上的切削轨迹和刀具运动控制指令， 并据此实现对加工过程的控制。和s d i 系统相比，该插补系统最大的特点在 于大幅度提高了采样插补频率，插补周期缩短到0 2 m s ，以“插补位控同步 和“直接数据传递 的途径实现了粗精插补合一，因而可以达到更高的插补 精度和进给速度。为有效保证该高速高精度插补技术的实现，系统在硬件和 软件上都采取了一系列措施。 在机床的实际加工中，被加工工件的轮廓形状千差万别。为了满足几何 尺寸精度的要求，刀具中心轨迹应该准确地按照工件的轮廓形状来生成。然 而，对于简单的曲线数控装置易于实现，但对于较复杂的形状，若直接生成 势必会使算法变得很复杂，计算机的工作量也会相应增加。因此，在实际应 用中常常采用一小段直线或圆弧来进行逼近。所谓插补是指数据密化的过程。 在对数控系统输入有限坐标点的情况下，计算机根据线段的特征运用一定的 算法，自动地在有限坐标点之间生成一系列的坐标数据即数据密化过程，从 而自动地对各坐标轴进行脉冲分配，完成整个线段的轨迹运行，以满足加工 精度的要求。插补的任务是根据进给速度的要求，在轮廓起点和终点之间计算 出若干个中间点的坐标值，每个中间点计算所需时问直接影响系统的控制速度， 而插补中间点坐标值的计算精度又影响到数控系统的控制精度，因此，插补算 法是整个数控系统控制的核心。 插补算法经过几十年的发展，不断成熟，种类很多。一般说来，从产生的 数学模型来分，主要有直线插补、二次曲线插补等；从插补计算输出的数值形 式来分，主要有脉冲增量插补( 也称为基准脉冲插补) 和时间分割法插补( 也称数 据采样插补) ，脉冲增量插补和时间分割法插补都有个自的特点。 国内外关于曲面插补的算法主要有：b 样条曲面算法、贝齐尔曲面算法、 c a t m u l l c l a r k 曲面非递归算法、d o o s a b i n 曲面算法、c r u s t 算法、曲面直接 插补算法( s d i ) 和基于网络信息的自由曲面直接插补算法n 5 。2 0 1 等，这些算法在基 于p c 的数控系统上已经应用得相当成熟，但是由于p c 系统本身所固有的局限 5 武汉理工大学硕士学位论文 性，使得它们在工业上的应用受到了很大的限制。 采用基于嵌入式的数控系统能在很大程度上弥补这一不足，能够在很大程 度上加速数控系统在工业上的应用以及促进整个数控行业的快速发展。本课题 采用基于嵌入式的观点以d s p 为核心对空间曲面进行加工实现。 1 3 本论文组织结构 本论文主要围绕空间三维曲面图形的加工实现进行阐述，第2 章介绍了 本课题的总体设计，软硬件工作平台及程序设计总框图，并在最后根据本课 题软硬件环境的特点结合实际要加工图形的特点对加工前所需注意事项进行 了说明；第3 章对轴对称图形的镜像编程原理及误差分析进行了详细说明。 第4 章针对整个软件设计进行了介绍，主要介绍了主函数功能调度模块、p w m 脉冲发生模块、通信模块、运动控制模块等主要工作模块，并简要地对空间 球冠的程序加工实现进行了说明。第5 章就整个课题的完成情况进行了总结 并对国内数控业的发展前景进行了展望。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章曲面加工系统总体设计 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ( f 2 8 1 2 ) 是t i 公司的一款专门用于工业控制的高性能，多 功能，高性价比的3 2 位定点d s p 芯片。它的每一个通用定时器都含有一个计数 器和三个寄器，通过对各寄存器的配置便可以产生p w m 波形。c c s 是t i 公司 设计的d s p 在线编译软件，接上仿真器后便可轻松地对程序进行调试并下载至 开发板中。本章首先简要介绍了课题研究的软、硬件开发平台，其次对本课题 的总体设计进行了阐述，最后讲解了通过以太网与上位机通信过程。 2 1 硬件工作平台 华中数控世纪星铣 床h n c 2 1 m 禽： 反馈 控制 p 、4 脉冲发生板c 8 0 5l i o 控制板 l j 命令数据 信号 命令及1 i o 信号 以太网口 串口 图2 1 工作环境组成 图2 1 为本课题的硬件工作平台组成框图，由图可知它主要包括三大部分： 执行部分、信号反馈部分、控制部分。其中执行部分采用的是华中数控世纪星 铣床( h n c 2 1 2 2 m ) ，该铣床具有x 、y 、z 三轴另有一转动轴，可以对平面的 和空间的图形进行铣削加工。信号反馈部分采用的是基于单片机8 0 5 1 的i o 板， 8 0 5 1 单片机具有丰富的外围i o 口，可以方便对外界信号进行采集以及对外围设 备进行控制，通过8 0 5 1 我们可以实现对机床超程信号的捕捉以及实现了对机床 转动轴转速和转动方向的控制。控制部分采用的是基于t i 公司的工业控制芯片 7 武汉理工大学硕士学位论文 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的p w m 脉冲发生控制板如图2 - 2 所示，该控制板主要包含一个 p w m 输出接口，一个以太网接入口，一个串口等，通过此控制板我们可以很方 便的实现p w m 的输出、串口通信及以太网通信等操作。 2 2 软件工作平台 图2 2p w m 脉冲发生控制板 本课题我们采用t i 的c c s 22f o r2 0 0 0 作为软件开发环境，c c s 22f o r2 0 0 0 是1 1 公司为其d s p 芯片所专门开发的软件，该软件可以与仿真器相连从而实现 实时控制，通过此软件可以容易地实现程序的调试及在线仿真，其工作界面如 图2 - 3 所示。 由图2 - 3 可知它主要由源代码窗口、编译窗口、观察窗口等组成，通过这些 窗口我们可以很容易地修改、编译、观察我们的工程，及时地查出程序中存在 的问题。另外，浚软件可以通过相关设置改变其工作模式为调试或发布，这极 大地简化了编程工作。我们也可以通过设置改变其对代码的优化级别，这对于 算法的优化及工程的发布具有十分重要的意义。 武汉理工大学硕士学位论文 瞄i 1 i o j i b 5 c c 。# 6 f i 034 s c - - c f 】i r1 03 4 6 g0 0 0 5 t 0 口 “l d j4 “一c i t o 口： l ，1 d 4 6 p 0 1 0 0 0 fi0 3 _ 6 3f f | l 口 6 6 o 日“0 0 e c 2 口0 0 g t h 1 2 0 0 0gqf r c ：咖w 】_ c - c 】 m 器“l c ：、2 0 0 0 q g t 口口1 b 1 2 0 0 0 。e h b u gl k f 口攀况“l d l e t o ：等篙：基l o 0 e g bd 可蕺n - 厂 【且j ! 广 主亘互! ! ! 厂一 2 3 程序设计框图 图2 - 3c c s 2 2 工作界面 插补算法从产生的数学模型来分，有直线插补、二次曲线插补等；从插补 计算输出的数值形式来分，有基准脉冲插补( 又称脉冲增量插补) 和数据采样 插补。在基准脉冲插补中，按基本原理又分为以区域判别为特征的逐点比较 法插补，以比例乘法为特征的数字脉冲乘法器插补，以数字积分法进行运算的 数字积分插补，以矢量运算为基础的矢量判别法插补，兼备逐点比较和数字积 分特征的比较积分法插补等等。本课题运用时间分割法进行加工，采用8 m s 作 为插补周期。时间分割法插补是分两步完成的，即粗插补和精插补。第一步为 粗插补，它是在给定起点和终点的曲线之间插入若干个点，即用若干条微小直 线段来逼近给定曲线，粗插补在每个插补计算周期中计算一次。第二步为精插 补，它是在粗插补计算出的每一条微小直线段上再做数据点的密化工作。本系 统软件程序部分主要由m a r e 主函数和8 m s 中断函数组成，主函数主要完成通信、 命令解析及粗插补部分的工作，中断函数主要完成精插补及命令的执行工作。 e 口 j # 自o 目 武汉理工大学硕士学位论文 其程序流图如图2 _ 4 、图2 - 5 所示。 抽i 中t i t “ 口口h 目* # | | | | | 腓制螺豁。掣 l o j e 蜥 鲫 图2 - 4 曲面插补主函数 图2 - 4 为m a i n 主函数执行过程图，它主要负责命令、代码的接收，插补预 处理及与i o 板和上位机进行通信。由图2 - 4 可知本系统所具有的主要功能有机 床使能、机床点动、机床归零、暂停加工、继续加工、直线加工、弧类图形加 工、b 样条加工。当上位机有指令或者代码传递至d s p 时，d s p 便会根据相应 的指令或者代码作出相应的动作，如果上位机没有指令或者代码传递至d s p ， d s p 则将一直不断地重复检查其接收缓冲区。 一* 薹：一 哭 _ 一，* 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 5 曲面插补8 m s 中断函数 武汉理工大学硕士学位论文 图2 5 为8 m s 中断函数执行过程图，由图2 5 可知它将整个过程分为了插补 部分及非插补部分两块，通过检查插补标志位来执行不同的操作。当接收到插 补标志时，它便会分析其属于哪一种插补类型，当确定了其具体的插补类型后 系统就会自动调用相应的插补算法来进行加工。在加工过程中如果出现了什么 情急情况或者其它情况，我们可以通过暂停命令来暂停加工，当情况排除后再 接着加工。当接收到的标志为点动或者归零标志时，系统将转入点动或归零操 作。所有的操作均可以交替执行，这对实际加工具有很大的实用性。在第四章 中我们会对具体的功能模块进行详细地说明。 2 4 制造工艺方案 在实际的加工过程中，由于机床的起始位置在坐标原点，从坐标原点到刀具 与工件相接触的起刀点之间还存在一段距离，因此在每个图形的加工过程中我 们都会先让机床运行两段直线段，第一段直线段为一空间斜直线段用于让刀具 运动置待加工图形起刀点的正上方，第二段直线从起刀点正上方运动至起刀点， 这样可以保证刀具在不损坏模具的前提下准备定位到起刀点。在图形加工结束 后我们会让刀具垂直向上运动一段距离这样可以避免因卸除模具时刀具与模具 二度接触而引起的刮花现象。 在加工过程中由于刀具运动总是由o 速度开始逐步加速最终以恒定速度进 行铣削，在结束加工前又逐步减速至0 ，如果将加减速放在加工区段的话将会引 起一些不必要的误差。考虑到坐标原点与起刀点之间存在一段距离以及加工结 束后刀具还将垂直向上运动一段距离，我们将加减速控制放在这两个区段进行。 这样保证了整个加工过程中刀具运动的平稳性，可使加工出来的图形更光滑。 电机自身的特性决定了电机各轴在反向运动时会存在一个短时不动的距离， 即电机已经反转但是工作台却没有移动，这一问题便是间隙补偿，如果间隙补 偿得不到较好的处理，将会对整个加工图形的精度带来影响。 在下面几节我们将具体讨论一下加减速控制、间隙补偿和误差分析并最终得 出曲面加工实例。 铣销加工方案选择： ( 1 ) 尽量用刚性好的机器加工，机器刚性不理想时，请适当调节切削深度 和切削条件。 ( 2 ) 使用刚性好的精度高的夹头，夹头夹紧刀具时应使刀头的摆最小。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 根据要加工的模具和机床类型选择合适的刀具，刀具的长度应该长于 夹具内筒，刀具的硬度应视待加工模具的材料而定。 ( 4 ) 采用平口虎钳固定模具时应确保虎钳不会晃动及模具在加工过程中不 会移动，当工件紧固状态无法改善时，应适当调节切削深度和切削条件。 ( 5 ) 加工过程应当开启冷却液，如无法使用冷却液则应以低速进行加工， 且不能长时间加工。 ( 6 ) 加工完成后应先关闭刀具转运功能再切断机床电源取下已加工好的模 具并清理工作台上及周围的碎屑，保持工作台的清洁干净。 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章轴对称图形的镜像编程研究 所谓插补是一个数据密化的过程【1 j ，即在对数控系统输入有限坐标点的情 况下，根据线段的特征运用一定的算法自动地在有限坐标点之间生成一系列的 坐标数据，从而自动地对各坐标轴进行脉冲分配，完成整个线段的轨迹加工， 以满足加工精度的要求。平面图形的加工是空间曲面加工的基础，它的好坏将 直接影响到曲面加工。本章主要对镜像编程原理进行了详细介绍，通过采用镜 像编程可以在很大程度上提高加工的效率和加工的精度。 3 1 镜像编程 镜像编程的思想主要来源于生活中人照镜子时人与像关于镜子成镜像对 称。人的左手对应的是镜像中的右手，右手对应的是镜像中的左手。当我们远 离镜子做动作时，我们的镜像会沿着相反的方向做出相同的动作。鉴于上述特 征，我们在二维平面的圆及椭圆的插补算法中由于其共性我们将其归为一类并 利用镜像编程的思想将顺时针加工和逆时针加工进行简化。我们以顺时针为例 进行阐述： 设圆的方程叫捌：x 2 + y 2 = 1 其参数表达式为： x = c o s 9 y = s i n 9 乡 0 , 27 r 】 ( 3 - 1 ) 设进给步长为s t e p ，第i 个插补周期中各轴和运动矢量为m ，插补周期为t ， 给定进给速度为v ，加工经过的角度和为口，第i 个插补周期中各轴坐标为而、咒。 所进行的插补计算就是在第i 个插补周期中计算出下一个插补周期i + l 中的各轴 运动矢量一+ 1 、a y i + 1 ，且 墨+ 1 2 + z x y _ f + 1 2 = a m ( 3 2 ) 由于时间分割法的进给步长s t e p = v 丁为一定值且等于各轴和运动分量 z x m 。因此我们所要做的就是根据其参数表达式1 和表达式2 实时地算出其下一点 的坐标值。 设谚、谚+ 。分别为第i 点和第i + 1 点的角度参数，由表达式( 3 - 2 ) 知： 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 s t e p 2 = m 2 = ( + l 一墨) 2 + ( 咒+ l m ) 2 = 【c o s ( 包+ 谚) 一c o s e c 2 + s i n ( 2 + e ) 一s i n 0 a 2( b = 谚+ l 一2 ) ( 3 - 3 ) 由于插补步长很小，其对应的角度增量值幺也很小，为了方便运算我们近 似认为c o s 谚= 1 ，s i n , , e , = 毋，代入3 - 3 式得： e2 面丽s t e p= s 印 ( 3 - 4 ) 因此可以求得下一插补点的坐标值为： h l = c o s ( o , + 谚) 乃“= s i n ( o _ f + 厶够) 结合4 式我们就可以求出插补过程中所需的每一点的坐标值。 以上推导作为二维平面圆弧的插补算法需要注意对加工起点及是否过象限 进行判断，并在刚过象限时对各轴的脉冲方向进行调整以得到正确的加工精度。 在二维平面圆弧插补算法中由于我们通常只是给出了圆弧所在圆的圆心坐 标和弧上的另两点坐标因此在加工时需要对加工方向进行说明，鉴于圆的对称 性我们可以采用镜象编程的思想来处理顺时针和逆时针加工的问题，也即以一 个方向为基准进行圆弧的插补算法编制，当涉及另一个方向的圆弧加工时，仅 需要改变其基准程序中的脉冲方向而不必重新编制程序来控制其运动。 图3 - i 镜像编程象限规定 武汉理工大学硕士学位论文 这里我们以顺时针方向为基准，其各象限分布如图3 1 右所示，根据镜像的 原理我们可以得出当要加工的图形为逆时针时其各象限分布为图3 1 左所示，因 此我们在编程实现时只需为顺时针方向加工的图形进行编程。其插补部分处理 过和如下图3 2 所示。 图3 - 2 二维圆、椭圆各象限插补转换示意 其中：v o i dfc e a 起点所在象限坐标判断函数interpolation() v o i dfc ei n t e r p o l a t i o n l 0 第1 象限插补函数 v o i dfc ei n t e r p o l a t i o n 2 0 第2 象限插补函数 v o i dfc ei n t e r p o l a t i o n 3 0 第3 象限插补函数 v o i dfc ei n t e r p o l a t i o n 4 0 第4 象限插补函数 在顺时针插补过程中我们首先将接收到的坐标值存入函数 v o i dfc e a _ i n t e r p o l a t i o n 0 进行处理，通过它来判断加工起点所在的象限，根据得出 的起点坐标所在的象限值来选择进入哪一个处理函数，假如起点坐标位于第一 象限，则调用函数v o i dfc ei n t e r p o l a t i o n l 0 进行处理，通过此函数可以计算出 下一插补点的坐标提供给运动控制函数，当下一插补点刚好跨象限时，便调用 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 下一象限函数进行处理，值得注意的是在坐标点过象限的时候要根据其下一点 的坐标值判断输出脉冲的方向，并且为了保证数据处理的实时性，下一插补点 的坐标值计算应该在上一加工周期内完成。 3 2 误差来源分析 圆及椭圆的镜像编程法实现其误差主要来源于根据其数学表达式导出其各 点坐标时采用的近似逼近眩1 2 别，最后一个插补周期的步长大于或者小于所剩加 工余量而带来的误差眩1 2 2 1 ，未作间隙补偿带来的误差以及各象限转接处未适当 处理而带来的误差。关于坐标近似以及最后一插补周期所带来的误差在相关文 献中已有处理这里不再讨论。关于未作间隙补偿所带来的误差将在的平面章节 进行阐述，这里也不讨论。我们主要讨论各象限转接带来的误差处理。 图3 3 象限转接过程 象限转接处如果不及时有效地处理将会使得转接处不平滑出现尖角现象， 关于此类误差的处理我们采用即时转向法进行校正。图3 3 为象限转接四种情况 中的一种。如图所示我们沿着顺时针方向进行圆弧加工，其x 轴的速度方向始 终保持一个方向不变，而y 轴的速度方向一开始沿着行进方向的正向，当到达 圆弧顶点时其方向便由正向转为负向，如图顶点处虚实二线所示。这样的即时 转向由于其步长较短加工速度较平缓因此可以保证加工图形的平滑实现象限转 接处的良好过渡。 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 第4 章曲面插补软件设计 在第二章中我们介绍了整个课题的总体设计思路，从程序设计框图我们可 以知道整个软件部分主要包括主函数功能调度模块、8 m s 中断函数运动控制模 块、p w m 脉冲发生模块、通信模块、间隙补偿模块、点动模块、归零模块等。 这一章我们将详细地介绍以上各个工作模块的原理及程序实现并对空间球冠的 实际加工进行阐述。 4 1 主函数功能调度模块 循环体 图4 1主函数功能调度图 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 主函数功能调度模块主要完成各种指令及代码加工标志的确认接收，按照 相应的指令跳转至对应的预处理模块，当预处理完成后便通知运动控制模块进 行相应的操作。从图4 1 可知该部分主要由机床使能、点动控制、归零控制、代 码加工等部分组成，通过不能的标志位可以跳转至不同的工作界面，在各自的 工作界面中将会进行一定的预处理以便运动控制模块能正常运行。整个函数是 一个无限循环过程，如果没有接收到标志位它将继续等待直到接收到标志位。 4 2p w m 脉冲发生模块 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为一种运动控制芯片广泛应用在控制领域，