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1、 摘 要 I 摘 要 随着数控技术的飞速发展,石材加工设备的数控化己渐渐成为产品升级的 发展趋势。为了提高石材桥式切割机的自动化程度,扩大加工范围,提出以石 材桥式切割机为研究对象,开发三轴开放式数控系统。本文结合运动控制卡及 PC 机,对石材桥式切割机开放式数控系统的相关内容进行了研究。 首先研究并提出了基于向量的圆弧插补算法,通过速度和圆弧半径求出相 邻两个插补点的角度差,然后通过当前插补点与圆心的一个向量来求出下一个 插补点的向量值, 最后进行向量差计算, 从而得到需要的两个轴方向的速度值, 该算法不需要对所处象限进行分析,同时提高了产品加工精度。 在现有 S 型曲线加减速控制方法的研究
2、基础上, 提出了一种离散型 S 曲线 加减速控制的新方法,以单位加加速度为基础,根据当前速度和加速度求出下 一点加速度与速度,计算加速度、速度和位移更为简单,避免了加工过程中加速 度不均匀对机床造成的冲击,提高了机床运动的平稳性和产品加工质量。 然后开发了数控桥式切割自动编程模块,用户可以根据需要由 AutoCAD 软件绘制加工图形截面线,系统软件调入 DXF 文件,经过 DXF 文件的特征信 息提取后,对其进行自动排序,以及对应的点的划分,然后根据石材锯片切割 特点自动生成对应的数控加工路径代码,同时通过 OpenGL 编程实现三维刀具 路径仿真,大大提高编程效率,减少了手工编程的麻烦和错误
3、率。 最后对整个数控系统中硬件结构和软件设计进行了研究,包括伺服驱动器 接线、参数设定、加工代码的信息提取、实时控制的定时器设定模块、手轮控 制模块等,系统软件与伺服驱动器进行串口通讯从而获得伺服电机各项运行指 标的监控,实现系统信息的实时检测,通过上述几个模块形成了整个数控系统 的基本框架。 以工控机为硬件平台,Visual C+6.0 为软件开发工具,开发了一套桥式多 功能复合机的数控系统软件, 并对交流伺服电机进行实际控制, 实验结果表明, 本文算法保证速度、加速度的连续,提高了系统的柔性。 关键词:数控系统、 桥式切割机 、圆弧插补 、S 曲线加减速、自动化加工 Abstract II
4、I Abstract With the rapid development of CNC technology,numerical control of the stone cutting machine had been a trend for Product upgrades. In order to improve the automation of the stone bridge cutting machine and extend its range of processing.it is raised as an object of study to exploit an ope
5、n CNC(computer numerical control) system. firstly this text put forward circular interpolation on basis of vector,it needs velocity and radius to calculate angle of deviation between two connecting interpolation point,then obtain a vector from interpolation point and center of radius to calculate an
6、other vector of connecting interpolation point,meanwhile Machining precision is guaranteed. Secondly this paper put forward new S-Curve acceleration-deceleration control method which base on unit of jerk,we can calculate the acceleration and velocity of next interpolation point according to current
7、acceleration and velocity which make achievement of jerk, velocity and displacement more simple.Experimental results show that algorithm can guarantee the velocity and acceleration continuos and improve the flexibility of system. On the basis of analyzing the structure of Drawing Exchange File(DXF),
8、 which introduced how to get the drawing information from DXF file.The interface program was developed to obtain graphic information and convert then into machining coordinates.Combining CNC machining technology,the post processing module could then generate CNC instruction codes acceptable to machi
9、ne tools in order to create a CNC program automatically. According to the feature of cutting-grinding integration and sawing-milling combination, the tool structure and anti-shear conditions. The systems cutter radius compensation of sawing,milling and grinding is deduced by adoption of C function c
10、utter radius compensation algorithm.additionaly,the entile program of cutter compensation and the cutter compensation program of sawing, milling and grinding 华侨大学硕士学位论文 IV are all designed in the text. On the plateform of Visual C+ 6.0, the software is promgrammed, the CNC system of the stone bridge
11、 cutting machine with better function is finally developed.The results of the test also show that the system can realize automatic processing and it runs accurately and stablely,meeting the requrments of cutting-grinding integration and sawing-milling combination. Keywords: CNC System、Stone Bridge C
12、utting Machine 、circular interpolation、 S-curve Acceleration-Deceleration、Automatic Processing 目 录 V 目 录 第一章 绪论 . 1 1.1 数控技术的应用 1 1.1.1 数控技术简介 . 1 1.1.2 开放式数控系统 . 2 1.2 国内外石材机械发展趋势 . 2 1.2.1 国外石材机械发展趋势 . 2 1.2.2 国内石材机械发展趋势 . 3 1.2.3 石材桥式切割机发展状况 . 4 1.3 本文的研究意义和内容安排 . 5 1.3.1 本文的课题来源及研究意义 . 5 1.3.2 本
13、文的内容安排 . 5 第二章 基于向量的圆弧插补和加减速算法研究 . 7 2.1 基于向量法的圆弧插补 . 7 2.1.1 向量法求取圆弧坐标 . 7 2.1.2 圆弧插补算法 . 9 2.2 离散 S 型曲线加减速 . 10 2.2.1 S 曲线加减速模型 11 2.2.2 S 曲线加减速的程序实现 12 2.3 圆弧插补的总体过程 . 17 2.4 本章小结 . 18 第三章 桥式切割自动编程加工 . 19 3.1 DXF 文件接口 19 3.3.1 DXF 文件结构 19 3.3.2 DXF 文件信息读取 20 3.2 DXF 图形排序 23 3.3 横截面判断 . 24 3.3.1 横
14、截面过切判断 . 25 3.3.2 横截面漏切判断 . 25 3.4 截面线的分割 . 26 3.4.1 X 方向分割 . 27 3.4.2 Y 方向分割 . 29 3.5 NC 代码生成 . 29 3.6 本章小结 . 30 第四章 数控系统功能的实现 . 31 4.1 NC 代码信息提取 . 31 华侨大学硕士学位论文 VI 4.2 实时控制定时器 . 33 4.3 跨段加减速控制 . 34 4.3.1 转接速度顺序修正 . 35 4.3.2 转接速度逆序修正 . 36 4.3.3 试验结果与分析 . 37 4.4 OpenGL 仿真 39 4.4.1 OpenGL 简介 39 4.4.2
15、 OpenGL 初始化 40 4.4.3 OpenGL 桥切仿真 41 4.5 数控系统的监控模块 . 42 4.5.1 串口通讯初始化 . 42 4.5.2 PC 端发送数据格式 . 44 4.5.3 伺服串口数据接收 . 45 4.5.4 伺服串口数据处理 . 45 4.6 手轮控制开发 . 48 4.6.1 手轮工作脉冲发生器 . 49 4.6.2 PCL-730 概述 50 4.6.3 软件调节速度原理 . 51 4.6.4 手轮控制程序实现 . 52 4.7 本章小结 . 53 第五章 伺服单元的硬件和软件界面设计 . 55 5.1 工控机及伺服驱动器选型 . 55 5.1.1 工控
16、机选型 . 55 5.1.2 伺服驱动器选型 . 57 5.2 电机控制整体设计 . 58 5.2.1 伺服电机控制方式选择 . 58 5.2.2 伺服单元输入输出分配及参数设定 . 60 5.2.3 伺服单元主回路电路设计 . 63 5.2.4 伺服单元各单元连接设计 . 64 5.3 系统软件介绍和界面设计 . 65 5.4 本章小结 . 67 第六章 全文总结与展望 . 69 6.1 全文总结 . 69 6.2 研究展望 . 70 参考文献 . 71 致 谢 . 75 个人简历、在校期间发表的学术论文和科研成果 . 77 第 1 章 绪 论 1 第 1 章 绪 论 1.1 数控技术的应用
17、 1.1.1 数控技术简介 数控技术又被称为 CNC 技术。随着计算机技术快速发展,CNC 技术已被广 泛应用在仪器制造、机械加工等各种行业。目前很多的机械制造企业己经将目 光瞄准了石材机械制造行业,各种数控石材加工机床被生产出来。CNC 系统主 要是通过 PC 机来执行控制功能, 按照操作者的设定的指令来控制机床按设定的 路径工作。数控机械也可被称为智能机械,这种机械可以完全根据操作者所编 写的加工程序工作;通过将加工程序转化后自动生成图形、加工参数并提供给 操作者观察其包括自动开机、关机,自动换刀;自动进行故障的诊断等。虽然 任何机械都无法替代数控机床所具有的诸多优点,但数控机床仍有其缺陷
18、,比 如造价高,使得一般企业难以负担高额的费用;对所处加工环境要求高, (对于 石材生产加工是难以办到的) ;数控机床诸多技术特点决定了对其维护、维修较 难。机床加工时对操作者的要求较高,维修技工同样也要达到较高技术水平。 NC 技 术 是 CAD (Computer Aided Design) 技 和 CAM (computer Aided Manufacturing)技术的完美结合。CAD 技术在 CAM 技术上的运用在某种程度上 简化了编程过程,使编程者和操作者不在面对枯燥、烦闷的数字,而是更加直 观的图形。利用 CAD 技术,操作者可以在计算机上按照加工要求绘制图形,然 后通过数控机床
19、的专用生成程序软件,识别图形后生成数控机床所要求的代码、 程序、指令。CAD 技术的产生使得 CAM 拥有了更加广阔的前景。目前的 CNC 机床的自动编程基本上都是通过计算机图形直接转换而来的。可以将图形转化 为程序,同样加工程序也可以被转化图形1。 华侨大学硕士学位论文 2 1.1.2 开放式数控系统 从性能方面来说,高速度、高精度、高可靠性以及对应的智能化、柔性化、 集成化和网络化已经成为数控发展的必然方向,定位于市场适应性分析,加工 的多样化和专业化对加工个性化的要求越来越强。所以,只有开发出较方便地 可以增加专用功能的、同时带有个性化的数控系统才能更好地满足专业化、多 样化的市场需求,
20、开发放式数控系统才可以被使各种应用系统运行于不同供应 商所提供的平台上,具有同其他应用系统互相操作和用户交换的特点,可概括 为: (1) 开放性:建立开放式结构控制器平台,使控制系统具有硬件无关性,用户可 根据个人需求选用 PC 机,利用 WINDOWS 环境建立友好的人机界面。 (2) 移植性:用户可随意的增加或减少控制系统功能,配置不同的伺服轴控制函 数,以及能配置不同开发商生产的标准软件或自己开发的软件。 (3) 扩展性:通过开放式结构平台上的控制系统,可为系统任意添加应用模块。 1.2 国内外石材机械发展趋势 随着物质文化水平的日益提高,人们对建筑装饰越来越多的追求典雅、美 观、豪华。
21、大理石花岗石、等石材装饰品也越来越多的受到人们的青睐,其具有 古朴典雅、外观庄重、持久耐用等特点,越来越多的人们选择石材成为理想的 装饰材料,开始广泛应用于建筑物、广场、家庭等多种场合。这些年来,随着 石材行业的发展迅速,对于各种大理石地板、形曲面、花岗石、柱体波浪弧形 板装饰幕墙等石材产品的需求量越来越大,对于尺寸精度要求不断提高,所以需 要大量的先进的石材加工设备来进行加工。 1.2.1 国外石材机械发展趋势 近几年来,国外的石材机械加工发展非常迅速,国外石材加工设备以其高 质量、高可靠性高效率、以及人性化的人机界面代表了世界上最先进的石材加 工设备。在欧美一些发达的国家里,石材机械加工行
22、业特别重视提升加工效率 以及加工质量,降低生产成本和劳动强度,目前,国外已经可以生产出许多智 能化,自动化程度特别高的石材加工设备。 数控石材加工设备是当前国外石材加工行业最为普遍的一种设备,尤是多 第 1 章 绪 论 3 功能数控加工设备,一台设备可以实现完成多种工序的加工,这些石材加工设 备具有加工范围广、自动化程度高、加工形状复杂、高效率和加工精度高等特 点。 德国欧马克公司生产了一款 36 轴的数字化机械加工中心,这套加工中心 集锯切、磨抛、车铣、雕刻于一体的数控加工设备。还可以进行空间 5 面的铣 雕,拥有可装载 24 把刀的刀库装,其加工效率高、范围广,加工产品轮廓复杂。 如人头像
23、雕刻制品、罗马柱以及各种厨具卫具台面板、装饰玻璃等家用装饰品。 意大利布来顿公司生产了一款型号为 contour Breton NC400 的 3 轴联动数控 石材加工中心。这台设备的特点是铣削和磨抛于一体,具有双工作台,高可靠 性,高精度和高效率,非常容易操作的控制系统等。主要用于加工二维板材,如 雕花、石制浴盆、厨具卫具台面板、空间五面铣等3。 德国欧姆龙公司生产的型号为 oniag raill98,是一款多轴的数控加工中心。 这台设备集车削和锯切于一体,具有多工作头、加工高效率、精度高和高可靠 性等特点,主要用于平面板材的锯切、加工回转体制品。 1.2.2 国内石材机械发展趋势 近几年来
24、,国内的加工设备和加工技术有了较快的发展,呈现出较好的发展 势头,但是与世界其他先进水平相比,我国的石材加工设备在自动化程度、技 术性能、外观设计、品种配备等综合性能上还存在很大差距。据统计,目前我 国已有 120 多家专业石材机械设备生产企业,其中有些企业已经能够生产相当 技术水平的数控石材机械,但大部分机械处于半自动化状态,高性能、高自动 化的机械仍然依靠进口为主下面通过如下三种石材设备来说明国内石材机械发 展现状。 1. 锯切加工设备 国内石材行业应用的金刚石框架锯,主要是进口意大利设备。进入二十世 纪后,国内先后有几家公司幵始学习意大利大板加工设备的技术,生产出一些 国产框架锯,但是由
25、于关键技术没有掌握,在工作效率、切割成本等方面与意 大利设备还存在比较大差距。比如福建盛达、广东利达、济南恒运达等企业生 产的框架锯。而上海飞宙公司引进意大利 BM 公司生产的金刚石框架锯,质量 及性能较好,在国内市场占有率较高。 华侨大学硕士学位论文 4 2. 磨抛加工设备 目前以手扶式磨机及多头连续磨抛机运用比较广泛,主要用于异型板材的 磨抛加工。多头式连续磨抛机是一种新型先进的研磨抛光设备,在国内外己被 广泛采用于普通平板的磨抛加工,特别是大面积饰面板材的加工。国产连续磨 抛生产线,近几年也大量地被国内石材企业使用,如广东科达、云浮科特、福 建盛达等企业生产的连续磨抛机也大量应用在国内石
26、材加工业,山东华兴已研 制出连续磨抛生产线,并销售越南、哈撒克斯坦等国家。 1.2.3 石材桥式切割机发展状况 近几年来,石材桥式切割机作为石材切割加工中最常用到的机械,发展迅 速,并开始向数控化方向发展。其在机械结构设计上更加的合理,各种应用在 石材桥式切割机上的数控系统被开发出来。国外的石材桥式切割机已达到完全 自动化水平,处于领先地位,加工可靠性好。意大利生产的石材桥式切割机在 功能上己经集合了锯、铣、磨、钻孔等加工功能,其中一些企业生产的桥式切 割机已经开始向多功能自动化加工中心方向发展。因此,开发一种多功能、自 动化程度高、效率高、加工范围广的石材桥式切割机数控系统是石材加工业的 需
27、要。石材桥式切割机数控系统是锯铣混切、切磨一体的多功能加工机械,其 可直接调用图形文件,生成加工轨迹后,控制各轴实现自动化加工;其不仅可 以加工直线、斜线,还可以实现对大圆弧的锯切加工,对复杂轮廓的铣削加工。 因此,开发的石材桥式切割机数控系统在一定程度上实现了国内石材桥式切割 机的自动化,完成了对其功能上的升级任务,对国内石材机械的发展起着推动 作用4。 第 1 章 绪 论 5 1.3 本文的研究意义和内容安排 1.3.1 本文的课题来源及研究意义 本课题来源于福建省高校产学合作科技重大项目“高精度数控桥式多功能 复合机研究开发” (项目编号:2010H6016) 。 我国是已成为世界上最大
28、的石材出口和生产大国,每年生产的石材产值已 经达到千亿元,随着石材业快速发展,产品竞争也将日趋激烈,在这种大的形 势下,增强产品附加值、提高产能、提高产品利润率、增强企业竞争力已经成 为整个石材加工业急需解决的问题。桥式切割机是石材加工业必备的设备,可 以适用于大理石、花岗岩板材切割加工。 目前国内外同类设备大部分采用PLC控制,且只具有板材切割单一的功能, 而本项目采用PC机控制,将通用机床先进的数控技术引入到石材机械行业,采 用自主开发的专用石材数控系统,技术上实现了全数字控制,不需靠模板,不 仅具有良好的人机界面,而且使得仅具有单一切割功能的桥式加工机成为一台 全数控多功能复合切割雕铣加
29、工中心,线条加工、具有桥式切割、曲面雕铣、 曲面切割加工加工等功能,从而通过计算机技术实现高度自动化和智能化,提 升石材产品市场的竞争力,对于提高我国石材机械加工能力具有重要意义。 1.3.2 本文的内容安排 本课题的目的是完成多功能桥式复合机的数控系统软件开发,基于 WindowsXP 操作系统,以 VC 6.0 为开发工具,以满足石材桥式复合机的加工要 求。 第一章 绪论简要介绍了数控技术发展历程和国内外发展概况,数控技术发 展趋势,以及课题的选择和意义。 第二章 研究了数控插补算法,主要对圆弧插补算法进行了改进,同时为了 避免加工过程中造成因为加速度的不连续导致机械振动而采用的离散 S
30、曲线加 减速算法来进行速度控制。 第三章 阐述了 DXF 文件的自动编程过程,软件基于 DXF 文件调入后,对 调入的横截面图元信息进行信息提取,和横截面的预处理,完成上述操作后, 对所需要加工的横截面进行分割后,自动生成 NC 代码。 华侨大学硕士学位论文 6 第四章 描述了数控系统的其他辅助功能,包括 NC 代码的信息提取,实时 控制,OpenGL 三维仿真,跨段加减速控制,以及手轮控制的软件模块的设计和 编写。 第五章 数控系统的硬件模块选择,包括工控机的选型,伺服驱动器和伺服 驱动器各端口的使用,软件总体设计,界面的设计。 第六章 全文总结和展望。 第 2 章 基于向量的圆弧插补和加减
31、速算法研究 7 第 2 章 基于向量的圆弧插补和加减速算法研究 在数控加工过程中,插补算法以及加减速算法对整个加工过程起着十分重 要的作用,传统的插补算法包括逐点比较法,时间分割法等。逐点比较法计算 过程容易,但是效率和精度比较低;时间分割法相对来说效率和精度较高,但 是运算过程比较复杂,为了满足高效高精度同时计算简便,从而引入基于向量 法的插补算法。在加减速算法中包括直线加减速,指数加减速控制算法,因为 上述两种算法中加速度都存在突变,所以这里采用 S 曲线加减速。 2.1 基于向量法的圆弧插补 2.1.1 向量法求取圆弧坐标 在 NC 代码中如:G90G02/G03 X_Y_R_给定圆弧终
32、点相对圆弧起点的坐标 (X,Y) ,R 为圆弧半径。 1:R0 圆心角小于 180 的圆弧; 2:R0; 华侨大学硕士学位论文 8 图 2.1(b)对应的是 G02,R0; 图 2.1(d)对应的是 G03,R0,和 G02,R0 来求解。 图 2.1 NC 代码的 4 种圆弧 1. G03,R0 和 G02,R0 和 G03,RVminL 通过图 2.6 可以得到清楚的认识,在 1 号区域,即加加速阶段,此时在每个 时间单元内需要进行 Ac+,Vc+=Ac,Lnext-=Vc; 2 号区域,即匀加速阶段,此 时在每个时间单元内 Ac=Amaxamend,Vc+=Ac,Lnext-=Vc; 3
33、 号区域,即减加速 阶段,此时在每个时间单元内 Ac-,Vc+=Ac,Lnext-=Vc; 4 号区域,即匀速阶 段,此时在每个时间单元内 Ac=0,Vc=Vmaxamend,Lnext-=Vc。通过对 Vc 进行 判断看其属于哪个区域从而可以求出下一个的实时速度。 (2) Lnext=180 并且终止角 endangle=180 则 YoYoYmRYm 22 )( 如果起始角 startangleLmin(Vs,Ve),所以要对每个转接处的最大速度值进行修正,以实现从 Vs 到 Ve 的平稳过渡,同时满足其最小加速或者减速距离小于该轨迹的长度 L9。 对跨段加减速进行速度初始化时需要以下给
34、2 个函数: Lmin(Vs,Ve) 给定起始和终止速度,求出最小加速或者减速距离,用来判 断速度是否能满足要求。 Vmax(Vmin,L)给定 Vmin(为 Vs 和 Ve 中较小的速度)和该段轨迹长度 L,求出最大速度赋值给 Vs 和 Ve 中较大的一个。 4.3.1 转接速度顺序修正 如图 4.2 所示加工路径为 L(k) L(k-5) ,L(k)起始速度和 L(k-5)终止速 度为起跳速度 Vs,各段路径之间的夹角如图所示,定义 V7,根据公式 4.3.1, 求出对应的最大速度 Vi,即得到各段转角速度。 各段路径长度定义 L6,并根据 已知条件给 L 赋值。下面要进行转接速度顺序修正
35、。 华侨大学硕士学位论文 36 L(k-4) L(k-3) (k-2) L(k-1) (k-1) L(k) L(k-5) L(k-2) (k-3) (k-4) (k-5) L(k-4) L(k-3) (k-2) L(k-1) (k-1) L(k) L(k-5) L(k-2) (k-3) (k-4) (k-5) 图 4.2 跨段加减速示意图 (1) 根据相连2段加工段的夹角计算出转接处的最大速度值, 根据公式4.3.1 可知,两段间夹角越小,其转接速度也越小,因为夹角越小,说明速度的方向 变化越大,在速度一定的情况下,加速度也就越大,为了保证加工的平稳和精 确,需要转接处加速度小于规定的最大加速
36、度值。 (2) 起始速度和终止速度相等,其值为电机起始时最大跳变速度。 (3) 判断起始速度和转接处速度的大小,如果起始速度大于终止速度,则 此段为减速段。调用 Lmin 函数来计算出最小减速距离是否小于实际该路径长 度,如果不小于,则调入 Vmax 对起始速度和终止速度的最大值进行修正,调 入 Vmax, 如果通过 Lmin 函数计算出来的最小减速距离小于实际该段路径长度, 则不对起始速度和终止速度进行修正。 (4) 如果起始速度小于终止速度,则此段为加速断,同样调入 Lmin 函数来 计算最小减速距离,其过程与进行减速断的操作相同。 (5) 完成某段加减速路径判断后,继续进行下一个路径的判
37、断直到遍历完 所有的路径,并对相应的起始和终止速度进行了修正,顺序修正完毕。 通过上述操作即遍历所有转接速度,并进行第一次转接速度顺序修正,接 下来要进行转接速度逆修正。 4.3.2 转接速度逆序修正 (1) 因为是进行转接速度的逆修正,对应的两端的起始速度和终止速度会 发生交换,同样判断起始速度和转接处速度的大小,如果起始速度大于终止速 度,则此段为减速段。调用 Lmin 函数来计算出最小减速距离是否小于实际该 路径长度,如果不小于,则调入 Vmax 对起始速度和终止速度的最大值进行修 正,调入 Vmax,如果通过 Lmin 函数计算出来的最小减速距离小于实际该段路 第 4 章 数控系统功能
38、的实现 37 径长度,则不对起始速度和终止速度进行修正。 (2) 如果起始速度小于终止速度,则此段为加速断,同样调入 Lmin 函数来 计算最小减速距离,其过程与进行减速断的操作相同。 (3) 完成某段加减速路径判断后,继续进行下一个路径的判断直到遍历完 所有的路径,并对相应的起始和终止速度进行了修正,逆序修正完毕。 通过上述操作即遍历所有转接速度,并进行了第一次转接速度逆修正,接 下来继续进行顺序修正,因为不管是顺序修正还是逆序修正,其转接速度总是 越来越小。对于不论是加速段还是减速段,当两端转接速度持续修正,一定会 出现经过次修正后其顺序修正和逆序修正后各处转接速度不在变化,说明此 时的转
39、接处速度已经满足要求,则停止继续进行修正,并将修正后的速度进行 保存,为实际发送脉冲时,提供数据支持。 4.3.3 试验结果与分析 由上述可知, S 形加减速控制方法可以有效的减少柔性冲击, 提高加工效率, 并且通过待加工轨迹监控功能,采用跨段加减速控制方法,可以大大提高机床 的运行速度和加工精度。为了进行验证,并将其应用于某数控设备。其中数控 设备允许的最大的合成加速度为 1500mm/s2 ,最大的加加速度为 5 104mm/s3 , 最 大进给速度为 60mm/s ,插补周期为 2ms 。 现加工 7 段直线,如表 4.1 和图 4.3 所示(绝对坐标) : 表 4.1 各程序段端点坐标
40、值 X (mm) 1.931 6.189 10.751 12.407 14.840 16.394 20.044 Y (mm) 1.024 2.477 1.058 1.700 0.923 0.686 4.876 Z (mm) 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 华侨大学硕士学位论文 38 图 4.3 实例直线 在加工中分别采用段内加减速和跨段加减速两种方法对上述实例直线进行 加工,其中段内加减速中各段末速度 Ve2mm/s ,两种加工方法得到的各程序 段的始末速度和实际最高速度及相应的速度曲线分别如表 4.2 所示。 表 4.2 7 个线段组成的加
41、工轨迹试验数据 路径 段 段内加减速控制 跨段加减速控制 起始速 度 (mm/s) 末速 度 (mm/s ) 实际最高 速 (mm/s) 起始速 度 (mm/s) 末速 度 (mm/s ) 实际最高 速 (mm/s) 1 0.0 2.0 37.8 0.0 60.0 60.0 2 2.0 2.0 60.0 60.0 13.5 60.0 3 2.0 2.0 54.5 13.5 7.5 58.5 4 2.0 2.0 34.5 7.5 40.0 40.0 5 2.0 2.0 45.5 40.0 50.8 53.6 6 2.0 2.0 32.0 50.8 13.0 50.8 7 2.0 2.0 60.0
42、 50.8 0.0 60.0 由试验结果可知,系统运行平稳,加工过程中不存在冲击,可以大大延长 设备的寿命,并且加工轨迹的表面质量较好。 由此可知,本文提出的加减速控制算法和具体的速度处理方法,既可以保 证速度、加速度的连续,消除加工过程中的冲击,又可以有效提高加工效率, 改善表面质量,所以具有较好的实际应用价值。 第 4 章 数控系统功能的实现 39 4.4 OpenGL 仿真 在数控加工过程中为了能实时地观察工件加工的过程以及在加工过程中是 否会有错误发生,在软件中需要对其进行实时仿真,通过仿真区的图形显示可 以让操作员更直观的观察工件, 在二维加工过程中, 如果只对 XY 平面进行加工,
43、 通过 VC 自带的绘图函数就可以了,但是针对三维加工,其加工平面还包括 XZ, 以及 YZ 平面时,所以在软件中要用到三维绘图软件 OpenGL 来进行仿真。 4.4.1 OpenGL 简介 OpenGL 是图形硬件的一个软件接口包括的函数超过 700 个,这些函数可 以用来指定物体和操作,并创建交互式的三维应用程序。OpengGL 的实际目标 就是成为一种流线型的,独立于硬件的接口,可以实现在许多不同的硬件平台 上,为了达到这个目标,OpenGL 并未包含用于获取用户输入或者窗口任务之 类的函数,相反,必须使用具体的串口系统来间接控制 OpenGL 应用程序所用 到的特定的硬件。在 Ope
44、nGL 中,程序员必须根据一些为数不多的基本的几何 图元(如点、直线或者多边形)来创建所需要模型10。 对于 OpenGL 对场景中的图像进行渲染时所执行的主要图形操作如下: (1) 根据几个图元来创建形状,从而建立起物体的数学描述。 (OpengL 把 点、直线、多边形、和位图称为基本的图元) (2) 在三维空间内排列物体、并选择相应的观察复杂场景有利视角。 (3) 计算出所有物体的颜色。颜色可以由应用程序指定的。也可以通过特 定的光照条件进行确定,抑或通过把纹理贴到物体的表面来获得的,抑或是上 述三种操作的混合产物。 (4) 把物理的数学描述和物体相关的颜色信息转换为在屏幕上的像素,这 个
45、过程被称为光栅化。 华侨大学硕士学位论文 40 4.4.2 OpenGL 初始化 对于所有的 OpenGL 应用程序,都需要在每个文件中包含 gl.h 头文件。几 乎所有的 OpenGL 应用程序都是用 GLU。 为了使用这个函数库, 必须包含 glu.h 头文件。因此需要在源代码前加下面两行: #include #include 接着需要设置变量 HGLRC m_hRC; /OpenGL 绘制描述表 CWnd *wnd=GetDlgItem(IDC_OPENGL); /OPENGG 初始化开始 IDC_OPNENGL 为绘图控件的标识号 GetDlgItem(IDC_OPENGL)-GetW
46、indowRect(/得到空间矩形区域 大小赋值给 CRect rect1 hrenderDC=:GetDC(wnd-m_hWnd); if(SetWindowPixelFormat(hrenderDC)=FALSE) return 0; if(CreateViewGLContext(hrenderDC)=FALSE) return 0; 在进行 OpenGL 仿真是对于仿真的对象,需要对其进行设定,就好像屏幕 是一块照相机,需要仿真的对象就像是照相机去照的东西,照相机从不同的角 度,以及与被观察的物体的位置关系都会对得到的照片产生影响,所有在进行 模拟仿真前需要调整好照相机的角度和位置,以期
47、能得到合适的视图。主要包 含以下几个步骤: (1) 首先要进行观察区域的设定,即需要在什么区域内进行观察,通过设 定观察区域可以改变观察物体的大小。 这里的观察区域即空间的矩形区域大小。 (2) 在 OpenGL 中有 2 种投影方式,这里选择透视投影,即远处的物体会 比较小,近一点的则相对较大,符合人眼的观察。 (3) 在 OpenGL 中每做一次变化都要进行矩阵的单位化。 (4) 设置一个对称透视视图平截头体的矩阵,相当于一个金字塔被消去最 上面的一段,只有选择较为合适的平截头才能更好的观察,否则会出现区域里 的物体过大,或者是过小这样都是不合适的。 (5) 完成了透视投影矩阵变化下面要进
48、行模型或视图变换,主要是设置观 察点相对于被观察物体的位置,包括角度和位移,通过变化观察点的位置,被 第 4 章 数控系统功能的实现 41 观察的物体也就会出现各个方向的视图。设置好模型或视图变换矩阵后,同样 要进行矩阵的单位化运算, 完成上述操作后。还需要对 OpenGL 一些显示模式进行操作。如显示区域 的背景色以及显示时需要怎样的模式,因为是进行三维仿真,所以还需要对 Z 轴即深度缓存区进行设定,大致设定如下,首先要将实现模式定义为平滑模式 有效,然后将区域背景颜色设置成黑色,接着对深度缓存区设置为完全,最后 调用函数使深度缓存有效11。 经过上述初始化操作,即可以通过 VC 进行 Op
49、enGL 绘图了。 4.4.3 OpenGL 桥切仿真 为了模拟刀具运行,需要知道刀具任意时刻的位置,通过设置变量: double currentx,currenty,currentz; 这几个变量分别代表刀具当前位置的 X,Y 和 Z 坐标,在进行仿真时通过 实时与其他控制段某块进行数据交换从而得到当前刀具的位置, 然后进行仿真, 因为仿真时不需要高的实时性,所有这里用到的定时器就是 WM_TIMER 定时 器,每隔周期 T 来更新刀具位置,然后调用函数 void RenderSceneDXF()来进行 OpenGL 绘图,达到仿真效果。 RenderSceneDXF 函数主要的主要作用是用来进行 OpenGL 的仿真, 首先需 要通过调入的 DXF 文件,画出横截面的立体图,以及需要加工的区域,这部分 在仿真的过程中是自始至终不改变,需要改变的是刀具的位置,为了简化这个 过程,这里用一个球体来代替刀具,只要改变球体的圆心位置,也就相当于改 变了刀具的位置,如图 4.4 所示,其中渐进为白色的区域为需要加工出来的工 件,线条代表的是需要进行材料去除,白色的小球只会在直线上进行运动。 在进行 OpenGL 绘图的时候,还有
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