毕业论文-基于B样条插补的运动轨迹设计.pdf

南昌航空大学学士学位论文1基于基于B样条插补样条插补的运动轨迹设计的运动轨迹设计11引言引言数控技术是通过计算机用数字化信息制造生产过程一门自动化技术，是数控机床的核心技术1。自世界第一台数控机床于美国诞生，数控技术在进半个世纪有了迅速的发展，先由CNC阶段取代NC阶段，进而又进入到高速高精度的开放式CNC阶段。随着数控技术的迅速发展，插补技术也经历着由初始时的单纯硬件插补NC阶段进入到了软硬结合的CNC两级插补阶段。运用插补技术对工件复杂曲线和曲面进行加工一直是数字控制的核心问题。随着中国工业的飞速发展，对插补技术的要求也越来越高。许多精密零部件往往存在着很多需要加工的复杂曲面。如果所采用的数控系统可以直接输出复杂曲线，这种问题就可以立即得到解决。在加工相同精度的情况下数控程序文件的大小将成倍甚至成几十倍的减少切削刀具可以匀速进给，而且进给速度得到提高而不影响加工表面的质量2。针对此现状，本次研究提出一种基于B样条插补的运动轨迹设计。常见的插补方法有脉冲增量插补和数据采样插补，本次论文探究的B样条插补就是一种基于数据采样插补算法实现对复杂曲线的拟合，以提高加工精度的同时，保证插补加工的速度、加速度和加速度的平滑性。B样条插补具有的局部性和二阶连续性，使B样条曲线插补的研究一直是数控插补的研究热点。1.11.1国内外研究现状国内外研究现状随着科学技术的发展，特别是计算机的飞速发展，制造工业也有了根本性的变革，众多研究而学者对现代制造技术的创新性研究也有了众多突破。数控技术，这一集电子、计算机、信息处理、智能检测、自动控制于一体的核心技术在传统制造工业中有着举足轻重的地位。而在数控技术中，插补算法是数控机床系统实现运动控制的最核心模块。所谓插补算法，简单来说插补算法需保证：插补所需要的原始数据少、算法简单、插补精度高、便于控制进给速度。同时，采用软硬两级结合的方式实现插补功能，目的是能够节约插补运算所需的时间，这是在CPU运算速率慢、内存资源紧缺的年代最常采用的办法。但伴随着计算机技术的发展，CPU的运算速度和处理能力有了很大的提高，内存容量已不再是当代紧要问题。因此，国内外的研究学者对于插补方法有了更多的创新。在集成化的基础上，数控系统已经渐渐实现了超薄化、超小型化。南昌航空大学学士学位论文21.1.11.1.1国内研究现状国内研究现状相较于国际数控技术，国内数控技术水平和产业化水平都有一定程度的落后。国内数控技术的发展研究大概始于50年代末；当时主要研究数控铣床的试制。随后到60年代末，主要研制晶体管为控制系统的数控机床；到了70年代，才算真正进入到数控技术的研究，而80年代之后，国内的数控技术进入到稳定发展阶段并且发展迅速。当时已成功研制了三轴、四轴、五轴联动的较先进数控机床。运动控制方面，早期的运动控制采用运算放大器元件以硬件连接方式构成控制系统的出现，这种硬件构成的控制系统稳定性较差，环境温度都能对其造成很大的影响。随后出现的8位和16位单片机的出现，作为电动机的控制器，构成简单的系统电路，可通过软件方式实现大部分的逻辑控制，实现较复杂的控制算法。单片机是属于微处理机的一种，期缺点是很明显的，此种的单片机的处理速度与计算能力有限并且这种系统的软件编程难度大。目前运动控制系统主要采用运动控制卡，国内市场上的运动控制卡主要包括四种类型产品：PC-based，PLC-based，独立式和与用数控系统。固高以先进的运动控制技术、领先适用的创新产品以及深度整合的应用方案，为装备制造业提供核心技术创新平台，广受用户肯定；在电子加工、CNC、工业机器人、节能装备、激光加工等领域有较深建树。在研究插补算法方面，对于B样条插补算法的研究，一直是现在国内外的学者的主要研究和拓展方向。近年来，一种基于关键点的等距算法已应用于商业软件OpenCAD中，它应用了自适应离散等手段并给出了关键点的求解方法，利用关键点确定等距线各个分段的取舍，从而有效地去除自交的情况使得计算出的等距曲线有着正确的拓扑结构3。2013年，黄雪梅等刊文介绍了一种断层医学图像目标组织轮廓样条曲线建模方法：平面轮廓曲线数据的B样条曲线逼近算法4，该方法可用尽可能少的数据量表示出各个断层的轮廓曲线，获得医学內植物设计所需的骨组织轮廓曲线模型。而最近的，有研究提出了一种新的张量积型的低阶样条曲面重建算法。运用该方法，直接对初始散乱点集进行重建，方法简单易实施，重建效率高并且重建后的样条曲面自然满足切平面连续。与以往的方法相比，该方法在逆向工程中可以在保证连续性的情况下，得到精准的结果曲面，提高了曲面造型的质量和效率5。发展至今，我国的数控技术的发展已更为成熟，在机械制造业发挥着非常重要的作用，并正向着更加广泛的领域发展。不断提高数控技术的数字化与智能化水平，不断提高加工精度仍然是目前国内数控技术的发展趋势。1.1.21.1.2国外研究现状国外研究现状国外的数控技术发展先于国内，自1946年2月15日，世界第一台通用电子数南昌航空大学学士学位论文3学计算机“埃尼阿克问世”，数控时代到来，国外的数控技术历经了多代的发展。首先是硬件数控系统，简称NC系统；NC系统可以分为三代：一代为采用电子管为机床控制系统的第一代数控系统；二代为采用晶体管为机床控制系统的第二代数控系统；三代为运用集成电路组成柔性制造系统的第三代数控系统。第三代数控系统的出现，得益于小型集成电路技术的发明，使数控机床的点位控制有了很大的提升。1967年用IBM1360140计算机集中控制多台机床的技术开创了柔性制造系统的先河。之后，小型计算机也伴随着计算机技术的发展开始应用到数控领域，这种小型计算机组成的数控系统被称为计算机数控系统，简称CNC系统。这就是第四代数控系统。而只提供直线插补和圆弧插补功能的传统CNC系统，对于非直线或圆弧曲线的加工则通常采用直线与圆弧分段拟合方法进行插补加工。用这一方法在处理复杂曲线时会造成数据量特别大、精度较差、进给速度不均、编程复杂等一系列问题。随着数控技术的发展，人们对数控功能的要求也越来越高，若用硬件来实现这些功能不仅结构复杂，而且柔性差，有时甚至不可能，而用软件则具有较大的灵活性，因而用相对较少且标准化程度高的硬件，配以功能丰富的软件模块，构成CNC系统是当今数控技术发展的趋势6。这一系列问题的出现必然对加工质量和加工成本造成较大的影响。于是，许多人开始寻求一种能够对复杂的自由型曲线曲面进行直接插补的方法。国内外的学者对此进行了大量的深入研究，由此也产生了很多新的插补方法。如A(AKIMA)样条曲线插补、C(CUBIC)样条曲线插补、贝塞尔(Bezier)曲线插补、PH(Pythagorean-Hodograph)曲线插补、B样条曲线插补等。因为样条类曲线的诸多优点，特别是在表达和设计自由曲线曲面形状时显示出了十分强大功能，使得人们对于二维三维自由曲线与曲面的直接插补算法的研究更为集中在它身上。70年代初微机的出现，德、日、美等国推出了以微机为核心控制系统的数控系统，被称为第五代数控系统。值得一提的是，1974年一位美国博士首先提出了计算机集成制造（CIMC）概念，这种运用CIMC概念组成的数控系统被称为计算机集成制造系统。进入到80年代，微机技术飞速发展，微机技术也更加成熟，这一成果极大的促进了柔性制造系统的发展与扩大。90年代，个人计算机(PC机)被广泛应用，并且达到了可以成为数控系统控制核心的要求。随着PC机在数控领域的应用，数控系统开始步入PC阶段，这就是第六代数控系统。由于PC机系统开发难度低，造价低，可靠性高而且可以大批量生产，使得基于PC机的数控系统成为了国内外研究热点，在数控技术史上也有着重大的意义。南昌航空大学学士学位论文41.21.2本文研究本文研究内容内容在数控系统诸多实时任务中，实时插补计算是一项最重要也最核心的工作。通过插补算法的控制，数控系统可以通过控制系统控制刀具以给定速度、沿给定的路径运动完成工件轮廓的加工，保证工件精度和工作效率。插补任务是由插补器(Interpolator)来完成的。对硬件数控而言，插补器由硬件构成，而对CNC系统而言，插补器则主要由计算机软件程序构成。CNC系统插补程序的运行时间和计算精度影响整个系统的性能，因此，需要寻求一种简单而且有效的插补算法7。本论文的主要研究内容为：1、熟悉固高XY数控实验平台并掌握其正确使用方法；2、研究B样条插补的算法；3、设计上位机界面并编写基础程序；4、设计两个图形轨迹（五角星）（四叶草），通过MATLAB拟合出样条图形，导出拟合图形坐标数据组；5、编写的B样条插补程序，并将图形坐标数据导入程序当中完成插补。南昌航空大学学士学位论文522上位机界面设计上位机界面设计固高公司生产的GT系列运动控制卡GT-400-SV-PCI可以同步控制4个轴。实现了多轴的协调运动。其核心组成为数字信号处理器ADSP2181以及FPGA（现场可编程门阵列），能实现高性能的控制计算。控制卡同时提供了C语言函数库和Windows下的动态链接库，可实现复杂的控制功能。现代数控系统正朝着高速、高精度、智能化、网络化方向发展，而这些性能的实现全靠数控系统的运动控制和执行部件来保障。以前的数控核心主要是基于PC机，而由于PC机本身的执行速度有限，其位控周期和位控精度都受到了很大的限制。而目前基于数字信号处理器（DSP）的运动控制卡则可以很好地处理这些问题。2.12.1固固高高GTGT400400运动运动控制卡概述控制卡概述运动控制卡是一种基于PC机及工业PC机、用于各种运动控制场合（包括位移、速度、加速度等）的上位控制单元。GT系列运动控制卡以IBM-PC及其兼容机为主机，提供标准的ISA总线和PCI总线两个系列的产品本文主要介绍GT400SV控制卡。控制卡为运动控制器的核心部分，完成运动控制轨迹，即完成如偏差计算、控制器的有关算法、输入输出信号预处理（如DA、AD转换等）等功能7。GT系列运动控制器型号及其含义如图2-1-1所示。图2-1-1GT系列运动控制器型号及其含义GT400SV控制卡具有良好的开放性，用户可以在DOS、VC、VB、Delphi环境下进南昌航空大学学士学位论文6行软件开发。本文使用的PCI卡是在WindowsXP系统下的利用VisualC+6.0中的MFC以面向对象方式进行编程。运动控制器他提供DOS下的运动函数库和Win逗我剩下的运动函数动态链接库，用户只要调用运动函数库中的函数，就可以实现运动控制器的各种功能。控制卡在Windows下开发的底层动态库包括VC+编写的三个头文件GT400.h，GT400.lib和GT400.dll。在Windows系统下动态链接库的使用方法（PIC卡）：（1）在用户程序中加入:#include“GT400.h”（2）在VC环境菜单中，先选择Project-Setting-Link，并于ObjectLibrarymodules中输入GT400.lib。然后用户便可以在程序中自行调用动态链接库中的函数。因为VisualC+6.0是Windows的程序开发语言，所以用VisualC+6.0开发程序前需要先弄清楚Windows程序内部机制。在Windows环境下的软件开发是完全不同于传统DOS下的。它是一种时间驱动方式的程序设计模式，主要基于消息。当用户需要完成某种功能时，它将会调用操作系统的某种支持，然后操作系统将用户的需要包装成消息并投递到消息列队当中，最后应用程序从消息列队中取走消息并进行响应。2.22.2运动控制运动控制模块模块该运动控制卡可以实现单轴及多轴协调运动。对于单轴所执行的运动操作有绝对、连续点动、急停缓停、回零等；对于多轴协调运动有直线插补和圆弧插补。4轴协调运动采用直线插补法，正确地设置坐标映射，合成速度、加速度，再加轨迹设置命令及目标位置，即可实现四轴协调运动。运动控制卡通过坐标映射函数GT_MapAxis(shortAxis_Numdoublemap_count)将控制轴由单轴运动控制模式转换为坐标系运动控制模式。同时运动控制卡开辟了底层运动数据缓冲区，在坐标系运动控制模式下，可以实现多段轨迹快速、稳定的连续运动。这些操作都是相互独立的，在控制面板中每个操作按键对应一个独立的事件。2.32.3上位机控制上位机控制界面的界面的创建创建前文中已经提到本次设计使用的是VisualC+6.0中的MFC以面向对象方式进行编程。使用MFC框架进行编程，需要先创建一个MFC项目，步骤如下（可参考文献8）：（1）启动MicrosoftVisualStudio6.0程序，如图2-3-1所示。南昌航空大学学士学位论文7图2-3-1MicrosoftVisualStudio6.0程序启动界面（2）单击“File”“New”菜单命令，打开“New”对话框。（3）选择“Project”选项卡当中的MFCAppWizard（）选项，并在“Projectname:”编辑框内输入自定义的项目名称，在项目名称编辑框的下面有个“Location：”编辑框，可以自定义所创项目的存储位置，如图2-3-2所示。图2-3-2MFC框架创建界面（4）单击“OK”按钮，出现MFCAppWizard-Step1对话框，选择Dialogbased，如南昌航空大学学士学位论文8图2-3-3所示。图2-3-3MFCAppWizard-Step1对话框（5）单击“NEXT”，进入下一界面出现MFCAppWizard-Step2对话框，如图2-3-4。南昌航空大学学士学位论文9图2-3-4MFCAppWizard-Step2对话框（6）按提示点击“OK”，完成MFC框架创建，如图所示。图2-3-5MFC框架初始界面南昌航空大学学士学位论文102.42.4VCVC+程序设计程序设计运用VC编程对MFC框架进行进一步的构建。在MFC项目创建完成后会自动弹出VC+编程界面，在这个界面的左侧是项目工作区窗口。该窗口共有三个分页面板：“ClassView”面板、“ResourceView”面板、和“FileView”面板。在每一个面板下，都有一个层叠的树形结构。本论文设计的上位机控制界面如图2-4-1所示。本次设计的界面当中，控制界面有5个按钮：初始化、启动轴、插补开始一（四叶草）、插补开始二（五角星）、插补停止。右侧为插补位置显示界面，实时显示XY坐标，最后一个按钮为退出按钮。各按钮程序编写如下，详细内部程序见附录（二）。初始化：GT_Open()GT_Reset()启动轴：GT_Axis(i)开启轴GT_AlarmOff()关闭驱动器警报GT_LmtSns(0 xf)限位开关低电平有效GT_LmtsOn()开启当前限位开关GT_ClrSts()清除当前轴事件状态标志位GT_CtrlMode(0)模拟量输出GT_CloseLp()闭环控制GT_SetKp(1)设置当前轴比例增益GT_SetKi(0)设置当前轴积分增益GT_SetKd(0)GT_Update()GT_AxisOn()插补开始一：UpdateData(TRUE)将窗口数据更新到程序中GT_StrtList()GT_MvXY(0051)for(unsignedinti=0iAppendMenu(MF_STRINGIDM_ABOUTBOXstrAboutMenu)SetIcon(m_hIconTRUE)SetIcon(m_hIconFALSE)returnTRUEvoidCpcDlg:OnSysCommand(UINTnIDLPARAMlParam)if(nID&0 xFFF0)=IDM_ABOUTBOX)CAboutDlgdlgAboutdlgAbout.DoModal()else南昌航空大学学士学位论文40CDialog:OnSysCommand(nIDlParam)voidCpcDlg:OnPaint()if(IsIconic()CPaintDCdc(this)devicecontextforpaintingSendMessage(WM_ICONERASEBKGND(WPARAM)dc.GetSafeHdc()0)intcxIcon=GetSystemMetrics(SM_CXICON)intcyIcon=GetSystemMetrics(SM_CYICON)CRectrectGetClientRect(&rect)intx=(rect.Width()-cxIcon+1)2inty=(rect.Height()-cyIcon+1)2dc.DrawIcon(xym_hIcon)elseCDialog:OnPaint()HCURSORCpcDlg:OnQueryDragIcon()return(HCURSOR)m_hIconvoidCpcDlg:OnOUT()shortrtnrtn=GT_Close()CDialog:OnCancel()voidCpcDlg:OnInitSys()南昌航空大学学士学位论文41GT_Open()GT_Reset()voidCpcDlg:OnStartAsis()for(inti=1i=5i+)GT_Axis(i)GT_AlarmOff()GT_LmtSns(0 xf)GT_LmtsOn()GT_ClrSts()GT_CtrlMode(0)GT_CloseLp()GT_SetKp(1)GT_SetKi(0)GT_SetKd(0)GT_Update()GT_AxisOn()GT_MapAxis(1CNT1)GT_MapAxis(2CNT2)GT_MapAxis(3CNT3)GT_MapAxis(4CNT4)voidCpcDlg:OnStart()GT_SetSynVel(5)GT_SetSynAcc(1)SetTimer(110NULL)flag=truevoidCpcDlg:OnStop()flag=false南昌航空大学学士学位论文42GT_StpMtn()for(inti=1i=4i+)GT_Axis(i)GT_AxisOff()GT_Close()unsignedlongi=0voidCpcDlg:OnTimer(UINTnIDEvent)unsignedshortstatus1status2UpdateData(TRUE)GT_Axis(1)GT_GetAtlPos(&m_Xpos)GT_Axis(2)GT_GetAtlPos(&m_Ypos)if(flag=true)GT_Axis(1)GT_GetSts(&status1)GT_Axis(2)GT_GetSts(&status2)if(status1&0 x400)|(status2&0 x400)elseif(i=131)GT_SetSynVel(1)GT_SetSynAcc(0.5)if(i=262)GT_SetSynVel(1)GT_SetSynAcc(0.5)if(i=393)GT_SetSynVel(0.3)GT_SetSynAcc(0.5)南昌航空大学学士学位论文43if(i=524)GT_SetSynVel(1)GT_SetSynAcc(0.5)if(i=655)GT_SetSynVel(1)GT_SetSynAcc(0.5)if(i=786)GT_SetSynVel(0.3)GT_SetSynAcc(0.5)if(i=917)GT_SetSynVel(1)GT_SetSynAcc(0.5)if(i=1048)GT_SetSynVel(1)GT_SetSynAcc(0.5)if(i=1179)GT_SetSynVel(0.3)GT_SetSynAcc(0.5)if(i=131