（机械制造及其自动化专业论文）石材异型制品加工计算机数控系统研究开发.pdf

摘要 目_ e 目! 自! ! ! _ ! ! ! g ! 目目日自，e ! j ! | ! ! ! ! 自g ! 自e ! s ! ! ! 目目! ! ! l 自 摘要 根据石材异型制品加工设备的实际需要，结合当前数控技术发展现状和趋势， 开发出了一套面向石材异型制品加工设备的经济型数控系统。系统的开发采用模 块化的设计思路和全软件化的总体思想，把数控系统的基本功能用软件来实现， 并按照功能把系统划分为若干模块，实现了调试升级的便捷性和多人开发的协同 性。系统基于w i n d o w s 操作系统，采用v c + + 开发工具和多线程技术。硬件采用 i p c + i o 卡的结构方式，选用步进电机为驱动装置。这种软硬件结构既经济又可 靠，满足石材异型制品加工设备的需要。课题的研究内容如下： ( i ) 在对石材异型制品加工设备的运动充分分析的基础上，对运动特点进行 了归纳，提出在i p c 机内添加i o 卡的硬件结构方案，并对系统的主应用程序框 架进行了构造，为软件以后的扩充与维护提供了良好的开发环境。 ( 2 ) 对图形编辑模块进行了完善，对各种矢量图形元素之间的平面几何关系 进行了详细的分析，建立了图形元素平面几何理论，并运用该理论，实现了图形 块的开发。在对d x f 接口深入研究的基础上，实现了与常见c a d 系统的数据共享。 ( 3 ) 结合石材加工特点，对几种常见的断点保存方法进行了分析，提出了适 合本数控系统的软件化断点保存方法，并对它的实现机制和编程技巧进行了详细 的说明。 ( 4 ) 对现有的n c 代码解释方法进行了研究，提出了语法检查和编译相分离的 实现方法。把整个流程分解成词法检查、语法检查、编译三部分，并逐个对其原 理和和实现方法进行了分析。 通过测试证明，图型编辑模块符合绘制复杂异型制品的需求，使用方便。断 点保存功能可以及时地对断点进行存储和读取，有效地保证了加工效率。语法检 查模块运行高效稳定，具有较高的可拓展性。 关键词：石材异型制品；软件化数控；图形编辑；断点保存；语法检查 山东大学硕十学付论文 a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to fe q u i p m e n t - s h a p e ds t o n e sa n dt h ep r e s e n ts t a t u s a n dd e v e l o p i n gt r e n do fc u r r e n tn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m , a l le c o n o m i c a lc n cs y s t e m f o rs p e c i a l s h a p e ds t o n em a c h i n i n gi sd e v e l o p e d m o d u l a r i z a t i o na n ds o f t w a r ec h i c t h e o r yi su s e di nt h es y s t e m s o m eb a s i cf u n c t i o no ft h ec n ci m p l e m e n ti n t h e s o f t w a r es y s t e m ，a n dt h es y s t e mi sd i v i d e di n t om a n ym o d u l e sa c c o r d i n gd i f f e r e n t f u n c t i o n s i ti se a s yt od e b u ga n du p d a t ea n dt od oc o o p e r a t i o nf o re a c ho t h e r t h e s y s t e mi sb a s e do nw i n d o w sa n du s e dv c + + p r o g r a m m e rt o o la n dm u l t i t h r e a d s t e c h n o l o g y t h eh a r d w a r ei sb a s e do ni p c + i oc a r d a n du s es t e p m o t o rt od r i v e t h e m a i nc o n t e n to f t h et h e s i si sb e l o w ： ( 1 ) a n a l y s e st h em o v e m e n to ft h ee q u i p m e n t - s h a p e ds t o n e s ，g i v et h ei d e ao fi p c + i oh a r d w a r es t r u c t u r ea n dt h es o f t w a r ec n cs y s t e m i tp r o v i d e sag o o de n v i r o n m e n t t om a i n t a i na n du p d a t et h es y s t e m ( 2 ) d e v e l o p e dt h eg r a p h i c se d i tm o d u l e e m p h a s i z et oa n a l y z et h eg r a p h i c s r e l a t i o ni np l a n eg e o m e t r y , e s t a b l i s ht h et h e o r yb a s ef o rs e n i o rf u n c t i o no ft h em o d u l e a c c o r d i n gt ot h et h e o r y , d e v e l o p e dt h eb l o c kf u n c t i o n , a n dr e a l i z e dt h ec r e a t i n ga n d i n s e r t i n go ft h eb l o c k d e v e l o p e dt h ed x fi n t e r f a c e c a ni n t e r c h a n g ed a t aw i 血o t h e r c a d s y s t e m ( 3 ) a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co fs t o n em a c h i n i n g ，d i s c u s s e dt h en e c e s s i t yo f b r e a kp o i n tp r e s e r v a t i o nf u n c t i o n e n u m e r a t es e v e r a lw a y st or e a l i z et h ef u n c t i o na n d g i v ea ni d e at om a k et h ef u n c t i o ni ns o f t w a r es y s t e ma n dp a r t i c u l a r i z eh o w t od oi t ( 4 ) d e v e l o p e dt h en ci n t e r p r e tm o d u l e a n a l y s e st w ot r a d i t i o n a lw a y so f t h en c i n t e r p r e tf u n c t i o n , g i v ea ni d e at om a k ed i v i s i o nf o rp h r a s e o l o g yc h e c ka n dt r a n s l a t i o n a n di ti sd i v i d e di n t o3p a r t s ：a c c i d e n c ec h e c k , c h e c ka n dt r a n s l a t i o n a n a l y z et h e p r i n c i p l ea n dr e a l i z a t i o no f t h ef u n c t i o n t h et e s tt e l l sl l s g r a p h i c se d i tm o d u l ef u l l ym e e ts t o n em a c h i n i n gd e m a n da n di t i se a s yt ou s e p o i n tp r e s e r v a t i o nf u n c t i o nc a nr e a da n ds a v et h eb r e a kp o i n ti nt i m e g u a r a n t e e dt h em a c h i n i n gr a t e n ci n t e r p r e t sm o d u l e r u n sg o o di ns t a b i l i z a t i o na n db e h i g h l ya b i l i t yt oe x p a n d k e yw o r d ss p e c i a l - s h a p e ds t o n e ；s o f t w a r ec n c ；g r a p h i c se d i t ；b r e a kp o i m p r e s e r v a t i o n ：n ci n t e r p r e t n 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：互壶选日期：2 竺! ：! ：兰： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或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；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他 复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：逝导师签名：让日 期：塑亟：z 论文作者签名：毛鱼丝：鲨导师签名：乏左 日期：塑亟：z 第f 章绪论 第1 章绪论 1 1 石材异型制品及其j j - r 设备 1 1 1 石材异型制品的定义及应用 石材异型制品，可以理解为除石材扳材制品以外的其它所有石材制品。如我 们平常所见的人物或动物的雕像，挂在墙面上的浮雕、圆柱、拱门等都可以称为 石材异形制品。 近几十年来，随着科学技术的发展以及人们对大自然的崇尚，石材制品以其 天然的华丽色彩和物理性能使其在建筑装饰，精细加工，精密检测、生活用具、 艺术制品等方面得到大量应用，尤其是在建筑装饰上等到广泛的应用【1 】。 石材异型制品用途广泛。在建筑方面，可以用做石雕和整型料石，如：高级建 筑与仿古建筑的柱、柱基台阶、台基、水池装修、纪念碑等。也可用做租面装饰 板，如：室外装修、防滑地面、路面等。也可做成抛光装饰板及板石，如：室内 外墙面，地面、楼梯踏步、台阶、踢脚板、窗台、门框、服务台等。石材在生活 用品方面也有广泛的用途，可以做成石桌、石凳、茶几、卫生问洗台、壁炉文具、 烟具、灯具、花盆、花瓶等。异型石材可以做成家具，给人以典雅和富丽堂争之 感，也可做成很多非常美丽的工艺品。 目前，异型石材主要应用于建筑装饰上，在世界各国已经成为建筑装饰业的 主流，但由于世界各国的历史文化的不同，在建筑装饰的表现手法上也体现出地 域的不同。近年来，人们对石材异型制品的要求向着高档化，多花样、个性化方 向发展，石材加工也呈现出品种多、批量小的特点f 2 j 。 1 1 2 石材异型制品的分类 石材异型制品的分类方式很多，被行业公认的主要是按制品的特点和加工方 式进行分类f 3 j ： ( 1 ) 平面异型制品指形状以二维图形为主的台板面制品，一般带有边缘花 山采人学硕十学付论文 线，如卫生间面盆板、厨房灶台板、花线条、拼花板材等。 ( 2 ) 曲面异型制品指具有公共母线或对称中线的曲面板材制品，如内外圆 弧形、s 形或波浪形等墙面、柱面用板材制品。 ( 3 ) 实体回转面制品指具有对称中线的桂体制品，如圆柱、工艺花瓶、栏杆 柱、扭纹柱、球体、罗马柱、柱座等，加工设备具有回转工装。 ( 4 ) 雕刻制品指没有对称中线、具有复杂形状的异型制品，包括平面浮雕 和立体雕刻，如画框、透雕窗格、壁炉饰面、各种楼梯扶手、立体人像、动植物 雕刻品等。 1 1 3 石材异型制品的加工设备 随着数控技术，制造技术和计算机技术的发展，石材异型制品的加工已由传 统的手工作业发展为机械化，自动化的生产n 目前最常见的石材异型制品加工设 备有以下几种： ( 1 ) 单一功能的加工设备 专门用于生产某一种类型的石材异型制品。以各种各样的国产设备为主，如花 线条n i 设备、圆弧板加工设备、台面板加工设备、柱体加工设备。 ( 2 ) 仿型加工设备 目前用于石材异型制品的仿形机构有机械和液压等方式。机械仿形机构多采 用由平行四边形机构组合而成的结构形式，液压仿形则是将几个液压油缸和液压 阀组合形成液压仿形油路系统。如卧式液压仿形车床，立式液压仿形车床等。 ( 3 ) 数控加工设备 1 ) 数控车床 加工母线是曲线的回转体类制品设备，这类设备的刀具只需具备两个呈正交 关系的运动方向，这两个运动方向与回转体的旋转轴线同处个平面内。数控车 床专门用于加工罗马柱、扭纹柱、花瓶、栏杆等母线是任意曲线和直线的柱类产 品或球类等产品。 2 ) 数控铣床 数控铣床是专门加工非回转体制品的数控设备，大多可以进行浮雕加工。 2 第l 章绪论 3 ) 数控金刚石串珠锯 数控金刚石串珠锯是使用柔性刀具加工石材异型制品的数控加工设备，适合 加工各种异型制品，如内外曲面板材、大型罗马柱等1 5 1 。大多配备数控系统：2 - - 3 轴数控用来加工等截面的石材异型制品， 制品。加工花岗石制品的成本相对较高， ( 4 ) 多功能加工中心 4 5 轴数控可加工非等截面的石材异型 但在花岗石矿山开采中的效果非常好。 多功能数控加工中心通常是指将多个普通数控设备的功能集中于一体，并带 有刀库的数控加工设备。可用来生产各种常见或形状比较复杂的异型产品。设备 功能可以通过增减配件进行拓展。 ( 5 ) 其他异型加工设备 1 ) 高压水射流切割机 高压水射流技术是以高压水射流或磨料射流为切割手段的石材加工技术。这 是一种刀具简单、无粉尘污染、低噪音、切口狭窄的切割技术。在石材行业，它 主要用于石材拼花板材的加工，各种平板类石材标志的加工，而且产品批量大， 精度高1 6 1 。 2 ) 毛面花纹板的喷砂加工设备 这种类型的设备采用喷砂毛面加工原理，在石质板材表面上喷砂加工出各种 花纹图案，并可批量生产。 3 ) 多功能手提式异型石材切割、磨抛机 多功能手提式异型石材切割机是用于加工边型为直线或曲线的便携式切割 成型机1 7 1 。 1 2 课题提出的背景及意义 我国虽然是石材资源十分丰富的国家，但我国的石材加工技术尤其在异型石 材加工方面与先进国家相比仍存在较大的差距。在石材加工技术和装备上相对于 德国、意大利等发达国家还比较落后，至今未能形成成熟的加工技术嗍。 随着对石材制品的品种和质量要求愈来愈高，我国石材加工业迫切需要多功 能、效率高、投资小的适合我国国情的自动化加工设备以及与之相关的加工工艺 山东犬学硕十学f r 论文 技术。由于多功能c n c 数控加工中心价格昂贵，普通企业难以接受，而单功能机生 产设备劳动强度大、生产效率低，很难满足石材异型制品的加工要求，因而急需 开发适合我国国情的投资小、见效快、实用性强、通用性好、质量稳定的石材加 工成型设备，而丌发与之配套的具有实用性、经济性的数控系统成为了其中的关 键1 9 1 。 本系统就是结合山东省石材工程技术研究中心开发的s s 系列石材异型制品加 工设备，开发与之配套的数控系统。本数控系统可以完成各种石材异型制品的加 工，具有良好的人机界面，操作简单、易学易用。具有较高的可靠性和较低的开 发成本，是一套经济型、实用型的数控系统。 1 3 课题的研究内容和章节安排 本课题在对石材异型制品加工设备需求分析和控制理论深入研究的基础上， 详尽地对系统的总体框架和具体功能进行规划，运用面向对象的语言和模块化设 计的思想对系统进行开发。 论文的章节安排如下： 第l 章：对石材异型制品及其常用的加工设备进行了介绍，结合石材异型制 品加工设备的现状及发展趋势，提出了本课题的研究背景及意义。 第2 章：结合s s 系列石材异型制品加工设备的运动特点，对设备的控制要 求进行了需求分析。从硬件和软件两个方面对系统进行了规划和设计。 第3 章：对图形编辑模块进行了总体规划，分析并确定了矢量图形绘制的基 本图元，建立了平面几何关系理论并实现了矢量块的生成、管理和插入以及d x f 数据的读取和生成等功能。 第4 章：根据石材异型制品的加工特点，提出断点保存功能的必要性，结合 常见断点保存方法，提出断点保存软件化的思路，并详细阐述了实现过程。 第5 章：在分析n c 代码结构特点的基础上。对传统的语法检查方法进行分 析，提出了语法检查和编译分开的设计思路，对实现过程进行了详细的描述。 第6 章：对本课题进行了总结和展望。 4 1 4 本章小结 对石材异型制品进行了定义和分类， 国内外石材加工设备的现状和发展趋势， 绍了课题的主要研究内容和各章节安排。 分析了目前比较常用的加工设备。结合 阐述了课题的研究背景和意义，最后介 山东大学硕十学侍论文 第2 章系统的总体设计 2 1s s 系列石材异型制品加工设备分析 2 1 1 平面异型制品加工设备分析 平面异型制品主要是二维平面曲线构成的台板面制品，其型面大多由成型工 具实现。加工时工具的上下运动实现打孔加工和边缘曲线加工时位置的确定，工 作台的6 口后运动和加工工具的左右运动实现平面二维曲线的插补运动1 0 1 。因此。加 工平面异型制品需要x 、y 、z 三个轴向的运动，其中x 、y 轴联动，即三轴二联 动。如图2 1 所示。 图2 - 1 平面异型制品加工设备 2 1 2 曲面异型制品加工设备分析 曲面异型制品的特点是具有公共的二维母线，加工时需要两个轴做平面内的 插补运动，每插补完一次，轴向进给一次，移动到下个平面进行下一次插补运动。 如图2 - 2 所示。 6 第2 章系统的总体设计 工且 石材内曲百巡k 、如她 图2 - 2 曲面异型制品加工原理 因此，如图2 3 所示，加工需要y 、z 方向上的联动以及x 方向上的进给运动。 即三轴二联动。 a ) 加工内曲面 图z - 3 曲面异型制品加工 2 1 3 回转体异型制品加工设备分析 b ) 加工外曲面 实体回转面制品加工主要是靠加工对象的自身旋转和水平面内刀具的进给运 动实现加工的。每加工完一个平面，需要刀具沿竖直方向移动一段距离，加工下 一个平面。如图2 4 所示。 因此，实体回转面制品需要工作台的转动，以及x 、z 轴方向上的进给运动。 即三轴二联动运动。如图2 - 5 所示。 7 山东大学硕十学何论文 图2 - 4 实体同转面制品加工原理图2 5 回转面( 球体) 加工 2 1 4 平面浮雕制品加工设备分析 浮雕雕刻不但需要在水平面内做两个轴的插补运动，还需要在竖直方向上做 插补运动，以体现出深浅的变化。因此，浮雕雕刻需要x 、y 、z 三个轴联动，即 三轴三联动。如图2 - 6 所示。 图2 6 雕刻制品加工设备 综上所述，前三种异型制品的加工需求比较简单，三轴两联动就可以满足要 求，雕刻制品加工相对复杂，对设备和数控系统的要求都比较高。考虑到实际的 加工需要和系统成本，我们把系统定位到加工相对简单的平面异型制品、曲面异 型制品和回转体异型制品的加工，相应地对系统的控制需求满足三轴两联动就可 以。 第2 章系统的总体设计 2 2 系统的总体设计 2 2 i 功能需求 数控系统的控制对象是石材加工设备，实现各类石材异型制品的加工，通过 对上面加工设备的分析，控制系统的功能需求如下： ( 1 ) 需要步进电机驱动三个轴运动，其中需要两个轴联动，并控制主轴电机的 启停和转速。 ( 2 ) 数控系统可以读取编制好的n c 代码，也可以通过图形编辑系统绘制图形， 自动生成n c 代码。 ( 3 ) 具有多种加工控制方式，如自动控制、手动控制、m d i 控制、手轮控制等。 ( 4 ) 对系统产生的故障有自诊断功能，根据故障等级的不同，产生相应的提示 或报警。 ( 5 ) 对因故障产生的断点进行保存并恢复。 ( 6 ) 为保证n c 代码格式和逻辑的正确性，对n c 程序有语法检查功能。 ( 7 ) 对编制好的n c 代码进行刀具轨迹的模拟，以确定加工轨迹的正确性。 具体的功能流程如图2 7 所示： 2 2 2 性能需求 图2 7 基本功能流程图 ( 1 ) 系统实时性的要求 数控加工具有实时性，作为一个实时系统，中断延迟时间应不超过o 1 毫秒， 即使是精度要求相对低的加工，其响应时间应小于i 毫秒。否则，系统的加工精 9 山东大学硕十学俯论文 度和安全可靠性都会受到影响”2 1 。 ( 2 ) 软件系统要求 本套数控设备主要是面向广大的石材加工企业，其操作员工的文化水平参差 不齐，因此，异型石材数控系统在设计时充分考虑面向大众化的实际需要，做到 界面友好、简捷、使用方便，用户只需通过简单培训，即可熟练应用u 3 l 。 在软件设计上提高软件的健壮性、运行稳定性，能够保障软件准确、长时间 的运行。 ( 3 ) 计算机硬件配置 本系统应能在普通性能的机器环境下( p i i 以上c p u ，1 2 8 m 以上内存或相应档 次的配置) 正常运行。 2 2 3 运行需求 ( 1 ) 系统应可运行于w i n d o w s ( n t 2 0 0 0 x p ) 操作系统上。 数控系统的主控计算机通常是专门用于数控加工及其相关操作的，不需要进 行其他方面的操作。因此，在为用户装配数控系统的时候可以同时为其装上操作 系统，只要能够满足数控系统的需要即可。w i n d o w s ( n t 2 0 0 0 x p ) 操作系统是目前 最普及功能最全面的操作系统，所以选用w i n d o w s ( n t 2 0 0 0 x p ) 作为数控系统的操 作系统平台。 ( 2 ) 系统应具有较强的可靠性、稳定性与抗干扰性。 石材加工的加工现场环境相当恶劣，加工现场温度过高或过低、高湿度、高 粉尘污染、强烈的振动与噪声以及干扰源( 电网污染、电磁干扰) 复杂多变，这些 均对数控系统的可靠性与稳定性造成极大威胁。因此，在产品设计阶段应充分考 虑并提高系统的可靠性与稳定性。同时，也需提高系统的自诊断功能，以便系统 发生故障时，能够及时发现故障并予以排除【1 4 1 。 2 2 4 设计思想 ( 1 ) 系统具有高可靠性和抗干扰能力 通过对石材加工环境的分析，在系统开发初期，必须把环境因素考虑进去， 0 第2 章系统的总体设计 通过一系列措施，把来自环境的干扰降低到最低点。 ( 2 ) 系统的专用性，经济性和实用性 石材加工相对于传统加工具有独特的特点，石材设备的数控系统也和传统数 控系统有所区别，在设计过程中，要充分考虑到石材加工设备的特点，设计出适 合石材加工特点的数控系统。 在中国石材加工劳动力成本比较低，因此系统要尽可能降低成本，提高实用 性，这样才能具有竞争力。 ( 3 ) 系统操作简单方便，易学易用 石材设备操作人员大多文化程度不高，对复杂的操作难以胜任。针对这种特 点，系统界面的简单，明了就显的异常重要。把相对复杂的功能交给程序去完成， 实现系统的智能化。 ( 4 ) 系统的模块化设计 系统开发过程中把功能相对独立的部分划分成若干模块，开发各模块时建立 单独的工程，然后建立相对的测试工程对每个模块进行测试。当测试毫无问题后， 可以将各个独立的模块工程组合起来。这样设计的优点就是，便于发现编程过程 中存在的问题，修改方便。同时对各模块功能的更新和升级也非常方便【1 5 1 。 2 2 5 总体设计 ( 1 ) 系统的总体规划 根据上面的功能需求、性能需求、运行需求以及设计思想，系统采取开环控 制，三个轴向采用步进电机驱动。系统主要控制设备是工业控制计算机，数控软 件系统基于w i n d o w s 环境，通过i 0 设备进行控制步进电机、主轴电机以及手轮【1 6 1 m 。系统的总体如图2 8 所示： 工业控制计篡机 _ 叫步进驱动 - | 三轴步进电机 i j o 。+ | 主轴5 9 动h 主轴电机i - _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一。- _ - _ - - - i 。_ _ 。_ _ 一 兀 兢 磊蕊订 山东犬学硕十学倚论文 图2 - 8 系统的总体没计 ( 2 ) 实时性问题处理 由于w i n d o w s 基于消息机制运行，并非实时性操作系统，为保证加工的实时 性，必须对系统进行实时处理。 根据步进电机的要求，按空载时最大运行速度1 0 0 0 转分钟计算，每个发出脉 冲的时白j 需要精确到0 1 2 5 m s ，这就对定时器提出达到至少0 1 m s 的要求，运用v c 提供的q u e r y p e r f o r m a n c e f r e q u e n c y ( ) 和o u e r y p e r f o r m a n c e c o u n t e r 0 函数，可以 改变系统内部定时器的时钟频率，可实现最小l m s 的定时。石材加工对精度的要 求没有像金属加工那样严格，因此这样的时钟频率可以满足石材加工的需求。 ( 3 ) 功能需求的划分 按照功能需求，把系统分为三个部分：加工控制部分、程序检查部分和图形 编辑部分。如图2 9 所示。 幽2 - 9 系统功能划分 1 ) 加工控制部分的主要功能是在加工控制过程中各种控制、显示、设置及报 警提示等功能。按照功能被分为数值显示、运行状态、加工方式、参数设置及其 他几个方面。它整个数控系统的核心部分。如图2 1 0 所示。 1 2 第2 章系统的总体设计 广磊羽 参数设置il 其他 耋ll 蠢 垂ll 蓁li 蓁 设l l 修修ll 切l i 显 置ff 调| i 调ll 换i 示 囊ll 蓁l | 孽l 垂il 妻ll 墓li 室ll 蚕 l 萋ll 奚l l 蓁ll 耋ll 蓁ll 蓁| l 量ll 霍l l 蓁 图2 - 1 0 加【控制部分结构图 2 ) 程序检查部分的功能是对n c 代码语法检查和走刀路线的模拟仿真。语法 检查就是对n c 代码本身的语法进行检查，而模拟仿真是对整个n c 代码程序的合 理性和正确性进行检查。通过本部分的检查后，n c 程序就可以直接被系统执行了 如图2 1 1 所示。 图2 一l l 程序检查部分结构图 3 ) 图形编辑部分主要包括图形绘制、图形编辑和自动编程三个方面。图形绘 制和图形编辑的功能是完成制品矢量图形的绘制，自动编程对绘制好的矢量图形 进行工艺设置，生成n c 代码。图形编辑部分还包括图形块建立、各种参数设置以 及d x f 接口等其他功能。如图2 一1 2 所示。 断点读取堕亓舡吾引引忆l引 态一1限愀憾 做工 兰lr引 一1 辅助参数 示= 显一工剩余坐标 值工 数一【工件坐标机床坐标 臣困 臣匈匪阖匝卒圈臣鲴臣驷 田 丽葡丽丽丽丽 2 3 数控系统硬件部分的设计 石材加工的环境特殊，应尽量避免来自环境的干扰，把传统数控靠硬件来实 现的功能放到软件中去实现( 如插补，p l c ) ，计算机和电机及其驱动设备之间只有 一个接口【1 9 1 。与此同时应对硬件采取必要的防护措施，如应将工控机置入密封的 控制柜中，力求达到外围屏蔽与防潮、防粉尘等效果；信号线全采用金属屏蔽， 以防电磁干扰；接地线尽量粗，以降低电位差。输入输出信号均有光耦合加以隔 离，以提高信号的输送准确性，防止外界干扰。 ( 1 ) 硬件系统总体设计 硬件的构架方式采用i p c + i o 卡的形式， o 卡就是的面提到的软硬件接口 设备，它被安装在工控机的p c i 插槽内，将来自工控机的指令转换成输出的脉冲 信号。由石材异型加工设备运动分析可知，设备做三轴两联动运动，同时主轴电 机作一定角速度的转动，i o 卡提供至少四组脉冲的输出信号，输出信号通过电 机的控制器驱动电机转动。由于石材加工的精度要求不高，故控制方式采用开环 控制，三个轴向丝杠靠步进电机驱动。如图2 一1 3 所示。 1 4 第2 章系统的总体设计 i 工控机t 孵 l p a 总线 i a c 6 6 5 2 i 搿ii 淼ii 淼f 旧i 图2 - 1 3 硬件系统结构 ( 2 ) i o 卡的选择 i o 卡采用北京双诺测控技术有限公司提供的a c 6 6 5 2 卡，该卡是一款低价格通 用光电隔离t o 板，具有1 6 路输入、1 6 路输出。采用p c t 总线支持即插即用、无需 地址跳线。采用大规模可编程门阵列设计，提高可靠性f 2 0 1 。 a c 6 6 5 2 支持5 2 4 伏输入，同时输出为集电极开路输出( o c 输出，输出芯片：6 n 3 3 或t i l l l 3 ) ，输出驱动电流大于3 0 毫安，可以方便的驱动小型继电器、l e d 等负载。 响应时间见表2 - i 、2 - 2 。 表2 一li o 卡的输入性能 表2 _ 2i o 卡的输出性能 i 电平变化响应时间( “s ) l 高一 低 2 5 i 低一 商 2 5 l 电平变化响应时间( us ) 高一 低 2 5 i 低一 高1 0 0 石材加工的特点是切削力大，进给速度慢，响应时间要求不很严格，一般在 l o m s 左右，此控制卡的响应时问完全符合我们的要求。 ( 3 ) 电机的选择 为保证数控机床的加工质量，驱动元件应满足如下要求：调速范围宽且有良 好的稳定性，低速时要求速度平稳：负载特性硬：反应速度快：可频繁的启、停 及换向等。步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机是目前常用的驱动元 件【2 ”。 本系统选用步进电机作为数控系统的驱动元件，因为步进电机具有快速启停， 精确步进，误差不会长期积累及能直接接受数字信号的特点，目前经济型数控机 床大都用它作为伺服执行单元。步进电机是靠脉冲电源来驱动的，并必须以一定 的相序加到电机的各相绕组上才能按规律运转，本系统中采用软件方法分配脉冲 代替硬件的脉冲分配器，它能降低系统成本并且减少驱动环节给系统带来的不可 山东大学硕+ 学伸论文 靠因素，系统的电机驱动系统如图2 1 4 所示。 图2 1 4 电机驱动系统示意图 2 4 数控系统软件部分的设计 数控系统的功能就是把数控编程语占( n c 代码) 识别成系统认识的语言，然后 经过插补，伺服驱动把系统的指令转换成驱动电机所需要的电信号，完成设备各 轴的运动，具体流程如图2 - 1 5 所示： ? + + 。一。+ + 。j 圈2 1 5 系统f 作流榨图 在流程图中，图形编辑部分完成图形数掘源的生成与数控指令的生成；程序 检查部分负责完成对数控指令的检验，如果数控代码正确，即可执行下一步任务， 如果代码有误，则返回图形编辑部分重新编译；插补部分将根据无格式错误的加 1 6 第2 章系统的总体设计 工代码生成具体的插补程序；p l c 控制部分对设备的开关量进行控制，加工过程 中如果出现故障系统将会自动进行故障处理。 根据上面的分析，根据功能需求把系统划分为图形编辑模块，自动编程模块， 语法检查模块，插补模块，模拟仿真模块，断点保存模块，p l c 控制模块和故障 诊断模块等，如图2 1 6 所示。 (操作系统二 数控系统软件 图2 - 1 6 软件系统的模块划分 ( 1 ) 图形编辑模块 图形编辑模块类似于a u t o c a d 系统，可以实现对二维图形的绘制，并带有常 用的图形编辑功能。本模块还可实现块的制作，这样可以保存一些常用异型制品 的图样，供用户使用，甚至可以做成数据图库。本模块还具有d x f 接口，可以实 现与其他c a d 系统的资源共享。 ( 2 ) 自动编程模块 本模块是通过对图形编辑模块绘制图形进行工艺分析，确定工艺加工方式和 走刀路线，将信息转化成n c 代码。 ( 3 ) 语法检查模块 语法检查模块功能有两部分，第一部分就是对已有的n c 代码查错，包括词法 检查和语法检查，第二部分就是对n c 代码的解释和编译，生成插补模块识别的信 息。 ( 4 ) 插补模块 可以实现直线，圆弧的插补功能。 ( 5 ) 模拟仿真模块 仿真模块的功能是检验来自插补模块的信息，判定加工指令是否正确：本模 块是二维仿真，主要是检查平面内的走刀路线是否正确。 ( 6 ) 断点保存模块 1 7 山东大学硕十学伸论文 石材加工环境相对恶劣，长期的生产过程中难免导致工控机死机和控制电路 的短路等故障，这些都有可能中断正常的加工。为了能保证加工效率和精确性， 必须实时对加工状态进行保存，当排除故障后，可以读取先前保存的状态，从当 前点继续加工。 ( 7 ) p l c 模块 p l c 模块的功能就是实现对丌关量的控制等功能。 ( 8 ) 故障检测模块 故障检测模块就是通过各类传感器，实时收集数据，并对数据进行分析，当 出现故障的时候，根据故障的等级进行提示、报警或停机等操作。 2 5 本章小结 本章对各类石材异型制品加工设备运动特点进行了详细的分析，总结出石材 异型制品加工设备运动的共同特点，对数控系统控制提出了具体要求，并对数控 系统进行了规划，内容包括： ( 1 ) 根据石材设备的控制需求，对数控系统的功能需求、性能需求和运行需 求进行了分析，总结出了数控系统的设计思想，对系统进行了总体的规划和设计。 ( 2 ) 在数控系统设计思想的指导下，对数控系统的硬件部分进行了详细的设 计，并对各种硬件的选择进行了详细的描述。 ( 3 ) 对数控系统运行的流程作了详细的规划，运用模块化设计的思想按照功 能把数控系统软件划分为若干模块，并对各个模块的功能进行了详细的解释。 第3 章图形编辑模块的开发 第3 章图形编辑模块的开发 3 1 图形编辑模块结构与设计 3 1 1 图形编辑模块规划 图形编辑模块的功能是以矢量图形的形式把石材异型制品绘制出来，并对绘 制出来的石材异型制品矢量图形按照一定加工工艺的处理，生成标准的n c 代码。 对于那些外形比较复杂的石材异型制品可以通过图形编辑的方式生成n c 程序，把 工作人员从复杂的n c 程序的编制中解脱出来。 图形编辑模块包括图形绘制、图形编辑、图形块建立、参数设置、自动编程 等等。本系统是c a d c a m 一体的，详细内容如图3 1 所示。 厂赢丽 飘旷 皇塑塑垦i l墨竺 斟斟引圉目圜目崮剧剧目剖圈园国圉匡斟圉国崮圈图 一赢佻!lr引引一雨uri引 辑一1旧嗡懈 由l i 引引蔫 9 山东大学硕十学侍论文 30 1 2 基本图元分析 图形编辑模块的绘制对象就是石材异型制品，必须对石材异型制品的各种形 状进行充分的分析，提炼出组成它们的基本图元，才是设计图形编辑模块的基础 也是关键所在。石材加工设备的加工对象包括平面异型制品、曲面异型制品和回 转体异型制品三种。 ( 1 ) 平面异型制品 图3 2 洗手盆面板| ! c | 3 - 3 台面板异犁制品 图3 2 、3 3 所示两种制品是最常见的平面异型制品，也是最有代表性的制品， 它们基本反映了绝大多数平面异型制品的形状，只是在具体规格和复杂程度上有 所区别。 根据观察我们可以发现，平面异型制品基本上由直线和圆弧线组成。通过这 两个基本图元的反复组合，可以得到所有平面异型制品。 ( 2 ) 曲面异型制品 曲面异型制品就是指各种规格的曲面板，如图3 4 所示。 图3 4 曲面板材 曲面异型制品的特点是有公共的二维母线，加工时需要两个轴做平面内的插 补运动，每插补完一次，轴向进给一次，移动到下个平面进行下一次插补运动， 第3 章图形编辑模块的开发 如图& - 5 所示。加工工具一般为金刚石圆锯片或铣、磨轮。 工具 石材内 外曲面 工具 图3 - 5 曲面加工的成型原理 根据上面的分析，曲面板材的加工主要在平面内做圆弧插补，因此圆弧是曲 面异型制品的基本图元。 。 ( 3 ) 回转体异型制品 指具有对称中线的柱体制品，如圆柱、工艺花瓶j 栏杆柱、扭纹柱、球体、 罗马柱、柱座等，加工设备一般具有回转工装。如图3 - 6 、3 - 7 所示。 图3 - 6 罗马柱 图3 - 7 风水球 上面两图分别是罗马柱和风水球，他们是典型的回转体异型制品，它们的加 工原理是，制品本身作自旋转，刀具在平面内进行插补运动，如图3 - 8 所示。 2 l 山东大学硕十学付论文 x 图3 8 球庳外表面的成型加工 通过对上图的分析，可以知道回转体制品在平面内的走刀轨迹也是圆弧和直 线。 经过对平面异型制品的研究，可知直线和圆弧是描述石材异型制品最近基本 的图元，任何异型制品都是靠直线和圆弧经过不同的组合形成的，但是为了绘图 方便，在直线和圆弧的基础上增加了多段线、圆以及圆形区域和多边形区域。多 段线是连续直线，在绘图过程中需要连续的绘制直线，因此，多段线可以使连续 直线的绘制变的简单。石材制品中经常在一个板材上挖圆形区域或多边形区域， 因此区域的绘制使自动编程模块变的更加简单。另外也加入了标注字体，主要是 标注绘图过程中的一些参数。 综上所述，图形编辑模块把直线、多段线、圆、圆弧、圆形区域、多边形区 域和杯注字体作为基本图元。 3 1 3 图形编辑模块的框架结构 图形编辑模块采用m f c 类库自动生成的多文本框架结构，在系统中建立了一 个c d r a w 基类，它是所有图形绘制的基础，其他的类例如直线、圆、圆弧、多段 线的类都是从该类派生出来的2 2 1 。c d r a w 类的定义如下： c l a s sc d r a w ：p u b l i cc o b j e c t p r o t e c t e d ： s h o r tmc o l o r p e n ： 笔色 s h o r tm _ c o l o r b r u s h ；填充颜色 第3 章图形编辑模块的开发 f l o a tml i n e w i d e ；线宽 s h o r tm _ l i n e t y p e ： 线型 f l o a tm _ x s c a l e ： s h o r tm _ l a y e r ； i n tmi do n l y ： b o o l b d e l e t e ； p u b l i c ： 线型横向参数 7 骶处圈层 图形元素唯一的识别号 是否处于删除状态 ) c d r a w 类定义了各类图形元素共同具有的基础属性，如图形元素的颜色、线型、 线宽、所在图层等属性。其他图元类都是从此类派生出来的，派生关系如图3 - 9 所示。 图3 - 9 矢量图形元素类的划分 c l i n e 类表示直线的绘制，c c i r c l e 类表示圆形的绘制，c t e x t 类表示标注文 本的绘制，c d r a w r g n 类表示区域的绘制，这4 个类都是从c d r a w 类中直接派生出 来的。c p l i n e 类从c l i n e 派生出来的，表示多段线的绘制。c a r c 是表示绘制圆弧 的类，是从c c i r c l e 类派生出来的。，c c i r c l e r g n 类和c l i n e r g n 类分别表示圆形 区域和多边形区域的绘制，是从c d r a w r g n 类派生出来的。 实现对矢量图形的绘制，还必须对各矢量图形类生成的实例进行操作和管理， 这就是图形系统图形数据的管理方法即文档管理机制，它是一套完全面向对象的 文档组织机制。实现方式是通过图形元素类创建很多图形元素对象，每个图形元 素对象作为一个整体来组织存储空间的分配、保存以及读取等各种管理功能。通 过建立一种存储机制，来管理指向所有图形元素对象的指针，达到管理所有图形 元素对象的目的1 2 3 】。实现一个矢量图形系统文档的思路是：每个图形元素是图形 元素类创建的一个对象，在创建这个对象时得到指向这个对象的指针，建立一个 对象指针组来管理这些指针，来达到管理所有图形元素的目的。在m f c 类中有 个类模板c t y p e d p t r a r r a y ，可以用它来定义一个管理类指针的对象。因此在多文 山东大学硕十学付论文 本文档c d r a w d o c 类中设置这样的指针，下面的两个指针分别表示对直线和圆形的 管理： c t y p e d p t r a r r a y m _ l i n e a r r a y ；。管理直线对象指针 c t y p e d p t r a r r a y mc i r c l e a r r a y ：管理圆对象指针 管理示意图如3 - 1 0 所示。 图3 一1 0 图形管理机制示意圈 通过这种管理机制，可以方便地实现对图形元素的管理，包括图元的生成、 删除、属性的改变、参数的改变等。 有了上面的几种图形绘制类作基础，完成矢量图形的绘制就十分简便。如图 3 - 1 l 就是用基本图元绘制的石材雕刻制品的图样。 图3 - 1 1 矢量图形编辑界面 基本图元的绘制对于一个矢量图型系统而占只是一个基础但还远远不够，因 为石材异型制品往往结构比较复杂，只靠简单的绘制是不能满足需求的，还必须 对绘制好的元素进行编辑。下面将对图形元素平面几何关系进行深入的研究。 第3 章图形编辑模