三轴数控铣床半实物仿真实验系统设计

2 0 1 4年 1 1月 第4 2卷 第 2 1 期 机床与液压 MACHI NE TO0L HYDRAUL I C S NO V 2 0 1 4 Vo 1 4 2 No 2 l DOI 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 4 2 1 0 2 7 三轴数控铣床半实物仿真实验系统设计 朱晓明 李欣 李霞 1 哈尔滨工程大学工程训练中心 黑龙江哈尔滨 1 5 0 0 0 1 2 哈 尔滨工程 大学机电工程 学院 黑龙江哈 尔滨 1 5 0 0 0 1 摘要 为了充分发挥四轴运动控制开发平台的功能潜力 以其为研究对象 开发了三轴数控铣床半实物仿真实验系 统 该系统通过库函数将软件功能与硬件控制相结合 实现了通过软件来控制硬件的控制方式 基于 O p e n G L图形库和内 置定时器实现了路径仿真和加工仿真功能 该系统既可进行单机路径仿真 也可联机控制电机运行及实际路径仿真 以适 应不同的实验场合 经过测试 证明该半实物仿真实验系统能有效挖掘实验设备的潜在功能 有助于培养学生对数控系统 的设计能力 关键词 数控系统 四轴开发平台 半实物仿真 中图分类号 T P 3 0 2 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 4 2 1 1 0 1 4 De s i g n o n S e mi p hy s i c a l S i mul a t i o n Ex p e r i me n t S y s t e m o f 3 Ax i s NC M i l l i n g M a c h i ne ZHU Xi a o mi n g L I Xi n LI Xi a 1 E n g i n e e r i n g T r a i n i n g C e n t e r Ha r b i n E n g i n e e ri n g U n i v e r s i t y H a r b i n He i l o n g j i a n g 1 5 0 0 0 1 C h i n a 2 S c h o o l o f Me c h a t r o n i c a l E n g i n e e ri n g Ha r b i n E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y H a r b i n H e i l o n g j i a n g 1 5 0 0 0 1 C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o e x e r t t h e f u l l p o t e n t i a l o f 4 a x i s mo t i o n c o n t r o l l i n g d e v e l o p me n t p l a t f o r m a n e x p e r i me n t s e mi p h y s i c a l s i m u l a t i o n s y s t e m o f 3 a x i s N C m i l l i n g m a c h i n e i s d e v e l o p e d b y t a k i n g i t a s a r e s e a r c h o b j e c t T h i s s y s t e m w a s c o m b i n e d o f s o f t w a r e f u n c t i o n s wi t h h a r d w a r e c o n t r o l b y f u n c t i o n l i b r a r y wh i c h r e ali z e d h a r d w a r e c o n t r o l me t h o d b y s o f t wa r e T h e p a t h s i mu l a t i o n a n d ma c h i n i n g s i mu l a t i o n f u n c t i o n s w e r e r e a l i z e d b a s e d o n Op e n G L l i b r a r y a n d t i me r b u i l t i n T h i s s y s t e m c o u l d b e i x l n n o t o n l y o n a s i n g l e c o mp u t e r f o r p a t h s i mu l a t i o n b u t als o o n l i n e t o c o n t r o l r u n n i n g o f mo t o r a n d s i mu l a t e p r a c t i c a l p a t h s i n o r d e r t o a d a p t t o d i f f e r e n t e x p e r i me n t fi e l d s B y t e s t s i t i s p r o v e d t h a t t h i s s y s t e m c a n f u l l y e x e r t t h e l a t e n c y p o t e n t i al f u n c t i o n o f t e s t d e v i c e s wh i c h i s h e l p f u l t o t r a i n t h e d e s i g n a b i l i t y o f s t u d e n t s for NC s y s t e m Ke y wo r d s NC s y s t e m 4 一 Ax i s d e v e l o p me n t p l a t f o r m S e mi p h y s i c a l s i mu l a t i o n 0前 言 运动控制系统设计是机电类及相关专业本科学生 的一门重要的实践创新课程 该课程以机电自动化实 用控制技术和运动控制技术为核心内容 在相关实验 平台上 通过实时操作为学生提供综合创新 实践训 练机会 以提高学生的工程意识 培养学生的专业能 力 工程实践能力和创新能力u 在众多的相关实验设备中 四轴运动控制开发平 台具有很强的代表性 它是许多机电一体化系统的微 缩模型 它采用开放式结构设计 对于运动控制和机 电一体化系统的教学和科研具有普遍意义 然而 在 一 些运动控制系统设计中 由于设备实验面板上只有 4个电机轴转动 无法通过4个轴的运行查看控制对 象 比如数控机床 的加工刀具 轨迹运动的空间效 果 因此 为了充分发挥四轴运动控制开发平台的功 能潜力 结合 T R I Z系统理论中的分割原则 提出了 在四轴平台上开发三轴数控铣床的仿真实验系统 充 分利用电机编码器的反馈信息设计虚拟刀具 完成一 个半实物仿真数控系统的设计与开发 使学生在实验 中了解数控系统的运行过程与设计方法 这样培养了 学生的实践能力 1 实验系统组成 整个实验系统的组成分为两大部分 实验设备机 械本体与硬件控制平台 机械本体如图 1 所示 机械本体包括 4个控制轴的测试转盘 电机及其 驱动器 面板上 4个转盘周围标有刻度 通过转盘可 以观察电机的转动角度 4个电机包括两个步进电机 和两个交流伺服电机 同时面板下面为每个轴配备了 伺服报警 正负限位 原点触发按钮 用于完成对应 的运动控制测试功能 面板下方还安装了 1 6个 L E D 灯 用于完成系统的输出功能设计 L E D灯下方安 装了 1 6个输入开关 用于完成系统的输入功能设计 收稿 日期 2 0 1 3 0 9 2 9 基金项目 哈尔滨工程大学2 0 1 2 年度基础课程教学改革研究计划基金资助项目 国家 自然科学基金资助项 目 5 1 0 7 5 0 7 8 作者简介 朱晓明 1 9 7 6 一 男 博士 讲师 主要从事运动控制及虚拟仿真方面的研究 E m a i l z x m 0 3 4 5 1 6 3 c o m 第 2 1 期 朱晓明 等 三轴数控铣床半实物仿真实验系统设计 1 0 3 区满 缓 冲区 满时 运 动 控制 器拒 绝 接 收用 户输 入 的命令 并返回缓冲区满的信息 此时启动缓冲区的 命令队列 随着命令的执行 缓冲区会有新的空间释 放出来 用户可以继续发送更多的命令 直到所有指 令都存入缓冲区 不是所有指令都执行完 就可以 关 闭缓 冲区 完成缓 冲区指令模式 对于三轴数控 系 统 存入缓冲区的控制指令主要使用固高的三坐标运 动 控 制 库 函 数 G T L n X Y Z d o u b l e X d o u b l e Y d o u b l e z 其中 Y 值是刀具从当前点以直 线插补的方式运动的目标点 至于具体的插补算法和 控制指令发送 则由运动控制器 自动完成 使用户可 以把主要精力放到系统功能设计 位置反馈功能 的设计 主要有 两个 作用 1 使 用户通 过虚拟 仪表 了解 当前刀 具 的位 置 2 在联 机路径仿真时确定虚拟刀具的空间位置 位置反馈主要使用了功能库函数 G T G e t A t l P o s 1 o n g p o s 其中长整数指针类型自变量 p o s 存储了 从脉冲编码器返回的当前轴的脉冲形式位置 而在虚 拟环境中用户的坐标单位为 m m 因此需要进行系数 转换 由于设备面板上轴 1 和轴 2的编码器分辨率为 4 0 0 0 轴 3的编码器分辨率为 1 0 0 0 0 设虚拟环境 下的滚珠丝杠 的螺距 为 5 m m 则 由位置 的脉 冲量到 用户坐标单位的转换系数为 1 1和 2轴 4 0 0 0 5 8 0 0 2 3 轴 1 0 0 0 0 5 2 0 0 0 也就是说从编码 器反馈 的脉冲值分别除 以上述换算 系数可 以转换 为虚 拟环境下的用户坐标值 3 4路径 仿 真设 计 路径仿真可使用户在三维环境下由虚拟刀具的轨 迹查看控制效果 实验效果直观 该系统的路径仿真 设计了两种模式 联机仿真与单机仿真 联机仿真时 控制系统与 四轴运动控制开发平 台连接 直接控制 电 机运动 并通过编码器的反馈 显示为虚拟刀具 的空 间位置 保 持与实际 电机 同步运行 单机仿真则是控 制系统运行在单 台计算机上 通过定时器周期性更新 每段 指令的刀具终点位置 下面主要介绍联机路径仿 真设 计 路径仿真主要采用 V C 6 0内置 的 O p e n G L图 形库 完成路径的动态绘制 主要分为环境设置 位置 采集 与 已有路径绘制 在 V C 6 0中进行 三维路 径绘制之前需要 复杂 的环境设置 主要包括创建设备描述表和像素格式描 述表以及环境参数设置 像素格式明确了 O p e n G L绘 制平面的特性 如象素缓冲区是单缓冲还是双缓冲 数据是 R G B A方式还是 C o l o r I n d e x方式 等 每个 O p e n G L显 示 设 备 一 般 用 名 为 P I X E L F O R MA T D E S C R I P T O R的结构来表示像素格式 这个 结构包含 2 6 个属性信息 环境参数设置则主要包括光源的个数 性质 阴影模式 深度缓存 颜色混合模式 线宽 清屏颜色 多边形显示方式 这些参数 的设置需要逐 个测试 才能获得较好 的显示效果 位置采集是实现虚拟刀具与实际电机同步的关键 环节 需保证采集数据的实时性与准确性 其中准确 性主要是利用前述库 函数 G T G e t A t l P o s 1 o n g p o s 与 单位换算来实现 而实时性 则主要是采用 了短 时间问 隔的 内置定时器来完成 通过定 时器 的消息处理 函数 O n T i m e r 每一次触发 实现了电机脉冲数据采集 单 位换算 三维坐标存入路径点数组 定时器中的另一 个重 要 设 计 是 更 新 画 面 利 用 函数 I n v a l i d a t e R e c t N U L L f a l s e 失效 当前客户端界 面 从 而导致重新绘 制最新路径 在开始联机仿真时通过 S e t T i m e r 1 1 0 N U L L 启 动 定 时器 定 时 器 的调 用 周 期 为 1 0 m s 保证了虚拟刀具轨迹仿真过程的流畅性 仿真中路径绘制的设计方法是将每次采集的三维 电机位置存人路径点数组 然后将数组中所有点依次 用直线 连接 形成一 条首尾 相连的加工路径 最后将 窗口背景进行颜色清除 重新绘制整条路径并进行双 缓冲区显示 随着路径不断更新 就会产生路径的动 态同步效果 为了实现画面更新不 闪烁 采用 了双缓 冲技术 通过 O p e n G L的图形功能 函数 S w a p B u f f e r s w g l G e t C u r r e n t D C 在 视 图类 的 O n D r a w C D C p D C 函数中实现 整个 系统 中 最 为 重 要 的路 径 显 示 设 计 采 用 了 O p e n G L里面的空间绘图函数 其关键实现代码如下 g l B e g i n G L L I N