圖形參數(shù)化編程在平面磨削數(shù)控系統(tǒng)中的研究與應(yīng)用

朱傳敏，朱啟太，許田貴

ZHU Chuan-min, ZHU Qi-tai, XU Tian-gui

（同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 201804）

0 引言

圖形參數(shù)化設(shè)計的基本思想是保持圖形結(jié)構(gòu)之間的相互拓?fù)潢P(guān)系不變，通過設(shè)置一組參數(shù)來控制圖形的幾何尺寸大小，圖形參數(shù)的改變與設(shè)計結(jié)果息息相關(guān)。參數(shù)化設(shè)計極大地提高了設(shè)計的柔性，并且大大簡化了數(shù)控加工操作過程。

平面磨削加工是應(yīng)用十分廣泛的一種金屬切削方法，主要通過砂輪旋轉(zhuǎn)研磨工件以使其達(dá)到所要求的加工精度。平面磨削機(jī)床特別適用于平面、溝槽及臺階的精密磨削，也可以配置其他附件拓展加工領(lǐng)域，如非平表面的成形加工?，F(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，由于中、小批量零件占產(chǎn)品數(shù)量的比例越來越高，同時零件的復(fù)雜性和精度要求也迅速提高，傳統(tǒng)的普通機(jī)床已經(jīng)越來越難以適應(yīng)現(xiàn)代化生產(chǎn)的要求，而數(shù)控機(jī)床具有高精度、高效率、可以完成復(fù)雜型面加工等特點(diǎn)，其加工更具柔性，功能更加強(qiáng)大。因此，對數(shù)控精密平面磨床的研究是符合當(dāng)前國內(nèi)外發(fā)展趨勢的，有很大的學(xué)術(shù)價值和經(jīng)濟(jì)價值[1]。

本文結(jié)合圖形參數(shù)化編程技術(shù)進(jìn)行了對精密平面磨床的控制系統(tǒng)研究和設(shè)計，將加工程序圖形參數(shù)化，操縱者依據(jù)數(shù)控系統(tǒng)中的相應(yīng)圖形輸入?yún)?shù)，所有與它相關(guān)的尺寸依據(jù)參數(shù)值自動改變,并遵循約束條件,通過調(diào)整參數(shù)來修改和控制幾何形狀，實(shí)現(xiàn)了磨削加工過程的圖形參數(shù)化控制。

1 圖形參數(shù)化設(shè)計方法

圖形參數(shù)化編程是一種通過參數(shù)驅(qū)動、約束聯(lián)動建立圖形模型，定義圖形結(jié)構(gòu)，來控制程序流程的編程方法。參數(shù)驅(qū)動[2]即系統(tǒng)基于對圖形數(shù)據(jù)的操作將圖形映射到圖形數(shù)據(jù)庫中，設(shè)置出圖形實(shí)體的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，根據(jù)參數(shù)在圖形結(jié)構(gòu)中輸入不同內(nèi)容，生成所需圖形的過程。所謂圖形特征聯(lián)動就是保證在圖形拓?fù)潢P(guān)系不變的情況下，對次約束的驅(qū)動，亦即保證連續(xù)、相切、垂直、平行等關(guān)系不變。反映到參數(shù)驅(qū)動過程就是要根據(jù)各種幾何相關(guān)性準(zhǔn)則去判斷與被動點(diǎn)有上述拓?fù)潢P(guān)系的實(shí)體及其數(shù)據(jù)，在保證原關(guān)系不變的前提下，求出新的幾何數(shù)據(jù)，稱這些幾何數(shù)據(jù)為從動點(diǎn)。這樣，從動點(diǎn)的約束就與驅(qū)動參數(shù)有了聯(lián)系，而依靠這一聯(lián)系，從動點(diǎn)得到了驅(qū)動點(diǎn)的驅(qū)動[3]。

2 數(shù)控系統(tǒng)總體框架結(jié)構(gòu)

2.1 運(yùn)動控制器與數(shù)控系統(tǒng)通訊

數(shù)控磨削系統(tǒng)采用Windows操作系統(tǒng)作為開發(fā)平臺，基于Googol Tech GE-300-SG控制卡，使用Visual Basic 6.0與VC++等程序語言實(shí)現(xiàn)控制結(jié)構(gòu)，并與伺服機(jī)構(gòu)進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)了對磨削加工過程的砂輪管理、砂輪修整、加工編程、磨削加工循環(huán)、加工控制。在本研究中通過將運(yùn)動控制指令存放在控制器的指令緩沖區(qū),并順次執(zhí)行指令，不但降低了對主機(jī)通訊實(shí)時性的要求,又提高了通訊效率。通過運(yùn)動控制器對緩沖區(qū)的連續(xù)段運(yùn)動軌跡的預(yù)處理,獲得了良好的運(yùn)動特性。

2.2 數(shù)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖

如圖1所示，精密平面磨床數(shù)控系統(tǒng)采用上位機(jī)和下位機(jī)結(jié)合，以上位PC機(jī)為硬件平臺，基于Windows操作系統(tǒng)，完成諸如人機(jī)界面的管理、參數(shù)優(yōu)化、NC文件管理、代碼預(yù)處理、參數(shù)優(yōu)化等非實(shí)時性管理工作。下位機(jī)運(yùn)動控制卡調(diào)用其內(nèi)部功能函數(shù)如：軌跡插補(bǔ)運(yùn)算、位置控制、速度控制、加速度控制、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、輔助功能處理等，并與伺服機(jī)構(gòu)相連接，實(shí)現(xiàn)了對機(jī)床的運(yùn)動控制。

圖1 數(shù)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖

3 基于圖形參數(shù)化的精密平面磨床數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計

3.1 圖形參數(shù)化編程方法的引入

在數(shù)控磨削系統(tǒng)中，通過采用圖形參數(shù)化編程，編程人員能夠?qū)崟r修改所加工的零件參數(shù)，及時地調(diào)整系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，這不但簡化了操縱者對程序的編寫，同時加強(qiáng)了對所加工零件的參數(shù)控制。

3.1.1 加工模式的圖形參數(shù)化

圖2 磨削參數(shù)圖形特征單元

在傳統(tǒng)的磨削加工中，一般要先進(jìn)行程序編制，砂輪再根據(jù)程序所確定的參數(shù)經(jīng)行軌跡插補(bǔ)及進(jìn)給，而本系統(tǒng)中操縱人員可以通過識別系統(tǒng)中的圖形特征單元選擇程序是自動進(jìn)給還是手動進(jìn)給，同時可以通過修改En_Yf的值來選擇相應(yīng)的磨削參數(shù)：粗磨，精磨，光磨。如圖2所示。

3.1.2 砂輪形狀及修整模式圖形參數(shù)化

如圖3所示，在修整砂輪時，控制系統(tǒng)通過調(diào)用相關(guān)圖形單元可在人機(jī)界面上顯示出砂輪形狀和修整器類型，并可實(shí)時顯示砂輪修整過程。提高了系統(tǒng)的可操縱性，使圖形界面更加友好。

圖3 修整過程實(shí)時圖形

3.1.3 磨削加工軌跡的圖形參數(shù)化

如圖4所示，當(dāng)選擇自動進(jìn)給模式時，砂輪將根據(jù)磨削參數(shù)和預(yù)設(shè)的插補(bǔ)軌跡自動加工，此時需設(shè)置工件位置處于左后還是右前。在每次行程中還可以選擇相應(yīng)的磨削方式，分別為切入往復(fù)式、間斷式和連續(xù)式，如圖5所示。

圖4 設(shè)置工件位置

圖5 磨削方式圖形特征單元

3.2 圖形參數(shù)化插補(bǔ)算法的實(shí)現(xiàn)

當(dāng)工件位置設(shè)置為左后時，建立工件坐標(biāo)系，此時圖5(c)中所示的間斷式磨削加工軌跡部分程序如下：

3.3 非圓曲線插補(bǔ)軌跡計算

對于非圓曲線的插補(bǔ)軌跡，在本控制系統(tǒng)中采用等步長的直線逼近[4]節(jié)點(diǎn)進(jìn)行計算。

圖6 等步長直線逼近坐標(biāo)圖

如圖6所示，設(shè)曲線為 , 則該曲線的曲率半徑為：

根據(jù)y=f(x)依次求出y'、y''、y'''帶入式(2)，可求得Rmin

確定允許的步長，以Rmin為半徑做圓弧，如圖中的de段，由幾何關(guān)系可知：

以曲線起點(diǎn)α為圓心，為半徑l的圓方程與曲線方程y=f(x)聯(lián)立求解，得(xa,yb)，再以b點(diǎn)為圓心求出c點(diǎn)的坐標(biāo)值。

聯(lián)立方程

用同樣的方法，可依次求得d、e …各點(diǎn)將計算方法轉(zhuǎn)化為程序代碼即可完成對非圓曲線的軌跡插補(bǔ)。

3.4 數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計

數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)動控制流程如圖7所示。

圖7 運(yùn)動控制流程圖

4 結(jié)束語

本文結(jié)合固高GE系列運(yùn)動控制卡，通過引入圖形參數(shù)化編程方法，對平面磨削數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行了研究和開發(fā)。

1）實(shí)現(xiàn)了磨削加工直線、圓弧和非圓曲線插補(bǔ)軌跡的計算方法。

2）將磨削和修整程序以圖形單元的方式應(yīng)用于控制系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了圖形化顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、砂輪修整程序的自動補(bǔ)償，簡化了編程工作，提高了編程效率和糾錯能力。

3）在精密平面磨床控制系統(tǒng)的研究開發(fā)中采用圖形參數(shù)化編程方法是可行和有效的，并對提高控制系統(tǒng)的可操控性有很大幫助。

[1]Manocher Djassemi. A Parametric Programming Technique for Efficient CNC Machining Operations Computers [J].International Conference on Computers and Industrial Engineering,1998(35),33-36.

[2]林峰,顏永年,盧清萍,等.基于圖形數(shù)據(jù)的圖形參數(shù)化方法[J].計算機(jī)輔助設(shè)計與圖形學(xué)學(xué)報,1993,5(3)：184-190.

[3]D.Roller,F.Schonek,A.Verroust.Dimension-driven geometry in CAD：a survey,Theory and Practice of Geometric model[M].Springer-Verlag,1989,509-523.

[4]何玉安,談理,等.數(shù)控技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2004.