開放式數(shù)控系統(tǒng)空間曲線插補(bǔ)跨卦限策略研究

劉有余，韓 江，田曉青，張國政

開放式數(shù)控系統(tǒng)空間曲線插補(bǔ)跨卦限策略研究

*劉有余1,2，韓 江2，田曉青2，張國政2

（1. 安徽工程大學(xué)先進(jìn)數(shù)控和伺服驅(qū)動技術(shù)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽，蕪湖 241000；2. 合肥工業(yè)大學(xué)CIMS研究所，安徽，合肥 230009）

為簡潔實(shí)現(xiàn)空間曲線插補(bǔ)，基于開放式數(shù)控系統(tǒng)研究插補(bǔ)跨卦限策略。規(guī)劃了全軟件CNC系統(tǒng)和NC嵌入PC系統(tǒng)插補(bǔ)模塊的分子模塊實(shí)現(xiàn)理論，以圓柱螺旋線和空間直線為例，研究了坐標(biāo)仿射變換、自動跨卦限處理，及基本插補(bǔ)子模塊調(diào)用的原理和技術(shù)。最后，用自行開發(fā)的全軟件CNC系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)例驗(yàn)證。實(shí)現(xiàn)了開放式數(shù)控系統(tǒng)插補(bǔ)模塊單元化開發(fā)，兼顧了系統(tǒng)開放性與實(shí)時(shí)性，相關(guān)策略和原理亦可應(yīng)用于其他空間曲線的插補(bǔ)。

空間曲線；跨卦限插補(bǔ)；開放式數(shù)控系統(tǒng)；仿射變換

基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)有三種類型[1]：1) PC嵌入NC。在NC內(nèi)部加裝PC板，PC與NC之間以專用的總線相連接。2) NC嵌入PC。將運(yùn)動控制器或整個(gè)NC單元插入PC擴(kuò)展槽中，PC做非實(shí)時(shí)處理，實(shí)時(shí)控制由CNC單元或運(yùn)動控制板來承擔(dān)。3) 全軟件CNC。CNC各項(xiàng)功能均由軟件模塊來實(shí)現(xiàn)，通過裝在PC擴(kuò)展槽中的接口卡來控制伺服系統(tǒng)。全軟件CNC系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)CNC各層次的開放，是當(dāng)今數(shù)控技術(shù)的發(fā)展方向；而NC嵌入PC系統(tǒng)具有良好的實(shí)時(shí)性，且開放性也較高，是高速高精數(shù)控系統(tǒng)的首選方案。

插補(bǔ)是數(shù)控系統(tǒng)核心模塊，傳統(tǒng)NC用硬件實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)算法[2]，以確保插補(bǔ)任務(wù)的強(qiáng)實(shí)時(shí)性，現(xiàn)代PC運(yùn)算速度已滿足軟件插補(bǔ)要求。插補(bǔ)算法一般均可實(shí)現(xiàn)空間直線和螺旋線（或圓?。┎逖a(bǔ)功能，有的還可實(shí)現(xiàn)拋物線或樣條曲線插補(bǔ)。這些算法原理及其后改進(jìn)已很成熟[3-4]，但應(yīng)用于開放式數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)跨卦限技術(shù)尚未見報(bào)道。本文基于NC嵌入PC和全軟件CNC開放式數(shù)控系統(tǒng)，統(tǒng)籌規(guī)劃，以圓柱螺旋線和空間直線插補(bǔ)為例，研究空間曲線插補(bǔ)跨卦限策略與技術(shù)。

1 插補(bǔ)模塊的功能實(shí)現(xiàn)策略

針對多坐標(biāo)跨卦限加工軌跡，設(shè)計(jì)單個(gè)數(shù)控程序段經(jīng)刀補(bǔ)后插補(bǔ)流程如圖1所示。這是復(fù)雜空間曲線（如圓柱螺旋線）插補(bǔ)流程，空間直線經(jīng)坐標(biāo)仿射變換后可轉(zhuǎn)化為不跨卦限情形，故流程中可略去“自動跨卦限處理”。

圖1 插補(bǔ)模塊執(zhí)行流程

全軟件CNC系統(tǒng)插補(bǔ)模塊都用軟件來實(shí)現(xiàn)，如圖1所示，采用“數(shù)據(jù)處理與調(diào)用子模塊”中斷調(diào)用“基本插補(bǔ)子模塊”（子程序）方式順序執(zhí)行。

基于提高插補(bǔ)實(shí)時(shí)性目的，NC嵌入PC系統(tǒng)插補(bǔ)模塊采用軟、硬件結(jié)合策略：“數(shù)據(jù)處理與調(diào)用子模塊”以軟件實(shí)現(xiàn)，編程與調(diào)試方便，并可分擔(dān)硬件運(yùn)算量；“基本插補(bǔ)子模塊”以硬件實(shí)現(xiàn)，已有大量成熟的算法和可選購的產(chǎn)品[5]，無需另行研究和設(shè)計(jì)，且硬件插補(bǔ)運(yùn)算速度較快。

2 坐標(biāo)仿射變換

2.1 圓柱螺旋線坐標(biāo)仿射變換

圖2 圓柱螺旋線坐標(biāo)仿射變換

Fig.2 Affine transformation for cylinder spiral-line

故：

因此：

由仿射變換定理得：

2.2 空間直線坐標(biāo)仿射變換

圖3 空間直線坐標(biāo)仿射變換

Fig.3 Affine transformation for spatial line

3 圓柱螺旋線插補(bǔ)自動跨卦限處理

4 基本插補(bǔ)子模塊調(diào)用

4.1 圓柱螺旋線插補(bǔ)子模塊調(diào)用

圓柱螺旋線插補(bǔ)跨卦限流程如圖5所示，首先初始化參數(shù)：終點(diǎn)′、進(jìn)給速度、導(dǎo)程及旋向；其次判斷旋向，若為右旋，從起點(diǎn)在′軸始，調(diào)用“基本插補(bǔ)子模塊”的1子程序按周期進(jìn)行插補(bǔ)，若期間到達(dá)終點(diǎn)，由1子程序判斷并結(jié)束插補(bǔ)；1子程序運(yùn)行完，經(jīng)判斷若未到達(dá)終點(diǎn)，調(diào)用2子程序進(jìn)行插補(bǔ)，若到達(dá)終點(diǎn)則結(jié)束插補(bǔ)。如此依次調(diào)用3、4，當(dāng)插完一個(gè)導(dǎo)程回至′軸還未到達(dá)終點(diǎn)，則繼續(xù)調(diào)用1，如此反復(fù)。若為左旋螺旋線，插補(bǔ)流程類似，子程序調(diào)用次序?yàn)椋?→3→2→1→4→……。

圖5 圓柱螺旋線插補(bǔ)流程

4.2 空間直線插補(bǔ)子模塊調(diào)用

在仿射坐標(biāo)系中，空間直線是起點(diǎn)在原點(diǎn)、終點(diǎn)及整個(gè)直線都在某一卦限，避免了跨卦限。可針對終點(diǎn)在Ⅰ~Ⅷ卦限的典型直線編制8個(gè)插補(bǔ)子程序：1~S8，現(xiàn)有眾多插補(bǔ)算法都可實(shí)現(xiàn)，如基于脈沖增量的快速直線雙進(jìn)給步增量算法[9]，精度好、誤差小、計(jì)算簡單、效率高，可采用該算法來編制。

圖6 空間直線插補(bǔ)流程

5 實(shí)例驗(yàn)證

基于本文所述理論，自行開發(fā)出全軟件CNC系統(tǒng)。軌跡顯示界面如圖7所示，在代碼文本中按ISO格式輸入CNC代碼，可成功插補(bǔ)出圓柱螺旋線和空間直線。圖例刀具插補(bǔ)軌跡為（-100.0，200.0，0）→（0.057，100.0，329.850）→（120, 100.0，329.850）→（100.0,200.0,0）。

圖7 實(shí)例驗(yàn)證界面

6 結(jié)論

（1）規(guī)劃了全軟件CNC系統(tǒng)和NC嵌入PC系統(tǒng)插補(bǔ)模塊的分子模塊實(shí)現(xiàn)策略，將插補(bǔ)模塊分“數(shù)據(jù)處理與調(diào)用子模塊”與“基本插補(bǔ)子模塊”，實(shí)現(xiàn)了開放式數(shù)控系統(tǒng)插補(bǔ)模塊單元化開發(fā)，兼顧了系統(tǒng)開放性與實(shí)時(shí)性。

（2）以圓柱螺旋線和空間直線為例，研究了坐標(biāo)仿射變換原理，將空間任意曲線變換為典型位置曲線；介紹了自動跨卦限處理方法，為應(yīng)用基本插補(bǔ)算法提供基礎(chǔ)；設(shè)計(jì)了基本插補(bǔ)子模塊調(diào)用流程，實(shí)現(xiàn)了曲線空間簡潔插補(bǔ)。

（3）本文理論和方法在自行開發(fā)的全軟件CNC系統(tǒng)成功應(yīng)用，相關(guān)策略和原理亦可應(yīng)用于其他空間曲線的插補(bǔ)。

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STUDY OF THE SPATIAL CROSS-OCTANT CURVE INTERPOLATION BASED ON OPEN CNC SYSTEM

*LIU You-yu1,2，HAN Jiang2，TIAN Xiao-qing2，ZHANG Guo-zheng2

（1. Anhui Key Laboratory of Advanced Numerical Control ＆ Servo Technology, Anhui Polytechnic University, Wuhu, Anhui 241000, China; 2. CIMS Institute, Hefei University of Technology, Hefei, Anhui 230009, China）

To simplify the interpolation for spatial curves, the strategy of cross octant is studied based on the open CNC system. The theory of the sub-modules of the interpolation for complete software CNC system or NC embedded PC system is built. Take the cylinder spiral line and the spatial line for example, some theories and techniques are studied and resolved including affine transformation, automatic cross-octant, and calling basic sub-modules of interpolation. Finally, an illustrative example is proposed to validate its feasibility and effectiveness. Furthermore, the interpolation module can be divided into some sub-modules to develop. The balance between the openness and the real-time is achieved. Some theories and methods in this paper can be also applied to other spatial curves.

spatial curve; cross-octant interpolation; open CNC system; affine transformation

TG659; TP273+.5

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2012.05.015

1674-8085(2012)06-0065-05

2012-06-10；

2012-07-22

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51175001) ；“十二五”國家重大科技專項(xiàng)課題項(xiàng)目(2012ZX04001021)

*劉有余（1976-），男，安徽桐城人，博士生，主要從事現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)研究(E-mail: liuyyu@ahpu.edu.cn)；

韓 江（1963-），男，河南洛陽人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)研究(E-mail: hanjiang626@126.com)；

田曉青（1987-），女，山東淄博人，博士生，主要從事現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)研究(E-mail:tianxq0617@163.com)；

張國政（1980-），男，安徽肥東人，博士生，副教授，主要從事現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)研究(E-mail: zgzaust@163.com).