基于PAL-CCD的數(shù)控機床控制對接系統(tǒng)設(shè)計

史克彬，趙鳳芹

（1.沈陽農(nóng)業(yè)大學，沈陽 110866；2.遼寧職業(yè)學院 機械工程學院，沈陽 110866）

0 引言

隨著數(shù)控技術(shù)的快速發(fā)展，它已經(jīng)被廣泛應用到醫(yī)療設(shè)備、軍事裝備、制造行業(yè)等諸多領(lǐng)域，并發(fā)揮著越來越重要的作用[1]。數(shù)控技術(shù)在使用過程中，由于自身技術(shù)水平、質(zhì)量、精度、性能等方面的影響，及時補充技術(shù)水平，才能保證數(shù)控技術(shù)的發(fā)展速度[2]。由于數(shù)控機床控制對接的過程是一個十分復雜的過程，因此，數(shù)控機床控制對接軟件設(shè)計方法，成為工業(yè)領(lǐng)域需要研究的核心問題，受到很多專家的重點關(guān)注[3]。當前階段，主要的數(shù)控機床控制對接軟件設(shè)計方法主要包括基于運動軌跡跟蹤算法的數(shù)控機床控制對接軟件設(shè)計方法[4]、基于特征點重疊算法的數(shù)控機床控制對接軟件設(shè)計方法和基于三維立體技術(shù)的數(shù)控機床控制對接軟件設(shè)計方法[5,6]。由于數(shù)控機床控制對接軟件設(shè)計方法在工業(yè)領(lǐng)域應用范圍十分廣泛，因此，擁有廣闊的發(fā)展前景，成為很多科研單位研究的重點課題。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

數(shù)控機床控制對接系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。硬件部分主要有CCD視頻采集器、SEED-VPM64圖像處理DSP、MC9S12DG128微處理器、蓄電池、LED顯示器、SATA硬盤等夠成。圖像采集系統(tǒng)基于TMS320DM642內(nèi)核的SEED-VPM64圖像處理DSP構(gòu)成，為了提高圖像的處理性能，采用MC9S12DG128微處理器實現(xiàn)對數(shù)控機床控制對接狀態(tài)參數(shù)的采集和警示。LED液晶顯示器的分辨率是1920×1280，存儲介質(zhì)采用250G的硬盤。

圖1 系統(tǒng)總體框架圖

CCD圖像采集器的作用是采集數(shù)控機床控制對接過程的圖像信息，是系統(tǒng)的核心部分。它包括PAL和NTSC兩種圖像格式，NTSC格式的圖像色彩穩(wěn)定性較差，容易闡述相位失真，而PAL格式的圖像則能避免上述缺陷，因此采用PAL格式的CCD圖像采集器。由于數(shù)控機床控制對接的過程是個十分精密的過程，因此，CCD圖像采集器采用高保真TFT彩色CCD圖像采集器，其型號為OTAM。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵模塊的硬件設(shè)計

2.1 SEED-VPM642圖像處理模塊的硬件設(shè)計

SEED-VPM642圖像處理DSP的核心是SEED-VPM642，其核心頻率為800MHz，處理性能為6000MIPS，能夠同時進行4路CIF格式的H384圖像壓縮算法。SDRAM為2G×64位，F(xiàn)lash為1G×32位，在上面有8個PAL/NTFS格式的圖像輸入接口。2個PAL/NTFS格式的圖像輸出接口。2個RS232/RS485串行通信接口。RTC實時時鐘可以為圖像的采集和處理提供系統(tǒng)時間。8個信號輸入/輸出接口，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)控機床系統(tǒng)的監(jiān)測和控制。SATA硬盤接口能夠儲存大量的數(shù)控機床控制對接圖像。圖像處理模塊各連接與引腳設(shè)計圖如圖2所示。

圖2 圖像處理模塊的硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)

上圖中，SEED-VPM642微處理芯片上有4個VIDEO PORT口，所有的VIDEO PORT口都有一個24位的數(shù)據(jù)線和一個時鐘信號VP×CLK0，同時包括圖像輸出和輸入時鐘信號VP×CLK1、3個VP×CLK0、VP×CLK1以及VP×CLK2圖像源信號。其中每個圖像接口都被分成上下兩個信號通道。系統(tǒng)將SEED-VPM642中的VP1當作圖像的輸入、輸出接口。圖像解碼芯片采用TVP5150PBS，圖像編碼芯片采用SAA712H。

2.2 圖像解碼模塊的硬件設(shè)計

圖像解碼模塊采用的芯片為TVP5150，其可以接收2路CVBS圖像輸入信號和1路Y/C圖像輸入信號，其連接與引腳設(shè)計如下圖3所示。TVP5150根據(jù)標準的IIC總線進行配置，其GPCL引腳能夠作為VP0口的CAPEN，用來控制圖像的采集。當GPCL引腳設(shè)置為“1”時，VP0口能夠?qū)崿F(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾首罡邽?00KbITS，圖像信號輸入范圍是0.75V。

圖3 圖像解碼芯片電路圖

CCD圖像采集器采集到的PAL圖像信號經(jīng)過TVP5150轉(zhuǎn)換為YUV4:2:2數(shù)字色差信號，輸出圖像的格式為ITU-R BT656，通過IIC總線輸出圖像信號。圖像數(shù)據(jù)被暫時儲存在SDRAM中，利用DSP對SDRAM中的圖像數(shù)據(jù)進行讀取，并進行圖像處理。

2.3 電源模塊及串口轉(zhuǎn)換模塊的硬件設(shè)計

電源模塊是保證終端系統(tǒng)運行性能穩(wěn)定的重要手段，電源管理設(shè)計引角連接如圖4所示。

圖4 電源供電模塊硬件設(shè)計

上圖的電源設(shè)計中加入了LMN117對直流的電流進行轉(zhuǎn)換，消除外部的干擾。

在電源與地間接入了一個二極管D5保證電源的供電穩(wěn)定。計算機串口處理的電平是RS-232本文設(shè)計的電平串口轉(zhuǎn)換電路如圖5所示。

圖5 串口轉(zhuǎn)換硬件設(shè)計

3 軟件設(shè)計

3.1 對接控制模塊的功能設(shè)計

數(shù)控機床控制對接采用伸縮管方式，其對接示意圖如圖6所示。

圖6 機床對接示意圖

上圖中，T、U分別為數(shù)控機床、UAV的質(zhì)心；Pj 表示特征點；B為對接點，它在數(shù)控機床坐標系下位置是固定的；R為UAV的口位置；C為系統(tǒng)攝像機的位置。所有坐標系都采用了ISO體系。

基于上述數(shù)控機床控制對接過程的特殊性，系統(tǒng)設(shè)計控制軟件的主要功能包括：與測量設(shè)備和對接裝置的接口控制、對接裝置與機床初始位置定位、采集定位基準點坐標、機床與對接裝置的姿態(tài)計算、產(chǎn)生并傳輸對接裝置控制信號、對接過程控制、對接狀態(tài)監(jiān)控、對接過程視覺校驗、對接圖像顯示等。根據(jù)上述功能的需要，系統(tǒng)控制軟件主要分為對接接口管理、對接基準點計算、對接之前的機床調(diào)整、對接運動控制、視覺校驗和參數(shù)處理等模塊。

3.2 軟件的整體設(shè)計

以VisualC++6.0為基礎(chǔ)，結(jié)合Open CASCADE的幾何形狀數(shù)據(jù)庫和視覺校驗交互數(shù)據(jù)庫進行數(shù)控機床控制對接的軟件的設(shè)計。圖7能夠描述軟件控制數(shù)控機床控制對接過程中的控制軟件設(shè)計流程。

圖7 控制軟件設(shè)計流程

系統(tǒng)控制軟件需要利用TCP/IP通信協(xié)議才能實現(xiàn)與控制器進行連接通信，是間接與脈沖跟蹤儀進行連接，同時利用脈沖跟蹤儀自帶的編程接口，進行對脈沖跟蹤儀的控制。如圖8所示。對接基準點的測量過程為：1）連接控制器；2）對脈沖跟蹤儀進行處理化操作；3）下達測量指令，獲取油管錐套的控制位置信息并發(fā)送到控制系統(tǒng)；4）結(jié)束測量過程，并斷開連接。

圖8 對接基準點測量系統(tǒng)

3.3 機床控制對接過程的計算

設(shè)置機床與錐套都是剛體，器空間機床姿態(tài)能夠用歐拉角 和坐標值 進行描述。設(shè)置對接基準點的實際坐標是 ps=()T，則測量點在機床坐標系中的坐標是 pc=( pc,pc,pc)T，則 ps與 pc的關(guān)系

x y z能夠用下述公式進行描述：

其中，A是機床姿態(tài)位置矩陣：

在上述矩陣中，s為sin，c為cos。

將上述機床姿態(tài)算法集成到系統(tǒng)控制軟件中，根據(jù)機床上的4個基準點即可計算出當前的對接姿態(tài)。將當前姿態(tài)與設(shè)定的姿態(tài)進行對比能夠獲取姿態(tài)的差值，將姿態(tài)差值轉(zhuǎn)化為運動控制器在x,y,z方向上的位移量，然后調(diào)整控制器的運動，從而消除姿態(tài)差值，實現(xiàn)了對接過程中的機床姿態(tài)調(diào)整。

3.4 對接過程的視覺校驗的實現(xiàn)

數(shù)控機床控制對接過程的視覺校驗過程需要利用OPEN CASCDE的幾何形狀數(shù)據(jù)庫和可視化交互數(shù)據(jù)庫。在軟件編寫的過程中需要將對應的動態(tài)連接引入到系統(tǒng)。視覺校驗的基本步驟是：1）采集對接圖像，創(chuàng)建一個3DVIEWER視窗，用于對接過程的顯示；2）在視窗中構(gòu)建一個AISContext交互系統(tǒng)，用于視窗中對接狀態(tài)的操作和管理。3）將建立的對接過程的CAD模型轉(zhuǎn)換為交互對象，利用AISContext進行控制。需要在視窗中顯示IGES格式存儲的對接三維模型，其關(guān)鍵代碼如下所述：

4 實驗與分析

為了驗證本文設(shè)計軟件的有效性，需要進行一次實驗。在實驗的過程中，利用仿真軟件MATLAB7.1構(gòu)建數(shù)控機床控制對接實驗環(huán)境。分別利用傳統(tǒng)軟件和本文軟件對數(shù)控機床控制對接過程進行設(shè)計。試驗環(huán)境如圖9所示。

圖9 試驗視覺環(huán)境

實驗結(jié)果如圖10所示。

圖10 不同軟件對接過程耗時比較

根據(jù)上圖實驗結(jié)果能夠得知，在數(shù)控機床控制對接實驗的過程中，利用傳統(tǒng)的軟件進行對接控制的過程，由于沒有考慮外界環(huán)境的復雜情況，造成需要的時間遠遠高于本文軟件進行對接控制的過程。而利用本文軟件則能夠避免傳統(tǒng)系統(tǒng)的弊端。從而縮短了數(shù)控機床控制對接過程需要的時間。

將上述實驗過程中的數(shù)據(jù)進行整理和分析，能夠得到表1中的實驗結(jié)果。

表1 對接過程耗時數(shù)據(jù)表

在上述實驗的過程中，在不同軟件控制下的機床的受力情況如圖11所示。

圖11 軟管錐套受力比較

根據(jù)圖11實驗結(jié)果能夠得知，利用傳統(tǒng)軟件進行數(shù)控機床控制對接控制，軟管錐套受到的拉力遠遠大于本文軟件控制下的機床，增加機床損壞的風險。而利用本文軟件控制下的機床受力情況十分均勻，合理，從而保證了對接過程中的安全。針對上述數(shù)據(jù)進行整理和分析，能夠得到表2中的實驗數(shù)據(jù)。

表2 機床受力情況數(shù)據(jù)表

根據(jù)上表實驗結(jié)果能夠得知，利用本文系統(tǒng)進行數(shù)控機床控制對接，能夠有效保證對接過程中的安全，充分體現(xiàn)出本文軟件的優(yōu)越性。

5 結(jié)束語

針對傳統(tǒng)的控制軟件進行數(shù)控機床控制對接的過程中，沒有考慮外界復雜條件對對接過程的影響，從而降低了對接的效率。為此，提出一種基于視覺校驗的數(shù)控機床控制對接軟件設(shè)計方法。首先對數(shù)控機床控制對接系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理進行了闡述。在此基礎(chǔ)上利用Visual C++6.0結(jié)合Open CASADE對控制軟件進行了設(shè)計。仿真實驗結(jié)果表明，利用PAL-CCD的對接軟件進行數(shù)控機床控制對接，能夠有效提高對接過程的效率，效果令人滿意。

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