數(shù)字積分法插補(bǔ)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

楊澤青　張俊峰　劉麗冰　肖艷軍　楊偉東　張艷蕊

【摘 要】為便于學(xué)生直觀地理解數(shù)字積分法插補(bǔ)原理和插補(bǔ)流程，采用LabVIEW構(gòu)建了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。該平臺(tái)集成了直線插補(bǔ)模塊和圓弧插補(bǔ)模塊，每個(gè)模塊主要包括插補(bǔ)運(yùn)算初始化啟動(dòng)功能、插補(bǔ)速度控制功能和插補(bǔ)過(guò)程實(shí)時(shí)顯示功能，便于學(xué)生形象直觀地模擬單象限及跨象限直線和圓弧插補(bǔ)過(guò)程，進(jìn)而深刻理解數(shù)字積分法插補(bǔ)原理，同時(shí)也為數(shù)字積分法插補(bǔ)算法的改進(jìn)和功能拓展提供相應(yīng)接口，為學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)開(kāi)展提供平臺(tái)支撐。

【關(guān)鍵詞】數(shù)控插補(bǔ)；數(shù)字積分法；虛擬仿真；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；教學(xué)平臺(tái)

1 數(shù)控插補(bǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在問(wèn)題及解決思路

數(shù)字積分法插補(bǔ)算法、插補(bǔ)原理是《計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)》最重要的一部分教學(xué)內(nèi)容。實(shí)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在數(shù)控設(shè)備短缺、實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)時(shí)間受限等不足，學(xué)生只能在限定的時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定的實(shí)驗(yàn)操作，不利于培養(yǎng)學(xué)生的自主創(chuàng)新能力，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)恰好彌補(bǔ)了這一不足。鑒于LabVIEW具有可視化的編程環(huán)境和流程圖式的編程風(fēng)格、內(nèi)置高效的程序編譯器、靈活的程序調(diào)試手段、功能強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和分析函數(shù)庫(kù)等特點(diǎn)，為增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的實(shí)踐性和交互性，本文采用LabVIEW開(kāi)發(fā)數(shù)字積分法插補(bǔ)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，充分拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容、形式、空間與時(shí)間，使學(xué)生在對(duì)插補(bǔ)算法感性認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步深化所學(xué)知識(shí)，理解數(shù)字積分法插補(bǔ)原理的精髓所在，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的靈活性和生動(dòng)性；而且通過(guò)拓展接口引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行算法的改進(jìn)，培養(yǎng)學(xué)生的自主研發(fā)能力和工程創(chuàng)新能力，使教學(xué)和科研有機(jī)地結(jié)合起來(lái)。

2 數(shù)控插補(bǔ)虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)的功能需求分析

插補(bǔ)是數(shù)控系統(tǒng)的重要功能，教師在講授該部分內(nèi)容時(shí)，希望學(xué)生在對(duì)插補(bǔ)概念及插補(bǔ)原理理解的基礎(chǔ)上，深刻體會(huì)插補(bǔ)的流程及零件數(shù)控加工的實(shí)質(zhì)內(nèi)涵，虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)的主要功能是用來(lái)輔助課堂教學(xué)，不僅能形象生動(dòng)地模擬單象限直線和圓弧插補(bǔ)，而且能實(shí)現(xiàn)跨象限的直線和圓弧插補(bǔ)功能，提高插補(bǔ)流程的直觀性和真實(shí)性，便于學(xué)生形象地獲取知識(shí)、激發(fā)學(xué)習(xí)熱情，取得較好的教學(xué)效果。另外，學(xué)生可以不受實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)時(shí)間與空間的限制，自由發(fā)揮，按照個(gè)人興趣和愛(ài)好自主進(jìn)行探索性實(shí)驗(yàn)，開(kāi)展其他設(shè)計(jì)性、驗(yàn)證性或綜合性拓展實(shí)驗(yàn)，便于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和工程創(chuàng)新能力。

3 字積分法插補(bǔ)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 數(shù)字積分法插補(bǔ)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

數(shù)字積分法插補(bǔ)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)采用模塊化設(shè)計(jì)思路，以便對(duì)模塊進(jìn)行修改和調(diào)用，根據(jù)功能需求分析可知需要分別實(shí)現(xiàn)直線和圓弧插補(bǔ)功能，設(shè)計(jì)的數(shù)字積分法插補(bǔ)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。在每個(gè)功能模塊內(nèi)主要包括初始化模塊、插補(bǔ)速度控制模塊和插補(bǔ)過(guò)程實(shí)時(shí)顯示模塊，其中初始化模塊用于插補(bǔ)運(yùn)算基本數(shù)據(jù)（直線起點(diǎn)、終點(diǎn)坐標(biāo)；圓弧圓心、起點(diǎn)、終點(diǎn)坐標(biāo)；進(jìn)給速度等）的輸入、順逆圓弧的選擇、插補(bǔ)仿真過(guò)程的啟動(dòng)和系統(tǒng)時(shí)間的顯示，采用數(shù)值輸入控件和布爾型控制控件來(lái)實(shí)現(xiàn)該功能；插補(bǔ)速度控制模塊用于插補(bǔ)速度調(diào)節(jié)和插補(bǔ)時(shí)間的顯示；插補(bǔ)過(guò)程實(shí)時(shí)仿真顯示模塊采用XYGraph、波形圖、數(shù)組與數(shù)值顯示控件實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)軌跡的動(dòng)態(tài)顯示、X/Y進(jìn)給方向變化圖以及插補(bǔ)過(guò)程數(shù)據(jù)顯示。

3.2 數(shù)字積分法插補(bǔ)仿真程序設(shè)計(jì)

按照數(shù)字積分法插補(bǔ)算法，數(shù)控系統(tǒng)依據(jù)加工程序中的有限數(shù)據(jù)，按照數(shù)字積分的方法計(jì)算刀具沿各坐標(biāo)軸的位移，對(duì)直線或者圓弧進(jìn)行加工的時(shí)候，用兩個(gè)累加器分別對(duì)兩軸的終點(diǎn)坐標(biāo)值進(jìn)行累加，當(dāng)累加器溢出脈沖的時(shí)候，指令相應(yīng)的坐標(biāo)沿規(guī)定方向進(jìn)給一步，直至到達(dá)各軸的終點(diǎn)，以此為基礎(chǔ)完成所需輪廓軌跡的擬合。

3.3 數(shù)字積分法插補(bǔ)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件的實(shí)現(xiàn)

首先，按照數(shù)字積分法插補(bǔ)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的設(shè)計(jì)思路和各插補(bǔ)算法流程圖，編寫(xiě)后面板程序，其中初始化模塊的后面板實(shí)現(xiàn)框圖。插補(bǔ)仿真過(guò)程的啟動(dòng)功能采用while循環(huán)且在其中添加了一個(gè)布爾量開(kāi)關(guān)，只有當(dāng)開(kāi)關(guān)啟動(dòng)為真時(shí)，才跳出while循環(huán)進(jìn)入case循環(huán)執(zhí)行插補(bǔ)主程序；并且為了大幅度減少CPU的使用率、降低能耗，在while循環(huán)中加入一個(gè)時(shí)間延遲函數(shù)，延遲時(shí)間默認(rèn)設(shè)置為0.5s，這個(gè)根據(jù)需要也可以進(jìn)行修改。在插補(bǔ)仿真過(guò)程實(shí)現(xiàn)之前，首先需要輸入插補(bǔ)運(yùn)算的基本數(shù)據(jù)，如果輸入錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)或不合理的數(shù)據(jù)，彈出對(duì)話框提示用戶輸入正確的數(shù)據(jù)。

另外，插補(bǔ)速度控制模塊后面板框圖所顯示，采用時(shí)間函數(shù)顯示插補(bǔ)時(shí)間，為了直觀地模擬插補(bǔ)仿真過(guò)程，采用時(shí)間延遲函數(shù)來(lái)設(shè)置相鄰兩次插補(bǔ)循環(huán)過(guò)程的時(shí)間間隔，也就實(shí)現(xiàn)了對(duì)插補(bǔ)速度的調(diào)節(jié)功能。并且添加了單步插補(bǔ)控制功能，只有觸發(fā)了單步插補(bǔ)按鈕才會(huì)運(yùn)行一次插補(bǔ)循環(huán)，手動(dòng)多次觸發(fā)此按鈕即可控制插補(bǔ)過(guò)程的執(zhí)行。

之后，插補(bǔ)過(guò)程實(shí)時(shí)仿真顯示模塊按照不同的插補(bǔ)算法流程圖和插補(bǔ)步驟，添加相應(yīng)的對(duì)象，然后根據(jù)數(shù)據(jù)流的流向?qū)⒍丝凇⒐?jié)點(diǎn)、框圖依次相連，實(shí)現(xiàn)不同插補(bǔ)算法的插補(bǔ)運(yùn)行過(guò)程。

3.4 數(shù)字積分法插補(bǔ)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的測(cè)試

數(shù)字積分法插補(bǔ)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的測(cè)試對(duì)于軟件的正常工作至關(guān)重要，是系統(tǒng)正常運(yùn)行和使用之前的必要環(huán)節(jié)。首先對(duì)各功能模塊進(jìn)行測(cè)試，輸入不同象限的起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)，設(shè)置插補(bǔ)的進(jìn)給速度，圓弧插補(bǔ)時(shí)選擇插補(bǔ)方向，并考慮過(guò)象限問(wèn)題，逐一運(yùn)行軟件程序。為了便于程序調(diào)試和排查錯(cuò)誤，借助工具欄中的“顯示錯(cuò)誤”、“單步執(zhí)行”、“斷點(diǎn)執(zhí)行”等工具，在程序中設(shè)置斷點(diǎn)單步執(zhí)行，或者在程序流上設(shè)置探針，觀察程序運(yùn)行中數(shù)據(jù)的變化，也可以進(jìn)行點(diǎn)亮操作來(lái)觀察數(shù)據(jù)流的流動(dòng)方式，此軟件系統(tǒng)經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的模塊測(cè)試與總體測(cè)試均表現(xiàn)正常且達(dá)到了預(yù)期功能，穩(wěn)定性也很好，測(cè)試界面如圖1、圖2、圖3所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

從教學(xué)實(shí)際出發(fā)，構(gòu)建的數(shù)字積分法插補(bǔ)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)在一定程度上彌補(bǔ)了實(shí)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，采取實(shí)驗(yàn)課嵌入理論課的授課方式，不但緩解了課時(shí)的矛盾，較好地達(dá)到預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)的目的[2]，學(xué)生可以可以通過(guò)手動(dòng)方式單步執(zhí)行插補(bǔ)算法的插補(bǔ)過(guò)程，也可以通過(guò)自動(dòng)方式直觀模擬插補(bǔ)全過(guò)程，提高學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的積極性和主動(dòng)性，開(kāi)拓學(xué)生思維，對(duì)數(shù)字積分法橢圓曲線插補(bǔ)和其他復(fù)雜曲線插補(bǔ)算法的改進(jìn)和應(yīng)用提供軟件平臺(tái)，進(jìn)一步拓展了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容；而且打破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的限制，對(duì)實(shí)驗(yàn)資源的整合、優(yōu)化及充分利用發(fā)揮了示范作用。

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[責(zé)任編輯：王偉平]