圖形參數化編程在平面磨削數控系統中的研究與應用

朱傳敏，朱啟太，許田貴

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

（同濟大學 機械工程學院，上海 201804）

0 引言

圖形參數化設計的基本思想是保持圖形結構之間的相互拓撲關系不變，通過設置一組參數來控制圖形的幾何尺寸大小，圖形參數的改變與設計結果息息相關。參數化設計極大地提高了設計的柔性，并且大大簡化了數控加工操作過程。

平面磨削加工是應用十分廣泛的一種金屬切削方法，主要通過砂輪旋轉研磨工件以使其達到所要求的加工精度。平面磨削機床特別適用于平面、溝槽及臺階的精密磨削，也可以配置其他附件拓展加工領域，如非平表面的成形加工。現代工業生產中，由于中、小批量零件占產品數量的比例越來越高，同時零件的復雜性和精度要求也迅速提高，傳統的普通機床已經越來越難以適應現代化生產的要求，而數控機床具有高精度、高效率、可以完成復雜型面加工等特點，其加工更具柔性，功能更加強大。因此，對數控精密平面磨床的研究是符合當前國內外發展趨勢的，有很大的學術價值和經濟價值[1]。

本文結合圖形參數化編程技術進行了對精密平面磨床的控制系統研究和設計，將加工程序圖形參數化，操縱者依據數控系統中的相應圖形輸入參數，所有與它相關的尺寸依據參數值自動改變,并遵循約束條件,通過調整參數來修改和控制幾何形狀，實現了磨削加工過程的圖形參數化控制。

1 圖形參數化設計方法

圖形參數化編程是一種通過參數驅動、約束聯動建立圖形模型，定義圖形結構，來控制程序流程的編程方法。參數驅動[2]即系統基于對圖形數據的操作將圖形映射到圖形數據庫中，設置出圖形實體的數據結構，根據參數在圖形結構中輸入不同內容，生成所需圖形的過程。所謂圖形特征聯動就是保證在圖形拓撲關系不變的情況下，對次約束的驅動，亦即保證連續、相切、垂直、平行等關系不變。反映到參數驅動過程就是要根據各種幾何相關性準則去判斷與被動點有上述拓撲關系的實體及其數據，在保證原關系不變的前提下，求出新的幾何數據，稱這些幾何數據為從動點。這樣，從動點的約束就與驅動參數有了聯系，而依靠這一聯系，從動點得到了驅動點的驅動[3]。

2 數控系統總體框架結構

2.1 運動控制器與數控系統通訊

數控磨削系統采用Windows操作系統作為開發平臺，基于Googol Tech GE-300-SG控制卡，使用Visual Basic 6.0與VC++等程序語言實現控制結構，并與伺服機構進行連接，實現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、加工控制。在本研究中通過將運動控制指令存放在控制器的指令緩沖區,并順次執行指令，不但降低了對主機通訊實時性的要求,又提高了通訊效率。通過運動控制器對緩沖區的連續段運動軌跡的預處理,獲得了良好的運動特性。

2.2 數控系統軟件結構框圖

如圖1所示，精密平面磨床數控系統采用上位機和下位機結合，以上位PC機為硬件平臺，基于Windows操作系統，完成諸如人機界面的管理、參數優化、NC文件管理、代碼預處理、參數優化等非實時性管理工作。下位機運動控制卡調用其內部功能函數如：軌跡插補運算、位置控制、速度控制、加速度控制、運行狀態監控、輔助功能處理等，并與伺服機構相連接，實現了對機床的運動控制。

圖1 數控系統軟件結構框圖

3 基于圖形參數化的精密平面磨床數控系統設計

3.1 圖形參數化編程方法的引入

在數控磨削系統中，通過采用圖形參數化編程，編程人員能夠實時修改所加工的零件參數，及時地調整系統運行狀態，這不但簡化了操縱者對程序的編寫，同時加強了對所加工零件的參數控制。

3.1.1 加工模式的圖形參數化

圖2 磨削參數圖形特征單元

在傳統的磨削加工中，一般要先進行程序編制，砂輪再根據程序所確定的參數經行軌跡插補及進給，而本系統中操縱人員可以通過識別系統中的圖形特征單元選擇程序是自動進給還是手動進給，同時可以通過修改En_Yf的值來選擇相應的磨削參數：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化

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

圖3 修整過程實時圖形

3.1.3 磨削加工軌跡的圖形參數化

如圖4所示，當選擇自動進給模式時，砂輪將根據磨削參數和預設的插補軌跡自動加工，此時需設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的磨削方式，分別為切入往復式、間斷式和連續式，如圖5所示。

圖4 設置工件位置

圖5 磨削方式圖形特征單元

3.2 圖形參數化插補算法的實現

當工件位置設置為左后時，建立工件坐標系，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 非圓曲線插補軌跡計算

對于非圓曲線的插補軌跡，在本控制系統中采用等步長的直線逼近[4]節點進行計算。

圖6 等步長直線逼近坐標圖

如圖6所示，設曲線為 , 則該曲線的曲率半徑為：

根據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，由幾何關系可知：

以曲線起點α為圓心，為半徑l的圓方程與曲線方程y=f(x)聯立求解，得(xa,yb)，再以b點為圓心求出c點的坐標值。

聯立方程

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

3.4 數控系統的設計

數控系統的運動控制流程如圖7所示。

圖7 運動控制流程圖

4 結束語

本文結合固高GE系列運動控制卡，通過引入圖形參數化編程方法，對平面磨削數控系統進行了研究和開發。

1）實現了磨削加工直線、圓弧和非圓曲線插補軌跡的計算方法。

2）將磨削和修整程序以圖形單元的方式應用于控制系統中，實現了圖形化顯示系統運行狀態、砂輪修整程序的自動補償，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的研究開發中采用圖形參數化編程方法是可行和有效的，并對提高控制系統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.基于圖形數據的圖形參數化方法[J].計算機輔助設計與圖形學學報,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.數控技術及其應用[M].北京：機械工業出版社,2004.