基于PAL-CCD的數控機床控制對接系統設計

史克彬，趙鳳芹

（1.沈陽農業大學，沈陽 110866；2.遼寧職業學院 機械工程學院，沈陽 110866）

0 引言

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

1 系統總體架構

數控機床控制對接系統的總體結構如圖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。圖像采集系統基于TMS320DM642內核的SEED-VPM64圖像處理DSP構成，為了提高圖像的處理性能，采用MC9S12DG128微處理器實現對數控機床控制對接狀態參數的采集和警示。LED液晶顯示器的分辨率是1920×1280，存儲介質采用250G的硬盤。

圖1 系統總體框架圖

CCD圖像采集器的作用是采集數控機床控制對接過程的圖像信息，是系統的核心部分。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 系統關鍵模塊的硬件設計

2.1 SEED-VPM642圖像處理模塊的硬件設計

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，Flash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時間。8個信號輸入/輸出接口，能夠實現數控機床系統的監測和控制。SATA硬盤接口能夠儲存大量的數控機床控制對接圖像。圖像處理模塊各連接與引腳設計圖如圖2所示。

圖2 圖像處理模塊的硬件設計結構

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位的數據線和一個時鐘信號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，其連接與引腳設計如下圖3所示。TVP5150根據標準的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引腳設置為“1”時，VP0口能夠實現圖像數據的采集，數據傳輸的速率最高為500KbITS，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圖像信號經過TVP5150轉換為YUV4:2:2數字色差信號，輸出圖像的格式為ITU-R BT656，通過IIC總線輸出圖像信號。圖像數據被暫時儲存在SDRAM中，利用DSP對SDRAM中的圖像數據進行讀取，并進行圖像處理。

2.3 電源模塊及串口轉換模塊的硬件設計

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

圖4 電源供電模塊硬件設計

上圖的電源設計中加入了LMN117對直流的電流進行轉換，消除外部的干擾。

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

圖5 串口轉換硬件設計

3 軟件設計

3.1 對接控制模塊的功能設計

數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分別為數控機床、UAV的質心；Pj 表示特征點；B為對接點，它在數控機床坐標系下位置是固定的；R為UAV的口位置；C為系統攝像機的位置。所有坐標系都采用了ISO體系。

基于上述數控機床控制對接過程的特殊性，系統設計控制軟件的主要功能包括：與測量設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計算、產生并傳輸對接裝置控制信號、對接過程控制、對接狀態監控、對接過程視覺校驗、對接圖像顯示等。根據上述功能的需要，系統控制軟件主要分為對接接口管理、對接基準點計算、對接之前的機床調整、對接運動控制、視覺校驗和參數處理等模塊。

3.2 軟件的整體設計

以VisualC++6.0為基礎，結合Open CASCADE的幾何形狀數據庫和視覺校驗交互數據庫進行數控機床控制對接的軟件的設計。圖7能夠描述軟件控制數控機床控制對接過程中的控制軟件設計流程。

圖7 控制軟件設計流程

系統控制軟件需要利用TCP/IP通信協議才能實現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送到控制系統；4）結束測量過程，并斷開連接。

圖8 對接基準點測量系統

3.3 機床控制對接過程的計算

設置機床與錐套都是剛體，器空間機床姿態能夠用歐拉角 和坐標值 進行描述。設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的關系

x y z能夠用下述公式進行描述：

其中，A是機床姿態位置矩陣：

在上述矩陣中，s為sin，c為cos。

將上述機床姿態算法集成到系統控制軟件中，根據機床上的4個基準點即可計算出當前的對接姿態。將當前姿態與設定的姿態進行對比能夠獲取姿態的差值，將姿態差值轉化為運動控制器在x,y,z方向上的位移量，然后調整控制器的運動，從而消除姿態差值，實現了對接過程中的機床姿態調整。

3.4 對接過程的視覺校驗的實現

數控機床控制對接過程的視覺校驗過程需要利用OPEN CASCDE的幾何形狀數據庫和可視化交互數據庫。在軟件編寫的過程中需要將對應的動態連接引入到系統。視覺校驗的基本步驟是：1）采集對接圖像，創建一個3DVIEWER視窗，用于對接過程的顯示；2）在視窗中構建一個AISContext交互系統，用于視窗中對接狀態的操作和管理。3）將建立的對接過程的CAD模型轉換為交互對象，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，其關鍵代碼如下所述：

4 實驗與分析

為了驗證本文設計軟件的有效性，需要進行一次實驗。在實驗的過程中，利用仿真軟件MATLAB7.1構建數控機床控制對接實驗環境。分別利用傳統軟件和本文軟件對數控機床控制對接過程進行設計。試驗環境如圖9所示。

圖9 試驗視覺環境

實驗結果如圖10所示。

圖10 不同軟件對接過程耗時比較

根據上圖實驗結果能夠得知，在數控機床控制對接實驗的過程中，利用傳統的軟件進行對接控制的過程，由于沒有考慮外界環境的復雜情況，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系統的弊端。從而縮短了數控機床控制對接過程需要的時間。

將上述實驗過程中的數據進行整理和分析，能夠得到表1中的實驗結果。

表1 對接過程耗時數據表

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

根據圖11實驗結果能夠得知，利用傳統軟件進行數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。針對上述數據進行整理和分析，能夠得到表2中的實驗數據。

表2 機床受力情況數據表

根據上表實驗結果能夠得知，利用本文系統進行數控機床控制對接，能夠有效保證對接過程中的安全，充分體現出本文軟件的優越性。

5 結束語

針對傳統的控制軟件進行數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控機床控制對接軟件設計方法。首先對數控機床控制對接系統的構成及工作原理進行了闡述。在此基礎上利用Visual C++6.0結合Open CASADE對控制軟件進行了設計。仿真實驗結果表明，利用PAL-CCD的對接軟件進行數控機床控制對接，能夠有效提高對接過程的效率，效果令人滿意。

[1]陳迎春,宋文濱,劉洪民.用飛機總體設計(第一版)[M].上海:上海交通大學出版社,2010:237-45.

[2]許維進,劉志敏.重心位置對飛機阻力及其飛行性能的影響[J].飛行力學,1999,17(1):54-58.

[3]Zhang Chongjun,Lai Yinan,Zhang Guangyu.Zerogravity simulation technique of five freedom docking tested[A].Proceedings of the Aerospace Conference[C].2004,IEEE.V6.2004.4048-404.

[4]周前祥,連順國.空間交會對接技術及其發展趨勢[J].中國航天,1998.1:25-28.

[5]Zheng Y F, Henami H.Mathematical modeling of a robot collision with its environment [J].Journal of Robotic Systems,1985,2(3):289-307.

[6]劉洋,馬麗娜,劉磊.無人機地面站飛行監控系統軟件設計[J].計算機測量與控制,2014,22(01):294-296.