基于虛擬攝譜儀技術(shù)的Bezier工件CAM系統(tǒng)的預(yù)設(shè)

某攝譜儀公司在20世紀80年代中期提出了虛擬攝譜儀的概念。到目前為止,NI、HP、Racal等公司已成功研制和推出了多種總線系統(tǒng)的虛擬攝譜儀。

虛擬攝譜儀也稱計算機個人攝譜儀,它是現(xiàn)代計算機技術(shù)與攝譜儀技術(shù)完美結(jié)合的產(chǎn)物,是當今計算機輔助測試領(lǐng)域的重要技術(shù)。虛擬攝譜儀利用強大的圖形環(huán)境和接口通信功能,建立虛擬攝譜儀面板,完成對攝譜儀的控制、數(shù)據(jù)分析和顯示,代替了傳統(tǒng)的攝譜儀并改變了傳統(tǒng)攝譜儀的使用方法,用戶可以根據(jù)自己的需求定義攝譜儀功能,提高攝譜儀的使用功能和效率,大幅降低了攝譜儀的價格和研發(fā)周期。

虛擬攝譜儀編程語言Lab Windows/CVI是NI公司推出利用虛擬攝譜儀技術(shù)開發(fā)的32位計算機測控領(lǐng)域半圖形化的軟件開發(fā)平臺。它以ANSIC語言為內(nèi)核,并與C++兼容,它包含一個交互式的開發(fā)環(huán)境和用于數(shù)據(jù)采集和攝譜儀控制的函數(shù)庫,數(shù)據(jù)采集函數(shù)庫如GPIB庫、DAQ的I/O庫、RS?232庫、VISA庫、VXI庫;數(shù)據(jù)分析和網(wǎng)絡(luò)通信庫如格式化與I/O庫、分析庫、DDE、TCP及ActiveX自動化庫,支持動態(tài)鏈接庫(DDL)。它的集成化開發(fā)平臺、交互式編程方法、豐富的功能面板和庫函數(shù)為熟悉C語言的開發(fā)人員提供了理想的開發(fā)環(huán)境。同時,LabW indows/CVI還具有攝譜儀控制、數(shù)據(jù)采集與分析處理、網(wǎng)絡(luò)編程、數(shù)據(jù)庫編程等功能,適用于大型的測試控制、故障診斷和信息分析處理的系統(tǒng)工程。利用CVI的上述特性,特別是采用了NI公司的DAQ卡攝譜儀硬件,系統(tǒng)的集成非常方便、快捷。

Bezier樣條曲線廣泛地應(yīng)用于各種CAD預(yù)設(shè)中,基于Bezier曲線制造的工件(Bezier工件)也大量使用在汽車、飛機、宇宙飛船、電腦等尖端產(chǎn)品中,但Bezier工件的制造卻十分復(fù)雜和困難,需要大型復(fù)雜的計算機輔助制造(CAM)系統(tǒng)。對中小型企業(yè),由于缺少資金投入和產(chǎn)品批量,大多采用半自動或手工方式制造,往往造成Bezier工件的誤差大、互換性差,給產(chǎn)品的批量生產(chǎn)和維修帶來極大困難。某大型電梯有限公司在生產(chǎn)電腦控制自動扶梯中使用了大量的Bezier工件,用于外觀和傳動部分。為了提高產(chǎn)品的質(zhì)量和檔次、提高生產(chǎn)效率、降低維修成本,公司決定研制一臺成本低廉、結(jié)構(gòu)簡單的Bezier工件的CAM系統(tǒng),該系統(tǒng)預(yù)設(shè)需要良好的圖形界面,實現(xiàn)串口通信、數(shù)據(jù)采集卡使用等功能,虛擬攝譜儀技術(shù)充分利用計算機強大的圖形環(huán)境和接口通信功能,建立虛擬攝譜儀面板,同時虛擬攝譜儀軟件開發(fā)平臺Lab Windows/CVI集成了許多高級功能函數(shù)庫,這些較好地滿足了本系統(tǒng)的預(yù)設(shè)要求,因此該系統(tǒng)的預(yù)設(shè)采用Lab Windows/CVI 6。0作為軟件開發(fā)平臺。

1 系統(tǒng)預(yù)設(shè)

1.1 硬件預(yù)設(shè)

構(gòu)造Bezier工件的CAM系統(tǒng)如下示,系統(tǒng)由三大部分組成:制造、檢驗和控制。

制造部分:

1）機械夾具通過光電傳感器對工件進行側(cè)向和縱向定位。氣動單元完成工件的預(yù)壓緊、推進、釋放等。

2）速度編碼器測量牽引軸的轉(zhuǎn)速(工件加工的速度),并計算出已加工的工件長度。位移傳感器測量下壓軸的下壓距離。

3）液壓系統(tǒng)控制液壓站、液壓回路、油缸、液壓壓力傳感器、下壓軸工作;完成對工件下壓,使工件成型。

檢驗部分:由驅(qū)動馬達和光電傳感器組完成對已加工工件的測量。合格產(chǎn)品和不合格產(chǎn)品的數(shù)據(jù)錄入數(shù)據(jù)庫后分別打印條形碼。

控制部分:

1）數(shù)據(jù)采集PCI-9111高速采集工件的運動速度、下壓距離、工件偏差等信號。PLC(可編程控制器)執(zhí)行工業(yè)控制計算機的指令,控制機械夾具、氣動單元、液壓系統(tǒng)的動作。

2）工業(yè)控制計算機根據(jù)CAD中Bezier曲線的預(yù)設(shè)結(jié)果,求解Bezier方程,輸出牽引軸的速度v;對 檢驗部分得到的參數(shù),計算加工偏差給預(yù)測控制器(PPI),得到較優(yōu)的控制策略。軟件預(yù)設(shè)Bezier工件的CAM系統(tǒng)采用了虛擬面板作為用戶的控制面板,用戶對相關(guān)器件的控制完全脫離了實際攝譜儀面板,可以在主界面上完成各項功能。該軟件系統(tǒng)的預(yù)設(shè)主要包括人機界面、數(shù)據(jù)采集、串口RS-232通信等基本功能,而Lab Windows/CVI為實現(xiàn)這些功能提供了極為有效的開發(fā)環(huán)境。

1.2.1 程序?qū)崿F(xiàn)制造工件的步驟程序?qū)崿F(xiàn)制造工件的步驟如下示。序號制造工件實際動作簡要軟件程序預(yù)設(shè)說明對工件產(chǎn)生預(yù)壓緊讀參數(shù),采集到啟動信號,啟動液壓系統(tǒng),通過采集位移傳感器判斷并完成預(yù)壓緊工件基準定位到達預(yù)壓緊位置立即停止電磁換向閥輸出,使其回到中位A/D卡AO輸出,變頻器輸出、驅(qū)動變頻電機,帶動毛坯慢速運動,當采集到基準處光電傳感器開關(guān)信號,立即停止電機下壓起始位置的定位電極反轉(zhuǎn),A/D采樣實時檢測電機編碼器的輸出脈沖并換算成水平位移工件實際壓彎工序完成粗加工A/D采樣,電極反轉(zhuǎn),脈沖計數(shù)清零,啟動液壓系統(tǒng),實時檢測位移傳感器和編碼器脈沖,判斷縱向位移,若到達加工要求,則關(guān)閉液壓電磁換向閥,回到中位,停止下壓,當橫向位移滿足加工量,停止采樣和電機。重復(fù)加工步驟完成精加工按照上步驟完成精加工,直到滿足預(yù)先設(shè)置要求為止，結(jié)束打開換向閥休息位,電機停轉(zhuǎn),置停止指示燈

1.2.2 數(shù)據(jù)采集PCI-9111A/D卡主要功能，上下位置檢測位移傳感器輸出電壓的采集(AI);液壓電磁閥控制電壓信號輸出(DO);變頻器控制電壓信號輸出(AO);通過光電傳感器工件基準位置檢測(DI)。

1.3 預(yù)測控制器(PPI)根據(jù)機理分析,下壓軸的下壓深度與工件的寬度、厚度、Bezier曲線的定義、工件的加工速度以及工件彈性相關(guān),由此建立控制模型如下h為下壓軸的下壓深度(單位:mm),0≤h≤1000;w為工件的寬度(單位:mm),6≤w≤100;t為工件的厚度(單位:mm),1≤t≤25;v為牽引軸的速度(單位:m/m in),0≤v≤10;為工件彈性的調(diào)整系數(shù),0≤ε≤1。

工件的品種較多(50多種)。另外,經(jīng)測試,工件的材料特性相差很大:同一種規(guī)格不同廠家生產(chǎn)的材料、同一廠家同一規(guī)格不同批次的材料均存在差異,因此對式建立精確的數(shù)學(xué)模型十分困難。經(jīng)反復(fù)試驗和探討,對控制模型式進行以下簡化:牽引軸的速度v由工件的厚度t和工件彈性的調(diào)整系數(shù)，進行參數(shù)u由v的積分得到。下壓軸的下壓深度h由u單值控制,建立的單輸入單輸出(SISO)預(yù)測控制器(PPI)。

Bezier工件的制造流程如下:讀CAD中Bezier曲線的預(yù)設(shè)結(jié)果、工件的材料參數(shù)和工件數(shù)量。如不是新曲線或新材料,則讀數(shù)據(jù)庫中的參數(shù)u和下壓軸的下壓深度h,轉(zhuǎn)按CAD預(yù)設(shè)的Bezier曲線的方程進行第一次試壓后,測量工件誤差(下壓深度不足,可進行二次加工,下壓深度過量,則工件報廢)。將偏差輸入給PPI控制器,調(diào)整(加大)下壓深度,再進行試壓并紀錄參數(shù)u和下壓軸的下壓深度h。測量工件誤差,如不合格轉(zhuǎn)。制造工件。工件數(shù)完成,則結(jié)束。[!--empirenews.page--]

1．4 系統(tǒng)性能及應(yīng)用效果

該系統(tǒng)具有以下特點:

1）將牽引軸的速度和下壓軸的下壓深度獨立控制,避免建立復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型。

2）檢驗系統(tǒng)既解決了材料特性的不穩(wěn)定問題,又解決了生產(chǎn)過程中工件質(zhì)量的實時檢測。

3）預(yù)測控制器(PPI)具有較好的魯棒性、可操作性。

4）逐步求精的加工方法達到了原材料的零報廢。

2 結(jié)束語

計算機輔助制造(CAM)是集計算機、自動控制、機械工程等多種技術(shù)為一體的高科技系統(tǒng),對提高產(chǎn)品的生產(chǎn)力和競爭力至關(guān)重要。但CAM系統(tǒng)的制造受技術(shù)和資金限制,面臨著很多困難。本文介紹了一臺成本低廉、結(jié)構(gòu)簡單的Bezier工件CAM系統(tǒng)的預(yù)設(shè)原理、控制方法和系統(tǒng)構(gòu)造,軟件基于虛擬攝譜儀Lab W indows/CVI開發(fā)平臺,具有人機界面友好、調(diào)試方便等特點,該系統(tǒng)極大地提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率,對預(yù)設(shè)和研制類似CAM系統(tǒng)具有較高的參考價值。