逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)的連續(xù)軌跡控制設(shè)計(jì)

1、綜合設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)要求 1 設(shè)計(jì)要求1.1 設(shè)計(jì)要求（1）設(shè)計(jì)出逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)軟件流程圖；（2）編寫出逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)程序；（3）要求用軟件能夠?qū)崿F(xiàn)任意象限圓?。╣03）的插補(bǔ)計(jì)算；（4）要求軟件能夠處理特殊輪廓的插補(bǔ)，例如坐標(biāo)中任意圓弧等；（5）插補(bǔ)結(jié)果要求能夠以圖形模擬進(jìn)行輸出。2 設(shè)計(jì)目的2.1 設(shè)計(jì)目的（1）了解連續(xù)軌跡控制數(shù)控系統(tǒng)的組成原理；（2）了解逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)的基本原理；（3）掌握逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)的軟件實(shí)現(xiàn)方法。3 總體方案比較3.1 各多種方案的特點(diǎn)第一：采用逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)。逐點(diǎn)比較法的基本原理是被控對(duì)象在按要求的軌跡運(yùn)動(dòng)時(shí)，每走一步都要與規(guī)定的軌跡進(jìn)行比較，由此結(jié)果決定下一

2、步移動(dòng)的方向。逐點(diǎn)比較法既可以作直線插補(bǔ)又可以作圓弧插補(bǔ)。這種算法的特點(diǎn)是，運(yùn)算直觀，插補(bǔ)誤差小于一個(gè)脈沖當(dāng)量，輸出脈沖均勻，而且輸出買成速度變化小，調(diào)節(jié)方便，因此在兩坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床中應(yīng)用較為普遍第二：數(shù)學(xué)積分法插補(bǔ)。又稱為微分分析法。這種插補(bǔ)方法可實(shí)現(xiàn)一次、二次、甚至高次曲線的插補(bǔ)，也可以實(shí)現(xiàn)多坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)控制。只要輸入不多的幾個(gè)數(shù)據(jù)，就能加工出圓弧等形狀較為復(fù)雜的輪廓曲線。作直線插補(bǔ)時(shí)，脈沖分配也較均勻。第三：數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)。數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)實(shí)際上是一種粗插補(bǔ)過(guò)程，它所產(chǎn)生的微小線段仍然比較大，必須進(jìn)一步對(duì)其密化（即精插補(bǔ)）。粗插補(bǔ)算法比較復(fù)雜，綜合設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì) 多cpu結(jié)構(gòu)cnc系統(tǒng)硬件原理圖大多用

3、高級(jí)語(yǔ)言編制；精插補(bǔ)算法比較簡(jiǎn)單，多用匯編語(yǔ)言或硬件插補(bǔ)器實(shí)現(xiàn)。3.2 方案選擇根據(jù)課題要求，對(duì)逆圓插補(bǔ)。根據(jù)兩種方案的比較，都是很好的方法，但由于圓是二次，用采用逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)比較方便、簡(jiǎn)單，所以根據(jù)各種插補(bǔ)方法的特點(diǎn)，選擇用逐點(diǎn)比較法來(lái)實(shí)現(xiàn)。4 多cpu結(jié)構(gòu)cnc系統(tǒng)硬件原理圖4.1 cnc系統(tǒng)原理圖圖4.1 共享總線的多cpu結(jié)構(gòu)的cnc系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖4.2 原理圖極其說(shuō)明共享總線機(jī)構(gòu)，只有主模塊有權(quán)控制系統(tǒng)的總線，在某一時(shí)刻只能有一個(gè)豬模塊占有總線。共享總線結(jié)構(gòu)的模塊之間的通行，主要依靠存儲(chǔ)器的實(shí)現(xiàn)，采用公共存儲(chǔ)器的方式。共享存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，采用多端口存儲(chǔ)器來(lái)實(shí)現(xiàn)各cpu之間的互連和

4、通信，每個(gè)端口配有一套數(shù)據(jù)、地址、控制線，以端口訪問(wèn)，由多端控制邏輯電路解決訪問(wèn)沖突。管理模塊：該模塊是管理和組織整個(gè)cnc系統(tǒng)工作的模塊，主要功能包括：初始化、中斷管理、總線裁決、系統(tǒng)出錯(cuò)識(shí)別和處理、系統(tǒng)硬件與軟件診斷等；插補(bǔ)模塊：該模塊用于在插補(bǔ)完成前，進(jìn)行零件程序的譯碼、刀具補(bǔ)償、坐標(biāo)位移量計(jì)算、進(jìn)給速度處理等預(yù)處理，然后進(jìn)行插補(bǔ)計(jì)算，并給頂各坐標(biāo)軸的位置綜合設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì) 逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ)原理值；位置控制模塊：對(duì)坐標(biāo)位置給定值與由位置檢測(cè)到的實(shí)際位置值進(jìn)行比較并獲得差值，進(jìn)行自動(dòng)加減、回基準(zhǔn)點(diǎn)、對(duì)伺服系統(tǒng)滯后量進(jìn)行監(jiān)視和漂移補(bǔ)償，然后得到速度控制的模塊電壓，去驅(qū)動(dòng)進(jìn)給電動(dòng)機(jī)；plc模塊

5、：零件程序的開關(guān)量（s、m、t）和機(jī)床面板來(lái)的信號(hào)在這個(gè)模塊中進(jìn)行邏輯處理，實(shí)現(xiàn)機(jī)床電器的啟、?？刂?，刀具交換，轉(zhuǎn)臺(tái)分度，工件數(shù)量和運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的次數(shù)等；命令與數(shù)據(jù)輸入/輸出模塊；指零件程序、參數(shù)和數(shù)據(jù)，各種操作指令的輸入/輸出，以及顯示所需要的各種接口電路；存儲(chǔ)器模塊：指程序和數(shù)據(jù)的主存儲(chǔ)器，或功能模塊數(shù)據(jù)傳送用的共享存儲(chǔ)器5 逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ)原理逐點(diǎn)比較法的基本原理是被控對(duì)象在按要求的軌跡運(yùn)動(dòng)時(shí)，每走一步都要與規(guī)定的軌跡進(jìn)行比較，由此結(jié)果決定下一步移動(dòng)的方向。逐點(diǎn)比較法既可以作直線插補(bǔ)又可以作圓弧插補(bǔ)。這種算法的特點(diǎn)是，運(yùn)算直觀，插補(bǔ)誤差小于一個(gè)脈沖當(dāng)量，輸出脈沖均勻，而且輸出買成速度變化小

6、，調(diào)節(jié)方便，因此在兩坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床中應(yīng)用較為普遍。5.1 逐點(diǎn)比較法圓弧插補(bǔ)原理加工一個(gè)圓弧，很容易令人想到用加工點(diǎn)到圓心的距離與該圓弧的名義半徑相比較來(lái)反映加工偏差。設(shè)要加工圖3-1所示的第一象限逆時(shí)針走向的圓弧ab，半徑為r，以圓點(diǎn)為圓心，起點(diǎn)坐標(biāo)為a(，），在xy坐標(biāo)平面第一象限中，點(diǎn)的加工偏差有以下3種情況。若加工點(diǎn)正好落在圓弧上，則下式成立，即若加工點(diǎn)落在圓弧外側(cè)，則,即若加工點(diǎn)落在圓弧內(nèi)側(cè)，則,即將上面各式分別改寫為下列形式，即 （在圓弧上） （在圓弧外側(cè)） （在圓弧外側(cè)）取加工偏差判別式為若點(diǎn)在圓弧外側(cè)或圓弧上，則滿足的條件時(shí)，向軸發(fā)出一負(fù)向運(yùn)動(dòng)的進(jìn)給脈沖；若點(diǎn)在圓弧內(nèi)測(cè)，即滿足條

7、件的條件時(shí)，則向軸發(fā)出一正向運(yùn)動(dòng)的進(jìn)給脈沖。為了簡(jiǎn)化偏差判別式的運(yùn)算，仍用遞推法來(lái)推算下一步新的加工偏差。設(shè)加工點(diǎn)在圓弧外側(cè)或圓弧上，則加工偏差為故軸必須向負(fù)方向進(jìn)給一步，移動(dòng)到新的加工點(diǎn)，其加工偏差為 （5-1）設(shè)加工點(diǎn)在圓弧的內(nèi)測(cè)，則。那么y軸須向正向進(jìn)給一步，移到新的加工點(diǎn)，其加工偏差為（5-2）根據(jù)式（3-）及式（3-）可以看出，新的加工點(diǎn)的偏差值可以用前一點(diǎn)的偏差值遞推出來(lái)。遞推法把圓弧偏差運(yùn)算式由平方運(yùn)算化為加法和乘2運(yùn)算，而對(duì)二進(jìn)制來(lái)說(shuō)，乘2運(yùn)算是容易實(shí)現(xiàn)的。5.2 圓弧插補(bǔ)的運(yùn)算過(guò)程圓弧插補(bǔ)的運(yùn)算過(guò)程與直線插補(bǔ)的過(guò)程基本一樣，不同的是，圓弧插補(bǔ)時(shí)，動(dòng)點(diǎn)坐標(biāo)的絕對(duì)值總是一個(gè)增大，

8、另一個(gè)減小。如對(duì)于第一象限逆圓來(lái)說(shuō)，動(dòng)點(diǎn)坐標(biāo)的增量公式為 圓弧插補(bǔ)運(yùn)算每進(jìn)給一步也需要偏差判別、進(jìn)給、偏差計(jì)算、終點(diǎn)判別四個(gè)工作節(jié)拍，運(yùn)算中f寄存偏差值為；x和y分別寄存x和y動(dòng)點(diǎn)的坐標(biāo)值，開始分別存放和；n寄存終點(diǎn)判別值：5.3 節(jié)拍控制和運(yùn)算程序的流程圖圓弧插補(bǔ)的節(jié)拍控制：綜上所述，逐點(diǎn)比較法圓弧插補(bǔ)的全過(guò)程，每走一步都要進(jìn)行以下四個(gè)節(jié)拍，如圖5-2所示。第一節(jié)拍偏差判別：判斷道具當(dāng)前位置相對(duì)于給定的輪廓的偏差情況，以此決定道具移動(dòng)的方向；第二節(jié)拍進(jìn)給：根據(jù)偏差判斷結(jié)果，控制道具相對(duì)于工件輪廓進(jìn)給一步，即向給定的輪廓靠攏，減小偏差；第三節(jié)拍偏差計(jì)算：由于道具進(jìn)給已經(jīng)改變了位置，因此應(yīng)計(jì)算出

9、道具當(dāng)前位置的新偏差，為下次判別做準(zhǔn)備；第四節(jié)拍終點(diǎn)判別：判別刀具是否已到達(dá)被加工輪廓的終點(diǎn)。若已經(jīng)到達(dá)終點(diǎn)，則停止插補(bǔ)；若還未到達(dá)終點(diǎn)則繼續(xù)插補(bǔ)。如此不斷重復(fù)上述四個(gè)節(jié)拍就可以加工出所要加工的輪廓。5.3圓弧插補(bǔ)的象限處理與坐標(biāo)交換5.3.1圓弧插補(bǔ)的象限處理上面僅討論了第一象限的逆圓弧插補(bǔ)，實(shí)際上圓弧所在的象限不同，順逆不同，則插補(bǔ)公式和進(jìn)給方向均不同。逆圓插補(bǔ)有四種情況，如圖5-3所示。 現(xiàn)將逆圓弧插補(bǔ)的四種情況的偏差計(jì)算及進(jìn)給方向列于表3-1中，其中r表示圓弧，n表示逆時(shí)針，四個(gè)象限分別用數(shù)字1、2、3、4標(biāo)注，例如nr1表示第一象限逆圓。表5-1 xy平面內(nèi)逆圓插補(bǔ)的進(jìn)給方向與偏差計(jì)

10、算線型偏差偏差計(jì)算進(jìn)給方向與坐標(biāo)nr1ff+2x+1xx+1nr1nr2ff-2x+1xx-1nr2nr3ff+2y+1yy+1nr3nr4ff-2y+1yyx-1nr45.3.2圓弧自動(dòng)過(guò)象限所謂圓弧自動(dòng)過(guò)象限，是指圓弧的起點(diǎn)和終點(diǎn)不在同一象限內(nèi)，如圖3-4所示。為實(shí)現(xiàn)一個(gè)程序段的完整功能，需設(shè)置圓弧自動(dòng)過(guò)象限功能。要完成過(guò)象限的功能，首先應(yīng)判別何時(shí)過(guò)象限。過(guò)象限有一顯著特點(diǎn)，就是過(guò)象限時(shí)刻正好是圓弧與坐標(biāo)軸相交的時(shí)刻，因此在兩個(gè)坐標(biāo)值中必有一個(gè)為零，判斷是否過(guò)象限只要檢查是否有坐標(biāo)值為零即可。過(guò)象限后，圓弧線型也改變了，但過(guò)象限時(shí)象限的轉(zhuǎn)換是有一定規(guī)律的。當(dāng)圓弧起點(diǎn)在象限時(shí)，逆時(shí)針圓弧過(guò)象

11、限后轉(zhuǎn)換順序nr1nr2nr3nr4nr1,每過(guò)一次象限，象限順序號(hào)加1，當(dāng)從第四象限向第一象限過(guò)象限時(shí)，象限順序號(hào)從4變?nèi)ァ＞C合設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì) 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)6 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)6.1 逐點(diǎn)比較法圓弧插補(bǔ)的程序設(shè)計(jì)方案為了直觀顯示數(shù)控插補(bǔ)程序，必須動(dòng)態(tài)的描述道具從起點(diǎn)a到終點(diǎn)b的過(guò)程中位置變化情況，現(xiàn)選用visual basic來(lái)設(shè)計(jì)插補(bǔ)過(guò)程。使用窗體和控件設(shè)置程序的界面。6.2程序?qū)崿F(xiàn)方法根據(jù)插補(bǔ)的要求，該程序首先要判斷加工圓弧的象限，然后通過(guò)偏差判斷進(jìn)給偏差計(jì)算判別終點(diǎn)完成圓弧插補(bǔ)，其工作過(guò)程如圖4-1所示。6.3程序界面設(shè)計(jì)該程序運(yùn)行時(shí)首先要輸入插補(bǔ)直線的起點(diǎn)和終點(diǎn)x、y坐標(biāo)以及圓心坐標(biāo)、半徑

12、值，點(diǎn)擊“確定”按鈕，再點(diǎn)擊“模擬”按鈕后進(jìn)行模擬，點(diǎn)擊“退出”按鈕，即可退出程序界面，若需要繼續(xù)進(jìn)行下一次模擬，則可以點(diǎn)擊“重新開始”按鈕，繼續(xù)輸入下一組數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬。其有關(guān)控件設(shè)置如表6-1所示，工作界面設(shè)計(jì)如圖6-2所示，某一圓弧插補(bǔ)的運(yùn)行界面如圖6-3所示。表6-1程序控件設(shè)計(jì)控件名稱控件標(biāo)題（caption屬性）label1請(qǐng)?jiān)谙旅孑斎肫瘘c(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)label2起點(diǎn)坐標(biāo)label3終點(diǎn)坐標(biāo)label4xlabel5ylabel6圓心label7半徑label8rlabel9請(qǐng)?jiān)谙旅孑斎雸A心坐標(biāo)和半徑值label10x（坐標(biāo)軸x的標(biāo)號(hào)）label11y（坐標(biāo)軸y的標(biāo)號(hào)）text1無(wú)定義

13、（起點(diǎn)x坐標(biāo)）text2無(wú)定義（起點(diǎn)y坐標(biāo)）text3無(wú)定義（終點(diǎn)x坐標(biāo)）text4無(wú)定義（終點(diǎn)y坐標(biāo)）text5無(wú)定義（圓心x坐標(biāo)）text6無(wú)定義（圓心y坐標(biāo)）text7無(wú)定義（半徑r值）command1確定command2模擬command3退出command4重新開始圖6-2 工作界面設(shè)計(jì)圖圖6-3 圓弧插補(bǔ)運(yùn)行界面圖6.4程序代碼設(shè)計(jì)dim n, xa, ya, x(1000), y(1000), f(1200), j, k, p, i, r, x0, y0private sub command1_click()label1.visible = false '控制各個(gè)控件的可

14、見性label2.visible = falselabel3.visible = falselabel4.visible = falselabel5.visible = falselabel6.visible = falselabel7.visible = falselabel8.visible = falselabel9.visible = falselabel10.visible = truelabel11.visible = truetext1.visible = falsetext2.visible = falsetext3.visible = falsetext4.visible =

15、 falsetext5.visible = falsetext6.visible = falsetext7.visible = falseform1.cls '清除窗體中的內(nèi)容x(0) = val(text1.text) '將文本框1中輸入的坐標(biāo)值賦給x(0)y(0) = val(text3.text) '將文本框2中輸入的坐標(biāo)值賦給y(0)xa = val(text2.text) '將文本框3中輸入的坐標(biāo)值賦給xaya = val(text4.text) '將文本框4中輸入的坐標(biāo)值賦給yax0 = val(text5.text) '將文本框5中

16、輸入的坐標(biāo)值賦給x0y0 = val(text6.text) '將文本框6中輸入的坐標(biāo)值賦給y0r = val(text7.text) '將文本框7中輸入的坐標(biāo)值賦給rif abs(x(0) < abs(y(0) then '將最大的坐標(biāo)值賦給pp = abs(y(0)elsep = abs(x(0)end ifif p < abs(xa) thenp = abs(xa)end ifif p < abs(ya) thenp = abs(ya)end ifif p > 0 then '判斷起點(diǎn)和終點(diǎn)是否都在坐標(biāo)原點(diǎn) scale (-1.1

17、* p, 1.2 * p)-(1.1 * p, -1.1 * p) '建立窗體的坐標(biāo)系 line (-1.1 * p, 0)-(1.1 * p, 0) '畫x軸軸線 line (0, 1.1 * p)-(0, -1.1 * p) '畫y軸軸線 label5.left = 0.05 * p label5.top = p label6.top = -0.05 * p label6.left = 1.05 * pelse '起點(diǎn)和終點(diǎn)都在坐標(biāo)原點(diǎn)時(shí)彈出注意信息框 msgbox "起點(diǎn)坐標(biāo)和終點(diǎn)都是坐標(biāo)原點(diǎn)，請(qǐng)點(diǎn)擊“重新開始”按鈕重新輸入！", vb

18、okonly, "注意"end ifn = abs(ya - y(0) + abs(xa - x(0) '插補(bǔ)的總步數(shù)circle (x0, y0), r '畫出需要插補(bǔ)的圓command2.enabled = trueend subprivate sub command2_click() '模擬按鈕command2.enabled = falsef(0) = 0for i = 0 to n - 1if (x(0) > 0) and (y(0) >= 0) then '起點(diǎn)第一象限 if f(i) >= 0 then 

19、9;偏差大于0時(shí)，向x負(fù)方向走一步 for j = x(i) to x(i) - 1 step -0.0001 pset (j, y(i), 255 '用紅色的點(diǎn)畫直線 next j x(i + 1) = x(i) - 1 '下一點(diǎn)的坐標(biāo)和偏差計(jì)算 y(i + 1) = y(i) f(i + 1) = f(i) - 2 * x(i) + 1 else '偏差小于0時(shí)，向y正方向走一步 for j = y(i) to y(i) + 1 step 0.0001 pset (x(i), j), 255 '用紅色的點(diǎn)畫直線 next j y(i + 1) = y(i)

20、+ 1 '下一點(diǎn)的坐標(biāo)和偏差計(jì)算 x(i + 1) = x(i) f(i + 1) = f(i) + 2 * y(i) + 1 end if end if if (x(0) >= 0) and (y(0) > 0) then '起點(diǎn)第二象限 if f(i) < 0 then '偏差小于0時(shí)，向x負(fù)方向走一步 for j = x(i) to x(i) - 1 step -0.0001 pset (j, y(i), 255 '用紅色的點(diǎn)畫直線 next j x(i + 1) = x(i) - 1 '下一點(diǎn)的坐標(biāo)和偏差計(jì)算 y(i + 1)

21、= y(i) f(i + 1) = f(i) - 2 * x(i) + 1 else '偏差大于0時(shí)，向y負(fù)方向走一步 for j = y(i) to y(i) - 1 step -0.0001 pset (x(i), j), 255 '用紅色的點(diǎn)畫直線 next j y(i + 1) = y(i) - 1 '下一點(diǎn)的坐標(biāo)和偏差計(jì)算 x(i + 1) = x(i) f(i + 1) = f(i) - 2 * y(i) + 1 end if end if if (x(0) < 0) and (y(0) <= 0) then '起點(diǎn)第三象限 if f(i

22、) >= 0 then '偏差大于0時(shí)，向x正方向走一步 for j = x(i) to x(i) + 1 step 0.0001 pset (j, y(i), 255 '用紅色的點(diǎn)畫直線 next j x(i + 1) = x(i) + 1 '下一點(diǎn)的坐標(biāo)和偏差計(jì)算 y(i + 1) = y(i) f(i + 1) = f(i) + 2 * x(i) + 1 else '偏差小于0時(shí)，向y負(fù)方向走一步 for j = y(i) to y(i) - 1 step -0.0001 pset (x(i), j), 255 '用紅色的點(diǎn)畫直線 next

23、j y(i + 1) = y(i) - 1 '下一點(diǎn)的坐標(biāo)和偏差計(jì)算 x(i + 1) = x(i) f(i + 1) = f(i) - 2 * y(i) + 1 end if end if if (x(0) >= 0) and (y(0) < 0) then '起點(diǎn)第四象限 if f(i) < 0 then '偏差小于0時(shí)，向x正方向走一步 for j = x(i) to x(i) + 1 step 0.0001 pset (j, y(i), 255 '用紅色的點(diǎn)畫直線 next j x(i + 1) = x(i) + 1 '下一點(diǎn)的坐標(biāo)和偏差計(jì)算 y(i + 1) = y(i) f(i + 1) = f(i) + 2 * x(i) + 1 else '偏差大于0時(shí)，向y正方向走一步 for j = y(i) to y(i) + 1 step 0.0001 pset (x(i), j), 255 '用紅色的點(diǎn)畫直線 next j y(i + 1) = y(i) + 1 '下一點(diǎn)