基于虚拟摄谱仪技术的Bezier工件CAM系统的预设

某摄谱仪公司在20世纪80年代中期提出了虚拟摄谱仪的概念。到目前为止,NI、HP、Racal等公司已成功研制和推出了多种总线系统的虚拟摄谱仪。

虚拟摄谱仪也称计算机个人摄谱仪,它是现代计算机技术与摄谱仪技术完美结合的产物,是当今计算机辅助测试领域的重要技术。虚拟摄谱仪利用强大的图形环境和接口通信功能,建立虚拟摄谱仪面板,完成对摄谱仪的控制、数据分析和显示,代替了传统的摄谱仪并改变了传统摄谱仪的使用方法,用户可以根据自己的需求定义摄谱仪功能,提高摄谱仪的使用功能和效率,大幅降低了摄谱仪的价格和研发周期。

虚拟摄谱仪编程语言Lab Windows/CVI是NI公司推出利用虚拟摄谱仪技术开发的32位计算机测控领域半图形化的软件开发平台。它以ANSIC语言为内核,并与C++兼容,它包含一个交互式的开发环境和用于数据采集和摄谱仪控制的函数库,数据采集函数库如GPIB库、DAQ的I/O库、RS?232库、VISA库、VXI库;数据分析和网络通信库如格式化与I/O库、分析库、DDE、TCP及ActiveX自动化库,支持动态链接库(DDL)。它的集成化开发平台、交互式编程方法、丰富的功能面板和库函数为熟悉C语言的开发人员提供了理想的开发环境。同时,LabW indows/CVI还具有摄谱仪控制、数据采集与分析处理、网络编程、数据库编程等功能,适用于大型的测试控制、故障诊断和信息分析处理的系统工程。利用CVI的上述特性,特别是采用了NI公司的DAQ卡摄谱仪硬件,系统的集成非常方便、快捷。

Bezier样条曲线广泛地应用于各种CAD预设中,基于Bezier曲线制造的工件(Bezier工件)也大量使用在汽车、飞机、宇宙飞船、电脑等尖端产品中,但Bezier工件的制造却十分复杂和困难,需要大型复杂的计算机辅助制造(CAM)系统。对中小型企业,由于缺少资金投入和产品批量,大多采用半自动或手工方式制造,往往造成Bezier工件的误差大、互换性差,给产品的批量生产和维修带来极大困难。某大型电梯有限公司在生产电脑控制自动扶梯中使用了大量的Bezier工件,用于外观和传动部分。为了提高产品的质量和档次、提高生产效率、降低维修成本,公司决定研制一台成本低廉、结构简单的Bezier工件的CAM系统,该系统预设需要良好的图形界面,实现串口通信、数据采集卡使用等功能,虚拟摄谱仪技术充分利用计算机强大的图形环境和接口通信功能,建立虚拟摄谱仪面板,同时虚拟摄谱仪软件开发平台Lab Windows/CVI集成了许多高级功能函数库,这些较好地满足了本系统的预设要求,因此该系统的预设采用Lab Windows/CVI 6。0作为软件开发平台。

1 系统预设

1.1 硬件预设

构造Bezier工件的CAM系统如下示,系统由三大部分组成:制造、检验和控制。

制造部分:

1）机械夹具通过光电传感器对工件进行侧向和纵向定位。气动单元完成工件的预压紧、推进、释放等。

2）速度编码器测量牵引轴的转速(工件加工的速度),并计算出已加工的工件长度。位移传感器测量下压轴的下压距离。

3）液压系统控制液压站、液压回路、油缸、液压压力传感器、下压轴工作;完成对工件下压,使工件成型。

检验部分:由驱动马达和光电传感器组完成对已加工工件的测量。合格产品和不合格产品的数据录入数据库后分别打印条形码。

控制部分:

1）数据采集PCI-9111高速采集工件的运动速度、下压距离、工件偏差等信号。PLC(可编程控制器)执行工业控制计算机的指令,控制机械夹具、气动单元、液压系统的动作。

2）工业控制计算机根据CAD中Bezier曲线的预设结果,求解Bezier方程,输出牵引轴的速度v;对 检验部分得到的参数,计算加工偏差给预测控制器(PPI),得到较优的控制策略。软件预设Bezier工件的CAM系统采用了虚拟面板作为用户的控制面板,用户对相关器件的控制完全脱离了实际摄谱仪面板,可以在主界面上完成各项功能。该软件系统的预设主要包括人机界面、数据采集、串口RS-232通信等基本功能,而Lab Windows/CVI为实现这些功能提供了极为有效的开发环境。

1.2.1 程序实现制造工件的步骤程序实现制造工件的步骤如下示。序号制造工件实际动作简要软件程序预设说明对工件产生预压紧读参数,采集到启动信号,启动液压系统,通过采集位移传感器判断并完成预压紧工件基准定位到达预压紧位置立即停止电磁换向阀输出,使其回到中位A/D卡AO输出,变频器输出、驱动变频电机,带动毛坯慢速运动,当采集到基准处光电传感器开关信号,立即停止电机下压起始位置的定位电极反转,A/D采样实时检测电机编码器的输出脉冲并换算成水平位移工件实际压弯工序完成粗加工A/D采样,电极反转,脉冲计数清零,启动液压系统,实时检测位移传感器和编码器脉冲,判断纵向位移,若到达加工要求,则关闭液压电磁换向阀,回到中位,停止下压,当横向位移满足加工量,停止采样和电机。重复加工步骤完成精加工按照上步骤完成精加工,直到满足预先设置要求为止，结束打开换向阀休息位,电机停转,置停止指示灯

1.2.2 数据采集PCI-9111A/D卡主要功能，上下位置检测位移传感器输出电压的采集(AI);液压电磁阀控制电压信号输出(DO);变频器控制电压信号输出(AO);通过光电传感器工件基准位置检测(DI)。

1.3 预测控制器(PPI)根据机理分析,下压轴的下压深度与工件的宽度、厚度、Bezier曲线的定义、工件的加工速度以及工件弹性相关,由此建立控制模型如下h为下压轴的下压深度(单位:mm),0≤h≤1000;w为工件的宽度(单位:mm),6≤w≤100;t为工件的厚度(单位:mm),1≤t≤25;v为牵引轴的速度(单位:m/m in),0≤v≤10;为工件弹性的调整系数,0≤ε≤1。

工件的品种较多(50多种)。另外,经测试,工件的材料特性相差很大:同一种规格不同厂家生产的材料、同一厂家同一规格不同批次的材料均存在差异,因此对式建立精确的数学模型十分困难。经反复试验和探讨,对控制模型式进行以下简化:牵引轴的速度v由工件的厚度t和工件弹性的调整系数，进行参数u由v的积分得到。下压轴的下压深度h由u单值控制,建立的单输入单输出(SISO)预测控制器(PPI)。

Bezier工件的制造流程如下:读CAD中Bezier曲线的预设结果、工件的材料参数和工件数量。如不是新曲线或新材料,则读数据库中的参数u和下压轴的下压深度h,转按CAD预设的Bezier曲线的方程进行第一次试压后,测量工件误差(下压深度不足,可进行二次加工,下压深度过量,则工件报废)。将偏差输入给PPI控制器,调整(加大)下压深度,再进行试压并纪录参数u和下压轴的下压深度h。测量工件误差,如不合格转。制造工件。工件数完成,则结束。[!--empirenews.page--]

1．4 系统性能及应用效果

该系统具有以下特点:

1）将牵引轴的速度和下压轴的下压深度独立控制,避免建立复杂的数学模型。

2）检验系统既解决了材料特性的不稳定问题,又解决了生产过程中工件质量的实时检测。

3）预测控制器(PPI)具有较好的鲁棒性、可操作性。

4）逐步求精的加工方法达到了原材料的零报废。

2 结束语

计算机辅助制造(CAM)是集计算机、自动控制、机械工程等多种技术为一体的高科技系统,对提高产品的生产力和竞争力至关重要。但CAM系统的制造受技术和资金限制,面临着很多困难。本文介绍了一台成本低廉、结构简单的Bezier工件CAM系统的预设原理、控制方法和系统构造,软件基于虚拟摄谱仪Lab W indows/CVI开发平台,具有人机界面友好、调试方便等特点,该系统极大地提高了产品的质量和生产效率,对预设和研制类似CAM系统具有较高的参考价值。