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    一、基本功能需求

    智能尋位加工技術(shù)與傳統(tǒng)加工技術(shù)的主要區(qū)別在于兩點(diǎn)：①以主動(dòng)尋位代替被動(dòng)定位；②以順應(yīng)現(xiàn)實(shí)靈活加工代替按既定關(guān)系強(qiáng)制加工。

    這就要求數(shù)控系統(tǒng)完全有別于傳統(tǒng)的方式，這也是本文所介紹的新型智能尋位數(shù)控系統(tǒng)的重要獨(dú)特功能。

    根據(jù)實(shí)際需求，本文介紹的新型數(shù)控系統(tǒng)除應(yīng)具有傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)的功能之外，至少應(yīng)該具有如下一些基本功能：

    ① 能夠進(jìn)行主動(dòng)尋位控制，對(duì)主動(dòng)尋位設(shè)備進(jìn)行尋位運(yùn)動(dòng)控制，包括觸覺及視覺測量系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制。

    ② 能夠根據(jù)尋位信息自動(dòng)生成數(shù)控加工指令，根據(jù)信息流中工件的實(shí)際狀態(tài)信息，通過實(shí)時(shí)規(guī)劃生成工件本次入線加工的刀具運(yùn)動(dòng)路徑控制指令，控制加工設(shè)備進(jìn)行順應(yīng)現(xiàn)實(shí)加工。

    ③ 網(wǎng)絡(luò)通訊功能，由于智能數(shù)控系統(tǒng)只是智能尋位加工系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，各組成部分或各系統(tǒng)之間的信息流的傳遞需要具有網(wǎng)絡(luò)通訊的基本功能，這也就要求該數(shù)控系統(tǒng)必須留有相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)接口。

    二、體系結(jié)構(gòu)

    以CAN總線作為網(wǎng)絡(luò)通訊基礎(chǔ)的智能尋位數(shù)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括驅(qū)動(dòng)控制模塊(順應(yīng)工件現(xiàn)實(shí)生成驅(qū)動(dòng)控制指令)、信息獲取模塊(視覺結(jié)合觸覺主動(dòng)信息獲取控制)、網(wǎng)絡(luò)通訊模塊(CAN總線網(wǎng)絡(luò)通訊)、信息處理模塊(多傳感器融合信息處理)等幾個(gè)部分。

圖1 總體體系結(jié)構(gòu)

    三、關(guān)鍵環(huán)節(jié)

    信息獲取

    主動(dòng)信息獲取是智能尋位加工技術(shù)中最為關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)。主要以宏、微觀結(jié)合(視覺結(jié)合觸覺)測量，實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的信息獲取。其框圖如圖2所示。

圖2 信息獲取框圖

    對(duì)于視覺系統(tǒng)而言，數(shù)控系統(tǒng)需要簡單的點(diǎn)位操作，對(duì)視覺系統(tǒng)測取的結(jié)果進(jìn)行分析，求取與預(yù)定目標(biāo)位移差值，自動(dòng)生成控制指令，調(diào)整視覺系統(tǒng)的相關(guān)變量，并控制工作臺(tái)移動(dòng)到新的位置，重復(fù)進(jìn)行視覺測量及控制移動(dòng)過程，直到使得工件位置滿足視覺測量的基本要求，而后進(jìn)行最終的工件位姿視覺測取。

    對(duì)于觸覺測量而言，在得知視覺宏觀位姿信息以后，在測點(diǎn)及路徑規(guī)劃指導(dǎo)下，驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)相對(duì)于測頭作多坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)。在運(yùn)動(dòng)過程中連續(xù)檢測環(huán)節(jié)不斷獲取測頭的實(shí)際位置信息。當(dāng)測頭觸碰到工件表面使其開關(guān)動(dòng)作發(fā)出采樣脈沖信號(hào)的瞬間，計(jì)算機(jī)對(duì)光柵系統(tǒng)反饋的連續(xù)運(yùn)動(dòng)信息進(jìn)行采樣，求得測頭與工件接觸點(diǎn)的準(zhǔn)確坐標(biāo)信息。
 

    信息處理

    信息處理系統(tǒng)的作用是對(duì)視覺和觸覺系統(tǒng)獲取的工件信息進(jìn)行處理，并據(jù)此實(shí)時(shí)求解出工件的現(xiàn)時(shí)狀態(tài)，進(jìn)而指導(dǎo)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)針對(duì)工件的現(xiàn)實(shí)情況，自動(dòng)生成加工控制指令。其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 信息處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

    工作過程如下：首先，對(duì)來自視覺系統(tǒng)的工件宏觀圖像信息進(jìn)行處理，并通過圖像識(shí)別和模糊匹配等算法求解出工件的宏觀狀態(tài)(工件在機(jī)床坐標(biāo)系中的大致位置和姿態(tài))。然后，以工件宏觀狀態(tài)信息為引導(dǎo)進(jìn)行微觀測量規(guī)劃并生成相應(yīng)的測量控制指令。第三，由計(jì)算機(jī)中的運(yùn)動(dòng)控制軟件根據(jù)控制指令，控制觸覺系統(tǒng)運(yùn)行，對(duì)工件上關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行精確測量，并將測量結(jié)果反饋給系統(tǒng)中的觸覺信息處理模塊。該信息經(jīng)處理后由微觀狀態(tài)求解模塊以精確尋位算法求解出工件微觀狀態(tài)。最后，由工件狀態(tài)計(jì)算模塊綜合宏觀和微觀兩方面信息精確求解出工件在機(jī)床坐標(biāo)系中的實(shí)際狀態(tài)。

    驅(qū)動(dòng)控制

    常規(guī)數(shù)控系統(tǒng)需經(jīng)過離線編程，按工件既定狀態(tài)預(yù)先生成刀具運(yùn)動(dòng)路徑，無法滿足智能尋位加工技術(shù)需按工件實(shí)際狀態(tài)實(shí)時(shí)生成刀具路徑與控制軌跡的要求。智能尋位數(shù)控系統(tǒng)則采用實(shí)時(shí)修正法實(shí)現(xiàn)該基本功能要求，其基本結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4 驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

    該環(huán)節(jié)首先對(duì)上級(jí)計(jì)算機(jī)通過CAN總線傳來的零件幾何信息和加工工藝信息進(jìn)行預(yù)處理，并根據(jù)工件實(shí)際狀態(tài)信息(來自信息處理系統(tǒng))將工件上的待加工元素從設(shè)計(jì)空間映射到實(shí)際加工空間；然后由切削路徑生成模塊根據(jù)工件的實(shí)際狀態(tài)實(shí)時(shí)生成工件被加工元素上的切削路徑；進(jìn)一步由刀具軌跡計(jì)算模塊根據(jù)刀具信息對(duì)切削路徑進(jìn)行刀補(bǔ)計(jì)算和軌跡插補(bǔ)計(jì)算；最后，根據(jù)所求出的刀具希望軌跡和各坐標(biāo)反饋信息對(duì)坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行位置伺服控制，并通過伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)機(jī)床各坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)，完成對(duì)工件的加工。

    網(wǎng)絡(luò)通訊

    在該數(shù)控系統(tǒng)中，由于要進(jìn)行多設(shè)備的大數(shù)據(jù)量的信息交換，需要各設(shè)備或多數(shù)控系統(tǒng)之間具有網(wǎng)絡(luò)通訊功能。目前國內(nèi)市場上已有的數(shù)控系統(tǒng)大多數(shù)都不具有聯(lián)網(wǎng)功能，即使少數(shù)的產(chǎn)品可以聯(lián)網(wǎng)，也更多地局限于以太網(wǎng)、MAP網(wǎng)和BITBUS。

    CAN總線由于在可靠性、實(shí)時(shí)性、傳輸速度、傳輸距離等方面具有極強(qiáng)的性能優(yōu)勢(shì)，使其在20世紀(jì)90年代開始，在網(wǎng)絡(luò)數(shù)控方面開始得以應(yīng)用。在國內(nèi)，我校較早采用了CAN總線進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通訊，并開發(fā)了基于CAN總線的新型網(wǎng)絡(luò)數(shù)控，并與企業(yè)合作進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用。其功能模塊結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 CAN總線通訊模塊結(jié)構(gòu)

    該模塊通訊功能由處理器80C188(嵌入式微處理器，12MHz)和SJA1000CAN控制器完成。80C188和SJA1000共同完成CAN節(jié)點(diǎn)與PC機(jī)之間的數(shù)據(jù)通訊和協(xié)調(diào)管理，極大地減輕主機(jī)PC的通訊負(fù)擔(dān)。同時(shí)該模塊上有2kB高速雙口RAM，采用內(nèi)存映像的方式直接映射到主機(jī)內(nèi)存空間，實(shí)現(xiàn)通訊模塊與主機(jī)PC的高速數(shù)據(jù)交換。雙口RAM能減少大量數(shù)據(jù)交換的次數(shù)，另外它不但能滿足少量數(shù)據(jù)，而且能滿足大量數(shù)據(jù)的存貯，增強(qiáng)了通訊模塊的通用性。

    四、應(yīng)用研究

    在自主開發(fā)的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，開發(fā)研制了智能尋位數(shù)控系統(tǒng)，并以國產(chǎn)SKX23―JSJ/1632銑床作為驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象進(jìn)行了加工實(shí)驗(yàn)。

    實(shí)際驗(yàn)證結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)能夠根據(jù)工件在工作臺(tái)上的實(shí)際位姿進(jìn)行可靠、快速、準(zhǔn)確地測取，并能順應(yīng)工件現(xiàn)實(shí)狀態(tài)，自動(dòng)生成加工控制指令，進(jìn)行數(shù)控加工控制，加工出符合要求的產(chǎn)品。