新型智能寻位数控系统

    一、基本功能需求

    智能寻位加工技术与传统加工技术的主要区别在于两点：①以主动寻位代替被动定位；②以顺应现实灵活加工代替按既定关系强制加工。

    这就要求数控系统完全有别于传统的方式，这也是本文所介绍的新型智能寻位数控系统的重要独特功能。

    根据实际需求，本文介绍的新型数控系统除应具有传统数控系统的功能之外，至少应该具有如下一些基本功能：

    ① 能够进行主动寻位控制，对主动寻位设备进行寻位运动控制，包括触觉及视觉测量系统的运动控制。

    ② 能够根据寻位信息自动生成数控加工指令，根据信息流中工件的实际状态信息，通过实时规划生成工件本次入线加工的刀具运动路径控制指令，控制加工设备进行顺应现实加工。

    ③ 网络通讯功能，由于智能数控系统只是智能寻位加工系统的一个组成部分，各组成部分或各系统之间的信息流的传递需要具有网络通讯的基本功能，这也就要求该数控系统必须留有相应的网络接口。

    二、体系结构

    以CAN总线作为网络通讯基础的智能寻位数控系统总体结构如图1所示，主要包括驱动控制模块(顺应工件现实生成驱动控制指令)、信息获取模块(视觉结合触觉主动信息获取控制)、网络通讯模块(CAN总线网络通讯)、信息处理模块(多传感器融合信息处理)等几个部分。

图1 总体体系结构

    三、关键环节

    信息获取

    主动信息获取是智能寻位加工技术中最为关键的一个环节。主要以宏、微观结合(视觉结合触觉)测量，实现快速准确的信息获取。其框图如图2所示。

图2 信息获取框图

    对于视觉系统而言，数控系统需要简单的点位操作，对视觉系统测取的结果进行分析，求取与预定目标位移差值，自动生成控制指令，调整视觉系统的相关变量，并控制工作台移动到新的位置，重复进行视觉测量及控制移动过程，直到使得工件位置满足视觉测量的基本要求，而后进行最终的工件位姿视觉测取。

    对于触觉测量而言，在得知视觉宏观位姿信息以后，在测点及路径规划指导下，驱动工作台相对于测头作多坐标运动。在运动过程中连续检测环节不断获取测头的实际位置信息。当测头触碰到工件表面使其开关动作发出采样脉冲信号的瞬间，计算机对光栅系统反馈的连续运动信息进行采样，求得测头与工件接触点的准确坐标信息。

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    信息处理

    信息处理系统的作用是对视觉和触觉系统获取的工件信息进行处理，并据此实时求解出工件的现时状态，进而指导驱动系统针对工件的现实情况，自动生成加工控制指令。其结构框图如图3所示。

图3 信息处理系统结构框图

    工作过程如下：首先，对来自视觉系统的工件宏观图像信息进行处理，并通过图像识别和模糊匹配等算法求解出工件的宏观状态(工件在机床坐标系中的大致位置和姿态)。然后，以工件宏观状态信息为引导进行微观测量规划并生成相应的测量控制指令。第三，由计算机中的运动控制软件根据控制指令，控制触觉系统运行，对工件上关键点的坐标进行精确测量，并将测量结果反馈给系统中的触觉信息处理模块。该信息经处理后由微观状态求解模块以精确寻位算法求解出工件微观状态。最后，由工件状态计算模块综合宏观和微观两方面信息精确求解出工件在机床坐标系中的实际状态。

    驱动控制

    常规数控系统需经过离线编程，按工件既定状态预先生成刀具运动路径，无法满足智能寻位加工技术需按工件实际状态实时生成刀具路径与控制轨迹的要求。智能寻位数控系统则采用实时修正法实现该基本功能要求，其基本结构框图如图4所示。

图4 驱动控制系统的基本结构

    该环节首先对上级计算机通过CAN总线传来的零件几何信息和加工工艺信息进行预处理，并根据工件实际状态信息(来自信息处理系统)将工件上的待加工元素从设计空间映射到实际加工空间；然后由切削路径生成模块根据工件的实际状态实时生成工件被加工元素上的切削路径；进一步由刀具轨迹计算模块根据刀具信息对切削路径进行刀补计算和轨迹插补计算；最后，根据所求出的刀具希望轨迹和各坐标反馈信息对坐标运动进行位置伺服控制，并通过伺服系统驱动机床各坐标运动，完成对工件的加工。

    网络通讯

    在该数控系统中，由于要进行多设备的大数据量的信息交换，需要各设备或多数控系统之间具有网络通讯功能。目前国内市场上已有的数控系统大多数都不具有联网功能，即使少数的产品可以联网，也更多地局限于以太网、MAP网和BITBUS。

    CAN总线由于在可靠性、实时性、传输速度、传输距离等方面具有极强的性能优势，使其在20世纪90年代开始，在网络数控方面开始得以应用。在国内，我校较早采用了CAN总线进行网络通讯，并开发了基于CAN总线的新型网络数控，并与企业合作进行了实际应用。其功能模块结构如图5所示。

图5 CAN总线通讯模块结构

    该模块通讯功能由处理器80C188(嵌入式微处理器，12MHz)和SJA1000CAN控制器完成。80C188和SJA1000共同完成CAN节点与PC机之间的数据通讯和协调管理，极大地减轻主机PC的通讯负担。同时该模块上有2kB高速双口RAM，采用内存映像的方式直接映射到主机内存空间，实现通讯模块与主机PC的高速数据交换。双口RAM能减少大量数据交换的次数，另外它不但能满足少量数据，而且能满足大量数据的存贮，增强了通讯模块的通用性。

    四、应用研究

    在自主开发的经济型数控系统的基础上，开发研制了智能寻位数控系统，并以国产SKX23—JSJ/1632铣床作为驱动控制对象进行了加工实验。

    实际验证结果表明，该控制系统能够根据工件在工作台上的实际位姿进行可靠、快速、准确地测取，并能顺应工件现实状态，自动生成加工控制指令，进行数控加工控制，加工出符合要求的产品。