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摘要：根据智能制造教学需要，开发设计了一款新型数控教学机，包括结构设计与控制系统设计。运用SolidWorks完成基本元件参数化建模、整体装配，进行运动仿真分析。采用“PC+控制器”方案，开发基于LabVIEW的两轴运动控制系统。上位机采用LabVIEW软件编写控制程序与用户交互界面，以传统逐点比较法的插补算法原理为基础，提出一种基于LabVIEW的两轴联动直线插补方法，每段轨迹采用一个脉冲当量的双轴联动进行速度与位移合成，计算x、y轴脉冲总量与脉冲频率可获得一个数组发送至下位机，LabVIEW解析屏幕输入G代码，驱动末端执行机构运行预定轨迹。该控制系统人机界面友好、操作简单、开发周期短，可实时采集数据便于后续数据处理分析。调试运行结果证明，设计与教学需求相符，包含了多学科知识交叉融合，增强了学生工程意识与综合实践能力。
关键词：数控教学；LabVIEW；建模；插补算法；运动仿真
0引言
针对新工课背景下的机械工程专业培养目标，基于成果导向教育（Outcome Based Education，OBE）理念，探索更为高效的教学模式与教学方法势在必行，项目驱动式教学在机械设计[1-2]、学科竞赛[3]、机械工程测试[4]、数字化制造设计[5-8]等课程教学中得到广泛应用，并取得一定成果。王晓丽[9]针对机电一体化设计教学中存在的问题，提出案例法和项目驱动相结合的教学方式，并以“层次推进”式对课程体系进行整体设计，取得良好效果。程卫东等[10]以项目贯穿驱动机电课程群教改实践为基础，阐述课程群内各课程模块化教学设计方法，强调了项目驱动在专业建设中的重要性。孙薇等[11]基于OBE教育理念，通过逆向设计与数字化制造相结合的典型教学案例，开展相关教学设计，有效提升了学生工程实践和创新思维能力。俞丙威等[12]提出了一种基于LabVIEW和Multisim联合仿真的虚拟电路实验系统设计，在满足电路实验基本要求的同时，提供了一种经济、安全的实验方式，为学生后续的专业课学习提供了一种新的思维方式。邢雪宁等[13]开发了一套运动控制系统的虚拟实验平台，基于LabVIEW SIT工具包和Simulink的通信与数据处理技术，能方便、直观地将实验结果呈现出来，降低了实验成本，提高了学生的学习兴趣，并能充分发挥学生的自主创新能力。
LabVIEW被广泛应用于多轴控制系统设计。杨欢等[14]利用LabVIEW软件编写了具有远程通信功能的上位机控制界面，采用UDP通信协议实现了多轴运动控制器与上位机间的以太网通信。卫延斌等[15]采用“PC+运动控制器+伺服电机”的控制方案设计开发了基于虚拟仪器的无轴传动多轴运动监控系统，并在Windows平台上用LabVIEW语言对多轴运动监控系统进行了开发研究，验证了方案的可行性与可靠性。严侠等[16]利用LabVIEW软件开发工具，进行多轴随机振动控制系统的软件开发。庄明凤等[17]以LabVIEW作为编程环境，采用“PC机+三维运动平台”的设计方案，将多轴运动对象的目标位置、加速度、速度、运动坐标轴等运动控制参数结合在一起，实现了对三维运动平台的控制。刘丰豪[18]袁恒[19]等采用“PC+运动控制卡”的控制模式，基于LabVIEW完成多轴运动程序开发与编写，完成对电机的精确控制。
本文以在运动控制方面的理论研究为基础，结合机械工程专业培养目标，开展项目驱动教学实践探索与研究，完成新型数控教学机设计，并提出一种基于Lab⁃VIEW轨迹合成运动插补算法模型。基于速度合成原理，通过判断比较联动两坐标轴速度关系，输出匹配脉冲，实现双轴联动差补，末端执行效率较高，易于实现；融入LabVIEW软件，平台后续扩展性较好，末端执行元件的灵活替代可用于其他机电产品设计与开发，集教科研于一体，具有重要的教学理论研究与工程实践意义。
1系统结构设计
数控教学机属于典型机电一体化产品，其机械系统一般由减速装置、各种线性及非线性传动部件，导向支撑部件、旋转支撑部件，轴系及机架等组成，为确保整个机械系统传动精度与工作稳定性，设计中常提出无间隙、低摩擦、低惯量、高刚度、高谐振频率及适当阻尼比等要求。数控教学机需实现x-y-z三轴线性移动，考虑其受力不大，结构紧凑，体积小、经济性等因素，传动机构选用丝杠螺母机构，其型号尺寸为T8x2，L1000mm，导向支撑部件选用LM8LUU型号直线轴承，驱动源采用步升牌17HD40005-22B步进电机，步距角为1.8°;所设计开发数控教学机工作负载小，质量轻且方便携带，整体布局采用三轴机构比较流行的龙门结构布局方式，工作台完成y方向运动，工具头完成x-z方向运动。
利用SolidWorks参数化3D造型系统，以参数化为基础，模块化设计，建立数控教学机结构模型，整体结构如图1所示。仿真分析结果显示结构设计合理。考虑制造、装配工艺、维修、经济性与美观等方面，产品材质选用亚克力板制作实物，透明、直观、方便展示。产品实物图如图2所示。整体机构有效行程为：x轴200 mm，y轴100 mm，z轴50 mm，产品总体尺寸为369 mm×291 mm×299 mm，质量约为4 000 g。
2插补算法模型分析与建立
2.1插补算法
插补是在一条给定了起点、终点和形状的曲线上进行“数据点的密化”，根据给定的进给速度和曲线形状，计算一个插补周期内各坐标轴进给的长度。在伺服系统的每个采样周期内，将经插补计算出的理论位置与实际反馈位置信息进行比较，其差值作为伺服调节的输入，经伺服驱动器控制伺服电机，完成指定路径，以下介绍常用的两种插补算法[20]。
（1）逐步比较插补法
以第一象限为例，设直线的起点坐标为原点，终点坐标为A（Xe，Ye），插补点坐标为Pi（Xi，Yi），如图3所示。
在任意时刻，可以比较直线斜率Xi/Yi和Xe/Ye的差值正负判断点的位置构造函数：
F(Xi,Yi)=Yi Xe-Xi Ye（1）
并且从F(Xi,Yi)的数值可以确定下一插补点的位置和进给方向，若Pi（Xi，Yi）在插补轨迹上方或轨迹上，即F(Xi,Yi)≥0，下一步应向+X方向进给一步，新位移点的偏差为：Fi+1=Fi-Ye。若Pi（Xi，Yi）在插补轨迹下方，则F(Xi,Yi)<0，下一步应向+Y方向运行一步，新加工点的偏差为Fi+1=Fi+Xe。
该方法是通过微小的折线来逼近所需的轨迹线，优点是算法简单，易于实现。
（2）时间分割法
如图4所示建立坐标系，设直线段OA起点在原点，终点为A（Xe，Ye），OA与X轴的夹角为α。根据设定的进给速度F的一个插补周期T的进给量ΔL=FT，计算得两轴位移增量为：
该方法通过直线来逼近曲线得到所求轨迹。相比于逐步比较法，此方法拟合直线误差较小。
（3）插补算法模型
针对项目开发周期与末端执行精度要求，本文提出的算法模型以传统直线插补算法为基础，且又不同于传统插补算法，其基本思路是将一段轨迹分为i段，每一段轨迹采用一个脉冲当量的双轴联动进行速度与位移合成，多段位移合成轨迹自动拟合成实际轮廓轨迹，如式（3）所示，矢量合成原理如图5所示。
上位机的强大运算能力为多轴联动提供了可能性，可实现一个脉冲当量的多轴联动，提升运动效率。如图5所示，起始点坐标为O（x0，y0）点，终点坐标为A（xi，yi），LabVIEW程序设置i+1段，点B（xi-1，yi-1）理论上在OA线段上，设步进电机的脉冲频率为，脉冲数量为，一个脉冲当量电机所转过的角度为θ,运动时间为T，细分数为n，电机转动1圈执行元件的运动导程为S，速度合成需要计算出x、y各方向的脉冲总数量和脉冲频率；电机转动1圈所需要的脉冲数量为：
执行元件单位导程所需的脉冲数量为：
若从B点运动至A点，则x、y方向的相对位移分别为：
Δx=xi-xi-1
Δy=yi-yi-1
由式（5）、（6）（6）可知：x、y各运动方向的脉冲总量x,y分别为：
当脉冲频率为参数常数时，运动时间等于脉冲总量与脉冲频率的比值，即
若x、y两轴需拟合出一条直线，则x、y轴需满足同时到达终点这一条件，方可合成为直线段，由此，可得：
Tx=Ty（9）
即
当x、y两轴联动矢量合成轨迹时，设最大的轴行程=(常量)，则：
①当x方向轴行程大于等于y方向，即
且都不为0时：
②当y方向轴行程大于x方向，即
为0时：
③当px=0或py=0时，运动轴的脉冲频率为，脉冲量为px或者py。
由上述表达式可求出x、y轴各方向脉冲总量与脉冲频率，将运算得到的运动数据构成一个数组通过串口发送至下位机，从而控制执行元件的直线插补运动。
2.2两轴联动数控代码解析过程与设计
基于LabVIEW的两轴插补控制系统主要由LabVIEW人机交互、G代码解析模块、插补计算、微控制器及位置控制器模块组成，总体方案如图6所示。当用户运行所编写的数控代码时，系统先将数控代码解析为脉冲信号，由串口发送至下位机，其程序函数如图7所示。
具体过程如下（数控系统编程为绝对坐标编程）：
①先提取每一行G代码，如提取第一行有效数控代码为：N10 G01 X10 Y10 Z10；
②运用正则匹配函数提取该行程序的G0_，G函数代表的是选择运动差补方式，G00为快速定位，G01为直线差补等，此参数是决定了脉冲频率大小，即运动形式；
③X_、Y_、Z_分别对应三轴的运动位移，即脉冲计算的已知量，使用正则匹配函数分别提取X、Y、Z轴的坐标，坐标决定了脉冲的总量，即运动位移；
④将计算完毕的X、Y、Z坐标进行差补计算，在LabVIEW中调用机器人工具包的差补函数对三轴位移进行细分，使其运动更加精细；
⑤将每两行G代码解析后生成的差补数组合并为一个数组，差补坐标生成完毕后，将每两行对应的三轴坐标进行相减，所得差值输入LabVIEW步进电机控制函数中，控制执行元件运动。
设直线起始点坐标为O（0，0）点，终点坐标为A（x，y），插补运算中，直线被细分为i段，已知θ,T，n，S，f，由式（4）~（12），可求：x，，y，。
2.3软件插补坐标数组生成过程
对上述算法进行实例验证，设加工一直线起点O（0，0），终点坐标A（12，7），软件默认i值取为x、y轴最大差值的绝对值+1，i=12-0+1=13，其过程如图8~9所示。上位机输出脉冲频率与脉冲量，驱动相应执行部件运动，实现相应的运动轨迹，可用于轨迹仿真与模拟。
2.4控制系统硬件设计
运动控制系统是数控教学机的重要组成部分，通过控制器控制各轴步进电机进行插补运动完成用户规划路径。本文采用“PC+控制器”方案进行控制系统设计，PC（电子计算机）为人机交互平台，控制器接收指令进行运动控制，完成指令任务。整个运动控制硬件系统由上位机、控制器、步进电机、传感器、驱动器与执行元件6部分组成，系统原理如图10所示。
上位机运用LabVIEW软件作为开发平台，通过串口与控制器通信，将用户输入命令转化为控制器可运算运动控制数据，控制执行元件运动。
上位机选用Windows为运行平台，控制器选用Ardu⁃ino UNO控制板，该控制板可与上位机进行串口通信，且LabVIEW有对应开发工具包LabVIEW Interface for Ar⁃duino，极大缩短开发周期，集成程度较高。传感器采用碰撞传感器以防止各轴执行机构超程运动破坏机体，协助系统进行原点标定，保证系统稳定性与安全性。PC强大信息计算处理能力、LabVIEW开放编程形式与控制器运动轨迹控制能力相结合，使得数控教学机运动控制系统具备反应灵敏、运动效率高、开放程度高等特点。
3软件设计与验证
3.1设计过程
数控教学机软件设计分为下位机程序设计与上位机程序设计，下位机采用Arduino控制器编程，完成串口通信、电机控制、AD信号采集的控制任务；上位机采用LabVIEW软件进行控制程序与用户交互界面的编写与设计。上位机界面中可进行用户数控代码编程且可手动控制各轴运动，将用户输入的数控代码解析计算为x、y、z各轴电机脉冲总量与脉冲频率，通过串口发送至控制器控制电机运动，实现用户数控代码编程实施与轨迹规划。
Arduino、LabVIEW串口通信与控制的Arduino程序由NI公司支持，将vi.lib中的Base.uno文件烧录至Ardui⁃no控制器中完成下位机程序。上位机程序采用生产消费者结构进行程序设计，UI事件为生产者，数据处理为消费者，当UI无操作指令时，消费者将处于等待状态，有效减轻CPU负荷。上位机程序设计分为用户输入、手动操作与数控代码解析3个模块。用户输入模块为用户提供数控代码编程，该模块采用字符串进行保存字符、显示和输入，布尔按钮为输入确认标记，用户可选择编写数控代码或从文本文件载入程序，亦可保存至文本文件，前面板与程序框如图11所示。
手动操作模块可根据用户需求，进行手动控制三轴任意轴运动，输入某点坐标可进行相对坐标系的直线差补运动，该模块可进行轴初始化操作，前面板与程序框如图12所示。
数控代码解析模块运行当前用户所编写数控代码，系统将数控代码解析为脉冲信号，由串口发送至下位机，程序框如图13所示。
控制程序实现与执行时，首先用户编写数控代码，依据用户输入数控G代码，进行数控代码解析，即运用正则匹配函数分别提取每一行数控代码的程序号、插补方式、x、y、z坐标，存入解析数组；其次将数组每两行坐标进行比对运算，计算出刀具运动轨迹；最后运用LabVIEW Robotics工具包的轨迹生成子函数将每一段轨迹细分为i+1段，轨迹生成子函数（GenerateTrajec⁃tory.vi）如图14所示。
上位机根据用户数控编程进行解析运算生成轨迹，运算得到轨迹坐标数组通过LabVIEW Interface for Ardui⁃no工具包实时将脉冲量与脉冲频率通过串口发送至Ardui⁃no控制中，控制步进电机转动，带动执行元件运动，完成用户编写的数控代码轨迹。
3.2系统运行试验验证
控制面板内输入数控代码，上位机解析代码，运算得到轨迹坐标数组，通过软件工具包实时将脉冲量与脉冲频率发送给运动控制卡，驱动x-y-z轴电机运动，完成相应轨迹书写，整个运行过程基本平稳，如图15所示。
4结束语
本文围绕数控教学机结构设计与控制系统开发，根据项目任务要求，运用SolidWorks软件完成结构设计、3D建模与运动仿真。经加工装配，完成实物组装。平台结构新颖独特，成本极低，易于推广使用。研究了基于LabVIEW软件的两轴坐标联动直线差补算法，建立了算法计算模型，完成了相关公式推导，算法计算过程由微控制器完成，运算速度快、效率高、可执行性较好。控制部分采用“PC+控制器”模式进行上位机及下位机设计开发，充分利用LabVIEW软件平台及其对应的模块化开发工具包Lab⁃VIEW Interface for Arduino进行串口通信，极大缩短开发周期，集成度高，也利于后续维护与扩展（如App，WiFi等）。
数控教学机项目实施过程以小组模式开展，教师就项目开展过程涉及的众多基础知识展开理论辅导，各组员全程参与项目结构方案的确定、控制系统设计、零部件购买、组装、调试等，培养了团队协作精神，增强了工程实践意识。末端执行元件的灵活替代可用于其他机电产品设计与开发，简单方便，易实现，集教科研于一体，具有重要的教学理论研究意义，已应用于专业课程实践教学中，取得良好教学效果。
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基于LabVIEW技术的数控教学机设计与开发论文
人参与 2025-02-06 10:33:11 分类 : 理学 点这评论 作者：团论文网 来源：https://www.tuanlunwen.com/
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