某攝譜儀公司在20世紀(jì)80年代中期提出了虛擬攝譜儀的概念。到目前為止,NI、HP、Racal等公司已成功研制和推出了多種總線系統(tǒng)的虛擬攝譜儀。

虛擬攝譜儀也稱計(jì)算機(jī)個(gè)人攝譜儀,它是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)與攝譜儀技術(shù)完美結(jié)合的產(chǎn)物,是當(dāng)今計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試領(lǐng)域的重要技術(shù)。虛擬攝譜儀利用強(qiáng)大的圖形環(huán)境和接口通信功能,建立虛擬攝譜儀面板,完成對(duì)攝譜儀的控制、數(shù)據(jù)分析和顯示,代替了傳統(tǒng)的攝譜儀并改變了傳統(tǒng)攝譜儀的使用方法,用戶可以根據(jù)自己的需求定義攝譜儀功能,提高攝譜儀的使用功能和效率,大幅降低了攝譜儀的價(jià)格和研發(fā)周期。

虛擬攝譜儀編程語(yǔ)言Lab Windows/CVI是NI公司推出利用虛擬攝譜儀技術(shù)開發(fā)的32位計(jì)算機(jī)測(cè)控領(lǐng)域半圖形化的軟件開發(fā)平臺(tái)。它以ANSIC語(yǔ)言為內(nèi)核,并與C++兼容,它包含一個(gè)交互式的開發(fā)環(huán)境和用于數(shù)據(jù)采集和攝譜儀控制的函數(shù)庫(kù),數(shù)據(jù)采集函數(shù)庫(kù)如GPIB庫(kù)、DAQ的I/O庫(kù)、RS?232庫(kù)、VISA庫(kù)、VXI庫(kù);數(shù)據(jù)分析和網(wǎng)絡(luò)通信庫(kù)如格式化與I/O庫(kù)、分析庫(kù)、DDE、TCP及ActiveX自動(dòng)化庫(kù),支持動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)(DDL)。它的集成化開發(fā)平臺(tái)、交互式編程方法、豐富的功能面板和庫(kù)函數(shù)為熟悉C語(yǔ)言的開發(fā)人員提供了理想的開發(fā)環(huán)境。同時(shí),LabW indows/CVI還具有攝譜儀控制、數(shù)據(jù)采集與分析處理、網(wǎng)絡(luò)編程、數(shù)據(jù)庫(kù)編程等功能,適用于大型的測(cè)試控制、故障診斷和信息分析處理的系統(tǒng)工程。利用CVI的上述特性,特別是采用了NI公司的DAQ卡攝譜儀硬件,系統(tǒng)的集成非常方便、快捷。

Bezier樣條曲線廣泛地應(yīng)用于各種CAD預(yù)設(shè)中,基于Bezier曲線制造的工件(Bezier工件)也大量使用在汽車、飛機(jī)、宇宙飛船、電腦等尖端產(chǎn)品中,但Bezier工件的制造卻十分復(fù)雜和困難,需要大型復(fù)雜的計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)系統(tǒng)。對(duì)中小型企業(yè),由于缺少資金投入和產(chǎn)品批量,大多采用半自動(dòng)或手工方式制造,往往造成Bezier工件的誤差大、互換性差,給產(chǎn)品的批量生產(chǎn)和維修帶來(lái)極大困難。某大型電梯有限公司在生產(chǎn)電腦控制自動(dòng)扶梯中使用了大量的Bezier工件,用于外觀和傳動(dòng)部分。為了提高產(chǎn)品的質(zhì)量和檔次、提高生產(chǎn)效率、降低維修成本,公司決定研制一臺(tái)成本低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的Bezier工件的CAM系統(tǒng),該系統(tǒng)預(yù)設(shè)需要良好的圖形界面,實(shí)現(xiàn)串口通信、數(shù)據(jù)采集卡使用等功能,虛擬攝譜儀技術(shù)充分利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形環(huán)境和接口通信功能,建立虛擬攝譜儀面板,同時(shí)虛擬攝譜儀軟件開發(fā)平臺(tái)Lab Windows/CVI集成了許多高級(jí)功能函數(shù)庫(kù),這些較好地滿足了本系統(tǒng)的預(yù)設(shè)要求,因此該系統(tǒng)的預(yù)設(shè)采用Lab Windows/CVI 6。0作為軟件開發(fā)平臺(tái)。

1 系統(tǒng)預(yù)設(shè)

1.1 硬件預(yù)設(shè)

構(gòu)造Bezier工件的CAM系統(tǒng)如下示,系統(tǒng)由三大部分組成:制造、檢驗(yàn)和控制。

制造部分:

1）機(jī)械夾具通過(guò)光電傳感器對(duì)工件進(jìn)行側(cè)向和縱向定位。氣動(dòng)單元完成工件的預(yù)壓緊、推進(jìn)、釋放等。

2）速度編碼器測(cè)量牽引軸的轉(zhuǎn)速(工件加工的速度),并計(jì)算出已加工的工件長(zhǎng)度。位移傳感器測(cè)量下壓軸的下壓距離。

3）液壓系統(tǒng)控制液壓站、液壓回路、油缸、液壓壓力傳感器、下壓軸工作;完成對(duì)工件下壓,使工件成型。

檢驗(yàn)部分:由驅(qū)動(dòng)馬達(dá)和光電傳感器組完成對(duì)已加工工件的測(cè)量。合格產(chǎn)品和不合格產(chǎn)品的數(shù)據(jù)錄入數(shù)據(jù)庫(kù)后分別打印條形碼。

控制部分:

1）數(shù)據(jù)采集PCI-9111高速采集工件的運(yùn)動(dòng)速度、下壓距離、工件偏差等信號(hào)。PLC(可編程控制器)執(zhí)行工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的指令,控制機(jī)械夾具、氣動(dòng)單元、液壓系統(tǒng)的動(dòng)作。

2）工業(yè)控制計(jì)算機(jī)根據(jù)CAD中Bezier曲線的預(yù)設(shè)結(jié)果,求解Bezier方程,輸出牽引軸的速度v;對(duì) 檢驗(yàn)部分得到的參數(shù),計(jì)算加工偏差給預(yù)測(cè)控制器(PPI),得到較優(yōu)的控制策略。軟件預(yù)設(shè)Bezier工件的CAM系統(tǒng)采用了虛擬面板作為用戶的控制面板,用戶對(duì)相關(guān)器件的控制完全脫離了實(shí)際攝譜儀面板,可以在主界面上完成各項(xiàng)功能。該軟件系統(tǒng)的預(yù)設(shè)主要包括人機(jī)界面、數(shù)據(jù)采集、串口RS-232通信等基本功能,而Lab Windows/CVI為實(shí)現(xiàn)這些功能提供了極為有效的開發(fā)環(huán)境。

1.2.1 程序?qū)崿F(xiàn)制造工件的步驟程序?qū)崿F(xiàn)制造工件的步驟如下示。序號(hào)制造工件實(shí)際動(dòng)作簡(jiǎn)要軟件程序預(yù)設(shè)說(shuō)明對(duì)工件產(chǎn)生預(yù)壓緊讀參數(shù),采集到啟動(dòng)信號(hào),啟動(dòng)液壓系統(tǒng),通過(guò)采集位移傳感器判斷并完成預(yù)壓緊工件基準(zhǔn)定位到達(dá)預(yù)壓緊位置立即停止電磁換向閥輸出,使其回到中位A/D卡AO輸出,變頻器輸出、驅(qū)動(dòng)變頻電機(jī),帶動(dòng)毛坯慢速運(yùn)動(dòng),當(dāng)采集到基準(zhǔn)處光電傳感器開關(guān)信號(hào),立即停止電機(jī)下壓起始位置的定位電極反轉(zhuǎn),A/D采樣實(shí)時(shí)檢測(cè)電機(jī)編碼器的輸出脈沖并換算成水平位移工件實(shí)際壓彎工序完成粗加工A/D采樣,電極反轉(zhuǎn),脈沖計(jì)數(shù)清零,啟動(dòng)液壓系統(tǒng),實(shí)時(shí)檢測(cè)位移傳感器和編碼器脈沖,判斷縱向位移,若到達(dá)加工要求,則關(guān)閉液壓電磁換向閥,回到中位,停止下壓,當(dāng)橫向位移滿足加工量,停止采樣和電機(jī)。重復(fù)加工步驟完成精加工按照上步驟完成精加工,直到滿足預(yù)先設(shè)置要求為止，結(jié)束打開換向閥休息位,電機(jī)停轉(zhuǎn),置停止指示燈

1.2.2 數(shù)據(jù)采集PCI-9111A/D卡主要功能，上下位置檢測(cè)位移傳感器輸出電壓的采集(AI);液壓電磁閥控制電壓信號(hào)輸出(DO);變頻器控制電壓信號(hào)輸出(AO);通過(guò)光電傳感器工件基準(zhǔn)位置檢測(cè)(DI)。

1.3 預(yù)測(cè)控制器(PPI)根據(jù)機(jī)理分析,下壓軸的下壓深度與工件的寬度、厚度、Bezier曲線的定義、工件的加工速度以及工件彈性相關(guān),由此建立控制模型如下h為下壓軸的下壓深度(單位:mm),0≤h≤1000;w為工件的寬度(單位:mm),6≤w≤100;t為工件的厚度(單位:mm),1≤t≤25;v為牽引軸的速度(單位:m/m in),0≤v≤10;為工件彈性的調(diào)整系數(shù),0≤ε≤1。

工件的品種較多(50多種)。另外,經(jīng)測(cè)試,工件的材料特性相差很大:同一種規(guī)格不同廠家生產(chǎn)的材料、同一廠家同一規(guī)格不同批次的材料均存在差異,因此對(duì)式建立精確的數(shù)學(xué)模型十分困難。經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)和探討,對(duì)控制模型式進(jìn)行以下簡(jiǎn)化:牽引軸的速度v由工件的厚度t和工件彈性的調(diào)整系數(shù)，進(jìn)行參數(shù)u由v的積分得到。下壓軸的下壓深度h由u單值控制,建立的單輸入單輸出(SISO)預(yù)測(cè)控制器(PPI)。

Bezier工件的制造流程如下:讀CAD中Bezier曲線的預(yù)設(shè)結(jié)果、工件的材料參數(shù)和工件數(shù)量。如不是新曲線或新材料,則讀數(shù)據(jù)庫(kù)中的參數(shù)u和下壓軸的下壓深度h,轉(zhuǎn)按CAD預(yù)設(shè)的Bezier曲線的方程進(jìn)行第一次試壓后,測(cè)量工件誤差(下壓深度不足,可進(jìn)行二次加工,下壓深度過(guò)量,則工件報(bào)廢)。將偏差輸入給PPI控制器,調(diào)整(加大)下壓深度,再進(jìn)行試壓并紀(jì)錄參數(shù)u和下壓軸的下壓深度h。測(cè)量工件誤差,如不合格轉(zhuǎn)。制造工件。工件數(shù)完成,則結(jié)束。[!--empirenews.page--]

1．4 系統(tǒng)性能及應(yīng)用效果

該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn):

1）將牽引軸的速度和下壓軸的下壓深度獨(dú)立控制,避免建立復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型。

2）檢驗(yàn)系統(tǒng)既解決了材料特性的不穩(wěn)定問(wèn)題,又解決了生產(chǎn)過(guò)程中工件質(zhì)量的實(shí)時(shí)檢測(cè)。

3）預(yù)測(cè)控制器(PPI)具有較好的魯棒性、可操作性。

4）逐步求精的加工方法達(dá)到了原材料的零報(bào)廢。

2 結(jié)束語(yǔ)

計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)是集計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、機(jī)械工程等多種技術(shù)為一體的高科技系統(tǒng),對(duì)提高產(chǎn)品的生產(chǎn)力和競(jìng)爭(zhēng)力至關(guān)重要。但CAM系統(tǒng)的制造受技術(shù)和資金限制,面臨著很多困難。本文介紹了一臺(tái)成本低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的Bezier工件CAM系統(tǒng)的預(yù)設(shè)原理、控制方法和系統(tǒng)構(gòu)造,軟件基于虛擬攝譜儀Lab W indows/CVI開發(fā)平臺(tái),具有人機(jī)界面友好、調(diào)試方便等特點(diǎn),該系統(tǒng)極大地提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率,對(duì)預(yù)設(shè)和研制類似CAM系統(tǒng)具有較高的參考價(jià)值。