一、基本功能需求

    智能尋位加工技術與傳統(tǒng)加工技術的主要區(qū)別在于兩點：①以主動尋位代替被動定位；②以順應現(xiàn)實靈活加工代替按既定關系強制加工。

    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)的重要獨特功能。

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

    ① 能夠進行主動尋位控制，對主動尋位設備進行尋位運動控制，包括觸覺及視覺測量系統(tǒng)的運動控制。

    ② 能夠根據(jù)尋位信息自動生成數(shù)控加工指令，根據(jù)信息流中工件的實際狀態(tài)信息，通過實時規(guī)劃生成工件本次入線加工的刀具運動路徑控制指令，控制加工設備進行順應現(xiàn)實加工。

    ③ 網(wǎng)絡通訊功能，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)必須留有相應的網(wǎng)絡接口。

    二、體系結構

    以CAN總線作為網(wǎng)絡通訊基礎的智能尋位數(shù)控系統(tǒng)總體結構如圖1所示，主要包括驅(qū)動控制模塊(順應工件現(xiàn)實生成驅(qū)動控制指令)、信息獲取模塊(視覺結合觸覺主動信息獲取控制)、網(wǎng)絡通訊模塊(CAN總線網(wǎng)絡通訊)、信息處理模塊(多傳感器融合信息處理)等幾個部分。

圖1 總體體系結構

    三、關鍵環(huán)節(jié)

    信息獲取

    主動信息獲取是智能尋位加工技術中最為關鍵的一個環(huán)節(jié)。主要以宏、微觀結合(視覺結合觸覺)測量，實現(xiàn)快速準確的信息獲取。其框圖如圖2所示。

圖2 信息獲取框圖

    對于視覺系統(tǒng)而言，數(shù)控系統(tǒng)需要簡單的點位操作，對視覺系統(tǒng)測取的結果進行分析，求取與預定目標位移差值，自動生成控制指令，調(diào)整視覺系統(tǒng)的相關變量，并控制工作臺移動到新的位置，重復進行視覺測量及控制移動過程，直到使得工件位置滿足視覺測量的基本要求，而后進行最終的工件位姿視覺測取。

    對于觸覺測量而言，在得知視覺宏觀位姿信息以后，在測點及路徑規(guī)劃指導下，驅(qū)動工作臺相對于測頭作多坐標運動。在運動過程中連續(xù)檢測環(huán)節(jié)不斷獲取測頭的實際位置信息。當測頭觸碰到工件表面使其開關動作發(fā)出采樣脈沖信號的瞬間，計算機對光柵系統(tǒng)反饋的連續(xù)運動信息進行采樣，求得測頭與工件接觸點的準確坐標信息。
 

    信息處理

    信息處理系統(tǒng)的作用是對視覺和觸覺系統(tǒng)獲取的工件信息進行處理，并據(jù)此實時求解出工件的現(xiàn)時狀態(tài)，進而指導驅(qū)動系統(tǒng)針對工件的現(xiàn)實情況，自動生成加工控制指令。其結構框圖如圖3所示。

圖3 信息處理系統(tǒng)結構框圖

    工作過程如下：首先，對來自視覺系統(tǒng)的工件宏觀圖像信息進行處理，并通過圖像識別和模糊匹配等算法求解出工件的宏觀狀態(tài)(工件在機床坐標系中的大致位置和姿態(tài))。然后，以工件宏觀狀態(tài)信息為引導進行微觀測量規(guī)劃并生成相應的測量控制指令。第三，由計算機中的運動控制軟件根據(jù)控制指令，控制觸覺系統(tǒng)運行，對工件上關鍵點的坐標進行精確測量，并將測量結果反饋給系統(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)計算模塊綜合宏觀和微觀兩方面信息精確求解出工件在機床坐標系中的實際狀態(tài)。

    驅(qū)動控制

    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)預先生成刀具運動路徑，無法滿足智能尋位加工技術需按工件實際狀態(tài)實時生成刀具路徑與控制軌跡的要求。智能尋位數(shù)控系統(tǒng)則采用實時修正法實現(xiàn)該基本功能要求，其基本結構框圖如圖4所示。

圖4 驅(qū)動控制系統(tǒng)的基本結構

    該環(huán)節(jié)首先對上級計算機通過CAN總線傳來的零件幾何信息和加工工藝信息進行預處理，并根據(jù)工件實際狀態(tài)信息(來自信息處理系統(tǒng))將工件上的待加工元素從設計空間映射到實際加工空間；然后由切削路徑生成模塊根據(jù)工件的實際狀態(tài)實時生成工件被加工元素上的切削路徑；進一步由刀具軌跡計算模塊根據(jù)刀具信息對切削路徑進行刀補計算和軌跡插補計算；最后，根據(jù)所求出的刀具希望軌跡和各坐標反饋信息對坐標運動進行位置伺服控制，并通過伺服系統(tǒng)驅(qū)動機床各坐標運動，完成對工件的加工。

    網(wǎng)絡通訊

    在該數(shù)控系統(tǒng)中，由于要進行多設備的大數(shù)據(jù)量的信息交換，需要各設備或多數(shù)控系統(tǒng)之間具有網(wǎng)絡通訊功能。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、實時性、傳輸速度、傳輸距離等方面具有極強的性能優(yōu)勢，使其在20世紀90年代開始，在網(wǎng)絡數(shù)控方面開始得以應用。在國內(nèi)，我校較早采用了CAN總線進行網(wǎng)絡通訊，并開發(fā)了基于CAN總線的新型網(wǎng)絡數(shù)控，并與企業(yè)合作進行了實際應用。其功能模塊結構如圖5所示。

圖5 CAN總線通訊模塊結構

    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)點與PC機之間的數(shù)據(jù)通訊和協(xié)調(diào)管理，極大地減輕主機PC的通訊負擔。同時該模塊上有2kB高速雙口RAM，采用內(nèi)存映像的方式直接映射到主機內(nèi)存空間，實現(xiàn)通訊模塊與主機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，增強了通訊模塊的通用性。

    四、應用研究

    在自主開發(fā)的經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)的基礎上，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)動控制對象進行了加工實驗。

    實際驗證結果表明，該控制系統(tǒng)能夠根據(jù)工件在工作臺上的實際位姿進行可靠、快速、準確地測取，并能順應工件現(xiàn)實狀態(tài)，自動生成加工控制指令，進行數(shù)控加工控制，加工出符合要求的產(chǎn)品。