史克彬，赵凤芹

（1.沈阳农业大学，沈阳 110866；2.辽宁职业学院 机械工程学院，沈阳 110866）

0 引言

随着数控技术的快速发展，它已经被广泛应用到医疗设备、军事装备、制造行业等诸多领域，并发挥着越来越重要的作用[1]。数控技术在使用过程中，由于自身技术水平、质量、精度、性能等方面的影响，及时补充技术水平，才能保证数控技术的发展速度[2]。由于数控机床控制对接的过程是一个十分复杂的过程，因此，数控机床控制对接软件设计方法，成为工业领域需要研究的核心问题，受到很多专家的重点关注[3]。当前阶段，主要的数控机床控制对接软件设计方法主要包括基于运动轨迹跟踪算法的数控机床控制对接软件设计方法[4]、基于特征点重叠算法的数控机床控制对接软件设计方法和基于三维立体技术的数控机床控制对接软件设计方法[5,6]。由于数控机床控制对接软件设计方法在工业领域应用范围十分广泛，因此，拥有广阔的发展前景，成为很多科研单位研究的重点课题。

1 系统总体架构

数控机床控制对接系统的总体结构如图1所示。硬件部分主要有CCD视频采集器、SEED-VPM64图像处理DSP、MC9S12DG128微处理器、蓄电池、LED显示器、SATA硬盘等够成。图像采集系统基于TMS320DM642内核的SEED-VPM64图像处理DSP构成，为了提高图像的处理性能，采用MC9S12DG128微处理器实现对数控机床控制对接状态参数的采集和警示。LED液晶显示器的分辨率是1920×1280，存储介质采用250G的硬盘。

图1 系统总体框架图

CCD图像采集器的作用是采集数控机床控制对接过程的图像信息，是系统的核心部分。它包括PAL和NTSC两种图像格式，NTSC格式的图像色彩稳定性较差，容易阐述相位失真，而PAL格式的图像则能避免上述缺陷，因此采用PAL格式的CCD图像采集器。由于数控机床控制对接的过程是个十分精密的过程，因此，CCD图像采集器采用高保真TFT彩色CCD图像采集器，其型号为OTAM。

2 系统关键模块的硬件设计

2.1 SEED-VPM642图像处理模块的硬件设计

SEED-VPM642图像处理DSP的核心是SEED-VPM642，其核心频率为800MHz，处理性能为6000MIPS，能够同时进行4路CIF格式的H384图像压缩算法。SDRAM为2G×64位，Flash为1G×32位，在上面有8个PAL/NTFS格式的图像输入接口。2个PAL/NTFS格式的图像输出接口。2个RS232/RS485串行通信接口。RTC实时时钟可以为图像的采集和处理提供系统时间。8个信号输入/输出接口，能够实现数控机床系统的监测和控制。SATA硬盘接口能够储存大量的数控机床控制对接图像。图像处理模块各连接与引脚设计图如图2所示。

图2 图像处理模块的硬件设计结构

上图中，SEED-VPM642微处理芯片上有4个VIDEO PORT口，所有的VIDEO PORT口都有一个24位的数据线和一个时钟信号VP×CLK0，同时包括图像输出和输入时钟信号VP×CLK1、3个VP×CLK0、VP×CLK1以及VP×CLK2图像源信号。其中每个图像接口都被分成上下两个信号通道。系统将SEED-VPM642中的VP1当作图像的输入、输出接口。图像解码芯片采用TVP5150PBS，图像编码芯片采用SAA712H。

2.2 图像解码模块的硬件设计

图像解码模块采用的芯片为TVP5150，其可以接收2路CVBS图像输入信号和1路Y/C图像输入信号，其连接与引脚设计如下图3所示。TVP5150根据标准的IIC总线进行配置，其GPCL引脚能够作为VP0口的CAPEN，用来控制图像的采集。当GPCL引脚设置为“1”时，VP0口能够实现图像数据的采集，数据传输的速率最高为500KbITS，图像信号输入范围是0.75V。

图3 图像解码芯片电路图

CCD图像采集器采集到的PAL图像信号经过TVP5150转换为YUV4:2:2数字色差信号，输出图像的格式为ITU-R BT656，通过IIC总线输出图像信号。图像数据被暂时储存在SDRAM中，利用DSP对SDRAM中的图像数据进行读取，并进行图像处理。

2.3 电源模块及串口转换模块的硬件设计

电源模块是保证终端系统运行性能稳定的重要手段，电源管理设计引角连接如图4所示。

图4 电源供电模块硬件设计

上图的电源设计中加入了LMN117对直流的电流进行转换，消除外部的干扰。

在电源与地间接入了一个二极管D5保证电源的供电稳定。计算机串口处理的电平是RS-232本文设计的电平串口转换电路如图5所示。

图5 串口转换硬件设计

3 软件设计

3.1 对接控制模块的功能设计

数控机床控制对接采用伸缩管方式，其对接示意图如图6所示。

图6 机床对接示意图

上图中，T、U分别为数控机床、UAV的质心；Pj 表示特征点；B为对接点，它在数控机床坐标系下位置是固定的；R为UAV的口位置；C为系统摄像机的位置。所有坐标系都采用了ISO体系。

基于上述数控机床控制对接过程的特殊性，系统设计控制软件的主要功能包括：与测量设备和对接装置的接口控制、对接装置与机床初始位置定位、采集定位基准点坐标、机床与对接装置的姿态计算、产生并传输对接装置控制信号、对接过程控制、对接状态监控、对接过程视觉校验、对接图像显示等。根据上述功能的需要，系统控制软件主要分为对接接口管理、对接基准点计算、对接之前的机床调整、对接运动控制、视觉校验和参数处理等模块。

3.2 软件的整体设计

以VisualC++6.0为基础，结合Open CASCADE的几何形状数据库和视觉校验交互数据库进行数控机床控制对接的软件的设计。图7能够描述软件控制数控机床控制对接过程中的控制软件设计流程。

图7 控制软件设计流程

系统控制软件需要利用TCP/IP通信协议才能实现与控制器进行连接通信，是间接与脉冲跟踪仪进行连接，同时利用脉冲跟踪仪自带的编程接口，进行对脉冲跟踪仪的控制。如图8所示。对接基准点的测量过程为：1）连接控制器；2）对脉冲跟踪仪进行处理化操作；3）下达测量指令，获取油管锥套的控制位置信息并发送到控制系统；4）结束测量过程，并断开连接。

图8 对接基准点测量系统

3.3 机床控制对接过程的计算

设置机床与锥套都是刚体，器空间机床姿态能够用欧拉角 和坐标值 进行描述。设置对接基准点的实际坐标是 ps=()T，则测量点在机床坐标系中的坐标是 pc=( pc,pc,pc)T，则 ps与 pc的关系

x y z能够用下述公式进行描述：

其中，A是机床姿态位置矩阵：

在上述矩阵中，s为sin，c为cos。

将上述机床姿态算法集成到系统控制软件中，根据机床上的4个基准点即可计算出当前的对接姿态。将当前姿态与设定的姿态进行对比能够获取姿态的差值，将姿态差值转化为运动控制器在x,y,z方向上的位移量，然后调整控制器的运动，从而消除姿态差值，实现了对接过程中的机床姿态调整。

3.4 对接过程的视觉校验的实现

数控机床控制对接过程的视觉校验过程需要利用OPEN CASCDE的几何形状数据库和可视化交互数据库。在软件编写的过程中需要将对应的动态连接引入到系统。视觉校验的基本步骤是：1）采集对接图像，创建一个3DVIEWER视窗，用于对接过程的显示；2）在视窗中构建一个AISContext交互系统，用于视窗中对接状态的操作和管理。3）将建立的对接过程的CAD模型转换为交互对象，利用AISContext进行控制。需要在视窗中显示IGES格式存储的对接三维模型，其关键代码如下所述：

4 实验与分析

为了验证本文设计软件的有效性，需要进行一次实验。在实验的过程中，利用仿真软件MATLAB7.1构建数控机床控制对接实验环境。分别利用传统软件和本文软件对数控机床控制对接过程进行设计。试验环境如图9所示。

图9 试验视觉环境

实验结果如图10所示。

图10 不同软件对接过程耗时比较

根据上图实验结果能够得知，在数控机床控制对接实验的过程中，利用传统的软件进行对接控制的过程，由于没有考虑外界环境的复杂情况，造成需要的时间远远高于本文软件进行对接控制的过程。而利用本文软件则能够避免传统系统的弊端。从而缩短了数控机床控制对接过程需要的时间。

将上述实验过程中的数据进行整理和分析，能够得到表1中的实验结果。

表1 对接过程耗时数据表

在上述实验的过程中，在不同软件控制下的机床的受力情况如图11所示。

图11 软管锥套受力比较

根据图11实验结果能够得知，利用传统软件进行数控机床控制对接控制，软管锥套受到的拉力远远大于本文软件控制下的机床，增加机床损坏的风险。而利用本文软件控制下的机床受力情况十分均匀，合理，从而保证了对接过程中的安全。针对上述数据进行整理和分析，能够得到表2中的实验数据。

表2 机床受力情况数据表

根据上表实验结果能够得知，利用本文系统进行数控机床控制对接，能够有效保证对接过程中的安全，充分体现出本文软件的优越性。

5 结束语

针对传统的控制软件进行数控机床控制对接的过程中，没有考虑外界复杂条件对对接过程的影响，从而降低了对接的效率。为此，提出一种基于视觉校验的数控机床控制对接软件设计方法。首先对数控机床控制对接系统的构成及工作原理进行了阐述。在此基础上利用Visual C++6.0结合Open CASADE对控制软件进行了设计。仿真实验结果表明，利用PAL-CCD的对接软件进行数控机床控制对接，能够有效提高对接过程的效率，效果令人满意。

[1]陈迎春,宋文滨,刘洪民.用飞机总体设计(第一版)[M].上海:上海交通大学出版社,2010:237-45.

[2]许维进,刘志敏.重心位置对飞机阻力及其飞行性能的影响[J].飞行力学,1999,17(1):54-58.

[3]Zhang Chongjun,Lai Yinan,Zhang Guangyu.Zerogravity simulation technique of five freedom docking tested[A].Proceedings of the Aerospace Conference[C].2004,IEEE.V6.2004.4048-404.

[4]周前祥,连顺国.空间交会对接技术及其发展趋势[J].中国航天,1998.1:25-28.

[5]Zheng Y F, Henami H.Mathematical modeling of a robot collision with its environment [J].Journal of Robotic Systems,1985,2(3):289-307.

[6]刘洋,马丽娜,刘磊.无人机地面站飞行监控系统软件设计[J].计算机测量与控制,2014,22(01):294-296.