数字积分法插补仿真实验教学系统开发

杨泽青　张俊峰　刘丽冰　肖艳军　杨伟东　张艳蕊

【摘 要】为便于学生直观地理解数字积分法插补原理和插补流程，采用LabVIEW构建了虚拟仿真实验教学平台。该平台集成了直线插补模块和圆弧插补模块，每个模块主要包括插补运算初始化启动功能、插补速度控制功能和插补过程实时显示功能，便于学生形象直观地模拟单象限及跨象限直线和圆弧插补过程，进而深刻理解数字积分法插补原理，同时也为数字积分法插补算法的改进和功能拓展提供相应接口，为学生创新性实验开展提供平台支撑。

【关键词】数控插补；数字积分法；虚拟仿真；实验教学；教学平台

1 数控插补实验教学存在问题及解决思路

数字积分法插补算法、插补原理是《计算机数控技术》最重要的一部分教学内容。实物实验教学存在数控设备短缺、实验地点和实验时间受限等不足，学生只能在限定的时间内完成规定的实验操作，不利于培养学生的自主创新能力，虚拟仿真实验教学恰好弥补了这一不足。鉴于LabVIEW具有可视化的编程环境和流程图式的编程风格、内置高效的程序编译器、灵活的程序调试手段、功能强大的数据处理和分析函数库等特点，为增强实验教学内容的实践性和交互性，本文采用LabVIEW开发数字积分法插补仿真实验平台，充分拓展实验教学的内容、形式、空间与时间，使学生在对插补算法感性认识的基础上进一步深化所学知识，理解数字积分法插补原理的精髓所在，增强实验教学的灵活性和生动性；而且通过拓展接口引导学生进行算法的改进，培养学生的自主研发能力和工程创新能力，使教学和科研有机地结合起来。

2 数控插补虚拟仿真教学平台的功能需求分析

插补是数控系统的重要功能，教师在讲授该部分内容时，希望学生在对插补概念及插补原理理解的基础上，深刻体会插补的流程及零件数控加工的实质内涵，虚拟仿真教学平台的主要功能是用来辅助课堂教学，不仅能形象生动地模拟单象限直线和圆弧插补，而且能实现跨象限的直线和圆弧插补功能，提高插补流程的直观性和真实性，便于学生形象地获取知识、激发学习热情，取得较好的教学效果。另外，学生可以不受实验设备、实验时间与空间的限制，自由发挥，按照个人兴趣和爱好自主进行探索性实验，开展其他设计性、验证性或综合性拓展实验，便于培养学生的创新意识和工程创新能力。

3 字积分法插补虚拟仿真实验教学平台的设计与实现

3.1 数字积分法插补仿真实验教学平台的设计

数字积分法插补仿真实验教学平台采用模块化设计思路，以便对模块进行修改和调用，根据功能需求分析可知需要分别实现直线和圆弧插补功能，设计的数字积分法插补仿真实验教学平台。在每个功能模块内主要包括初始化模块、插补速度控制模块和插补过程实时显示模块，其中初始化模块用于插补运算基本数据（直线起点、终点坐标；圆弧圆心、起点、终点坐标；进给速度等）的输入、顺逆圆弧的选择、插补仿真过程的启动和系统时间的显示，采用数值输入控件和布尔型控制控件来实现该功能；插补速度控制模块用于插补速度调节和插补时间的显示；插补过程实时仿真显示模块采用XYGraph、波形图、数组与数值显示控件实现插补轨迹的动态显示、X/Y进给方向变化图以及插补过程数据显示。

3.2 数字积分法插补仿真程序设计

按照数字积分法插补算法，数控系统依据加工程序中的有限数据，按照数字积分的方法计算刀具沿各坐标轴的位移，对直线或者圆弧进行加工的时候，用两个累加器分别对两轴的终点坐标值进行累加，当累加器溢出脉冲的时候，指令相应的坐标沿规定方向进给一步，直至到达各轴的终点，以此为基础完成所需轮廓轨迹的拟合。

3.3 数字积分法插补仿真实验教学软件的实现

首先，按照数字积分法插补仿真实验教学平台的设计思路和各插补算法流程图，编写后面板程序，其中初始化模块的后面板实现框图。插补仿真过程的启动功能采用while循环且在其中添加了一个布尔量开关，只有当开关启动为真时，才跳出while循环进入case循环执行插补主程序；并且为了大幅度减少CPU的使用率、降低能耗，在while循环中加入一个时间延迟函数，延迟时间默认设置为0.5s，这个根据需要也可以进行修改。在插补仿真过程实现之前，首先需要输入插补运算的基本数据，如果输入错误的数据或不合理的数据，弹出对话框提示用户输入正确的数据。

另外，插补速度控制模块后面板框图所显示，采用时间函数显示插补时间，为了直观地模拟插补仿真过程，采用时间延迟函数来设置相邻两次插补循环过程的时间间隔，也就实现了对插补速度的调节功能。并且添加了单步插补控制功能，只有触发了单步插补按钮才会运行一次插补循环，手动多次触发此按钮即可控制插补过程的执行。

之后，插补过程实时仿真显示模块按照不同的插补算法流程图和插补步骤，添加相应的对象，然后根据数据流的流向将端口、节点、框图依次相连，实现不同插补算法的插补运行过程。

3.4 数字积分法插补仿真实验教学平台的测试

数字积分法插补仿真实验教学平台的测试对于软件的正常工作至关重要，是系统正常运行和使用之前的必要环节。首先对各功能模块进行测试，输入不同象限的起点和终点坐标，设置插补的进给速度，圆弧插补时选择插补方向，并考虑过象限问题，逐一运行软件程序。为了便于程序调试和排查错误，借助工具栏中的“显示错误”、“单步执行”、“断点执行”等工具，在程序中设置断点单步执行，或者在程序流上设置探针，观察程序运行中数据的变化，也可以进行点亮操作来观察数据流的流动方式，此软件系统经过严格的模块测试与总体测试均表现正常且达到了预期功能，稳定性也很好，测试界面如图1、图2、图3所示。

4 结束语

从教学实际出发，构建的数字积分法插补仿真实验教学平台在一定程度上弥补了实物实验教学的不足，采取实验课嵌入理论课的授课方式，不但缓解了课时的矛盾，较好地达到预习实验的目的[2]，学生可以可以通过手动方式单步执行插补算法的插补过程，也可以通过自动方式直观模拟插补全过程，提高学生参与实验的积极性和主动性，开拓学生思维，对数字积分法椭圆曲线插补和其他复杂曲线插补算法的改进和应用提供软件平台，进一步拓展了实验内容；而且打破了传统实验的限制，对实验资源的整合、优化及充分利用发挥了示范作用。

【参考文献】

[1]黄家善.计算机数控技术[M].北京：机械工业出版社，2006.

[2]蔺智挺.基于虚拟仿真实验的模拟集成电路实验教学[J].实验技术与管理，2016，33（1）：122-126.

[3]杨光友，李亮，苏旭武，周国柱.基于FPGA的DDA插补算法设计与实现[J].湖北工业大学学报，2007，22（5）：43-46.

[责任编辑：王伟平]