數字積分法插補仿真實驗教學系統開發

楊澤青　張俊峰　劉麗冰　肖艷軍　楊偉東　張艷蕊

【摘 要】為便于學生直觀地理解數字積分法插補原理和插補流程，采用LabVIEW構建了虛擬仿真實驗教學平臺。該平臺集成了直線插補模塊和圓弧插補模塊，每個模塊主要包括插補運算初始化啟動功能、插補速度控制功能和插補過程實時顯示功能，便于學生形象直觀地模擬單象限及跨象限直線和圓弧插補過程，進而深刻理解數字積分法插補原理，同時也為數字積分法插補算法的改進和功能拓展提供相應接口，為學生創新性實驗開展提供平臺支撐。

【關鍵詞】數控插補；數字積分法；虛擬仿真；實驗教學；教學平臺

1 數控插補實驗教學存在問題及解決思路

數字積分法插補算法、插補原理是《計算機數控技術》最重要的一部分教學內容。實物實驗教學存在數控設備短缺、實驗地點和實驗時間受限等不足，學生只能在限定的時間內完成規定的實驗操作，不利于培養學生的自主創新能力，虛擬仿真實驗教學恰好彌補了這一不足。鑒于LabVIEW具有可視化的編程環境和流程圖式的編程風格、內置高效的程序編譯器、靈活的程序調試手段、功能強大的數據處理和分析函數庫等特點，為增強實驗教學內容的實踐性和交互性，本文采用LabVIEW開發數字積分法插補仿真實驗平臺，充分拓展實驗教學的內容、形式、空間與時間，使學生在對插補算法感性認識的基礎上進一步深化所學知識，理解數字積分法插補原理的精髓所在，增強實驗教學的靈活性和生動性；而且通過拓展接口引導學生進行算法的改進，培養學生的自主研發能力和工程創新能力，使教學和科研有機地結合起來。

2 數控插補虛擬仿真教學平臺的功能需求分析

插補是數控系統的重要功能，教師在講授該部分內容時，希望學生在對插補概念及插補原理理解的基礎上，深刻體會插補的流程及零件數控加工的實質內涵，虛擬仿真教學平臺的主要功能是用來輔助課堂教學，不僅能形象生動地模擬單象限直線和圓弧插補，而且能實現跨象限的直線和圓弧插補功能，提高插補流程的直觀性和真實性，便于學生形象地獲取知識、激發學習熱情，取得較好的教學效果。另外，學生可以不受實驗設備、實驗時間與空間的限制，自由發揮，按照個人興趣和愛好自主進行探索性實驗，開展其他設計性、驗證性或綜合性拓展實驗，便于培養學生的創新意識和工程創新能力。

3 字積分法插補虛擬仿真實驗教學平臺的設計與實現

3.1 數字積分法插補仿真實驗教學平臺的設計

數字積分法插補仿真實驗教學平臺采用模塊化設計思路，以便對模塊進行修改和調用，根據功能需求分析可知需要分別實現直線和圓弧插補功能，設計的數字積分法插補仿真實驗教學平臺。在每個功能模塊內主要包括初始化模塊、插補速度控制模塊和插補過程實時顯示模塊，其中初始化模塊用于插補運算基本數據（直線起點、終點坐標；圓弧圓心、起點、終點坐標；進給速度等）的輸入、順逆圓弧的選擇、插補仿真過程的啟動和系統時間的顯示，采用數值輸入控件和布爾型控制控件來實現該功能；插補速度控制模塊用于插補速度調節和插補時間的顯示；插補過程實時仿真顯示模塊采用XYGraph、波形圖、數組與數值顯示控件實現插補軌跡的動態顯示、X/Y進給方向變化圖以及插補過程數據顯示。

3.2 數字積分法插補仿真程序設計

按照數字積分法插補算法，數控系統依據加工程序中的有限數據，按照數字積分的方法計算刀具沿各坐標軸的位移，對直線或者圓弧進行加工的時候，用兩個累加器分別對兩軸的終點坐標值進行累加，當累加器溢出脈沖的時候，指令相應的坐標沿規定方向進給一步，直至到達各軸的終點，以此為基礎完成所需輪廓軌跡的擬合。

3.3 數字積分法插補仿真實驗教學軟件的實現

首先，按照數字積分法插補仿真實驗教學平臺的設計思路和各插補算法流程圖，編寫后面板程序，其中初始化模塊的后面板實現框圖。插補仿真過程的啟動功能采用while循環且在其中添加了一個布爾量開關，只有當開關啟動為真時，才跳出while循環進入case循環執行插補主程序；并且為了大幅度減少CPU的使用率、降低能耗，在while循環中加入一個時間延遲函數，延遲時間默認設置為0.5s，這個根據需要也可以進行修改。在插補仿真過程實現之前，首先需要輸入插補運算的基本數據，如果輸入錯誤的數據或不合理的數據，彈出對話框提示用戶輸入正確的數據。

另外，插補速度控制模塊后面板框圖所顯示，采用時間函數顯示插補時間，為了直觀地模擬插補仿真過程，采用時間延遲函數來設置相鄰兩次插補循環過程的時間間隔，也就實現了對插補速度的調節功能。并且添加了單步插補控制功能，只有觸發了單步插補按鈕才會運行一次插補循環，手動多次觸發此按鈕即可控制插補過程的執行。

之后，插補過程實時仿真顯示模塊按照不同的插補算法流程圖和插補步驟，添加相應的對象，然后根據數據流的流向將端口、節點、框圖依次相連，實現不同插補算法的插補運行過程。

3.4 數字積分法插補仿真實驗教學平臺的測試

數字積分法插補仿真實驗教學平臺的測試對于軟件的正常工作至關重要，是系統正常運行和使用之前的必要環節。首先對各功能模塊進行測試，輸入不同象限的起點和終點坐標，設置插補的進給速度，圓弧插補時選擇插補方向，并考慮過象限問題，逐一運行軟件程序。為了便于程序調試和排查錯誤，借助工具欄中的“顯示錯誤”、“單步執行”、“斷點執行”等工具，在程序中設置斷點單步執行，或者在程序流上設置探針，觀察程序運行中數據的變化，也可以進行點亮操作來觀察數據流的流動方式，此軟件系統經過嚴格的模塊測試與總體測試均表現正常且達到了預期功能，穩定性也很好，測試界面如圖1、圖2、圖3所示。

4 結束語

從教學實際出發，構建的數字積分法插補仿真實驗教學平臺在一定程度上彌補了實物實驗教學的不足，采取實驗課嵌入理論課的授課方式，不但緩解了課時的矛盾，較好地達到預習實驗的目的[2]，學生可以可以通過手動方式單步執行插補算法的插補過程，也可以通過自動方式直觀模擬插補全過程，提高學生參與實驗的積極性和主動性，開拓學生思維，對數字積分法橢圓曲線插補和其他復雜曲線插補算法的改進和應用提供軟件平臺，進一步拓展了實驗內容；而且打破了傳統實驗的限制，對實驗資源的整合、優化及充分利用發揮了示范作用。

【參考文獻】

[1]黃家善.計算機數控技術[M].北京：機械工業出版社，2006.

[2]藺智挺.基于虛擬仿真實驗的模擬集成電路實驗教學[J].實驗技術與管理，2016，33（1）：122-126.

[3]楊光友，李亮，蘇旭武，周國柱.基于FPGA的DDA插補算法設計與實現[J].湖北工業大學學報，2007，22（5）：43-46.

[責任編輯：王偉平]