WC-3000數(shù)控板集成了A/D與D/A、開關(guān)量輸入/輸出、脈沖輸入/輸出等功能，它通過計(jì)算機(jī)的并行口與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換?；贓PP (Enhanced Parallel Port) 協(xié)議的控制模式可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，但它同時(shí)也降低了控制系統(tǒng)的可靠性。以WC-3000控制板為核心的經(jīng)濟(jì)型快速成型系統(tǒng)可靠性不高的原因是，當(dāng)計(jì)算機(jī)的處理速度太高時(shí)，其執(zhí)行EPP端口訪問指令的信號(hào)有效時(shí)間縮短，信噪比降低。EPP連接線阻抗較大或阻抗不匹配。使用環(huán)境存在較強(qiáng)的電磁干擾，系統(tǒng)抗干擾措施不足。WC-3000控制板上存在時(shí)序缺陷等。盡管采取某些措施能在一定程度上改善系統(tǒng)硬件的可靠性，但仍然無法完全達(dá)到系統(tǒng)正常運(yùn)行的目的。因此，提高系統(tǒng)軟件的可靠性與容錯(cuò)能力成為解決這一問題的關(guān)鍵。1 快速成型數(shù)控軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　1.1 數(shù)控軟件設(shè)計(jì)思想

　　快速成型系統(tǒng)數(shù)控軟件采用了面向?qū)ο?OOP)的程序設(shè)計(jì)方法，使得該系統(tǒng)軟件具有優(yōu)良的繼承性和完備性，系統(tǒng)軟件的開發(fā)周期也相應(yīng)縮短。由于快速成型控制系統(tǒng)的檢測(cè)與控制對(duì)象較多，而且其控制原理與設(shè)計(jì)指標(biāo)各異，因此控制系統(tǒng)底層驅(qū)動(dòng)程序較為復(fù)雜，對(duì)系統(tǒng)可靠性更加重要。與常規(guī)的程序結(jié)構(gòu)不同，驅(qū)動(dòng)程序也采用了類似于OOP的設(shè)計(jì)思想。對(duì)于簡(jiǎn)單的控制程序設(shè)計(jì)，一般主要采用POP 思想。對(duì)于另一類較復(fù)雜的控制對(duì)象，采用類似面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)理念則更合適。它基本上是通過消息( 事件) 傳遞的方式建立各個(gè)程序塊的聯(lián)系，因此要先建立消息處理機(jī)制，然后再確立消息，各事件的處理基本上是集中完成的。一般說來，完成同一功能的程序模塊占用處理器的時(shí)間也要多，但是由于如今處理器的速度已經(jīng)足夠快，這一部分的時(shí)間開銷可以忽略。OOP設(shè)計(jì)對(duì)于事件的處理更加完備，如果出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，在系統(tǒng)沒有建立響應(yīng)的處理策略時(shí)將被忽略，否則轉(zhuǎn)至對(duì)應(yīng)的異常狀態(tài)處理功能。另外，OOP設(shè)計(jì)采用了動(dòng)態(tài)刷新的方法將錯(cuò)誤在時(shí)間上分布，從而避免了錯(cuò)誤集中造成的系統(tǒng)失效。

　　1.2 時(shí)間單元選擇

　　為了合理分配計(jì)算機(jī)CPU的時(shí)間，根據(jù)硬件對(duì)象的特點(diǎn)及其在系統(tǒng)中的重要性，快速成型數(shù)控軟件選用了多種工作周期。脈沖周期，計(jì)算機(jī)通過WC-3000控制板向X，Y軸驅(qū)動(dòng)器發(fā)出位置增量脈沖信號(hào)(最小)脈沖周期約為2 MS 脈寬約1 MS，進(jìn)給脈沖數(shù)基本上在插補(bǔ)周期內(nèi)均分。插補(bǔ)周期，也稱之為DDA 周期，計(jì)算機(jī)按該時(shí)間間隔連續(xù)不斷地向伺服單元發(fā)出運(yùn)動(dòng)軸的位移增量指令，同時(shí)改寫激光器的控制電壓，系統(tǒng)設(shè)計(jì)將插補(bǔ)周期定為1 mS。插補(bǔ)周期的大小直接影響到給定輪廓路徑的精度，如果該值過大，則伺服單元得到的輪廓分辨率過低。反之，將占用過多的計(jì)算機(jī)時(shí)間，影響其他任務(wù)的執(zhí)行。讀狀態(tài)周期，計(jì)算機(jī)對(duì)某些較重要的開關(guān)量進(jìn)行測(cè)試，如對(duì)極限開關(guān)等異常狀態(tài)的檢測(cè)，設(shè)計(jì)該間隔為4 mS。測(cè)量周期，計(jì)算機(jī)按較大的時(shí)間間隔對(duì)變化較慢的信號(hào)進(jìn)行測(cè)量與控制，其測(cè)控對(duì)象包括熱壓輥的溫度、由變頻器驅(qū)動(dòng)的熱壓輥電機(jī)的位移、以及送紙與收紙等功能。由于溫度變化相對(duì)緩慢以及讀取A/D 結(jié)果較耗時(shí)，測(cè)量周期設(shè)計(jì)為32 mS。2 驅(qū)動(dòng)程序VXD容錯(cuò)設(shè)計(jì)

　　數(shù)控軟件突出特點(diǎn)之一就是具備實(shí)時(shí)性。為了設(shè)計(jì)基于Windows平臺(tái)的數(shù)控軟件，開發(fā)出與硬件密切相關(guān)的虛擬驅(qū)動(dòng)程序VxD則必不可少。快速成型控制軟件不僅要滿足系統(tǒng)功能性的要求，還必須解決系統(tǒng)硬件可靠性的不足，即驅(qū)動(dòng)程序必須具備較強(qiáng)的容錯(cuò)能力。

　　2.1 開關(guān)量輸入DI與開關(guān)量輸出DO

　　計(jì)算機(jī)通過EPP，端口對(duì)WC-3OO?？刂瓢遄x寫的差錯(cuò)率較高，但連續(xù)出錯(cuò)的概率極低。為準(zhǔn)確了解狀態(tài)的真實(shí)值，必須執(zhí)行多次讀狀態(tài)操作。在讀狀態(tài)周期中，設(shè)定讀某個(gè)位的最大次數(shù)為N，如果連續(xù)次所讀的結(jié)果相同，則可以確定被測(cè)位的狀態(tài)，一旦確定了檢測(cè)結(jié)果即退出本測(cè)試。即使如此，仍然有可能出現(xiàn)兩種情況，即在本操作周期內(nèi)無法確定對(duì)象的測(cè)試結(jié)果或者所得的結(jié)果與真實(shí)情況不符。對(duì)于前者，可在后續(xù)的操作周期內(nèi)繼續(xù)進(jìn)行; 對(duì)于后者，即使系統(tǒng)判斷出錯(cuò)并作出錯(cuò)誤的對(duì)策，也只是短暫的。另外，即使系統(tǒng)得到了正確的檢測(cè)結(jié)果，開關(guān)量的輸出也可能出錯(cuò)。由于系統(tǒng)軟件采用了動(dòng)態(tài)讀寫操作，在后續(xù)的操作周期內(nèi)，錯(cuò)誤的檢測(cè)結(jié)果將得到更正，短暫的錯(cuò)誤對(duì)機(jī)電系統(tǒng)幾乎不構(gòu)成實(shí)質(zhì)性影響O

　　2.2 模擬量輸入A/D 與模擬量輸出D/A

　　快速成型系統(tǒng)使用了串行A/D 與串行D/A芯片。相對(duì)并行芯片而言，盡管串行芯片轉(zhuǎn)換速度不高，但設(shè)計(jì)卻相對(duì)簡(jiǎn)單。計(jì)算機(jī)在對(duì)WC-3OO?？刂瓢暹M(jìn)行A/D與D/A操作時(shí)，無論是向D/A寫入選擇通道與信號(hào)大小，還是讀取A/D 的轉(zhuǎn)換結(jié)果，每一個(gè)二進(jìn)制位都是平等的，出錯(cuò)的概率相等?？刂栖浖捎昧酸槍?duì)性的措施來處理A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀取值: 對(duì)A/D 結(jié)果的高位b11至b4采用與DI 輸入類似的處理方法嗎，即如果某一位連續(xù)3次一致即可確定該位的值; 由于信號(hào)噪聲的影響和信號(hào)自身的變化，如果高八位無法得到穩(wěn)定的結(jié)果，將采用與低四位一樣的處理方法，即將多次轉(zhuǎn)換的結(jié)果按算術(shù)平均濾波，對(duì)近幾個(gè)測(cè)量周期的結(jié)果再按滑動(dòng)濾波計(jì)算測(cè)量值，以期得到更加準(zhǔn)確的結(jié)果。

　　快速成型系統(tǒng)的激光輸出功率隨系統(tǒng)當(dāng)前的掃描速度調(diào)節(jié)，速度越高則要求輸出功率越大，基本維持功率線密度一致。同樣，激光輸出能量也存在較大慣性，并不隨控制電壓的改變作出瞬間變化。D/A 輸出的控制電壓的調(diào)整周期設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)插補(bǔ)周期大小一樣，因此，即使寫D/A 時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤 在理論上該錯(cuò)誤的維持時(shí)間較短; 另外，控制軟件每32ms，還對(duì)激光控制電壓作一次補(bǔ)償性的刷新，將更加提高激光掃描功率的穩(wěn)定性。

　　2.3 脈沖量輸入PI與脈沖量輸出PO

　　計(jì)算機(jī)通過軟件向WC-3OO?？刂瓢灏l(fā)出脈沖給X，Y軸的位置控制器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)路徑跟蹤。在實(shí)際加工過程中，通常是伺服控制器所接收的脈沖數(shù)少于計(jì)算機(jī)發(fā)出的數(shù)目，即表現(xiàn)為脈沖丟失。為了準(zhǔn)確獲得X，Y軸的理論位置WC-3OO?？刂瓢迳显O(shè)計(jì)有專門的脈沖計(jì)數(shù)器，用于記錄脈沖的實(shí)際輸出個(gè)數(shù)。該計(jì)數(shù)器功能由892O51單片機(jī)承擔(dān)，它對(duì)脈沖循環(huán)計(jì)數(shù)，并以8位數(shù)據(jù)并行輸出，計(jì)算機(jī)可以隨時(shí)讀取; 同樣，不能肯定計(jì)算機(jī)的讀入值就是單片機(jī)的輸出值。因此，從計(jì)算機(jī)發(fā)出脈沖到計(jì)算機(jī)讀回脈沖反饋值，這兩個(gè)過程都存在不確定性。通過多次讀取計(jì)數(shù)器的值，設(shè)置合理的偏差允許范圍并依實(shí)際偏差大小加以補(bǔ)償，能夠?qū)⒄`差控制得最小。軸電機(jī)采用變頻器驅(qū)動(dòng)，變頻器的速度設(shè)置為固定多檔，以簡(jiǎn)化累積位移量的計(jì)算。在工作平臺(tái)的絲杠一端安裝有增量式脈沖編碼器，同樣采用一片892O51 計(jì)數(shù)。通過多次讀取該計(jì)數(shù)值，很容易確定平臺(tái)的實(shí)際高度。

3 結(jié)語(yǔ)

　　在經(jīng)濟(jì)型快速成型系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，由于系統(tǒng)軟件采用了可靠性高的程序結(jié)構(gòu)和針對(duì)性的容錯(cuò)技術(shù)，因而在很大程度上彌補(bǔ)了系統(tǒng)硬件可靠性上的不足，使得經(jīng)濟(jì)型經(jīng)濟(jì)在控制系統(tǒng)性能上仍然具有較高的保證，系統(tǒng)的構(gòu)成相對(duì)簡(jiǎn)化，設(shè)備的制造成本大為降低。因此，從快速成型系統(tǒng)設(shè)計(jì)中可以看出，如果能夠在數(shù)控軟件開發(fā)過程充分發(fā)揮軟件的結(jié)構(gòu)與算法優(yōu)勢(shì)，盡可能地實(shí)現(xiàn)，以軟補(bǔ)硬，即使以國(guó)產(chǎn)控制組件代替進(jìn)口，也完全可能使國(guó)產(chǎn)化的數(shù)控系統(tǒng)具備優(yōu)于進(jìn)口系統(tǒng)的性能價(jià)格比。