CN107908151B - 一种z-pin插针控制系统及插补方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种Z‑PIN插针控制系统，包括中心控制单元，其分别与RS232接口单元、第一至四电机控制单元相连接，上述系统还包括为各单元供电的电源单元；第一电机控制单元用于控制插针沿X轴移动，第二电机控制单元用于控制插针沿Y轴移动，第三电机控制单元用于控制插针沿Z轴移动，第四电机控制单元用于控制插针绕Z轴做旋转运动；第一至四电机控制单元的结构相同，均包括电机A相和B相反馈脉冲单元、电机使能与中断控制单元、原点与接近信号反馈单元以及电机动作控制单元。上述Z‑PIN插针控制系统结合插补方法能够有效提高插针效率，节省了金钱及人力成本，通过直线插补方法或者基于卦限的最小误差圆弧插补方法能够实现较高的定位精度。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料Z-PIN增强技术领域，尤其涉及一种用于在生产Z-PIN增强复合材料中进行Z-PIN预植入的Z-PIN插针控制系统及插补方法。
背景技术
近年来，先进复合材料凭借其优异的力学性能、结构高度可设计性等突出优点，广泛的应用于各种军用、民用领域。
层合板作为纤维增强复合材料的基本结构形式，面内机械性能优越，但是层合结构形式使得它层间强度及层间的断裂韧性较弱，在低能量冲击下容易产生分层，这一点严重限制其在工程上的应用。目前，有一种提高层间性能的方法为Z-PIN增强技术，如图1所示，即将针状细杆Z-PIN植入到未固化的层合构件形成三维增强，从而提高其层间抗破坏能力。
当前国内先进复合材料的发展，特别是Z-PIN增强复合材料还停留在实验室测试研究阶段，对Z-PIN生产设备的研究较少，也缺乏相应的生产设备，基本上手工预植入Z-PIN的占主流。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提出了一种Z-PIN插针控制系统及插补方法，以便能够有效提高插针效率，节省金钱及人力成本。
为了实现上述目的，本发明的一方面提出了一种Z-PIN插针控制系统，包括中心控制单元，所述中心控制单元分别与RS232接口单元、第一电机控制单元、第二电机控制单元、第三电机控制单元以及第四电机控制单元相连接，所述Z-PIN插针控制系统还包括电源单元，所述电源单元为所述中心控制单元、RS232接口单元、第一电机控制单元、第二电机控制单元、第三电机控制单元以及第四电机控制单元供电；其中所述第一电机控制单元用于控制第一电机，使得插针能沿X轴移动，第二电机控制单元用于控制第二电机，使得插针能沿Y轴移动，第三电机控制单元用于控制第三电机，使得插针能沿Z轴移动，第四电机控制单元用于控制第四电机，使得插针能绕Z轴做旋转运动；所述第一电机控制单元、第二电机控制单元、第三电机控制单元以及第四电机控制单元的结构相同，均包括电机A相和B相反馈脉冲单元、电机使能与中断控制单元、原点与接近信号反馈单元以及电机动作控制单元。
优选的是，所述中心控制单元采用型号为TCA-4CE6-22的FPGA最小系统开发板。
优选的是，所述电机A相和B相反馈脉冲单元的电路结构如下，第一连接端(PA_neg)以及第二连接端(PA_pos)用于外接电机驱动器，所述第一连接端(PA_neg)以及第二连接端(PA_pos)分别连接至第一MAX485接口芯片(U2)的7引脚以及6引脚，所述第一MAX485接口芯片(U2)的2～5引脚均接地，所述第一MAX485接口芯片(U2)的8引脚接VCC_5V电压，其1引脚接至型号为HCPL2630的第一光电耦合器(ISO1)的2引脚，所述第一光电耦合器(ISO1)的1引脚经第六电阻(R6)接VCC_5V电压，所述第一光电耦合器(ISO1)的5引脚接第一地，其8引脚接VCC_5V电压，该8引脚还经第九电容(C9)接第一地，所述第一光电耦合器(ISO1)的7引脚接至型号为74LS14的六路施密特触发反向器(U7)的5引脚，所述第一光电耦合器(ISO1)的7引脚还经第五电阻(R5)接VCC_5V电压；所述六路施密特触发反向器(U7)的14引脚接VCC_5V电压，其7引脚接第一地，所述六路施密特触发反向器(U7)的6引脚连接至中心控制单元(1)，所述六路施密特触发反向器(U7)的6引脚向中心控制单元(1)传输的是电机A相反馈脉冲信号；第三连接端(PB_neg)以及第四连接端(PB_pos)用于外接电机驱动器，所述第三连接端(PB_neg)以及第四连接端(PB_pos)分别连接至第二MAX485接口芯片(U3)的7引脚以及6引脚，所述第二MAX485接口芯片(U3)的2～5引脚均接地，所述第二MAX485接口芯片(U3)的8引脚接VCC_5V电压，其1引脚接至第一光电耦合器(ISO1)的3引脚，所述第一光电耦合器(ISO1)的4引脚经第七电阻(R7)接VCC_5V电压，所述第一光电耦合器(ISO1)的6引脚接至所述六路施密特触发反向器(U7)的9引脚，所述第一光电耦合器(ISO1)的6引脚还经第八电阻(R8)接VCC_5V电压；所述六路施密特触发反向器(U7)的8引脚连接至中心控制单元(1)，所述六路施密特触发反向器(U7)的8引脚向中心控制单元(1)传输的是电机B相反馈脉冲信号；在所述电机A相和B相反馈脉冲单元中，VCC_5V电压还经并联的第十电容(C10)以及第十一电容(C11)接地。
优选的是，所述电机使能与中断控制单元的电路结构如下，第五连接端(axis_SON)与中心控制单元(1)相连接，用于接收所述中心控制单元(1)的使能信号，所述第五连接端(axis_SON)经第十电阻(R10)连接至型号为S8050的第一三极管(Q1)的基极，所述第一三极管(Q1)的集电极经第九电阻(R9)接VCC_5V电压，其发射极接至型号为EL357N的第一光耦(ISO2)的1引脚，所述第一光耦(ISO2)的2引脚接第一地，其4引脚接VCC_24V电压，其3引脚经第十一电阻(R11)接至型号为2SD882的第二三极管(Q2)的基极，所述第二三极管(Q2)的发射极接地，其集电极引出第六连接端(SON)，所述第六连接端(SON)用于与电机驱动器相连接，VCC_24V电压还引出用于与电机驱动器相连接的第七连接端(COM)；第八连接端(axis_INTH)与中心控制单元(1)相连接，用于接收所述中心控制单元(1)的电机中断信号，所述第八连接端(axis_INTH)经第十三电阻(R13)连接至型号为S8050的第三三极管(Q3)的基极，所述第三三极管(Q3)的集电极经第十二电阻(R12)接VCC_5V电压，其发射极接至型号为EL357N的第二光耦(ISO3)的1引脚，所述第二光耦(ISO3)的2引脚接第一地，其4引脚接VCC_24V电压，其3引脚经第十四电阻(R14)接至型号为2SD882的第四三极管(Q4)的基极，所述第四三极管(Q4)的发射极接地，从该发射极还分别引出三条导线，分别经第五开关(SW5)、第六开关(SW6)以及第七开关(SW7)引出用于连接电机驱动器的第九连接端(CW)、第十连接端(CCW)以及第十一连接端(MODE)，所述第四三极管(Q4)的集电极引出用于连接电机驱动器的第十二连接端(INTH)。
优选的是，所述原点与接近信号反馈单元的电路结构如下，第十三连接端(CON2)用于外接电机驱动器，所述第十三连接端(CON2)的第一接线端子连接至六路施密特触发反向器(U7)的1引脚，所述六路施密特触发反向器(U7)的2引脚连接至第一拨动开关(SW1)的第一连接端，所述第一拨动开关(SW1)的公共端与中心控制单元(1)相连接，向中心控制单元(1)传输的是原点信号；所述第一拨动开关(SW1)的第二连接端连接至第二拨动开关(SW2)的公共端，所述第二拨动开关(SW2)的第一连接端经第二十二电阻(R22)接第一地，其第二连接端经第二十一电阻(R21)接VCC_5V电压；所述第十三连接端(CON2)的第二接线端子连接至六路施密特触发反向器(U7)的3引脚，所述六路施密特触发反向器(U7)的4引脚连接至第三拨动开关(SW3)的第一连接端，所述第三拨动开关(SW3)的公共端与中心控制单元(1)相连接，向中心控制单元(1)传输的是接近信号；所述第三拨动开关(SW3)的第二连接端连接至第四拨动开关(SW4)的公共端，所述第四拨动开关(SW4)的第一连接端经第二十四电阻(R24)接第一地，其第二连接端经第二十三电阻(R23)接VCC_5V电压。
优选的是，所述电机动作控制单元的电路结构如下，第十四连接端(axis_pluse)与中心控制单元(1)相连接，用于接收所述中心控制单元(1)的脉冲信号，所述第十四连接端(axis_pluse)经第十六电阻(R16)连接至型号为S8050的第五三极管(Q5)的基极，所述第五三极管(Q5)的集电极经第十五电阻(R15)接VCC_5V电压，其发射极连接至型号为HCPL2630的第二光电耦合器(ISO4)的1引脚，所述第二光电耦合器(ISO4)的2引脚接第一地，其5引脚接地，8引脚接VCC_5V电压，所述第二光电耦合器(ISO4)的7引脚接至第三MAX485接口芯片(U4)的4引脚，所述第二光电耦合器(ISO4)的7引脚还经第十七电阻(R17)接VCC_5V电压，所述第三MAX485接口芯片(U4)的2引脚、3引脚以及8引脚均接VCC_5V电压，其5引脚接地，所述第三MAX485接口芯片(U4)的7引脚以及6引脚分别引出第十五连接端(CP_pos)以及第十六连接端(CP_neg)，所述第十五连接端(CP_pos)以及第十六连接端(CP_neg)用于外接电机驱动器；第十七连接端(axis_direction)与中心控制单元(1)相连接，用于接收所述中心控制单元(1)的方向信号，所述第十七连接端(axis_direction)经第十九电阻(R19)连接至型号为S8050的第六三极管(Q6)的基极，所述第六三极管(Q6)的集电极经第十八电阻(R18)接VCC_5V电压，其发射极连接至第二光电耦合器(ISO4)的4引脚，所述第二光电耦合器(ISO4)的3引脚接第一地，所述第二光电耦合器(ISO4)的6引脚接至第四MAX485接口芯片(U5)的4引脚，所述第二光电耦合器(ISO4)的6引脚还经第二十电阻(R20)接VCC_5V电压，所述第四MAX485接口芯片(U5)的2引脚、3引脚以及8引脚均接VCC_5V电压，其5引脚接地，所述第四MAX485接口芯片(U5)的7引脚以及6引脚分别引出第十八连接端(DIR_pos)以及第十九连接端(DIR_neg)，所述第十八连接端(DIR_pos)以及第十九连接端(DIR_neg)用于外接电机驱动器。
本发明的另一方面还提出了一种基于上述Z-PIN插针控制系统的直线插补方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1、以起点位置坐标为原点建立平面直角坐标系，将平面直角坐标系分为八个卦限，其中在第一象限中沿逆时针方向依次为第一卦限和第二卦限，在第二象限中沿逆时针方向依次为第三卦限和第四卦限，在第三象限中沿逆时针方向依次为第五卦限和第六卦限，在第四象限中沿逆时针方向依次为第七卦限和第八卦限，在每个卦限中电机可沿两个方向行进，这两个方向分别能使插补坐标点往直线的两侧移动；
步骤2、根据终点位置坐标所在的卦限，进行卦限变化，将终点位置坐标都变换到第一卦限或第二卦限；
步骤3、在变换后的卦限中，计算出沿着步骤1中所述的两个方向分别进给一步后所形成的两个坐标点与变换后的卦限中终点坐标的距离，选择进给一步后所形成的坐标点与变换后的卦限中终点坐标的距离小的方向；
步骤4、通过中心控制单元输出脉冲信号和方向信号；
步骤5、将步骤4中的方向信号进行变换，该变换是步骤2中的变换的反变换；
步骤6、判断电机前进后，插针是否到达终点位置坐标；
步骤7、如果是，则通过中心控制单元控制电机停止动作；
步骤8、如果否，返回步骤3，进行下一次插补。
本发明还提出了一种基于上述Z-PIN插针控制系统的基于卦限的最小误差圆弧插补方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1、将圆弧分为若干点；
步骤2、以圆弧的起点为切点做此圆弧的曲率圆，以曲率圆的圆心为原点建立平面直角坐标系，将平面直角坐标系分为八个卦限，其中在第一象限中沿逆时针方向依次为第一卦限和第二卦限，在第二象限中沿逆时针方向依次为第三卦限和第四卦限，在第三象限中沿逆时针方向依次为第五卦限和第六卦限，在第四象限中沿逆时针方向依次为第七卦限和第八卦限，在每个卦限中电机可沿两个方向行进，这两个方向分别能使插补坐标点往曲率圆的圆内或圆外移动；
步骤3、根据曲率圆的半径，确定当前进给的步长大小，二者的关系式为d＝kR；其中d为步长，R为曲率圆半径，k为比例系数,k∈[0,1]；
步骤4、根据终点位置坐标所在的卦限，进行卦限变化，将终点位置坐标都变换到第一卦限或第二卦限；
步骤5、定义误差方程为f(x,y)＝x2+y2-r2；其中x为X轴坐标，y为Y轴坐标，r为插补圆弧半径；对于曲率圆上的点有：f(x,y)＝0，对于曲率圆外的点有：f(x,y)>0，对于曲率圆内的点有：f(x,y)<0；
步骤6、在变换后的卦限中，计算出沿着步骤2中所述的两个方向分别进给一步后所形成的两个坐标点代入步骤5中的误差方程后所得出的误差，选择进给一步后所形成的坐标点代入步骤5中的误差方程后所得出的误差的绝对值小的方向；
步骤7、通过中心控制单元输出脉冲信号和方向信号；
步骤8、将步骤7中的方向信号进行变换，该变换是步骤4中的变换的反变换；
步骤9、判断电机前进后，插针是否到达终点位置坐标；
步骤10、如果是，则通过中心控制单元控制电机停止动作；
步骤11、如果否，返回步骤2，以圆弧上的下一个点为切点做此圆弧的曲率圆，进行下一次插补。
本发明的该方案的有益效果在于上述Z-PIN插针控制系统及插补方法能够有效提高插针效率，节省了金钱及人力成本，通过直线插补方法或者基于卦限的最小误差圆弧插补方法能够实现较高的定位精度。
附图说明
图1示出了Z-PIN增强复合材料层合结构示意图。
图2示出了本发明所涉及的Z-PIN插针控制系统的原理框图。
图3示出了本发明所涉及的电源单元的电路图。
图4示出了本发明所涉及的RS232接口单元的电路图。
图5示出了本发明所涉及的电机A相和B相反馈脉冲单元的电路图。
图6示出了本发明所涉及的电机使能与中断控制单元的电路图。
图7示出了本发明所涉及的原点与接近信号反馈单元的电路图。
图8示出了本发明所涉及的电机动作控制单元的电路图。
图9示出了直线插补时所形成的平面直角坐标系的卦限图。
图10示出了圆弧插补时所形成的平面直角坐标系的卦限图。
图11示出了圆弧插补时MATLAB仿真结果图。
图12示出了圆弧插补时误差分析图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
如图2所示，本发明所涉及的Z-PIN插针控制系统包括中心控制单元1，在本实施例中，所述中心控制单元1采用采购的型号为TCA-4CE6-22的FPGA最小系统开发板。所述中心控制单元1分别与RS232接口单元2、第一电机控制单元4、第二电机控制单元5、第三电机控制单元6以及第四电机控制单元7相连接，所述Z-PIN插针控制系统还包括电源单元3，所述电源单元3为所述中心控制单元1、RS232接口单元2、第一电机控制单元4、第二电机控制单元5、第三电机控制单元6以及第四电机控制单元7供电。其中所述第一电机控制单元4用于控制第一电机，使得插针能沿X轴移动，第二电机控制单元5用于控制第二电机，使得插针能沿Y轴移动，第三电机控制单元6用于控制第三电机，使得插针能沿Z轴移动，第四电机控制单元7用于控制第四电机，使得插针能绕Z轴做旋转运动；所述第一电机控制单元4、第二电机控制单元5、第三电机控制单元6以及第四电机控制单元7的结构相同，以第一电机控制单元4为例，所述第一电机控制单元4包括电机A相和B相反馈脉冲单元41、电机使能与中断控制单元42、原点与接近信号反馈单元43以及电机动作控制单元44。
所述电源单元3的电路结构如图3所示，在本实施例中，采用型号为LM2575S-5.0的DC/DC开关稳压器U6将VCC_24V电压转换成VCC_5V电压。
所述RS232接口单元2的电路结构如图4所示，在本实施例中，采用MAX232接口芯片U1，使得所述中心控制单元1与上位机进行通信。
所述电机A相和B相反馈脉冲单元41的电路结构如图5所示，第一连接端PA_neg以及第二连接端PA_pos用于外接电机驱动器，所述第一连接端PA_neg以及第二连接端PA_pos分别连接至第一MAX485接口芯片U2的7引脚以及6引脚，所述第一MAX485接口芯片U2的2～5引脚均接地，所述第一MAX485接口芯片U2的8引脚接VCC_5V电压，其1引脚接至型号为HCPL2630的第一光电耦合器ISO1的2引脚，所述第一光电耦合器ISO1的1引脚经第六电阻R6接VCC_5V电压，所述第一光电耦合器ISO1的5引脚接第一地，其8引脚接VCC_5V电压，该8引脚还经第九电容C9接第一地，所述第一光电耦合器ISO1的7引脚接至型号为74LS14的六路施密特触发反向器U7的5引脚，所述第一光电耦合器ISO1的7引脚还经第五电阻R5接VCC_5V电压；所述六路施密特触发反向器U7的14引脚接VCC_5V电压，其7引脚接第一地，所述六路施密特触发反向器U7的6引脚(axis_A_pluse)连接至中心控制单元1，所述六路施密特触发反向器U7的6引脚向中心控制单元1传输的是电机A相反馈脉冲信号；第三连接端PB_neg以及第四连接端PB_pos用于外接电机驱动器，所述第三连接端PB_neg以及第四连接端PB_pos分别连接至第二MAX485接口芯片U3的7引脚以及6引脚，所述第二MAX485接口芯片U3的2～5引脚均接地，所述第二MAX485接口芯片U3的8引脚接VCC_5V电压，其1引脚接至第一光电耦合器ISO1的3引脚，所述第一光电耦合器ISO1的4引脚经第七电阻R7接VCC_5V电压，所述第一光电耦合器ISO1的6引脚接至所述六路施密特触发反向器U7的9引脚，所述第一光电耦合器ISO1的6引脚还经第八电阻R8接VCC_5V电压；所述六路施密特触发反向器U7的8引脚(axis_B_pluse)连接至中心控制单元1，所述六路施密特触发反向器U7的8引脚向中心控制单元1传输的是电机B相反馈脉冲信号；在所述电机A相和B相反馈脉冲单元41中，VCC_5V电压还经并联的第十电容C10以及第十一电容C11接地。
所述电机使能与中断控制单元42的电路结构如图6所示，第五连接端axis_SON与中心控制单元1相连接，用于接收所述中心控制单元1的使能信号，所述第五连接端axis_SON经第十电阻R10连接至型号为S8050的第一三极管Q1的基极，所述第一三极管Q1的集电极经第九电阻R9接VCC_5V电压，其发射极接至型号为EL357N的第一光耦ISO2的1引脚，所述第一光耦ISO2的2引脚接第一地，其4引脚接VCC_24V电压，其3引脚经第十一电阻R11接至型号为2SD882的第二三极管Q2的基极，所述第二三极管Q2的发射极接地，其集电极引出第六连接端SON，所述第六连接端SON用于与电机驱动器相连接，VCC_24V电压还引出用于与电机驱动器相连接的第七连接端COM；第八连接端axis_INTH与中心控制单元1相连接，用于接收所述中心控制单元1的电机中断信号，所述第八连接端axis_INTH经第十三电阻R13连接至型号为S8050的第三三极管Q3的基极，所述第三三极管Q3的集电极经第十二电阻R12接VCC_5V电压，其发射极接至型号为EL357N的第二光耦ISO3的1引脚，所述第二光耦ISO3的2引脚接第一地，其4引脚接VCC_24V电压，其3引脚经第十四电阻R14接至型号为2SD882的第四三极管Q4的基极，所述第四三极管Q4的发射极接地，从该发射极还分别引出三条导线，分别经第五开关SW5、第六开关SW6以及第七开关SW7引出用于连接电机驱动器的第九连接端CW、第十连接端CCW以及第十一连接端MODE，所述第四三极管Q4的集电极引出用于连接电机驱动器的第十二连接端INTH。
所述原点与接近信号反馈单元43的电路结构如图7所示，第十三连接端CON2用于外接电机驱动器，所述第十三连接端CON2的第一接线端子连接至六路施密特触发反向器U7的1引脚，所述六路施密特触发反向器U7的2引脚连接至第一拨动开关SW1的第一连接端，所述第一拨动开关SW1的公共端(axis_Z_pluse)与中心控制单元1相连接，向中心控制单元1传输的是原点信号；所述第一拨动开关SW1的第二连接端连接至第二拨动开关SW2的公共端，所述第二拨动开关SW2的第一连接端经第二十二电阻R22接第一地，其第二连接端经第二十一电阻R21接VCC_5V电压；所述第十三连接端CON2的第二接线端子连接至六路施密特触发反向器U7的3引脚，所述六路施密特触发反向器U7的4引脚连接至第三拨动开关SW3的第一连接端，所述第三拨动开关SW3的公共端(axis_close_pluse)与中心控制单元1相连接，向中心控制单元1传输的是接近信号；所述第三拨动开关SW3的第二连接端连接至第四拨动开关SW4的公共端，所述第四拨动开关SW4的第一连接端经第二十四电阻R24接第一地，其第二连接端经第二十三电阻R23接VCC_5V电压。
所述电机动作控制单元44的电路结构如图8所示，第十四连接端axis_pluse与中心控制单元1相连接，用于接收所述中心控制单元1的脉冲信号，所述第十四连接端axis_pluse经第十六电阻R16连接至型号为S8050的第五三极管Q5的基极，所述第五三极管Q5的集电极经第十五电阻R15接VCC_5V电压，其发射极连接至型号为HCPL2630的第二光电耦合器ISO4的1引脚，所述第二光电耦合器ISO4的2引脚接第一地，其5引脚接地，8引脚接VCC_5V电压，所述第二光电耦合器ISO4的7引脚接至第三MAX485接口芯片U4的4引脚，所述第二光电耦合器ISO4的7引脚还经第十七电阻R17接VCC_5V电压，所述第三MAX485接口芯片U4的2引脚、3引脚以及8引脚均接VCC_5V电压，其5引脚接地，所述第三MAX485接口芯片U4的7引脚以及6引脚分别引出第十五连接端CP_pos以及第十六连接端CP_neg，所述第十五连接端CP_pos以及第十六连接端CP_neg用于外接电机驱动器；第十七连接端axis_direction与中心控制单元1相连接，用于接收所述中心控制单元1的方向信号，所述第十七连接端axis_direction经第十九电阻R19连接至型号为S8050的第六三极管Q6的基极，所述第六三极管Q6的集电极经第十八电阻R18接VCC_5V电压，其发射极连接至第二光电耦合器ISO4的4引脚，所述第二光电耦合器ISO4的3引脚接第一地，所述第二光电耦合器ISO4的6引脚接至第四MAX485接口芯片U5的4引脚，所述第二光电耦合器ISO4的6引脚还经第二十电阻R20接VCC_5V电压，所述第四MAX485接口芯片U5的2引脚、3引脚以及8引脚均接VCC_5V电压，其5引脚接地，所述第四MAX485接口芯片U5的7引脚以及6引脚分别引出第十八连接端DIR_pos以及第十九连接端DIR_neg，所述第十八连接端DIR_pos以及第十九连接端DIR_neg用于外接电机驱动器。
在具体的使用过程中，电机首先需要寻找工作的原点位置，本发明所涉及的控制系统可以自动地搜寻这个原点，无需人工干预就可以完成。具体的原理如下：开始时，电机处于闲置状态，当通过所述电机使能与中断控制单元42向其发送使能信号后，开始进入高速搜寻原点状态，这时电机运转带动负载前进，当接触到接近开关时，接近开关发出接近信号，通过所述第三拨动开关SW3的公共端(axis_close_pluse)传送至中心控制单元1，此时所述第三拨动开关SW3的公共端(axis_close_pluse)与其第二连接端相连接，第四拨动开关SW4的公共端与其第二连接端相连接，所述中心控制单元1会发出控制信号，通过所述电机动作控制单元44，使得电机从高速搜寻状态切换到低速爬行状态；当爬行到原点位置时，原点处的接触开关发出原点信号，通过所述第一拨动开关SW1的公共端(axis_Z_pluse)传送至中心控制单元1，此时所述第四拨动开关SW4的公共端与其第一连接端相连接，所述第一拨动开关SW1的公共端(axis_Z_pluse)与其第二连接端相连接，第二拨动开关SW2的公共端与其第二连接端相连接，所述中心控制单元1会将中断信号通过所述电机使能与中断控制单元42发送至电机，使电机停止运转，此时电机所处的位置正是原点，至此，搜寻原点的工作完成。
在具体的使用过程中，用户可以采用直线插补方法或者基于卦限的最小误差圆弧插补方法来控制插针进行插补作业。
当用户选择直线插补方法时，包括以下步骤：
步骤1、以起点位置坐标为原点建立平面直角坐标系，将平面直角坐标系分为八个卦限，如图9所示，其中在第一象限中沿逆时针方向依次为第一卦限和第二卦限，在第二象限中沿逆时针方向依次为第三卦限和第四卦限，在第三象限中沿逆时针方向依次为第五卦限和第六卦限，在第四象限中沿逆时针方向依次为第七卦限和第八卦限，在每个卦限中电机可沿两个方向行进，这两个方向分别能使插补坐标点往直线的两侧移动。
步骤2、根据终点位置坐标所在的卦限，进行卦限变化，将终点位置坐标都变换到第一卦限或第二卦限。具体的变换过程如表1所示：
表1直线插补卦限变换处理表
| 原卦限 | 变换后的卦限 | 变换后输出处理 |
| 第一卦限 | 无 | 无 |
| 第二卦限 | 无 | 无 |
| 第三卦限 | 第二卦限 | X轴方向取反 |
| 第四卦限 | 第一卦限 | X轴方向取反 |
| 第五卦限 | 第一卦限 | X轴和Y轴方向取反 |
| 第六卦限 | 第二卦限 | X轴和Y轴方向取反 |
| 第七卦限 | 第二卦限 | Y轴方向取反 |
| 第八卦限 | 第一卦限 | Y轴方向取反 |
步骤3、在变换后的卦限中，计算出沿着步骤1中所述的两个方向分别进给一步后所形成的两个坐标点与变换后的卦限中终点坐标的距离，选择进给一步后所形成的坐标点与变换后的卦限中终点坐标的距离小的方向。
步骤4、通过中心控制单元1输出脉冲信号和方向信号。
步骤5、将步骤4中的方向信号进行变换，该变换是步骤2中的变换的反变换。
步骤6、判断电机前进后，插针是否到达终点位置坐标。
步骤7、如果是，则通过中心控制单元1控制电机停止动作。
步骤8、如果否，返回步骤3，进行下一次插补。
直线插补方法在一次插补过程中，有两个方向可选择，这两个方向分别能使插补坐标点往直线的两侧移动，通过在直线两边摆动，完成直线的拟合过程，能够较好的拟合直线，拟合误差为±0.5LSB，具有实用价值。
当用户选择基于卦限的最小误差圆弧插补方法时，包括以下步骤：
步骤1、将圆弧分为若干点。
步骤2、以圆弧的起点为切点做此圆弧的曲率圆，如图10所示，图中的圆是曲率圆，以曲率圆的圆心为原点建立平面直角坐标系，将平面直角坐标系分为八个卦限，其中在第一象限中沿逆时针方向依次为第一卦限和第二卦限，在第二象限中沿逆时针方向依次为第三卦限和第四卦限，在第三象限中沿逆时针方向依次为第五卦限和第六卦限，在第四象限中沿逆时针方向依次为第七卦限和第八卦限，在每个卦限中电机可沿两个方向行进，这两个方向分别能使插补坐标点往曲率圆的圆内或圆外移动。
步骤3、根据曲率圆的半径，确定当前进给的步长大小，二者的关系式为d＝kR；其中d为步长，R为曲率圆半径，k为比例系数,k∈[0,1]，用户可以根据曲率来决定k的取值；这样可以在曲率圆半径较大时保证插补的速度，在曲率圆半径较小时保证插补的精度。
步骤4、根据终点位置坐标所在的卦限，进行卦限变化，将终点位置坐标都变换到第一卦限或第二卦限。具体的变换过程如表2所示：
表2圆弧插补卦限变换处理表
| 原卦限 | 变换后的卦限 | 变换后输出处理 |
| 第一卦限 | 无 | 无 |
| 第二卦限 | 无 | 无 |
| 第三卦限 | 第二卦限 | Y轴方向取反 |
| 第四卦限 | 第一卦限 | Y轴方向取反 |
| 第五卦限 | 第一卦限 | X轴和Y轴方向取反 |
| 第六卦限 | 第二卦限 | X轴和Y轴方向取反 |
| 第七卦限 | 第二卦限 | X轴方向取反 |
| 第八卦限 | 第一卦限 | X轴方向取反 |
步骤5、定义误差方程为f(x,y)＝x2+y2-r2；其中x为X轴坐标，y为Y轴坐标，r为插补圆弧半径；对于曲率圆上的点有：f(x,y)＝0，对于曲率圆外的点有：f(x,y)>0，对于曲率圆内的点有：f(x,y)<0。
步骤6、在变换后的卦限中，计算出沿着步骤2中所述的两个方向分别进给一步后所形成的两个坐标点代入步骤5中的误差方程后所得出的误差，选择进给一步后所形成的坐标点代入步骤5中的误差方程后所得出的误差的绝对值小的方向。
下面以第一卦限为例进行说明，此时有两个方向可以走，一个是往X轴正方向和Y轴负方向同时走一步，另一个是只往Y轴负方向走一步。
当往X轴正方向和Y轴负方向同时走一步时，误差方程为：
f1＝f(x+1,y-1)＝(x+1)2+(y-1)2-r2；
当只往Y轴负方向走一步时，误差方程为：
f2＝f(x,y-1)＝x2+(y-1)2-r2；
f1和f2分别为往两个方向进给后的误差，通过比较二者绝对值大小，选择绝对值较小的方向作为最终的决策方向。
步骤7、通过中心控制单元1输出脉冲信号和方向信号。
步骤8、将步骤7中的方向信号进行变换，该变换是步骤4中的变换的反变换。
步骤9、判断电机前进后，插针是否到达终点位置坐标。
步骤10、如果是，则通过中心控制单元1控制电机停止动作。
步骤11、如果否，返回步骤2，以圆弧上的下一个点为切点做此圆弧的曲率圆，进行下一次插补。
可以通过MATLAB对基于卦限的最小误差圆弧插补方法进行仿真验证。具体的MATLAB仿真结果如图11所示，其误差分析图如图12所示，从图中可以看出圆弧插补方法的精度为±0.5LSB，这说明圆弧插补方法具有较高的精度。
本发明所涉及的Z-PIN插针控制系统及插补方法能够有效提高插针效率，节省了金钱及人力成本，通过直线插补方法或者基于卦限的最小误差圆弧插补方法能够实现较高的定位精度。
Claims (6)
1.一种Z-PIN插针控制系统，其特征在于：包括中心控制单元，所述中心控制单元分别与RS232接口单元、第一电机控制单元、第二电机控制单元、第三电机控制单元以及第四电机控制单元相连接，所述Z-PIN插针控制系统还包括电源单元，所述电源单元为所述中心控制单元、RS232接口单元、第一电机控制单元、第二电机控制单元、第三电机控制单元以及第四电机控制单元供电；其中所述第一电机控制单元用于控制第一电机，使得插针能沿X轴移动，第二电机控制单元用于控制第二电机，使得插针能沿Y轴移动，第三电机控制单元用于控制第三电机，使得插针能沿Z轴移动，第四电机控制单元用于控制第四电机，使得插针能绕Z轴做旋转运动；所述第一电机控制单元、第二电机控制单元、第三电机控制单元以及第四电机控制单元的结构相同，均包括电机A相和B相反馈脉冲单元、电机使能与中断控制单元、原点与接近信号反馈单元以及电机动作控制单元；其中所述原点与接近信号反馈单元的电路结构如下，第十三连接端(CON2)用于外接电机驱动器，所述第十三连接端(CON2)的第一接线端子连接至六路施密特触发反向器(U7)的1引脚，所述六路施密特触发反向器(U7)的2引脚连接至第一拨动开关(SW1)的第一连接端，所述第一拨动开关(SW1)的公共端与中心控制单元(1)相连接，向中心控制单元(1)传输的是原点信号；所述第一拨动开关(SW1)的第二连接端连接至第二拨动开关(SW2)的公共端，所述第二拨动开关(SW2)的第一连接端经第二十二电阻(R22)接第一地，其第二连接端经第二十一电阻(R21)接VCC_5V电压；所述第十三连接端(CON2)的第二接线端子连接至六路施密特触发反向器(U7)的3引脚，所述六路施密特触发反向器(U7)的4引脚连接至第三拨动开关(SW3)的第一连接端，所述第三拨动开关(SW3)的公共端与中心控制单元(1)相连接，向中心控制单元(1)传输的是接近信号；所述第三拨动开关(SW3)的第二连接端连接至第四拨动开关(SW4)的公共端，所述第四拨动开关(SW4)的第一连接端经第二十四电阻(R24)接第一地，其第二连接端经第二十三电阻(R23)接VCC_5V电压；所述电机动作控制单元的电路结构如下，第十四连接端(axis_pluse)与中心控制单元(1)相连接，用于接收所述中心控制单元(1)的脉冲信号，所述第十四连接端(axis_pluse)经第十六电阻(R16)连接至型号为S8050的第五三极管(Q5)的基极，所述第五三极管(Q5)的集电极经第十五电阻(R15)接VCC_5V电压，其发射极连接至型号为HCPL2630的第二光电耦合器(ISO4)的1引脚，所述第二光电耦合器(ISO4)的2引脚接第一地，其5引脚接地，8引脚接VCC_5V电压，所述第二光电耦合器(ISO4)的7引脚接至第三MAX485接口芯片(U4)的4引脚，所述第二光电耦合器(ISO4)的7引脚还经第十七电阻(R17)接VCC_5V电压，所述第三MAX485接口芯片(U4)的2引脚、3引脚以及8引脚均接VCC_5V电压，其5引脚接地，所述第三MAX485接口芯片(U4)的7引脚以及6引脚分别引出第十五连接端(CP_pos)以及第十六连接端(CP_neg)，所述第十五连接端(CP_pos)以及第十六连接端(CP_neg)用于外接电机驱动器；第十七连接端(axis_direction)与中心控制单元(1)相连接，用于接收所述中心控制单元(1)的方向信号，所述第十七连接端(axis_direction)经第十九电阻(R19)连接至型号为S8050的第六三极管(Q6)的基极，所述第六三极管(Q6)的集电极经第十八电阻(R18)接VCC_5V电压，其发射极连接至第二光电耦合器(ISO4)的4引脚，所述第二光电耦合器(ISO4)的3引脚接第一地，所述第二光电耦合器(ISO4)的6引脚接至第四MAX485接口芯片(U5)的4引脚，所述第二光电耦合器(ISO4)的6引脚还经第二十电阻(R20)接VCC_5V电压，所述第四MAX485接口芯片(U5)的2引脚、3引脚以及8引脚均接VCC_5V电压，其5引脚接地，所述第四MAX485接口芯片(U5)的7引脚以及6引脚分别引出第十八连接端(DIR_pos)以及第十九连接端(DIR_neg)，所述第十八连接端(DIR_pos)以及第十九连接端(DIR_neg)用于外接电机驱动器。
2.根据权利要求1所述的Z-PIN插针控制系统，其特征在于：所述中心控制单元采用型号为TCA-4CE6-22的FPGA最小系统开发板。
3.根据权利要求1所述的Z-PIN插针控制系统，其特征在于：所述电机A相和B相反馈脉冲单元的电路结构如下，第一连接端(PA_neg)以及第二连接端(PA_pos)用于外接电机驱动器，所述第一连接端(PA_neg)以及第二连接端(PA_pos)分别连接至第一MAX485接口芯片(U2)的7引脚以及6引脚，所述第一MAX485接口芯片(U2)的2～5引脚均接地，所述第一MAX485接口芯片(U2)的8引脚接VCC_5V电压，其1引脚接至型号为HCPL2630的第一光电耦合器(ISO1)的2引脚，所述第一光电耦合器(ISO1)的1引脚经第六电阻(R6)接VCC_5V电压，所述第一光电耦合器(ISO1)的5引脚接第一地，其8引脚接VCC_5V电压，该8引脚还经第九电容(C9)接第一地，所述第一光电耦合器(ISO1)的7引脚接至型号为74LS14的六路施密特触发反向器(U7)的5引脚，所述第一光电耦合器(ISO1)的7引脚还经第五电阻(R5)接VCC_5V电压；所述六路施密特触发反向器(U7)的14引脚接VCC_5V电压，其7引脚接第一地，所述六路施密特触发反向器(U7)的6引脚连接至中心控制单元(1)，所述六路施密特触发反向器(U7)的6引脚向中心控制单元(1)传输的是电机A相反馈脉冲信号；第三连接端(PB_neg)以及第四连接端(PB_pos)用于外接电机驱动器，所述第三连接端(PB_neg)以及第四连接端(PB_pos)分别连接至第二MAX485接口芯片(U3)的7引脚以及6引脚，所述第二MAX485接口芯片(U3)的2～5引脚均接地，所述第二MAX485接口芯片(U3)的8引脚接VCC_5V电压，其1引脚接至第一光电耦合器(ISO1)的3引脚，所述第一光电耦合器(ISO1)的4引脚经第七电阻(R7)接VCC_5V电压，所述第一光电耦合器(ISO1)的6引脚接至所述六路施密特触发反向器(U7)的9引脚，所述第一光电耦合器(ISO1)的6引脚还经第八电阻(R8)接VCC_5V电压；所述六路施密特触发反向器(U7)的8引脚连接至中心控制单元(1)，所述六路施密特触发反向器(U7)的8引脚向中心控制单元(1)传输的是电机B相反馈脉冲信号；在所述电机A相和B相反馈脉冲单元中，VCC_5V电压还经并联的第十电容(C10)以及第十一电容(C11)接地。
4.根据权利要求1所述的Z-PIN插针控制系统，其特征在于：所述电机使能与中断控制单元的电路结构如下，第五连接端(axis_SON)与中心控制单元(1)相连接，用于接收所述中心控制单元(1)的使能信号，所述第五连接端(axis_SON)经第十电阻(R10)连接至型号为S8050的第一三极管(Q1)的基极，所述第一三极管(Q1)的集电极经第九电阻(R9)接VCC_5V电压，其发射极接至型号为EL357N的第一光耦(ISO2)的1引脚，所述第一光耦(ISO2)的2引脚接第一地，其4引脚接VCC_24V电压，其3引脚经第十一电阻(R11)接至型号为2SD882的第二三极管(Q2)的基极，所述第二三极管(Q2)的发射极接地，其集电极引出第六连接端(SON)，所述第六连接端(SON)用于与电机驱动器相连接，VCC_24V电压还引出用于与电机驱动器相连接的第七连接端(COM)；第八连接端(axis_INTH)与中心控制单元(1)相连接，用于接收所述中心控制单元(1)的电机中断信号，所述第八连接端(axis_INTH)经第十三电阻(R13)连接至型号为S8050的第三三极管(Q3)的基极，所述第三三极管(Q3)的集电极经第十二电阻(R12)接VCC_5V电压，其发射极接至型号为EL357N的第二光耦(ISO3)的1引脚，所述第二光耦(ISO3)的2引脚接第一地，其4引脚接VCC_24V电压，其3引脚经第十四电阻(R14)接至型号为2SD882的第四三极管(Q4)的基极，所述第四三极管(Q4)的发射极接地，从该发射极还分别引出三条导线，分别经第五开关(SW5)、第六开关(SW6)以及第七开关(SW7)引出用于连接电机驱动器的第九连接端(CW)、第十连接端(CCW)以及第十一连接端(MODE)，所述第四三极管(Q4)的集电极引出用于连接电机驱动器的第十二连接端(INTH)。
5.一种基于权利要求1所述的Z-PIN插针控制系统的直线插补方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
步骤1、以起点位置坐标为原点建立平面直角坐标系，将平面直角坐标系分为八个卦限，其中在第一象限中沿逆时针方向依次为第一卦限和第二卦限，在第二象限中沿逆时针方向依次为第三卦限和第四卦限，在第三象限中沿逆时针方向依次为第五卦限和第六卦限，在第四象限中沿逆时针方向依次为第七卦限和第八卦限，在每个卦限中电机可沿两个方向行进，这两个方向分别能使插补坐标点往直线的两侧移动；
步骤2、根据终点位置坐标所在的卦限，进行卦限变化，将终点位置坐标都变换到第一卦限或第二卦限；
步骤3、在变换后的卦限中，计算出沿着步骤1中所述的两个方向分别进给一步后所形成的两个坐标点与变换后的卦限中终点坐标的距离，选择进给一步后所形成的坐标点与变换后的卦限中终点坐标的距离小的方向；
步骤4、通过中心控制单元输出脉冲信号和方向信号；
步骤5、将步骤4中的方向信号进行变换，该变换是步骤2中的变换的反变换；
步骤6、判断电机前进后，插针是否到达终点位置坐标；
步骤7、如果是，则通过中心控制单元控制电机停止动作；
步骤8、如果否，返回步骤3，进行下一次插补。
6.一种基于权利要求1所述的Z-PIN插针控制系统的基于卦限的最小误差圆弧插补方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
步骤1、将圆弧分为若干点；
步骤2、以圆弧的起点为切点做此圆弧的曲率圆，以曲率圆的圆心为原点建立平面直角坐标系，将平面直角坐标系分为八个卦限，其中在第一象限中沿逆时针方向依次为第一卦限和第二卦限，在第二象限中沿逆时针方向依次为第三卦限和第四卦限，在第三象限中沿逆时针方向依次为第五卦限和第六卦限，在第四象限中沿逆时针方向依次为第七卦限和第八卦限，在每个卦限中电机可沿两个方向行进，这两个方向分别能使插补坐标点往曲率圆的圆内或圆外移动；
步骤3、根据曲率圆的半径，确定当前进给的步长大小，二者的关系式为d＝kR；
其中d为步长，R为曲率圆半径，k为比例系数,k∈[0,1]；
步骤4、根据终点位置坐标所在的卦限，进行卦限变化，将终点位置坐标都变换到第一卦限或第二卦限；
步骤5、定义误差方程为f(x,y)＝x2+y2-r2；其中x为X轴坐标，y为Y轴坐标，r为插补圆弧半径；对于曲率圆上的点有：f(x,y)＝0，对于曲率圆外的点有：f(x,y)>0，对于曲率圆内的点有：f(x,y)<0；
步骤6、在变换后的卦限中，计算出沿着步骤2中所述的两个方向分别进给一步后所形成的两个坐标点代入步骤5中的误差方程后所得出的误差，选择进给一步后所形成的坐标点代入步骤5中的误差方程后所得出的误差的绝对值小的方向；
步骤7、通过中心控制单元输出脉冲信号和方向信号；
步骤8、将步骤7中的方向信号进行变换，该变换是步骤4中的变换的反变换；
步骤9、判断电机前进后，插针是否到达终点位置坐标；
步骤10、如果是，则通过中心控制单元控制电机停止动作；
步骤11、如果否，返回步骤2，以圆弧上的下一个点为切点做此圆弧的曲率圆，进行下一次插补。
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