VC＋＋的反向間隙補(bǔ)償處理軟件程序設(shè)計

董瑞剛， 周 吉， 程 松， 尹冠群

（上海電氣集團(tuán)股份有限公司中央研究院，上海200070）

Visual C＋＋6.0（VC＋＋）是 Microsoft公司推出的基于C／C＋＋語言的集成開發(fā)工具。它不僅擁有C／C＋＋語言的集成開發(fā)環(huán)境，而且與Win32緊密相連，功能相當(dāng)強(qiáng)大，代碼效率很高，可以實現(xiàn)從底層軟件直到上層直接面向用戶的軟件。VC＋＋也是目前最為流行、使用最為廣泛的軟件開發(fā)工具之一，其向用戶提供了一個面向?qū)ο?、可視化的編程環(huán)境。它的微軟基礎(chǔ)類庫（Microsoft Foundation Class，MFC）封裝了大部分應(yīng)用程序編程接口（Application Programming Interface，API）函數(shù)，大大簡化了用戶的編程工作，提高了代碼的可重用性，使得用戶可以快速地進(jìn)行軟件開發(fā)［1］。

在數(shù)控機(jī)床上，由于各坐標(biāo)軸進(jìn)給傳動鏈上驅(qū)動部件（如伺服電動機(jī)、伺服液壓馬達(dá)和步進(jìn)電動機(jī)等）的反向死區(qū)、各機(jī)械運動傳動副（如齒輪傳動和滾珠絲杠螺母副）的反向間隙等誤差的存在，造成各坐標(biāo)軸在由正向運動轉(zhuǎn)為反向運動時形成反向偏差，通常也稱反向間隙或失動量。反向間隙直接影響伺服系統(tǒng)的高定位精度和快速響應(yīng)特性的發(fā)揮，進(jìn)而影響設(shè)備加工精度。目前，大多數(shù)數(shù)控系統(tǒng)都內(nèi)嵌了反向間隙補(bǔ)償功能，以提高數(shù)控設(shè)備的精度和快速響應(yīng)性。但與此同時，一些老舊數(shù)控機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)缺乏該功能，由于系統(tǒng)的封閉性，也不可能直接在系統(tǒng)中加入反向間隙補(bǔ)償功能。另外，在一些基于計算機(jī)的專用數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)中也遇到反向間隙的補(bǔ)償問題。

本文探討了基于VC＋＋的反向間隙補(bǔ)償處理設(shè)計方法，它可在不改變數(shù)控系統(tǒng)及機(jī)械結(jié)構(gòu)的前提下實現(xiàn)反向間隙補(bǔ)償。

1 開發(fā)環(huán)境及特點

軟件開發(fā)平臺：VC＋＋（MFC）。

運行平臺：Windows xp／Windows 2000。

MFC的本質(zhì)就是一個包含許多微軟公司已經(jīng)定義好的對象類庫，雖然用戶要編寫的程序在功能上是千差萬別的，但從本質(zhì)上講，都可以劃分為對用戶界面的設(shè)計、文件的操作、多媒體的使用和數(shù)據(jù)庫的訪問等方面［2］。

正是由于MFC編程方法充分利用了面向?qū)ο蠹夹g(shù)的優(yōu)點，使得編程時不必關(guān)心對象方法的實現(xiàn)細(xì)節(jié)。同時，類庫中的各種對象足以完成程序中的絕大部分功能，從而大幅度減少應(yīng)用程序中編寫的代碼，有力地保證了程序的良好性和可調(diào)試性。

本文正是利用VC＋＋的MFC編程方法對反向間隙補(bǔ)償處理軟件進(jìn)行設(shè)計。

2 反向間隙補(bǔ)償原理

因為絲杠和絲母之間肯定存在一定的間隙，所以在正轉(zhuǎn)后變換成反轉(zhuǎn)的時候，在一定的角度內(nèi)，盡管絲杠轉(zhuǎn)動，但是絲母還要等間隙消除（受力一側(cè)的）以后才能帶動工作臺運動，這個間隙就是反向間隙。

反向間隙補(bǔ)償又稱為齒隙補(bǔ)償。機(jī)械傳動鏈在改變轉(zhuǎn)向時，由于反向間隙的存在，會引起伺服電動機(jī)的空轉(zhuǎn)，而不發(fā)生工作臺的實際運動，又稱失動。在半閉環(huán)系統(tǒng)中，反向間隙對機(jī)床的加工精度具有很大的影響，必須加以補(bǔ)償［3－4］。反向間隙補(bǔ)償原理是在無補(bǔ)償?shù)臈l件下，在軸線測量行程內(nèi)將測量行程等分為若干段，測量出各目標(biāo)位置Pi的平均反向差值作為機(jī)床的補(bǔ)償參數(shù)輸入系統(tǒng)。數(shù)控系統(tǒng)在控制坐標(biāo)軸反向運動時，自動先讓該坐標(biāo)反向運動值，然后按指令進(jìn)行運動。如圖1所示，工作臺正向移動到0點，然后反向移動到Pi點；反向時，電機(jī)（絲桿）先反向移動，后移動到Pi點；該過程數(shù)控系統(tǒng)實際指令運動值為

圖1 反向間隙補(bǔ)償示意圖

本文所提的反向間隙補(bǔ)償處理是反向間隙的預(yù)補(bǔ)償，是指在數(shù)控代碼傳入數(shù)控系統(tǒng)之前將反向間隙補(bǔ)償?shù)綌?shù)控代碼中。經(jīng)過反向間隙預(yù)補(bǔ)償?shù)臄?shù)控代碼可直接傳入數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行加工，數(shù)控設(shè)備不用因反向間隙的影響而進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)或控制系統(tǒng)改動。對于沒有反向間隙補(bǔ)償功能的數(shù)控設(shè)備，其預(yù)補(bǔ)償處理的情況如圖2所示。

圖2 反向間隙預(yù)補(bǔ)償處理示意圖

3 軟件設(shè)計

3.1 軟件設(shè)計功能

3.1.1 功能需求

軟件功解需求如下：① 反向間隙補(bǔ)償軸數(shù)5；②軸符號可由用戶自定義；③界面友好提示，如補(bǔ)償完成提示、覆蓋確認(rèn)提示等；④ 系統(tǒng)運行穩(wěn)定，安全可靠；⑤ 界面設(shè)計美觀實用，人機(jī)交互界面友好；⑥ 補(bǔ)償功能靈活、方便、快捷、準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)存儲安全可靠。

3.1.2 軟件功能介紹

反向間隙補(bǔ)償處理軟件是為消除數(shù)控機(jī)床的反向間隙對加工精度的影響而制作的一款專用軟件。它主要實現(xiàn)功能有自由選擇待補(bǔ)償文件、自由選擇軸數(shù)和軸符號、自動存儲補(bǔ)償后文件和正確補(bǔ)償反向間隙值。

反向間隙補(bǔ)償處理軟件功能的實現(xiàn)可分為以下幾個步驟：① 選擇文件，即選擇原始的數(shù)控程序代碼文件，文件名稱和文件擴(kuò)展名不限；② 選擇要補(bǔ)償?shù)妮S；③在該軸的軸符號框中輸入軸符號，例如輸入“X”，表示要補(bǔ)償?shù)妮S為X軸；④ 在該軸的反向間隙補(bǔ)償值中輸入補(bǔ)償值；⑤ 后處理執(zhí)行，完成后反向間隙補(bǔ)償處理運算，并且自動將補(bǔ)償過的數(shù)控程序文件另存為＊＿bc（＊代表原數(shù)控程序文件的名稱及擴(kuò)展名）。

雖然本軟件的功能實現(xiàn)僅有上面的5個步驟，但在軟件的流程設(shè)計中也要考慮很多相互之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，字符串的移動、排列、替換等算法。反向間隙補(bǔ)償處理軟件的流程如圖3所示。

3.2 軟件界面設(shè)計

VC＋＋提供了強(qiáng)大、快捷的編程工具，其最基本的是3個導(dǎo)航：AppWizard用于程序框架的生成，AppStudio用于資源的編輯，ClassWizard用于類的編輯和管理。反向間隙補(bǔ)償處理軟件的界面設(shè)計以界面簡潔、功能實用、使用方便為原則，采用AppWizard導(dǎo)航，生成基于對話框（Dialog based）的應(yīng)用程序?；趯υ捒虻膽?yīng)用程序比起其他大多數(shù)MFC程序還有一個優(yōu)點，即可以使用VC＋＋資源編輯器設(shè)計整個用戶界面而不用編寫代碼。在創(chuàng)建該應(yīng)用程序時，能夠可視化地放置位圖、按鈕、文本域和其他Windows控件，并能可視化地重新定義其大小及位置［5］。

使用基于對話框的應(yīng)用程序創(chuàng)建軟件界面，反向間隙補(bǔ)償處理軟件的界面包含：軸選擇、軸符號、反向間隙補(bǔ)償值、選擇文件、后處理執(zhí)行、關(guān)閉。程序界面如圖4所示。

圖3 反向間隙補(bǔ)償處理軟件流程圖

軸選擇（多選框）：對應(yīng)的控件為Check Box，資源ID為IDC＿AXIS1～I(xiàn)DC＿AXIS5。選中軸選擇多選框就對該軸對應(yīng)的軸符號進(jìn)行補(bǔ)償處理，未選中，則不做處理，程序?qū)崿F(xiàn)用（（CButton＊）GetDlgItem（IDC＿AXIS1））－＞GetCheck（）＝＝BST＿CHECKED來檢測該多選框是否被選中。

圖4 反向間隙補(bǔ)償處理軟件界面

軸符號（文本框）：對應(yīng)的控件為Edit Box，資源ID為IDC＿AXIS＿SIGN1～I(xiàn)DC＿AXIS＿SIGN5。軸符號中輸入的字母就是需要補(bǔ)償軸的軸號，程序?qū)崿F(xiàn)用GetDlgItemText（IDC＿AXIS＿SIGN1，axis＿sign1）來獲得軸符號文本框中的內(nèi)容，并保存在axis＿sign1變量中，axis＿sign1為 CString型字符串。

反向間隙補(bǔ)償值（文本框）：對應(yīng)的控件為Edit Box，資源ID為IDC＿OFFSET＿VALUE1～I(xiàn)DC＿OFFSET＿VALUE5。用于輸入補(bǔ)償?shù)闹?，程序?qū)崿F(xiàn)與軸符號類似，用 GetDlgItemText（IDC＿OFFSET＿VALUE1，offset＿value1）來獲得軸符號文本框中的內(nèi)容，并保存在offset＿value1變量中，offset＿value1為CString型字符串。

選擇文件（按鈕）：對應(yīng)的控件為Button，資源ID為ID＿CHOOSE。選擇文件按鈕按下后，選擇對話框自動彈出，正確地選擇文件，并將文件內(nèi)容逐行讀入內(nèi)存。while（fp.ReadString（strFilePath－Name））｛｝代碼用于實現(xiàn)文件內(nèi)容的逐行讀取。選擇文件函數(shù)OnChoose包含在CMyDlg類中。

后處理執(zhí)行（按鈕）：對應(yīng)的控件為Button，資源ID為IDOK。對數(shù)控程序代碼進(jìn)行反向間隙補(bǔ)償處理，并自動另存文件，后處理執(zhí)行函數(shù)OnOK包含在CMyDlg類中。

關(guān)閉（按鈕）：對應(yīng)的控件為Button，資源ID為IDCANCEL。用于軟件的關(guān)閉，程序?qū)崿F(xiàn)采用控件默認(rèn)程序代碼。

3.3 代碼設(shè)計

3.3.1 為程序添加OnChoose事件

OnChoose事件利用CFileDialog dlg打開選擇對話框，并用dlg.GetPathName（）來調(diào)用數(shù)控程序的文件名和文件路徑，將之存儲在變量strFilePath－Name中。OnChoose事件比較簡單，其他運算處理工作都放在OnOK事件中。

3.3.2 字符串的讀取與處理

變量str＿sign1＿1中存儲的是每一行的字符串，該字符串中有軸符號和軸坐標(biāo)信息也有數(shù)控程序段號、F指令、空格及其他信息。在補(bǔ)償處理時，只有軸符號和軸坐標(biāo)信息需要取出來用于補(bǔ)償后的替換，所以需要對str＿sign1＿1中的字符串進(jìn)行取字符串操作。方法如下：先找到字符串中的軸符號，取軸符號右面的字符串，存入str＿sign1＿2中，再取str＿sign1＿2中有英文字母左邊的字符串，最后去除該字符串中的空格，存入str＿sign1＿3中。

3.3.3 反向間隙補(bǔ)償處理程序

程序代碼如下所示：

反向間隙補(bǔ)償處理的實現(xiàn)就是后一行的軸坐標(biāo)與前一行的軸坐標(biāo)之間進(jìn)行比較。如果出現(xiàn)坐標(biāo)反向，并且反向距離大于反向間隙補(bǔ)償值，那么該軸坐標(biāo)值就應(yīng)加上反向間隙補(bǔ)償值，然后用替換函數(shù)Replace將原先的值替換。其中需要注意的是軸坐標(biāo)的比較是算數(shù)運算，而從每一行取出的是字符串，故必須進(jìn)行轉(zhuǎn)換。先將字符串轉(zhuǎn)換成float型，運算完成后，再將其轉(zhuǎn)換成CString型，最后進(jìn)行字符串替換。

3.3.4 文件存儲

文件存儲是將原文件名加“＿bc”，另存在文件原目錄。若文件有重名就使用消息函數(shù)MessageBox（），彈出消息對話框提示是否要覆蓋，確定 就 用fp＿bc.Open（strFilePathName，CFile：：modeCreate｜CFile：：modeWrite）創(chuàng)建新文件，取消則返回。

4 結(jié) 語

本文針對機(jī)床絲杠和絲母之間往返運動中產(chǎn)生的反向間隙誤差，基于VC＋＋開發(fā)了反向間隙補(bǔ)償處理軟件，成功實現(xiàn)了對數(shù)控程序的讀取、補(bǔ)償處理和存儲。該軟件對于沒有反向間隙補(bǔ)償功能的數(shù)控設(shè)備有很好的效果，也可為基于計算機(jī)的專用數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)提供借鑒。其成功應(yīng)用于2009年國家863項目《渦軸發(fā)動機(jī)整體葉輪高效加工技術(shù)與仿真優(yōu)化》的葉片加工中。

本軟件現(xiàn)只適用于直線（G0／G1）形式的數(shù)控程序，對于圓弧指令（G2／G3）生產(chǎn)的數(shù)控程序還有一定缺陷，即圓弧指令在執(zhí)行過程中的換向用本軟件進(jìn)行反向間隙補(bǔ)償還無法實現(xiàn)。

［1］胡海生，李升亮.Visual C＋＋6.0編程學(xué)習(xí)捷徑［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2003：1－5.

［2］曾凡鋒，苗 雨.MFC編程技巧與范例詳解［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2008：5－26.

［3］陳建雯，劉立新.反向間隙對數(shù)控加工的影響與補(bǔ)償［J］.裝備制造技術(shù)，2008（09）：76－77.

［4］黃榮億.數(shù)控機(jī)床反向間隙誤差加工程序補(bǔ)償法［J］.裝備制造技術(shù)，2007（5）：96－97.

［5］閆常友.跟我學(xué)Visual C＋＋6.0［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2010：38－41.