試論數(shù)控加工動態(tài)仿真系統(tǒng)的研發(fā)及應(yīng)用

黑龍江科技學(xué)院 安興偉

1 數(shù)控加工動態(tài)仿真系統(tǒng)的研發(fā)

（1）整體設(shè)計結(jié)構(gòu)。如圖1所示，首先通過藍天數(shù)控系統(tǒng)解釋器進行工件程序的讀取，再進行語法、詞法等檢查分析工作，在提取數(shù)控程序過程的同時對刀具和工藝信息進行加工。接下來，動態(tài)仿真系統(tǒng)會對刀具、工件等物體進行初始實體模型的構(gòu)造，通過分析系統(tǒng)中各個組成部件的幾何信息和位置信息，實現(xiàn)加工環(huán)境的動態(tài)三維實體顯示。與刀具軌跡相關(guān)的刀位點的信息以及計算可以從NML（Neutral Message Language）通道中獲得，如此便可計算出刀具掃描體中的幾何體了。需要注意的是，刀具會沿著刀位點而移動，所以要重點檢測刀具是否在運動過程中與工件有碰撞發(fā)生，確保判別工件程序的準(zhǔn)確性。當(dāng)工件實體與刀具掃描體不斷地進行布爾差數(shù)學(xué)運算時，動態(tài)仿真系統(tǒng)便會實時顯示工件實體的加工過程。

圖1 數(shù)控加工動態(tài)仿真系統(tǒng)整體設(shè)計圖

（2）數(shù)據(jù)的傳輸。建立在 RCS（Real－Time Control System）方法的基礎(chǔ)之上，但任務(wù)協(xié)調(diào)和加工仿真的部分則是獨立出來的RCS模塊，通過NML這種標(biāo)準(zhǔn)通信語言來實現(xiàn)相互之間的通信聯(lián)系。而任務(wù)控制器系統(tǒng)與動態(tài)仿真系統(tǒng)之間的通信則是需要經(jīng)過共享緩沖區(qū)來實現(xiàn)?；贜ML的消息機制，大體上可分為3種消息：狀態(tài)、命令和錯誤。即是，從任務(wù)控制器中返回的一切狀態(tài)信息，三維實體動態(tài)仿真模塊中發(fā)出的所有控制命令信息以及錯誤信息。當(dāng)數(shù)控加工動態(tài)仿真系統(tǒng)處于初始化狀態(tài)時，狀態(tài)、命令和錯誤的信息也將根據(jù)系統(tǒng)中的NML的通信配置文件進入初始化，進而創(chuàng)建一片能被任務(wù)進行部分共享的連續(xù)性緩沖區(qū)，最后要在二者之間實現(xiàn)通信則只需再對緩沖區(qū)中全局變量進行實時讀寫便可以了。成功的信號便是讀操作所檢索到的數(shù)據(jù)與寫操作所發(fā)送的數(shù)據(jù)內(nèi)容一致。最后退出動態(tài)仿真系統(tǒng)時也關(guān)閉了NML通道。

2 數(shù)控加工動態(tài)仿真系統(tǒng)中相關(guān)軟件的開發(fā)及建模

此套仿真軟件主要通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)和計算機的仿真技術(shù)來模擬數(shù)控加工的整個過程，讓加工人員可以對整個加工過程通過觀察計算機屏幕而有直觀的印象。同時可以聯(lián)系整個操作流程，進而驗證操作程序上的合理性和正確性，并優(yōu)化其NC程序和熟練機床的操作流程。

（1）仿真軟件開發(fā)的需求分析。首先是實時性。仿真軟件開發(fā)的目的是方便用戶更準(zhǔn)確地校對程序以及使用機床，因此系統(tǒng)能在用戶仿真體驗中的要求給予回應(yīng)。例如，用戶如果在加工程序中，需要對照觀察加工時某一時刻參數(shù)狀態(tài)，或者希望仿真暫停、減慢或加快速度，系統(tǒng)都可以實時達到客戶的要求；其次是動態(tài)性。仿真系統(tǒng)的動畫功能事實上是不斷將點并在屏幕中并加以顯示。主要功能是把加工刀具和圖像變化傳達出來，并匹配圖像中的動畫速度。如此才能給人展示出更加逼真的效果。軟件還可以具有其它的輔助功能，例如工件加工的誤差、程序語法的檢查和工件表面的粗糙度估算及預(yù)測加工時間，這樣能優(yōu)化應(yīng)用仿真軟件的程序，進而在實際加工中提供更好的服務(wù)。

（2）仿真軟件開發(fā)中主要實現(xiàn)的功能。檢查NC文件的語法；反證機床實際加工的過程，得到相應(yīng)結(jié)果；實時監(jiān)控仿真過程，校對NC文件的準(zhǔn)確性；同步顯示機床加工時間和狀態(tài)；通過測試NC文件的執(zhí)行時間確定最優(yōu)的加工方案。

（3）模型的建立。首先處理NC文件，包含檢查語法，編譯可識別中間數(shù)據(jù)。程序采用的解釋原則是編譯指令一條，則執(zhí)行一條，同時顯示執(zhí)行完的成果。

圖2 總體數(shù)據(jù)流程圖

3 數(shù)控加工動態(tài)仿真系統(tǒng)的應(yīng)用與實現(xiàn)

3.1 機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

數(shù)控系統(tǒng)一般作為獨立于其他操作過程的控制單元，作用于各個對象的控制中，控制和管理是系統(tǒng)軟件需要完成的工作?？刂栖浖ǖ毒哐a償、插補計算、譯碼、位置控制以及速度預(yù)處理等密切聯(lián)系機床加工的功能。管理軟件包括I／O處理、診斷、顯示、輸入等?？刂坪凸芾淼娜蝿?wù)在多數(shù)條件下需要同時進行，例如控制和顯示要同時進行，位置控制和插補也需要同時進行。數(shù)控系統(tǒng)的實時性和任務(wù)多使系統(tǒng)中斷毫無爭議占領(lǐng)整個系統(tǒng)的核心地帶，其中斷類型分為內(nèi)、外部中斷和程序性中斷以及硬件中斷。內(nèi)部中斷指位置采樣中斷和插補周期的定時中斷；外部中斷就例如鍵盤輸入等；程序中斷是程序中因出現(xiàn)異常情況而啟動報警中斷；硬件中斷是各個硬件的故障檢測裝置中發(fā)出的中斷。

圖3 數(shù)控加工動態(tài)仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 機械管理設(shè)計

（1）I／O處理。主要處理有關(guān)數(shù)控車床面板中的開關(guān)信號，輸入、輸出并控制車床電氣信號（如換擋、換刀、冷卻等）。

（2）顯示。主要提供操作上的方便，一般用在零件程序的顯示、車床狀態(tài)顯示、參數(shù)顯示、報警顯示及道具位置顯示等。

（3）診斷。具有診斷聯(lián)機和脫機的功能。聯(lián)機診斷指的是數(shù)控車床工作中進行的自診斷程序，也可以對錯誤事件進行檢測。脫機診斷指的是數(shù)控車床具備的脫機診斷程序操作，針對存儲器、I／O接口、外圍設(shè)備等的檢測。

3.3 機械控制設(shè)計

（1）譯碼處理。針對零件程序的處理，是指按照相關(guān)的語法規(guī)則將其翻譯成計算機可以識別的數(shù)據(jù)類型，并用適合的數(shù)據(jù)格式存放在指定內(nèi)存單元中。譯碼時，還會自動對程序段進行語法檢查，并在發(fā)現(xiàn)錯誤后報警。

（2）刀具補償。根據(jù)刀具的參數(shù)來制作刀具長度補償以及半徑補償量，并通過零件輪廓軌跡來計算刀具的中心軌跡，使在零件加工中保證精度。

（3）速度處理。通過合成速度來計算各個運動坐標(biāo)中的分速度，并依照機床所允許的最低、最高速度、最好升降速規(guī)律以及最大加速度，來規(guī)劃速度。

（4）插補運算。插補精度對數(shù)控系統(tǒng)中工件加工的精度有直接的影響，此外，插補速度也對工件的加工速度和表面粗糙度有很大的影響，因此，插補是一項實時性強，對精度要求很高的運算。

（5）位置控制。伺服系統(tǒng)中的每個采樣周期，都比較了插補計算中的理論位置和實際反饋位置，并將差值用在了伺服調(diào)節(jié)輸入以及伺服驅(qū)動器控制的伺服電機中。同時，還要求完成調(diào)整位置回路中的增益、補償各坐標(biāo)中的螺距誤差及反向間隙，以此來提高機床定位中的精度。

3.4 數(shù)控仿真系統(tǒng)在教學(xué)中的應(yīng)用及相關(guān)軟件介紹

虛擬現(xiàn)實的技術(shù)在其改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)中的價值首先體現(xiàn)在教育上。數(shù)控仿真系統(tǒng)通過“虛擬設(shè)備”來鍛煉學(xué)員操作中的熟練程度，毫無疑問是一種極具價值的輔助教學(xué)工具。伴隨數(shù)控機床應(yīng)用的日益廣泛，各大相關(guān)院校也在教學(xué)中增大了培養(yǎng)具備數(shù)控機床編程相關(guān)知識以及有熟練操作技術(shù)的技能型數(shù)控加工人才。然而，數(shù)控機床的品種繁多，市場上價格也很高，一臺普通的數(shù)控銑床或數(shù)控車床也需十幾萬到二、三十萬不等，而數(shù)控加工中心更是需要幾十萬甚至幾百萬。操作數(shù)控機床的訓(xùn)練如果完全依賴實訓(xùn)數(shù)控機床，則因為投入太大、消耗過多導(dǎo)致成本過高，并且還有一定危險性。于是，針對數(shù)控加工操作的仿真軟件的研發(fā)成功解決了這一難題。教學(xué)中使用仿真軟件不僅能有效地銜接理論和實踐，打破了以往的數(shù)控僅限于書本知識的教學(xué)方式，更增加了學(xué)生自主參與的機會，大大提高了對數(shù)控機械操作的實踐熟練性。數(shù)控加工的仿真系統(tǒng)主要針對“數(shù)控編程和操作”的理論教學(xué)，是數(shù)控操作實戰(zhàn)技能訓(xùn)練中必不可少的輔助工具。目前，數(shù)控加工仿真系統(tǒng)相關(guān)軟件有很多形式，國外軟件中能夠適應(yīng)數(shù)控系統(tǒng)和機床并不多，所以不適合我國的國情，目前國內(nèi)較為常見的仿真軟件有北京斐克VNUC、天傲TNS－Ver2.0、南京宇航、浙大辰光、上海宇龍、斯沃、廣州超軟等等。下面，我就舉例介紹幾個軟件各自的特點。

（1）北京斐克科技有限公司研發(fā)的教學(xué)軟件。該軟件通過了勞動和社會保障部的評審認(rèn)定，是一款最具權(quán)威性的數(shù)控加工仿真軟件。同時也是全國性數(shù)控技能大賽中被唯一指定使用的軟件，也是國家高技能人才培訓(xùn)工程所推薦使用的軟件。此套軟件主要用于模擬華中和FANUC數(shù)控系統(tǒng)中針對車、銑以及加工中心的操控及編程。

（2）南京宇航研發(fā)的教學(xué)軟件。該軟件是國家“863”計劃課題的項目之一，1995年被中國南京宇航自動化技術(shù)研究所推入市場。內(nèi)容包括了SIEMENS、FANUC、廣州數(shù)控系統(tǒng)、三菱數(shù)控系統(tǒng)、北京凱恩帝、華中數(shù)控系統(tǒng)等車、銑以及加工中心的模擬操作教學(xué)軟件，也是一款數(shù)控系統(tǒng)元器件裝配的仿真軟件。

（3）上海宇龍軟件工程有限公司研究的教學(xué)軟件。該軟件主要應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實技術(shù)針對數(shù)控加工操作技能的培訓(xùn)和考核。不僅實現(xiàn)了對數(shù)控銑床、數(shù)控車床以及加工中心在加工零件的輸入、編輯與調(diào)試，還有針對刀具和操作面板課程的訓(xùn)練。此套軟件在具備多機床、多系統(tǒng)、多零件加工的仿真模擬功能的同時，還具備在真實設(shè)備上也無法進行的三維測量等功能，其良好的操作安全性，使學(xué)生不會因為錯誤的操作而造成傷害，也不會對機床造成破壞。軟件還可以通過網(wǎng)絡(luò)來搭建師生交流的平臺，給老師的教學(xué)和學(xué)生的學(xué)習(xí)都帶來便利。

上述的幾款軟件都能在一定程度上實現(xiàn)人機交互，隨著軟件版本不斷地更新，教學(xué)數(shù)控加工仿真的功能也將越來越強大，進而使操作界面給人的真實感也越來越強，并且?guī)缀醢怂谐Ｒ姷臄?shù)控系統(tǒng)，是數(shù)控機床操作和編程學(xué)員在掌握這門技術(shù)中不可多得的幫手。

4 數(shù)控加工動態(tài)仿真系統(tǒng)出現(xiàn)在應(yīng)用中的問題以及解決方法

通過計算機的仿真加工可以給我們帶來很多新用途，實現(xiàn)很多以前不能完成的工作，例如，預(yù)先估計加工結(jié)果，各種加工數(shù)據(jù)的統(tǒng)計并優(yōu)化加工過程。數(shù)控加工仿真系統(tǒng)應(yīng)用在教學(xué)中，不僅增加了學(xué)生動手的機會、提高了操作熟練的程度，還在一定程度上降低了辦學(xué)的成本。

但是，數(shù)控加工仿真系統(tǒng)也不能完全代替學(xué)生在實際切削加工過程中的感受，特別是在切削用量大小的選擇上，系統(tǒng)也無法進行控制，而只是針對切削深度的限制。學(xué)員在利用仿真系統(tǒng)進行編程和操作訓(xùn)練中，也容易忽視對數(shù)控刀具的選用、切削用量的選擇以及零件的裝夾方法等，但這些程序恰恰容易在實際應(yīng)用中出現(xiàn)打刀或者降低實際零件加工時的質(zhì)量、降低零件生產(chǎn)效率、增加額外消耗等問題。

另外，學(xué)生在仿真系統(tǒng)軟件中進行數(shù)控加工技能訓(xùn)練時，也容易產(chǎn)生對計算機的依賴心理，或因沉迷于仿真加工而疏于在數(shù)控機床上的操作。所以，教師既要合理分組，又要科學(xué)地安排應(yīng)用仿真系統(tǒng)軟件來進行技能訓(xùn)練的比例，做到仿真訓(xùn)練和操作訓(xùn)練在后階段的穿插進行，盡量通過加大實際數(shù)控機床的操作訓(xùn)練和綜合課題訓(xùn)練來彌補以上的不足。

5 結(jié)束語

數(shù)控加工動態(tài)仿真系統(tǒng)具備較高的讀入、修改以及執(zhí)行NC代碼，并加以檢驗正確性的能力。此套系統(tǒng)的研發(fā)方便了用戶對車床加工過程的監(jiān)控，對其實際的數(shù)控加工工作有指導(dǎo)意義。此套系統(tǒng)的應(yīng)用能滿足學(xué)員熟練掌握各類機床的要求，并為學(xué)校的教學(xué)管理節(jié)約了大量經(jīng)費，優(yōu)化了設(shè)備購置經(jīng)費的使用，且具備投資小、占用少的優(yōu)點。

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