（机械电子工程专业论文）数控加工仿真教学系统的研究与开发.pdf

中文摘要 摘要 由于数控机床在生产部门的使用越来越普遍，所以普及和推广数控技术是当 前的一个重要课题。但数控加工设备价格很高，直接用昂贵的数控加工中心进行 数控培训，很不经济。为了满足当前数控加工的培训与维护工作，研究开发 w i n d o w s 9 8 平台下的数控教学系统，具有重要的理论意义和实际价值。 本课题以市场占有率最高的s i e m e n s 和f a n u c 数控系统为模拟对象，按照 目前国内使用最多i s 0 1 0 5 6 指令格式，设计基于w i n d o w s 9 8 、能实际联机加工、 可视化的开放式三轴联动教学用数控铣床培训系统。能对编程的结果进行模拟和 实际加工，包括数控模拟系统和实际加工操作系统两大部分。围绕这个目标，本 文提出开放式的数控教学平台开发体系，从硬件结构和系统软件结构分别进行了实 现，并对系统关键技术和主要模块进行详细分析。 系统采用了高性能p c 机和运动控制卡相结合的模块化结构，以通用p c 机作 为硬件平台，结合m p c 0 2 运动控制卡良好的控制性能，配以两相混合式步进电机 h n 2 0 0 3 4 5 1 及其驱动器s h 2 0 8 0 6 n ，组成了数控教学铣床的经济型配置。论文中 给出了具体的硬件结构框图，并对教学三坐标数控铣床电控系统的设计进行了说 明。 系统软件基于w m d o w s 操作系统，采用v i s u a lc _ 卜 6 0 以及面向对象、模块化 的程序设计方法，编写了数控代码的编译、实时控制和人机交互界面程序。本文 给出了数控系统的用户层、编译层和控制层这三个模块的软件结构框图，并对各 模块内的功能小模块如：数控代码的编译、模拟加工、三维仿真、操作面板状态 监控、刀具补偿、自动单段加工、手动、回零等模块列出了详细的程序设计流程 图。 对于系统主要模块，如数控代码解释程序及刀具补偿程序给出了总体框图和实 现方法。设计时采用模块化、层次化方法，通过对各模块的替换和扩充，就能使 该系统适应不同用户的要求及应用于不同类型的数控机床。最后通过利用o p e n g l 技术和计算机动画技术，实现了数控加工的三维模拟仿真。 本系统功能完善，界面友好直观，操作维护方便。通过调试运行，达到了预 期的效果。 关键词：数控系统，数控培训，数控仿真，模块化 英文摘要 a b s t r a c t t h ec o m p u t e rn u m e r i c a lc o n 仕o l ( c n c ) m a c h i n et o o l i s w i d e l y u s e di n m a n u f a c t u r ea t p r e s e n t , s o i ti s i m p o r t a n tt op o p u l a r i z e a n d g e n e r a l i z e t h ec n c t e c h n i q u e h o w e v e rc n c m a c h i n et o o la r et o oe x p e n s i v et ob eu s e df o rc n ct r a i n i n g d i r e c t l y t h e r e f o r e ，i t i sv e r ys i g n i f i c a n tt od e v e l o pac h e a p ，c o n v e n i e n tc n ct r a i n i n g s y s t e m b a s e do nw i n d o w st os a t i s 毋t h er e q u i r e m e n t t h eo b j e c to ft h i sp r o j e c ti st od e v e l o pav i s u a la n do p e n a r c h i t e c t u r ec n ct r a i n i n g s y s t e mw h i c h s i m u l a t e ss i m e n sa n df u n a cc n cs y s t e mb a s e do nw i n d o w sa n dc a l l b eu s e di ns i m u l a t i n ga n dm a c h i n i n gp r a c t i c a l l y t h i sp a p e rp u tf o r w a r d t h ed e v e l o p m e n t s y s t e mo fo p e nc n ct e a c h i n gs y s t e m , d i s c u s s e sb o t ht h eh a r d w a r ed e s i g n a n ds o f t w a r e d e s i g no f t h i ss y s t e m t h eh a r d w a r ep l a t f o r mo ft h i ss y s t e mi sp ca n dm o t i o nc o n t r o lc a r dm p c 0 2 ，a s w e l la st h ep o w e re q u i p m e n t i nt h i sa r t i c l e ，t h e s t r u c t u r e d i a g a mo ft h es y s t e m h a r d w a r ei sg i v e n , i nw h i c hah i g hq u a l i t yp ca n dam o t i o nc o n t r o lc a r da r ea d o p t e d ， a n dt h ed e s i g no ft h r e e c o o r d i n a t em i l l i n gm a c h i n ec o n t r o ls y s t e mi sp r e s e n ta sw e l l t h es y s t e ms o f t w a r ed e v e l o p e dw i t hv i s u a lc + + 6 0a n dm o d u l a rp r o g r a m m i n g a p p r o a c h a sf o rc n c s y s t e ms o f t w a r e v i s u a lc + + i su s e dt o w r i t ep r o g r a m si nw h i c h f u n c t i o n so f e d i t i n gn c c o d e 。r e a l t i m e c o n t r 0 1a n dh u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c ei sf u l f i l l e d t h es o f t w a r es t r u c t u r ed i a g r a mo fu s e rl a y e rm o d u l a r , c o m p i l a t i o nl a y e rm o d u l a ra n d c o n t r o ll a y e rm o d u l a ra r eg i v e n m e a n w h i l e , t h ep r o g r a mf l o wd i a g r a m so f a l lk i n d so fs u b f u n c t i o nm o d u l a ra r e s h o w e d ，s u c ha st h ec o m p i l e do f n cc o d e ，s i m u l a t em a c h i n i n g ，3 d s i m u l a t i o n ，t h es t a t e m o n i t o ro f o p e r a t i n gp a n e l ，c u t t e rc o m p e n s a t i o n ，a u t o m a t i cm a c h i n i n g , m a n u a lm o v i n g , r e r u r f i n go r i g i na n d s oo n i nt h i sa r t i c l e ，t h es 仃u c t u r ed i a g r a mo ft h en cc o d ee x p l a i n e dp r o g r a ma n dc u r e r c o m p e n s a t i o np r o g r a m i sg i v e n t h em e t h o do f m o d u l ar a t i o na n d m u l t i l a y e ri su s e d t h r o u g ht h ee x c h a n g ea n de x p a n s i o no fe v e r ym o d u l a r , t h i ss y s t e mc a na d a p tt ot h e n e e do fd i f f e r e n tl l s e ra n d a p p l y t oo t h e rt y p et h r e e c o o r d i n a t ec n c m i l l i n g m a c h i n e i n t h ee n d ，t h r o u g ho p e n g la n dp cm o t i o n t e c h n i c , t h i ss y s t e mr e a l i z e st h e3 d i m i t a t i o n t h e e x i p l o i t a t i o na n ds t u d yo f t h i ss y s t e mh a v e g o tg r e a ts u c c e s s ，i tr l l ns t a b l y , i s c o n v e n i e n tt ob em a i n t a i n e da n di n t e r f a c ei s f r i e n d l y a n d i n t u i t i o n a l t h r o u g h l l i 重庆大学硕士学位论文 e x p e r i m e n t ，i ti ss a t i s f i e d k e y w o r d s ： c n c s y s t e m ，c n ct r a i n i n g , c n cs i m u l a t i o n ，m o d u l a d z a t i o n 1 绪论 1 绪论 i 1引言 从工程的角度来看，仿真就是通过对系统模型的实验去研究个己有的或设 计中的系统。分析复杂的动态对象，仿真是一种有效的方法，可以减少风险，缩 短设计和制造的周期，并节约投资。计算机仿真就是借助计算机，利用系统模型 对实际系统进行实验研究的过程。它随着计算机技术的发展而迅速地发展，在仿 真中占有越来越重要的地位。 建模活动是通过对实际系统的观测或检测，在忽略次要因素及不可检测变量 的基础上，用物理或数学的方法进行描述，从而获得实际系统的简化近似模型。 这里的模型同实际系统的功能与参数之间应具有相似性和对应性。 仿真模型是对系统的数学模型( 简化模型) 进行一定的算法处理，使其成为 合适的形式之后，成为能被计算机接受的呵计算模型”。仿真模型对实际系统来讲 是一个二次简化的模型。 仿真实验是指将系统的仿真模型在计算机上运行的过程。仿真是通过实验来 研究实际系统的一种技术，通过仿真技术可以弄清系统内在结构变量和环境条件 的影响。 计算机仿真技术的发展趋势主要表现在两个方面：应用领域的扩大和仿真计 算机的智能化。计算机仿真技术不仅在传统的工程技术领域( 航空、航天、化工 等方面) 继续发展，而且扩大到社会经济、生物等许多非工程领域，此外，并行 处理、人工智能、知识库和专家系统等技术的发展正影响着仿真计算机的发展。 数控加工仿真利用计算机来模拟实际的加工过程，是验证数控加工程序的可 靠性和预测切削过程的有力工具，以减少工件的试切，提高生产效率。 1 2 问题的提出及研究意义 1 2 1 数控培训的特点和问题的提出 数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业的使能技术和最基本的 装备。数控技术是制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础技术，它不仅 是提高产品质量，提高劳动生产率必不可少的物质手段，而且以它为基础的相关 产业是关系到国家战略地位和体现国家综合国力水平的重要基础性产业，其技术 水平高低已成为衡量一个国家工业现代化的重要标志，当今世界各国制造业广泛 采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争 能力。专家们预言：二十一世纪机械制造业的竞争，其实质是数控技术的竞争。 1 重庆大学硕士学位论文 总之，大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各国加速经济发展、 提高综合国力和国家地位的重要途径。 数控技术的研究开发，数控产品的推广应用，需要大批高素质的数控专门人 才，数控教学和培训因此处于十分重要的地位。近年来，国内处都十分重视数控 技术的教学和培训，着力开发新的培训技术和手段，但是数控培训有其独有的特 点，且数控技术的飞速发展，不断对数控培训提出新的要求，如何顺应数控培训 的特点，跟上数控技术发展的步伐，是数控培训环节中的重要课题。闭 数控教学和培训大致包括一般数控知识的教学和特定数控系统的培训两部分 内容，相应的培训除了必要的理论讲解，大部分工作都要在具有相应功能的实际 系统( 实际n c 机床或培训系统) 上完成，而数控产品价格昂贵，且工厂的数控机 床都有较为繁重的加工任务，再考虑到培训者的误操作还可能会危及机床设备甚 至于操作者自身的人身安全。因此，大规模的数控培训不适合在实际机床上进行。 随着数控技术的迅猛发展和市场变化的需求，目前市面上数控系统种类繁多， 更新换代十分频繁，且不同厂家的数控系统大都自成体系，这给数控培训，尤其 是特定系统的操作培训带来了难题。因此，数控培训具有投资大、周期长、培训 对象品种繁多、更新频繁、培训内容广泛等特点，这些对数控教学和培训提出了 特殊的要求，经济、高效、快捷、通用，成为数控培训环节所追求的目标，尤其 是在我国目前资金短缺，数控人才极度缺乏的情况下，更具有特殊的意义。 1 2 2 课题研究的学术和实用意义 由于数控机床在生产部门的使用越来越普遍，所以普及和推广数控技术是当 前的一个重要问题。数控技术的研究开发，数控产品的推广应用，需要大批高素 质的数控专门人才，如何培养既有一定理论知识，又具备实际操作技能的高索质 应用型数控人才一直以来都是人们普遍关注和重视的的问题。 作为数控机床加工的培训与维护工作，研究开发w i n d o w s 9 8 平台下的数控教 学系统，具有重要的理论意义和应用价值。系统在仿真环境下对n c 代码的切削状 态进行检验，能减少和避免用户在真实加工环境中所出现的各种错误，提高了加工 安全性与经济效益。同时仿真系统还能够逼真地模拟加工过程。用户看到实时的 二维、三维加工仿真过程，仔细检查模拟加工后的工件，即可以更迅速的掌握 c n c 机床的操作过程。再进行实际的加工切削，操作者的实际操作技能得到全面 训练，采用教学机床替代昂贵的数控机床进行培训，在降低费用的同时获得更佳的 效果，并且提高了安全性。 2 1 绪论 1 3 国内外研究现状及对策 1 3 1 数控培训的研究现状 数控技术及其相关课程实践性极强。国外许多工业发达国家数控化率已达到 5 0 8 0 以上，高等学校和职业学校都有完善的数控教学和实验体系，并有专业公 司生产提供各种教学培训装置，学校一般跟工厂直接接轨，可在工厂的生产现场， 利用生产型的数控机床对学生进行培训。而在我国，作为技术人才培养摇篮的高 等院校、中专技校，学生动手能力与实际经验较差。我国数控技术和数控机床在 企业中的应用远不及发达国家，要对学生进行数控技术的培训，只有学校自想办 法，开设一些数控教学实验来达到培训的目的。但由于受到经费等因素的限制， 大部分院校实验、实习的条件较差，学校购买的数量有限的昂贵的数控机床，无 论从数量上还是从成本、安全上考虑都不适合于学生的普及教学和实验，而只能 进行参观、观摩等，技能训练更无从谈起，致使学生的技术素质和动手能力相对 较差。因此，改变目前数控技术教育的现状，已迫在眉睫。 1 3 2 数控培训研究的对策 数控加工设备价格很高，直接用昂贵的数控机床进行数控培训，很不经济。 现行的数控培训系统功能单一，许多是基于d o s 操作系统，其用户界面可视化程 度差，而新开发的基于w i n d o w s 9 8 的数控培训系统又限于在电脑屏幕上进行加工 仿真，不能进行实际加工切削 3 】【4 l f 5 】。如：南京宇航制造自动化所的y h c n c 数控 车铣模拟仿真教学软件和江苏理工大学的产品，他们在微机上开发的数控仿真系 统，可进行数控编程和加工仿真，但由于没有跟实际机床相连，不能进行实际的 加工切削，只能给操作者以感性的认识，操作者的实际操作技能得不到训练 6 1 。又 如华中科技大学开发的华中i 型数控培训系统，能够进行数控实践教学和实际操 作培训j 。由于系统以d o s 作为操作平台，其用户界面可视化程度较差，不能与 目前市场上流行的w i n d o w s 应用程序界面相比拟，并且没有以市场占有率最高的 s i e m e n s 和f a n u c 数控系统为模拟对象，不能适应数控教学的实践训练。现今 可视化操作已成为时代的主流，在w i n d o w s 9 8 环境下开发实时控制系统不仅可以 利用其丰富的资源，实现标准统一的界面，而且可以应用p c 机的最新软、硬件的 开发成果，便于系统功能扩展和升级，又能联网。i s c 9 1 1 4 课题的研究目的与主要工作 1 4 1 本课题研究的目的 本教学系统是专为培训中高级数控专业人才而研制开发的开放式结构的三坐 标联动教学用数控铣床，以市场占有率最高的s i e m e n s 和f a n u c 数控系统为模 拟对象，使培训对象能最大限度地符合市场需要，较深层次掌握计算机数控技术 重庆大学硕士学位论文 的原理，数控编程技术及操作方法，对数控系统有一个全面深入了解。同时，也 可通过安装，调试数控系统的控制柜，熟悉数控系统系统的配置和连接、各部分 硬件的功能，并能快速进行诊断与排除故障，可完成数控系统的操作、编程、p l c 模拟、机床数据、伺服数据等各项实验以及数控系统的各项功能验证。 1 4 2 本课题研究的主要内容 设计一台基于w i n d o w s 平台的开放式结构的三轴联动教学用数控铣床控制系 统，能对编程的结果进行模拟和实际加工，包括数控模拟系统和实际加工操作系 统两大部分。主要研究内容如下： 以国内主流数控系统为模拟对象，对其数控机床的操作面板进行模拟，以 交互方式进行刀具的定义和设置以及加工条件的设定，并能实时显示机床运行的 状态。 参照国际标准i s o 代码编程，设计数控程序编译系统，具备n c 代码编辑， 纠错，编译功能。 开发加工仿真系统，具备加工仿真功能，图形显示工件的切削过程，在微 机上可视地实现对真实数控系统的模拟训练。 设计联机加工操作系统。能接受n c 代码进行零件的实际加工。 1 4 3 课题研究需解决的关键问题 模块化结构设计。可采用面向对象技术，充分利用c + + 语言的特性，使代 码和数据分离，做到程序可移植性好，可扩充性好，做到各模块相对独立，可单 独调整。比如：能兼容不同数控系统的g 代码，可扩充各种数控机床的操作面板， 预留各种数据交换接口等。 实时多任务并行处理。在多数情况下，c n c 要完成数控加工，必须同时进 行几个任务的处理，可利用w m d o w s 多任务并行处理的方法，实现加工过程的实 时性。 预处理编译技术。对g 代码、各坐标值以及进给速度等进行识别、分析处 理。以特定的数据结构存放到插补数据缓冲区，为调用插补函数提供数据。f l o j 【1 目 前，几乎各个数控系统厂家制订的数控代码标准与国际标准或多或少的不一致， 这样就给n c 代码的处理带来了很大困难。为此，在n c 代码的翻译时，就需要将 针对具体数控系统编写的n c 代码映射成本系统能识别的标准n c 功能代码。 模拟加工技术。模仿真实环境，由编译后的n c 代码驱动加工过程，动态显 示工件的切削过程，具有撞刀、干涉智能判断功能，对n c 代码的正确性和有效性 进行验证。 1 2 1 1 3 】 操作面板的模拟技术。把真实的操作面板仿真在系统界面上，并且具备真 实操作面板的外观特征，完成真实操作面板所具有的各项功能，其中包括面板按 4 1 绪论 键的模拟，工作方式选择开关的模拟等。可利用v i s u a lc + + 6 0 强大的可视化编辑 功能构建仿真操作面板的外形，基于消息驱动机制，使仿真操作面板上的按钮完 成对应的数控加工功能。1 1 4 j 刀具半径补偿及三维仿真技术。刀具半径补偿的计算比较复杂。按刀具与 工件轮廓的方位来看，刀具半径补偿有左刀补和右刀补两种。按数据流控制方式 来看，有b 功能和c 功能补偿两种。b 功能刀具补偿仅根据本段程序的轮廓尺寸 进行刀具半径补偿，不能解决程序段之间过渡问题，而c 功能刀具补偿能够根据 相邻轮廓段的信息自动处理两个程序段刀具中心转换，并自动在点处插入过渡圆 弧或过渡直线，从而避免刀具干涉现象的发生。系统利用o p e n g l 技术和计算机 动画技术，实现数控铣床的三维模拟仿真。 1 ，4 4 实现系统的技术流程 系统硬件采用高性能工控机和运动控制卡相结合的模块化结构。机床数控系 统采用开放式软件结构，系统软件基于w i n d o w s 操作系统，采用v i s u a lc + + 6 0 以及面向对象、模块化的程序设计方法。它利用当今计算机运算速度高的特点， 主要的控制功能由软件完成，通过运动控制卡和i 0 接口卡实现插补功能和逻辑控 制功能，其核心技术为软件技术。其基本结构为p c + 运动卡。 数控系统软件化分为用户层、编译层和控制层三大模块进行设计。 用户层模块主要编制用户界面，包括n c 源文件的编辑，数控操作面板的设 计，系统参数( 工作方式，回零等) 的设置，刀具的定义和设置，加工条件设定 等。 编译层模块主要执行n c 代码的翻译和刀具半径补偿，形成插补数据链表， 实现轮廓仿真，并能进行模拟加工，实现动态观察加工工件。由n c 代码驱动加工 过程，图形显示工件的切削过程，以验证n c 代码的正确性和有效性。 控制模块主要完成操作面板和机床参数的初始化，监控、报警、报警解除、 暂停、急停、多功能模块间( 自动、手动、回零点等) 的转换，进行实时处理， 并动态显示刀具的机床坐标和当前加工程段。实时显示机床运行的状态。 2 开放式数控仿真教学系统体系结构的研究 2 开放式数控仿真教学系统体系结构的研究 2 1 数控仿真技术的研究概述 2 1 1 数控仿真的研究现状及发展趋势 数控机床加工零件是靠数控指令程序控制完成的。为确保数控程序的正确性， 防止加工过程中干涉和碰撞的发生，在实际生产中，常采用试切的方法进行检验。 但这种方法费工费料，代价昂贵，使生产成本上升，增加了产品加工时间和生产 周期。后来又采用轨迹显示法，即以划针或笔代替刀具，以着色板或纸代替工件 来仿真刀具运动轨迹的二维图形( 也可以显示二维半的加工轨迹) ，有相当大的局 限性。对于工件的三维和多维加工，也有用易切削的材料代替工件( 如，石蜡、 木料、改性树脂和塑料等) 来检验加工的切削轨迹。但是，试切要占用数控机床 和加工现场。为此，人们一直在研究能逐步代替试切的计算机仿真方法，并在试 切环境的模型化、仿真计算和图形显示等方面取得了重要的进展，目前正向提高 模型的精确度、仿真计算实时化和改善图形显示的真实感等方向发展 ”】【1 6 】。 从试切环境的模型特点来看，目前n c 切削过程仿真分几何仿真和力学仿真两 个方面。几何仿真不考虑切削参数、切削力及其它物理因素的影响，只仿真刀具 工件几何体的运动，以验证n c 程序的正确性。它可以减少或消除因程序错误而导 致的机床损伤、夹具破坏或刀具折断、零件报废等问题；同时可以减少从产品设 计到制造的时间，降低生产成本。切削过程的力学仿真属于物理仿真范畴，它通 过仿真切削过程的动态力学特性来预测刀具破损、刀具振动、控制切削参数，从 而达到优化切削过程的目的。 几何仿真技术的发展是随着几何建模技术的发展而发展的，包括定性图形显 示和定量干涉验证两方面。目前常用的方法有直接实体造型法，基于图像空间的 方法和离散矢量求交法。 直接实体造型法 这种方法是指工件体与刀具运动所形成的包络体进行实体布尔差运算，工件 体的三维模型随着切削过程被不断更新。 s u n g u r t e k i n 和v e l e k e r 开发了一个铣床的模拟系统。该系统采用c s g 法来记 录毛坯的三维模型，利用一些基本图元如长方体、圆柱体、圆锥体等，和集合运 算，特别是并运算，将毛坯和一系列刀具扫描过的区域记录下来，然后应用集合 差运算从毛坯中顺序除去扫描过的区域。所谓被扫过的区域是指切削刀具沿某一 轨迹运动时所走过的区域。在扫描了每段n c 代码后显示变化了的毛坯形状。 k a w a s h i m a 等的接合树法将毛坯和切削区域用接合树( g r a t t r e e ) 表示，即除 重庆大学硕士学位论文 了空和满两种结点，边界结点也作为八叉树( o c t t r e e ) 的叶结点。边界结点包含 半空间，结点物体利用在这些半空问上的c s g 操作来表示。接合树细分的层次由 边界结点允许的半空间个数决定。逐步的切削仿真利用毛坯和切削区域的差运算 来实现。毛坯的显示采用了深度缓冲区算法，将毛坯划分为多边形实现毛坯的可 视化。 用基于实体造型的方法实现连续更新的毛坯的实时可视化，耗时太长，于是 一些基于观察的方法被提出来。 基于图像空间的方法 这种方法用图像空间的消隐算法来实现实体布尔运算。v a nh o o k 采用图象空 间离散法实现了加工过程的动态图形仿真。他使用类似图形消隐的zb u f f e r 思想， 沿视线方向将毛坯和刀具离散，在每个屏幕象素上毛坯和刀具表示为沿z 轴的一 个长方体，称为d e x e l 结构。刀具切削毛坯的过程简化为沿视线方向上的一维布尔 运算，切削过程就变成两者d e x e l 结构的比较： c a s e1 ：只有毛坯，显示毛坯，b r e a k ： c a s e2 ：毛坯完全在刀具之后，显示刀具，b r e a k ： c a s e 3 ：刀具切削毛坯前部，更新毛坯的d e x e l 结构，显示刀具，b r e a k ； c a s e 4 ：刀具切削毛坯内部，删除毛坯的d e x e l 结构，显示刀具，b r e a k ： c a s e 5 ：刀具切削毛坯内部，创建新的毛坯d e x e l 结构，显示毛坯，b r e a k ； c a s e 6 ：刀具切削毛坯后部，更新毛坯的d e x e l 结构，显示毛坯，b r e a k ： c a s e 7 ：刀具完全在毛坯之后，显示毛坯，b r e a k ； c a s e8 ：只有刀具，显示刀具，b r e a k 。 这种方法将实体布尔运算和图形显示过程合为一体，使仿真图形显示有很好 的实时性。 h s u 和y a n g 提出了一种有效的三轴铣削的实时仿真方法。他们使用z 作_map 为基本数据结构，记录一个二维网格的每个方块处的毛坯高度，即z 向值。这种 数据结构只适用于刀轴z 向的三轴铣削仿真。对每个铣削操作通过改变刀具运动 每一点的深度值，很容易更新z 值，并更新工件的图形显示。_map 离散矢量求交法 由于现有的实体造型技术未涉及公差和曲面的偏置表示，而像素空间布尔运 算并不精确，使仿真验证有很大的局限性。为此c h a p p e l 提出了一种基于曲面技术 的“点一矢量 ( p o i n t v e c t o r ) 法。这种方法将曲面按一定精度离散，用这些离散点来表 示该曲面。以每个离散点的法矢为该点的矢量方向，延长与工件的外表面相交。 通过仿真刀具的切削过程，计算各个离散点沿法矢到刀具的距离s 。 设s g 和s m 分别为曲面加工的内、外偏差，如果s g s s m 说明加工处在误差 g 2 开放式数控仿真教学系统体系结构的研究 范围内，s s m 则漏切。该方法分为被切削曲面的离散( d i s c r e t i z a t i o n ) 、 检测点的定位( 1 0 c a t i o n ) 和离散点矢量与工件实体的求交( i n t e r s e c t i o n ) - - 个过程。 采用图像映射的方法显示加工误差图形：零件表面的加工误差可以精确地描写出 来。 总体来说，基于实体造型的方法中几何模型的表达与实际加工过程相一致， 使得仿真的最终结果与设计产品问的精确比较成为可能；但实体造型的技术要求 高，计算量大，在目前的计算机实用环境下较难应用于实时检测和动态模拟。基 于图像空间的方法速度快得多，能够实现实时仿真，但由于原始数据都已转化为 像素值，不易进行精确的检测。离散矢量求交法基于零件的表面处理。能精确描 述零件面的加工误差，主要用于曲面加工的误差检测。 目前的几何仿真解决的是干涉验证及对加工过程直观的图形描述两个问题， 并没有仿真切削的动态力学特性以及实际的切削过程中的其它复杂的物理特性。 动态铣削过程仿真必须建立铣削过程的力学模型，在此模型的基础上仿真动态铣 削力。 1 7 】【1 8 鉴于几何仿真技术的发展和完善，提出了数控加工物理仿真，从而将数控加工 仿真技术的研究推进一步，并提出物理仿真具有的功能，即有视觉、听觉、触觉； 物理仿真的实现，即建立机床、刀具、夹具、材料、租糙度和精度、随机性事件 的模型库，以力学分析实现力学仿真。 1 9 】 2 1 2 本系统采用的数控仿真技术 用数控机床加工零件，实际加工前一般要进行数控程序( n c 代码) 校验，检 查刀具运动轨迹正确与否，判断加工参数选择是否合适等。数控程序( n c 代码) 校验常用的有3 种方法，( 1 ) 由编辑人员检查n c 代码、数据；( 2 ) 在机床上“咀 笔代刀”，模拟加工画出刀具轨迹；( 3 ) 采用计算机来模拟刀具和工件的相对运 动来进行检查。工件越复杂，n c 代码的错误率就越高，一个复杂的工件需要大量 的时间和费用在机床上试切来检验刀具路径，这不但浪费人力物力，而且延缓了 生产周期，增加了产品开发成本，降低了生产效率，而第3 种方法在计算机显示 屏上仿真加工，检验数控加工程序代码，具有方便、快速，且不需要额外费用的 优点，对缩短产品的试制周期、降低成本、提高数控加工效率，具有十分重要的 意义。 为此，开发了一种基于w i n d o w s 平台的开放式结构的三轴联动教学用数控铣 床控制系统，能对编程的结果进行模拟和实际加工。采用v i s u a lc + + 6 0 以及面向 对象、模块化的程序设计方法。基于o p e n g l 的数控仿真具有二、三维图形仿真 铣削加工功能。主要的控制功能由软件完成，通过运动控制卡和i o 接口卡实现插 补功能和逻辑控制功能系统。在此虚拟环境中刀具对工件进行虚拟切削，能检查 9 重庆大学硕士学位论文 数控程序的正确性、合理性，对加工方案的优劣作出评估和优化，达到缩短产品 周期，降低成本、提高质量的目的。 基于数控代码的模拟仿真不仅能检查刀具运动轨迹正确与否，还能判断加工 参数选择是否合适。由于直接驱动数控机床运动的是数控程序代码，故基于数控 程序代码的模拟仿真更接近实际。 2 2 数控教学系统体系结构研究 2 1 2 1 数控系统一般特点 c n c 机床一般由人机接口与通讯接口、c n c 单元、伺服单元、驱动装置( 或 称执行机构) 、可编程控制器及电器控制装置、辅助装置、机床本体、测量装置组 成，如图1 所示2 0 】： 操作面板 人机接口和 通讯接口 匕 计算机 数控 装置 电气回路1 - 辅助装置 主轴伺服单元k 叫主轴驱动装置 进给伺服单元h 卜1 进给驱动装置 测量裴置 机 床 太 体 例2 1c n c 机床的组成 f i 9 2 1t h e s t r u c t u r eo f c n cm a c h i n e 在图中，除机床本体之外的部分统称为计算机数控系统( c n c ) 。同一种数控 系统可配接不同的机床，数控培训的重点在于c n c 系统。不同的c n c 系统，所 能实现的基本功能是相同的，都是使数控代码经过控制器的处理后，对各种动作 的顺序、位移量以及速度实现自动控制。对于用户来说，不同数控系统的区别主 要在于操作界面和部分n c 指令和系统参数等有限内容，而系统的其它部分对用户 来说是不可见的。 数控机床的上述特点，提供了一条经济、快捷地解决培训系统通用性的思路， 即基于统一的n c 内核，针对不同的培训对象，仿真相应系统的操作界面，再解决 好n c 指令等其它个性系统差异部分的转换问题，从而构造出针对不同实例数控系 统的培训系统。 2 2 2 数控技术体系结构上的发展趋势 为适应数控进线、联网、普及型个性化、多品种、小批量、柔性化及数控迅 1 0 2 开放式数控仿真教学系统体系结构的研究 速发展的要求，最要的发展趋势是体系结构的开放性，设计生产开放式的数控系 统。例如，美国的n g c 和o m a c 计划；欧共体的o s a c a 计划；日本的o s e c 计划等。n g c 的体系结构是在虚拟机械的基础上建立起来的，通过虚拟机械把子 系统和模块链接到计算机平台上。 n g c 计划的目的在于对工业的应用，像机床，包括切削、非切削机床、机器人 和坐标测量机等，提供了功能性和服务性的定义，最终以s o s a s 开放式体系 结构标准规范和“设计人员指南”起，提供为开发符合n g c 规范的产品所需要的 信息，并引发出n g c 标准化的成果。代表n g c 技术的重要功能概念是策略( p l a n ) 。 n g c 计划于1 9 9 4 年完成了原型研究，转入工业开发应用。 美国f o r d 、g m 和c h r y l e r 等公司，在n g c 计划的指导下，联合提出 o m a c ( o r l e nm o d u l a ra r c h i t e e t u r ec o n t r o l l e r ) 全新的开发计划，在政府的支持下开 始实施。 o s a c a 参照开放式系统及其互连模型提出了一个“分层的系统平台+ 结构化 的功能单元”的体系结构，保证各种应用系统与操作平台的无关性及相互间的互操 作性。开放性是十分明确的，并明确规定了不同的开放层次：应用层开放、核心 层开放( 与o s a c a 部分兼容) 和全部开放( 与o s a c a 全部兼容) 。 o s a c a 的软件结构中有3 个主要组成部分：通信系统( c u m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 、 参考体系结构模型( r e f e r e n c ea r c h i t e c t u r em o d u l a r ) 和配置系统( c o n f i g u r a t i o n s y s t e m ) 。是基于信息通信平台建立的。 日本的o s e c ( o p e ns y s t e me n v i r o n m e n t f o rc o n t r o l l e r ) 计划，其目的是开发基于 p c 机平台的、具有高性能价格比的开放式体系结构的新代数控系统，以适应迅 速变化的市场需求。在硬件方面，o s e c 计划采用p c + 控制卡( 将n c 专用卡插到 p c 机中) 的结构，有利于层次化、模块化、灵活配置的实现。在系统方面，o s e c 认为在m b c p ( m e s s a g e b a s e d c o m m u n i c a t i o n p l a t f o r m ) 和f l ( f u n c t i o n a l l a y e r s ) 两种 开放式平台中，前者定义虽理想，但后者已在过去的工作中经过了长期的完善， 所以，o s e c 选择了以f l 为基础的开放式平台。 2 2 3 教学系统开放式平台体系 本培训系统为一开放式的平台体系，整体结构包括系统平台和用户平台两部 分，系统平台为用户平台的基础，是整个系统的核心。系统开放式平台体系见图2 。 【2 1 1 数控教学系统平台。教学系统平台是整个培训教学系统的核心，通用p c + 运动控制卡的硬件支撑环境、w i n 9 8 n t 操作系统以及v i s u a lc + + 6 0 系统开发工 具、基于o p e n g l 的图形仿真，共同构成了培训系统的软硬件平台。 重庆大学硕士学位论文 。系统一 人机操作界面 操作指令n c 指令系统参数 n c 操作面板 数据库数据库数据库 舸开发环境j 统生成接口斗 缓 等u u 翻译器l j 翻译器 u 变换器l ijjl |l i fi 硬 躐 图图冈图图 件 设 备 驱 动 v c + o p e n g l 平台+ 网络 w m 9 8 n t + 实时多任务操作 p c + 运动控制卡硬件系统 图2 2 培训系统开放式平台体系 f i g 2 2d e v e l o p m e n ts y s t e mo f o p e nc n ct e a c h m gs y s t c m 1 ) 实时多任务操作系统。1 2 2 1 2 3 1 实时性和多任务性是数控系统软件的本质特征，因此，实时多任务操作系统是数 控系统的核心和基础。作为培训系统各功能模块调度实现的基础，本系统实时多 任务操作系统是基于w i n 9 8 n t 操作系统的多任务并行机制和其定时函数的功能 构建而成。系统具有一定的实时性，可满足培训的要求，这也使培训系统的硬件 扩展成为可能。为系统联机培训提供了一条途径。 2 ) n c 仿真内核。 n c 仿真内核是培训系统开发平台的基础，其主要内容为不同数控系统c n c 中 的共性部分实现基本的数控功能。除了实时多任务操作系统，该部分主要包括基 于操作系统之上的轨迹控制、顺序控制、p l c 、参数管理等数控功能性模块。 培训系统的硬件扩展，主要包括机床位置控制、i o 控制以及p l c 控制等与实际 1 2 2 开放式数控仿真教学系统体系结构的研究 机床有关的接口功能模块。 教学系统用户平台 除去共性部分，实例对象n c 系统包括相应的人机操作界面和机床操作面板，机 床操作指令，n c 代码指令和系统参数。培训系统用户平台包括实例系统生成接口、 图形界面开发环境以及实例n c 系统，可针对实例培训对象开发相应的培训系统， 也是整个培训系统开放性的主要体现。 1 ) 实例系统生成接口 该部分为系统提供的用户接口，界面i o 缓存提供菜单操作界面和仿真操作面板 所有输入腧出的人机交互信息：操作指令翻译器、n c 指令翻译器和参数变换器分 别将实例n c 系统的相应指令和参数转换为平台标准指令和参数，在多变的实例对 象系统和固定的培训i 系统内核间搭起一座桥梁，从而将实例n c 系统与系统应用平 台( n c 仿真内核) 隔离开来。 2 ) 图形界面开发环境 系统开发工具v c + + 本身就是一个理想的图形界面开发平台，在该平台上，针对 数控系统界面仿真的特点，系统通过专门的图形用户接口( g u i ) ，与o p e n g l 自 身的图形函数共同构成了培训系统的图形界面开发环境，方便开发者快速仿真对 象系统的人机界面。 3 ) 实例n c 系统 培训系统的n c 仿真内核实现了n c 系统的一般功能，除去这些共性部分，实例 对象系统还包括一些个性部分，有人机操作界面，包括对象系统菜单操作界面和 机床操作面板，还有操作指令数据库、n c 指令数据库和系统参数数据库。培训系 统开发的主要内容就是基于系统图形界面开发环境，仿真对象系统操作界面；基 于实例系统生成接口，建立对象系统指令和参数的变换过程，从而在统一的n c 内核基础上，实现不同对象的仿真培训系统。 2 3 开发平台在数控教学系统的应用 基于本培训系统开发平台，可实现主流数控系统的仿真。其主要工作为遵循 实例系统生成接口的规范，建立对象系统指令和参数的变换过程；基于图形界面 开发环境，仿真对象系统操作界面，包括系统菜单操作界面和仿真机床操作面板。 菜单操作界面和机床操作面板可相互切换，以实现系统的仿真操作。仿真系统可 完成n c 代码的编辑、运行校验、参数的管理等一般系统功能，并可对代码加工轨 迹作实时动画仿真。 重庆大学硕士学位论文 2 4 本章小结 本数控机床培训系统为一开放式的平台开发体系，系统平台为一n c 仿真内 核，实现了一般数控系统的基本功能，基于系统提供的接口规范和图形界面开发 环境，可快速仿真出针对不同数控系统的培训系统，真正体现了培训的开放性和 通用性。另外，加工过程的动画仿真，模拟操作，也尽可能的降低了培训成本， 体现系统的经济性和实用性。 1 4 3 数控系统硬件结构设计 3 数控系统硬件结构设计 3 1 硬件平台和系统总线的选择 随着微电子技术和硬件设计技术的发展，特别是市场的激烈竞争，通用p c 机 的硬件技术( 特别是其中的微处理器) 遥遥领先，为软件的开发和运行创造了较好的 支撑环境。在过去的十几年中，i b mp c 机体系结构的普及，已成为越来越多的微型 机的标准，又由于m mp c 机的成本低，技术人员对