（机械制造及其自动化专业论文）数控仿真测试系统的研究与设计.pdf

北京交通大学硕士学位论文中文摘要 中文摘要 摘要：随着数控加工技术的发展，数控系统被广泛应用于现代工业生产的各个 领域。在应用于实际生产之前，数控系统需在接口配套的数控设备上进行反复测 试。但数控设备的成本较高，同时数控系统在实际运转过程中存在一些不稳定因 素，给运行调试工作带来不便。针对上述问题，本文提出采用数控仿真测试系统 模拟数控设备部分功能的方法对数控系统进行测试，并完成了基于p c 的仿真测试 平台搭建及软件编写工作。 在分析数控仿真测试系统目标功能和设计原则的基础上，本文介绍了系统的 总体结构并构建了仿真测试软件的体系结构与硬件开发平台；通过对数控系统输 入输出信号的分析，建立了数控机床的软件模型，并利用第三方软件实现了对机 床软件模型各几何部件的绘制：在分析了机床的运动特点后，建立了机床的运动 模型，利用o p e n g l 图形显示技术，在v c + + 6 0 环境下实现了对机床实时运动过 程的仿真，同时利用空间分割法建立了工件的几何模型，进而实现了切削过程的 仿真和刀具碰撞实时检测等功能；此外，测试系统软件通过对机床加工轨迹的动 态模拟、坐标反馈以及机床运动速度、加速度数据分析等功能加强了仿真测试系 统的测试功能。 仿真测试系统与北交大0 5 m 数控系统的联合调试表明，系统软件具有良好的 实时性、交互性以及图形显示功能，其分析功能可以方便地检测数控系统插补输 出数据的运动性能，本文所搭建的仿真测试系统基本达到了预期的功能和控制要 求，为数控系统的开发调试提供了一个有效实用的平台。 关键词：数控系统；仿真测试；o p e n g l ：软件平台 分类号：t h l 6 4 北京交通大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t a b s t r a c t ：w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn cm a c h i n i n gt e c h n o l o g y , n cs y s t e mh a s b e e nw i d e l ya p p l i e di nt h em o d e mi n d u s t r i a lp r o d u c t i o nf i e l d b e f o r ea p p l y i n gi nt h e p r a c t i c a lp r o d u c t i o n ，n cs y s t e mm u s tb et e s t e dt i m ea n da g a i no nt h en cd e v i c e sw h i c h h a v ec o m p a t i b l ei n t e r f a c e s h o w e v e r , n cd e v i c e sh a v eh i g hp r i c ea n dt h e r e r es o m e v o l a t i l ef a c t o r sw h e nn cs y s t e mi s w o r k i n gu n d e rt h ep r a c t i c a lo p e r a t i o n , w h i c h h a m p e rt h et e s t i n ga n do p e r a t i o np r o c e s s b a s e do nt h ep r o b l e m sm e n t i o n e da b o v e ，t h e t h e s i sp u t sf o r w a r dam e t h o dt h a ta d o p t i n gn c t e s t i n gs y m e mt or e p l a c es o m ef u n c t i o n s o f t h en cd e v i c e si nt h et e s tp r o c e s so f n cs y s t e m t h ea u t h o ri n d e p e n d e n t l yc o m p l e t e s t h es o f t w a r ep l a t f o r md e s i g no np c b a s e do nt h ea n a l y s i so fo b j e c t i v ef u n c t i o n sa n dd e s i g np r i n c i p l e s ，t h i st h e s i s i n t r o d u c e st h eo v e r a l ls t r u c t u r ea n dc o n c e i v e ss o f e w a r es y s t e ms t r u c t u r ea n dh a r d w a r e p l a t f o r mo fn ct e s t i n gs y s t e m b ya n a l y z i n gt h ei n p u ta n do u t p u ts i g n a l so fn c s y s t e m ，t h ea u t h o rb u i l d st h es o f t w a r em o d e lo fn cm a c h i n es i m u l a t i o nt e s t i n go b j e c t a n dd r a w sg e o m e t r i cc o m p o n e n t so fm a c h i n es o f t w a r em o d e l 、i t l l t m r d p a r t y s o t h v a r e a f t e ra n a l y z i n gt h em a c h i n ek i n e m a t i cc h a r a c t e r i s t i c s ，t h ea u t h o re s t a b l i s ht h e m a c h i n em o t i o nm o d e la n di m p l e m e n tt h em a c h i n er e a l - t i m ep r o c e s ss i m u l a t i o n 、而t l l t h et e c h n o l o g yo fo p e n g l ，m e a n w h i l ee s t a b l i s hw o r k p i e c eg e o m e t r ym o d e lb ys p a c e s e g m e n t a t i o nt os i m u l a t et h ep r o c e s so fc u t t i n ga n dd e t e c t ec o l l i s i o no ft 0 0 1 b e s i d e s , t h e n c t e s t i n gs y s t e m s o f t w a r e d y n a m i c s i m u l a t e m a c h i n i n gp a t h ，f e e d b a c k c o o r d i n a t e s ，a n a l y z es p e e da n da c c e l e r a t i o nd a t a t h e s ef u n c t i o n ss t r e n g t h e nt h et e s t f u n c t i o no f n ct e s t i n gs y s t e m t h er u n n i n gr e s u l t so ft h es i m u l a t i o nt e s t i n gs y s t e ma n d0 5 mc n ch a v es h o w e d t h a tt h es y s t e mh a sg o o dr e a l - t i m ee f f e c t i v i t y , i n t e r a c t i o na n dv i s u a l i z a t i o n t h ea n a l y s i s f u n c t i o nc a nt e s ti n t e r p o l a t i o no u t p u td a t ac o n v e n i e n c e l y t h i st h e s i sv a l i d a t e st h a tt h e d e s i g n e ds y s t e mh a sr e a c h e di t se x p e c t e df u n c t i o n sa n dc o n t r o lr e q u i r e m e n t s ，i tp r o v i d e s a l le f f e c t i v ea n da p p l i e ds o f t w a r ep l a t f o 咖f o rt h et e s to f n cs y s t e m k e y w o r d s ：n cs y s t e m ；s i m u l a t i o nt e s t ；o p e n g l ；s o f t w a r ep l a t f o r m c l a s s n 0 ：t h l 6 4 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：钐峭 签字日期： 力3 年毒月 多日 导师签名：i 。，老余 签字日期：2 矿o7 年4 月2 孕日 北京交通大学硕士学位论文 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：钞靖 签字日期：) 卯善年毒月歹，e t 致谢 本论文的工作是在我的导师王小椿教授的悉心指导下完成的，王教授严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来王老 师对我的关心和指导。 课题的研究工作还得到姜虹老师的大力支持。姜老师在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向姜老师表示衷心的谢意。 叶伟师兄对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心 的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，聂昆、杨海龙、连陈琳师兄以及其他同学对 我论文中的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢父母家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 最后，谨向百忙之中抽出宝贵时间评审论文的各位专家、学者致以诚挚的谢 意。 1 1 数控技术与数控机床 1 1 1 数控技术简介 1 绪论 数控技术( 简称数控，n u m e r i c a lc o n t r o l n c ) 是利用数字化信号对机床或加 工过程进行控制的一种方法【l 】。数控机床就是采用了数控技术的机床。国际信息处 理联盟( i n t e r n a t i o n a lf e d e r a t i o no fi n f o r m a t i o np r o c e s s i n g - 一i f i p ) 第五技术委员会 对数控机床作了如下定义：“数控机床是一个装有程序控制系统的机床，该系统能 够逻辑地处理具有使用代码或者其他符号编码指令规定的程序。”其中提及的程序 控制系统就是数控系统，它可以自动阅读输入载体上预先给定的数字量。并将其 进行译码、运算，从而驱动机床动作以加工出符合要求的零件1 2 , 3 1 。 随着机械制造技术、微电子技术、计算机技术、自动控制和精密测量技术的 迅速发展和不断应用，数控机床正发挥着越来越重要的作用。机床数控化率和数 控机床水平的高低已成为衡量一个国家工业化程度和技术水平的重要标志。 1 、1 2 数控技术的发展 随着数控技术应用范围的日益扩大，不同的领域对数控技术提出了新的要求。 计算机技术、信息技术与传统控制技术相结合为数控技术的发展和进步提供了新 的条件。在性能、功能上，数控技术正朝着高速高精、高可靠性、复合化、智能 化、网络化及开放化方向发展【4 】。 1 数控系统的p c 化 发展基于p c 平台c n c 的推动力量主要来自p c 中丰富的软硬件资源。利用 当前p c 的高速数据处理能力，可将原由硬件完成的n c 功能由软件来实现，而且 借助于p c 技术可方便地实现图形界面、网络通信，并具有良好的开放性，十分有 利于二次开发和功能扩展。使用p c 为基础的c n c 具有成本低、标准化、可靠性 高、软件资源丰富和便于联网等优点【5 】。 2 智能化 计算机软硬件技术的发展和人工智能技术的发展，使机床控制器具备了应用 人工智能技术的条件。这种智能化主要体现在以下几个方面1 6 1 ： ( 1 ) 自动编程技术 自动编程可以提高编程的效率和质量，也降低了对操作人员技术水平的要求。 现代数控系统通常附带人机会话自动编程软件，用以提高编程效率。 ( 2 ) 加工过程智能化监控 具有智能监控功能的数控系统可以随着加工过程中切削条件的变化，自动地 调整进给量，确保整个加工过程处于最佳状态。 ( 3 ) 故障诊断智能化 高档数控系统大多内置实时诊断系统。当系统出现故障时，控制系统能够进 行自动诊断并指导故障排除。 ( 4 ) 操作方式图形化 人们可以通过窗口和菜单进行操作，以便实现快速编程、三维动态图形显示、 图形模拟、图形动态跟踪和仿真等功能。 3 开放式数控系统 原有c n c 系统的硬件模块和软件结构大多是专门设计的，它们具有不同的编 程语言、非标准的人机接口和硬件接口、多种实时操作系统等，这就造成了数控 系统使用和维护的不便，阻碍了数控技术的进一步发展。而开放式数控系统允许 用户根据需要进行选配和集成，更改或扩展系统的功能，从而迅速适应不同用户 的需求，并且组成新系统的各功能模块，可来源于不同的供应商，且相互兼容【7 1 。 4 高速高精度 现代机床数控系统多采用3 2 位c p u 和多c p u 并行技术，使运算速度得到了 很大提高。另一个重要的因素则是提高伺服响应速度。现代数控机床采用了数字 总线、速度前馈和加速度前馈，可以提高机床高速跟踪精度。 5 提高数控系统的可靠性 现代数控系统多采用模块化、通用化和标准化设计，便于组织批量生产，保 证了产品质量。大量采用大规模、超大规模集成电路，提高了线路集成度，降低 了功耗，提高了可靠性。此外还增强了自诊断和保护功能，如刀具破损检测、断 电保护等以避免损坏机床或报废工件。 1 1 3 数控机床 数控机床是一种高度自动化的机床，在加工工艺与加工表面形成方法上，与 普通机床是基本相同的，最根本的不同在于实现自动化控制的原理与方法上。数 控机床是用数字化的信息来实现自动控制的，将与加工零件有关的信息一工件与 刀具相对运动轨迹的尺寸参数( 进给执行部件的进给尺寸) ，切削加工的工艺参数 2 j e 宝交道太堂亟堂位论塞 鳖论 ( 主运动和进给运动的速度、切削深度等) ，以及各种辅助操作( 主运动变速、刀 具更换、冷却润滑液启停、工件夹紧松开等) 等，编制成加工程序通过控制介质 输入到数控装置中，由数控装置经过分析处理后，发出各种与加工程序相应的信 号和指令控制机床进行自动加工。一般由输入输出设备、数控装置( 或称c n c 单 元) 、主轴与进给伺服单元、驱动装置( 或称执行机构) 、可编程控制器p l c 及其 接口电路、机床本体及其位置检测装置组成。图1 1 是数控机床的组成框图，下面 分别简要介绍各组成部分i s 。 图1 - 1 数控机床的结构框图 f i g 1 1t h ec o m p o s i t i o no f c n cm a c h i n et o o l s 1 输入输出设备 键盘是数控机床的典型输入设备，操作人员可以通过键盘输入、编辑和修改 零件加工程序或输入控制指令。常见的输入设备还有串行通信接口和磁盘机等。 随着计算机技术的发展，一些计算机通用技术逐渐融入数控系统，计算机的所有 输入手段都将出现在数控系统中。 目前最常用的输出设备是l c d 显示器，操作人员通过它获取必要的信息，一 般显示的信息比较丰富，包括正在编辑或运行的程序、刀具位置、各种故障信息、 操作提示等。高档数控系统还可以显示图形，看起来更加直观。 2 机床本体 机床本体的部件包括：主运动部件，进给运动执行部件如工作台、拖板及其 传动部件和床身立柱等支撑部件。对于加工中心类的数控机床，还有存放刀具的 刀库、交换刀具的机械手等部件。数控机床与普通机床比较，其传动结构要求更 为简单，在精度、刚度、抗震性等方面要求更高，而且其传动和变速系统要便于 实现自动化控制。 3 c n c 装置 c n c 装置是数控系统的核心，由硬件和软件两大部分组成。现代数控系统普 3 遍采用通用或专用的计算机作为数控装置的主要硬件，包括微处理器c p u 、存储 器、局部总线、外围逻辑电路以及与数控系统的其它组成部分连接的接口等。数 控机床的c n c 系统完全由软件来处理数字信息，因而具有真正的柔性化，可以处 理逻辑电路难以处理的复杂信息，使数字控制系统的性能大大提高。 4 伺服单元和驱动装置 伺服单元是c n c 装置和机床本体的联系环节，它把来自c n c 装置的微弱指 令信号放大成控制驱动装置的大功率信号。驱动装置把放大的指令信号变为机械 运动，通过简单的机械连接部件驱动机床，使工作台精确定位或按规定的轨迹作 严格的相对运动，最后加工出图纸所要求的零件。 伺服单元和驱动装置合称为伺服驱动系统，它是机床工作的动力装置，c n c 装置的指令要靠伺服驱动系统付诸实践。所以，伺服驱动系统是数控机床的重要 组成部分。 5 可编程逻辑控制器( p l c ) p l c 和c h i c 装置协调配合共同完成对数控机床的控制。c n c 装置主要完成 与数字运算和管理等有关的功能。p l c 主要完成与逻辑运算有关的动作，将零件 加工程序中的m 代码、s 代码、t 代码等顺序动作信息，译码转换成对应的控制 信号，控制辅助装置完成机床的相应开关动作；它接受来自机床操作面板和c n c 装置的指令，一方面通过接口电路直接控制机床动作，另一方面通过伺服单元控 制主轴电动机的转动。 6 位置检测装置 位置检测装置通常安装在机床的工作台或丝杠上，它把机床工作台的实际位 移或丝杠的实际转角变成电信号反馈给c n c 装置，供c n c 装置与指令值比较产 生误差信号，以控制机床向消除该误差的方向移动。闭环数控系统的控制精度取 决于检测装置的精度。因此，位置检测装置是高性能数控机床的重要组成部分。 1 2 计算机数控( c n c ) 系统简介 数控系统是数控机床的控制中心，机床的每个执行部件在数控系统的统一指 挥下有条不紊地工作。如今数字控制系统已经发展为计算机数控系统。计算机数 控( c n c ) 与传统的硬件数控( n c ) 相比有很多优点，最根本的一点是c n c 的 许多功能是由软件实现的，因而具有更大的柔性，即它很容易通过软件的改变来 实现数控功能的更改或扩展。 c n c 系统由硬件和软件两大部分组成。其中硬件由计算机基本系统( 包括计 算机系统、显示设备、输入输出设备等) 、设备支持层( 包括人机控制、运动控制、 4 i o 等) 和设备层( 如机床或机器人等) 三部分组成，它们是软件活动的物理基础。 而软件是整个系统的大脑，c n c 系统的活动均依靠软件来指挥控 l j l 9 。总之，软 件在硬件的支持下工作，离开软件，硬件也无法工作，二者缺一不可。 基于p c 的开放式数控系统是当今数控系统发展的主流，就数控系统的结构形 式而言，目前开放式数控系统大致可分为三种类型1 0 】： ( 1 ) p c 嵌入n c 型 这种控制系统采用了总线式、模块化的体系结构，在传统的专机数控中简单 地嵌入p c 技术，使得整个系统可以共享一些计算机的软硬件资源。其中p c 只作 为前端的人机界面，可进行前、后台编程，并利用p c 的存储和通讯功能，主要完 成一些非实时性的工作。而实时控制仍由专用结构的n c 系统来实现，这种数控系 统只开放了非实时控制部分，实时控制部分仍处于瓶颈结构。日本的f a n u c 的 1 5 0 1 6 0 1 8 0 2 1 0 是典型的专用p c 嵌入n c 型系统。 ( 2 ) n c 嵌入p c 型 这种数控系统采用p c 为硬件平台，插入实现n c 功能的各种模块板卡，如运 动控制卡、多轴控制卡等，构成具有高度灵活性的控制系统。控制卡以美国d e l t a t a u 公司生产的p m a cn c 最为出色，它本身带有c p u ，同时开放包括通信端口、 结构在内的大部分地址空间。图1 - 2 表示了这种类型的数控系统的典型结构。 图1 - 2n c 嵌入p c 型数控系统结构 f i g 1 - 2s y s t e ma r c h i t e c t u r eo f n ce m b e d d e di np c ( 3 ) 纯p c 型 即完全采用p c 的全软件形式的数控系统，软件n c 可以替代原有的专用n c 软件，甚至不用运动控制卡，使计算机真正成为控制系统的核心。由于存在着操 作系统的实时性、标准统一性及系统稳定性等问题，这种系统目前正处于探求阶 段，还没有大规模投入到实际的应用中。 此外，国外还有介于第二和第三种形式之间的开放式的数控系统体系结构， 如英国哥伦比亚大学制造工程实验室开发的t h e s e u sb a s e dm o d u l a rc n cs y s t e m a r c h i t e c t u r e i 引。这是一种三层次的体系结构，开发化程度较高。 n c 嵌入p c 型的开放式数控系统，是以软件技术作为主体，主要硬件设备采 用市场上流行的工业嵌入式p c 机和多轴运动控制器。这种系统的特点是灵活性 好，功能稳定、可共享计算机的所有资源，目前已达到远程控制等先进水平。并 且便于用户的操作、维护和更新换代。本文中的数控测试系统就是基于这种结构 的数控系统开发的。 1 3 课题背景及数控系统测试技术的发展 随着数控加工技术的发展，数控系统已被广泛应用于现代工业生产的各个领 域。对于新开发的数控系统，往往需要在机床上进行反复测试才能投入使用。然 而，新开发的数控系统与实际机床连接运转过程中常常存在一些不安全的因素， 给调试、测试工作带来了不便，特殊情况下还可能导致数控系统或机床的损坏； 另外，编制出的数控加工程序有时也潜在着操作人员难以直观判定的错误，编程 和控制稍有失误，即会造成设备和质量事故，即使采用空车运转和软材料试切， 仍不能完全避免上述问题。 因此随着计算机技术的不断发展，计算机测试技术在先进制造业领域尤其在 大规模复杂系统的开发过程中发挥了巨大的作用，通过它可以减少设备损失、节 约经费、缩短开发周期、提高产品质量。随着加工精度、质量要求的不断提高， 测试技术的重要性将更加突出。测试系统是包含对被测对象的特征量进行检出、 变换、传输、分析、处理、判断和显示等不同功能环节所构成的一个总体。图1 3 【l l 】 所示为测试系统的典型框图。 被测对象的 特征输入量 检出变换分析处理显示记录 测量结果 输出量 图l - 3 典型测试系统的组成 f i g 1 - 3t h ec o m p o s i t i o no f t y p i c a lt e s t i n gs y s t e m 数控系统测试技术是随着数控系统不断上升的生产趋势发展起来的，为适应 加工精度和质量水平不断提高的要求，数控设备及系统的质量控制与综合测试显 得尤为重要。 针对国内外各种数控系统生产厂家尽管有自己的测试装置用于检测c n c 系统 各项性能指标，但缺乏统一的检测手段来评估各种数控系统的现状，四川工业学 院研制开发出了用于对西班牙的舢r - 8 0 2 5 和上海开通数控公司的m t c - 2 m c n c 进行测试的系统。该系统采用了先进的计算机接口技术、图形显示、数据处 理及数据分析，可方便地测定数控系统工作是否可靠、正常、功能是否齐全等， 其软件包采用有强大功能和快速数据处理、快速绘图的高级语言系统开发，完成 采样、数据处理、图形显示、数据打印等多种功能，而且要求图形显示与多路的 6 采样同步运行，速度要求要高，不仅可以全面检测数控系统的开关量信号，还可 用静态及动态图形显示编程轨迹【l2 1 。在实现软件的改造升级后，对华中数控系统 和航天数控系统的各项主要功能进行了测试，取得了与数控厂家标注基本一致的 测试结果。并于最后开发出产品c n c m 2 0 0 0 d 型数控系统运行状态综合测试仪， 可测试国产、进口数控系统的直线、圆等轨迹的误差，也可测试编程主轴电动机 转速、进给电动机进给量的静动态误差和精度，还可测试i o 口输入、输出开关量 的状态等【1 3 】。 国内著名的数控系统生产厂家广州数控设备有限公司于上世纪9 0 年代将 g s k 9 8 0 t a 型数控系统投入市场，该系统带有内置的p l c 功能，因此它能对所有 的i o 信号进行检测并在诊断界面进行显示。但每个信号必须由外界输入，系统在 诊断界面相应的位置显示该输入信号的状态。输入输出信号必须由测试人员来输 入和观察，效率很低。针对g s k 9 8 0 a 系统带有用户宏程序功能的特点，黄豪【1 4 1 提出一种采用宏程序测试该数控系统的输入输出的方法。由于各输入输出口有独 立的宏变量值，通过宏程序对输入输出口的变量赋值或检测变量的状态，从而实 现系统自动检测功能。在测试时，测试人员只需用测试连线将输入输出口连接， 进入并执行测试宏程序即可自动完成系统i o 口的检测。 1 4 课题研究内容 针对数控系统调试、测试中存在的安全隐患，本文针对北京交通大学b j s k 0 5 m 数控系统，构建了数控仿真测试平台用以完成对数控系统的调试和测试，并采用 三维实体造型技术实现了调试及测试过程中机床运行以及切削加工的仿真显示， 使调试测试过程具有更强的直观性。本文的工作内容主要包括以下几个方面： 1 ) 进行了仿真测试系统的总体结构设计。 在分析仿真测试系统目标功能和设计原则的基础上，根据系统的特点并依据 现有开发条件设计了仿真测试系统软硬件体系结构，按照系统的功能进行了模块 划分，初步确定了各模块预期完成的功能，为具体实现做好准备。 2 ) 编写了系统测试软件 采用面向对象的编程方法构造了与数控系统相关的机床部件的测试模型。在 分析数控系统输入输出信号的基础上，设计实现了仿真测试系统与数控系统的通 讯过程及数控系统输入输出信号的处理过程，并可根据数控系统的运动指令绘制 机床运动轨迹、速度及加速度图形，以实现对数控系统功能、性能的测试评估。 3 ) 建立了机床几何模型 在分析了机床结构的基础上，通过面向对象的方法来构造虚拟机床的几何模 7 型，采用3 d sm a x 软件完成机床模型的建立，并对模型数据进行格式转换。 4 ) 实现了机床运动、工件加工的实时仿真 分析了机床的运动形式、坐标系的确定，建立了机床运动模型。根据机床运 动部件测试模型的实时数据，利用o p e n g l 三维动画技术，在软件上实现了机床 三轴联动及切削加工的实时仿真，同时，软件还具有对加工中是否存在碰撞进行 实时检测的功能。 5 ) 进行了仿真测试系统的应用实验 针对b j s k 0 5 m 系统，搭建了仿真测试系统的应用平台，通过对数控系统运行 实际加工程序时输出信号的采集、分析和处理，对仿真测试系统的实用性进行了 研究。 8 2 仿真测试系统的总体设计 数控测试系统的设计开发是一项复杂的工作，一般分阶段进行，本系统在总 体方案设计阶段主要包括以下四个方面的内容：通过需求分析确定系统的目标功 能；确定系统设计的基本原则；进行总体框架结构分析；选择开发环境，包括硬 件环境和软件环境。 2 1 测试系统的目标功能和设计原则 2 1 1 目标功能分析 与前面所介绍的数控机床相比，本数控仿真测试系统是用仿真测试平台代替 了伺服系统、机床i o 电路、电器控制装置以及机床本体直接与数控系统连接，建 立了新数控系统的仿真测试平台，以便为数控系统测试及开发使用。根据此目的 数控仿真测试系统主要具有以下的目标功能。 1 ) 主控功能 主控功能主要反映整个系统模块之间的消息传递与控制方式，并根据反馈信 息做出响应完成系统的管理，以保证其无故障运行。在消息传递的过程中，每个 模块对消息进行过滤，只响应对当前模块有效的信息。 2 ) 字符与图形显示功能 完成这一功能一般需要高分辨率的c r t 显示器。测试装置通过它实现字符显 示( 如显示参数、坐标位置、当前状态和故障信息等) 和图形显示( 如人机对话 窗口、动态模拟机床实时运动过程等) 。 3 ) 通信功能 一个完整的通信系统包括发送端、接收端、转换数据的接口及传送数据的实 际通道或媒体。本系统中的上、下位机等数据终端设备分别备有i s a 扩展槽和 p c 1 0 4 总线接口，连接两者的通信转接板充当传送数据的信道。根据通讯速率及 实时性的要求，采用基于双端口r a m 的通信方式实现上下位机之间的数据通信， 既可方便系统设计，又可提高工作效率。 4 ) i o 状态诊断功能 本系统接收数控系统输出的指令，如控制驱动器、变频器( 控制主轴的变频 电机) 、机床刀库所需要的开关量信号，做出实时响应，完成诸如刀库管理、主轴 启停换向等机械动作的控制后，为数控系统提供开关量输入，如驱动器输入、机 9 床开关、刀库状态等，数控系统完成输入开关量的实时循环扫描、逻辑运算处理 与控制，从而时刻监控机床的工作状态。 5 ) 数据自动分析功能 利用测试软件的数据处理功能对采集到的实验数据进行分析与统计，通过特 征点提取，可确定各采集数据点的变化规律，从而获得实验结果。根据该结果对 出现的异常情况进行分析，对现有系统提出改进方法并进一步检验数控系统的性 能。 2 1 2 基本设计原则 在设计时我们要依据以下几方面的原则【l5 1 ： 1 ) 满足功能要求：设计一个系统，是为了实现预定的目的。任何一个系统最 基本的设计要求就是能实现其基本功能，对于我们的数控仿真测试系统，其基本 功能包括机床运动仿真及其运动轨迹的显示、数控系统i 0 量的状态显示等。 2 ) 整体性：对于整个系统的设计总是把它划分为模块进行模块化设计，各模 块之间相互作用、相互联系。因此，各模块之间的接口技术非常重要，它能够实 现系统的整体化。 3 ) 可靠性：如何使测试效果尽可能地接近实际，这就是可靠性问题。对于该 系统，其可靠性表现在机床的动态仿真及机床运动轨迹与设计的一致性。 4 ) 界面良好：优秀的用户界面应该是直观的、为用户所熟悉的，界面元素符 合大多数界面设计原则，用户通过简单的培训或自学操作说明书就能够熟练地使 用本应用系统，在使用过程中甚至会获得愉悦快乐的心情。 5 ) 软件的开放性：开发结构意味着使用者可以对系统进行二次开发，可以对 系统进行修改和功能扩充以满足其特殊需要。数控系统正朝着开放式数控系统的 方向发展，数控测试系统也应具备可扩展性为以后的升级和二次开发提供接口。 2 2 数控仿真测试系统总体结构 在确定了系统的目标功能和设计原则后，接下来就开始进行其总体结构的设 计。系统组成如图2 1 所示。 l o r - 一一一一一一。一一。一一一一。一一一一。一1 ： 仿真测试平台 ： 图2 - 1 仿真测试系统框图 f i g 2 lt h ef r a m eo f c n ct e s t i n gs y s t e m 1 ) 数控系统 这里数控系统是仿真测试平台的测试对象，它为仿真测试平台提供了输入信 号。这些信号包括各个轴的控制信号，机床电器i o 控制信号等。同时数控系统接 收仿真测试平台反馈信号，包括数据采集卡反馈的编码器信号，测试计算机反馈 的机床i o 状态信号，数控系统对这些开关量信号进行实时循环扫描、逻辑运算处 理与控制，从而时刻监控机床的工作状态。 2 ) 数据采集卡 数据采集卡一方面与数控系统相连接，用以将数控系统输出的位置速度信息 进行a d 转换，以及将机床控制i o 信息进行处理转换后传递给测试计算机，并产 生编码器反馈信号给数控系统，另一方面数据采集卡与测试计算机相连接，在将 信号传递给测试计算机的同时将测试计算机反馈数据通过处理转换后再传递给数 控系统，进而实现了数控系统与仿真测试系统之间信号的实时交互。 3 ) 测试计算机 测试计算机一方面与数据采集卡相连接，接收经数据采集卡处理转换后的数 据，对其中的信号进行分析处理。建立系统模型并进行仿真，利用双缓存技术， 根据机床各轴位置数据，以及相关i o 控制信号，如驱动器、机床开关、继电器、 行程开关状态等实现对机床实体模型运动过程的仿真，切削加工过程仿真，干涉 及碰撞的实时检测，并根据实际运行过程将系统反馈信号传递给数据采集卡；另 一方面测试计算机与输入输出装置相连接，接受外置设备的输入输出控制。 4 ) 显示终端 显示终端采用高分辨率的c r t 显示器，直接与测试计算机相连接，通过它可以 直观的看到仿真结果，包括字符显示( 如显示参数、坐标位置、当前状态等) 和 图形显示( 如机床三维图形、机床运动过程、机床运行轨迹等) 。 5 ) 输入输出装置 输入输出装置与测试计算机相连接，由键盘、鼠标、存储设备、打印设备等 外置设备组成。主要用于完成操作人员对测试计算机的控制操作、测试数据的保 存及输出等工作。 2 3 测试系统软件结构设计 测试系统软件的设计应遵循模块化、层次化、动态配置的原则，以便使其易 于组装、扩充和维护，系统可采用分层的体系结构。分层使得各层实现隔离，层 与层之间通过标准的接口进行通信【1 6 1 。实现可移植性和使用第三方软件，只需更 换相应层即可，这一部分功能主要在测试计算机中完成。图2 2 是测试系统软件总 体结构。 图2 - 2 测试系统软件结构 f i g 2 2t e s t i n gs y s t e ms o f t w a r ea r c h i t e c t u r e 1 第一层为系统层，它完成对系统的初始化，包括相关参数的设定、测试系 统仿真环境的初始化等；系统事件的循环，包括定时中断以及在中断程序中实现 系统的实时处理显示过程。 2 第二层次为界面层，它完成系统的管理，为仿真测试系统提供直观的界面 图形。其中运动模块包括机床运动，切削运动等，通过对机床各部件运动关系的 1 2 分析，以及对切削加工过程算法的分析来实现机床运动过程的仿真；监测与反馈 模块利用对i o 信号进行判断、显示及处理反馈，监测机床运动状态，主要有i o 状 态显示，超程报警、刀具干涉检测等；此外还有一些辅助功能，如机床运行轨迹， 输入输出模块等。 3 第三层次为功能单元层，包括机床模型、数据处理、通讯模块及系统控制。 其中对机床模型的建立，按照其实现方法的不同可分成两个模块：一是对机床零 部件等复杂模型的建立将采用第三方软件来绘制，将系统程序和机床模型造型进 行分离，机床的造型可以在程序外面完成；二是对工件的建模，采用将实体离散 化来构成工件模型。数据处理模块主要是对读取到的数据进行相应的处理转换， 使其适合系统仿真使用。通讯模块用来实现仿真测试系统与数据采集卡之间的数 据传输。系统控制模块是对整个系统提供的一个整体控制功能。 4 第四层次为支撑层，包括设备驱动程序、w i n d o w s 操作系统和p c 机。该层 为其它层的操作提供必要的软件和硬件支持。 2 4 测试系统硬件平台设计 系统的硬件支撑环境如图2 3 所示。该系统以3 2 位嵌入式工业控制p c 机作 为上位机的硬件基础，采用“数据采集卡+ p c ”的结构形式。整个系统灵活性好， 功能稳定，可以充分利用p c 的软硬件资源。 i c r t l l 链豁标睁 l接u 卜7 数据? 卡i 譬萼nr l 外差障 e v o e 设备p 1 工托钒 肛n 洲i h 慨漱铲u ：u 翼 以轴 u t t ：篙怒陋 j t 。i ：。：。ui 口 v y接 编码器一l r 1 1 r l 坤门r 1 ， 1r j_一 訇反侵 硪”承玩 ，t 旧按i il i 离i i 6 一i o 垮口 、y l卜太嘲洲陋 i p c 1 0 4 总线 v p c 1 0 4 总线 图2 - 3 测试系统硬件平台 f i g 2 - 3s y s t e mh a r d w a r es u p p o r te n v i r o n m e n t 从图中我们可以看到，系统的硬件平台由p c 平台、数据采集模块和接口模块 组成，下面分别进行介绍。 1 ) p c 平台 在本系统中，根据实际需要上位机的选型将采用嵌入式工业控制卡e c 3 1 6 5 1 。 它支持c r t + l c d 双显示，两个u s b 、i r d a 红外接口，可以在单5 v 电压输入下 f i e 塞窑塑太堂亟堂僮i 金塞笾墓到达丕统数簋佳逡让 稳定工作，在0 - 6 0 0 c 工作范围内无需风扇；版上还集成了1 2 8 m bd d r ，可定制 升级为2 5 6 m bd d r 内存；c p u 可定制升级为9 3 3 m h z 。常用接口 v g a ，c o m l ，u s b * 2 ，1 l i 2 k b m o u s e 直接从板边引出，使用方便：有供扩充的 p c 1 0 4p l u s 总线接口，可提供连接牢固的背板式扩展，最多可以提供叠a n - 层的 p c 1 0 4p l u s 标准的p c i 设备的扩展，可以方便地与数据采集卡相连接。在这种嵌 入式工控机上，操作系统将采用w i n d o w sx pe m b e d d e d ，这主要是因为x p e m b e d d e d 操作系统可以利用现有的硬件及应用程序，将在x p 系统上开发的系统 软件程序，无需或只需进行少量的修改，便可进行方便的移植工作，大大简化开 发过程。 2 ) 数据采集模块 对于数据采集模块，主要由单片机和f p g a 组成。单片机选择8 0 c 1 9 6 ，它具 有1 6 位的c p u 以及高效的指令系统，它是系统的控制核心，用以完成定时数据 采集处理运算，以及与双口r a m 之间的数据的读取操作。f p g a 采用的是a t e r a 公司的e p f l o k 2 0 r c 2 0 8 3 ，它是一种嵌入式p l d ，具有高密度、低成本、低功率 等特点，用以完成对读取的数控系统位置脉冲信号、经a d 转换后的速度电压信 号、机床电器i o 输入输出信号进行逻辑处理运算工作，同时产生编码器反馈信号 给数控系统。 3 ) 接口模块 该模块负责p c 平台与数据采集模块之间的数据通讯，通过双口r a m 与p c i 0 4 总线完成，实现对数据的读写操作。 2 5 系统软件开发工具 2 5 1 系统工具选择 系统开发选用v c + + 6 0 作为开发工具，它提供了w i n d o w s 下3 2 位保护模式的软 件开发环境。v i s u a lc + + 6 0 是微软公司推出的开发w i n 3 2 应用程序( w i n d o w s 9 5 9 8 2 0 0 0 x p n t ) 的、面向对象的可视化集成工具。它的最大优点就是提供了功 能强大的m f c 类库，m f c 是一个很大的c + + 类层次结构，其中封装了大量的类及 其函数，很多w i n d o w s 程序所共有的标准内容可以由m f c 的类来提供，m f c 类为 这些内容提供了用户接口的标准实现方法，程序员所要做的就是通过预定义的接 口把具体应用程序特有的东西填入这个轮廓，这将简化编程工作，大大减少程序 员编写的代码数量，使编程工作变得更加轻松容易【1 7 1 。 在确定了系统的运行环境后，对于仿真软件的选择，主要有o p e n g l ，v r m l ， 1 4 g ls t u d i o 等工具，以下分别对这三种工具进行简单的介绍，经过对比后提出本仿 真测试系统所采用的仿真软件。 1 v r m l i 吾言【1 8 】 v r m l ( v i r t u a lr e a l i t ym o d e l i n gl a n g u a g e ，虚拟现实建模语言) 是一种描叙性 语言，它的场景文件可通过文本编辑器或其它开发平台的文件编辑器编写，以“w r l ” 作为文件类型保存，通过v r m l 2 0 浏览器来解释和绘制。目前可以在很多w e b 站 点上欣赏到由v r m l 建立的虚拟场景，但由于网络带宽和个人机处理能力的限制， 只能漫游一些小的、简单场景，对于由许多景物组成的大范围场景，如果用一个 v r m l 文件编写，文件的数据量很大，浏览器下载时间很长，解释绘制速度很慢( 甚 至不能绘制) ，难以实现在场景中漫游。 2 g ls t u d i o 软件l 拶j g ls t u d i o 软件是美国d i s t i ( d i s t r i b u t e ds i m u l a t i o nt e c h n o l o g yi n c ) 公司开发的 使用o p e n g l g 羁形库建立实时、交互式三维图形的视景仿真软件。g ls t u d