移动式数控机床系统的研究分析

113/113前言数控机床简称NC机床，它将加工过程所需的各种操作和步骤以及刀具与工件间的相对位移量都用数字化代码来表示，通过操纵介质将数字信息送入计算机，由计算机对输入的信息进行处理和运算，然后发出各种指令来操纵机床的伺服系统或其他执行元件，使机床自动加工出所需的工件。数控机床与其他机床的一个显著区不在于当加工对象改变时，除了重新装夹工件和更换刀具外，只需更换一条新的程序，不需要对机床作任何改动。数控机床集机械制造技术和计算机、液压气动、传感检测、信息处理、光机电等技术于一体，是技术密集型的机电一体化产品，它具有下列优点：1．能完成专门多一般机床难以加工，或者全然不能加工的复杂型面零件的加工；2．采纳数控机床，能够提高零件的加工精度，稳定产品的质量；3．能够提高生产率。采纳数控机床比一般机床可提高生产率2～3倍，对复杂零件的加工，生产率可提高十几倍甚至几十倍；4．具有柔性，只需更换程序，就能够适应不同品种及尺寸规格零件的自动加工；5．大大减轻了工人的劳动强度。能够看出，数控机床是一种高效率、高精度，能保证加工质量，解决工艺难题，而且又具有一定柔性的生产设备。数控机床的广泛使用，将给机械制造业的生产方式、产品结构和产业结构带来深刻的变化，其技术水平高低和拥有量多少，是衡量一个国家工业现代化水平的重要标志。我国数控机床的进展起步较早，从1958年开始研制，差不多历了40多年的进展历程。但到1978年底，数控机床的进展几经周折，走了许多弯路，当年数控机床产量仅223台。1979年开始的改革开放，为我国的机械工业开发了新时期，数控机床的进展也进入了一个崭新的时期。20世纪80年代初，我国引进国外的数控装置和伺服系统为国产主机配套，这使得数控机床在品种、数量和质量方面得到迅速进展。典型的国产产品有北京航天机床数控集团公司的航天I型，中科院沈阳计算所的蓝天I型和华中理工大学的华中I型等国产高性能数控系统。尽管近几年我国数控机床迅速进展，但与工业发达国家相比，我们还有差距。但在这同时，我们也看到这种差距正在不断缩小。在本此研究中，我的研究题目是一台移动数控铣床系统的研究，工作台为工件,加工有效行程X/Y/Z轴分不为130/530/518mm。数控铣床结构可依照实际的加工要求来自行选定，给了我专门大的自由，同时也增加了研究的难度，提高了对自己的要求。在研究的过程中，我对铣床先后进行了总体方案的研究——进给伺服系统的研究——整体零部件的选型与校核——绘制数控铣床总装图等过程。在这次研究中，我查阅了大量的相关书籍、期刊、公司样本等资料。如：《机械设计有用手册》吴宗泽著，《数控技术》张建刚等著，《PMI滚珠螺杆型号》公司样本等。同时还得到了张洛平教授的指导以及关心，在此表示深深的感谢！第一章微机数控系统总体方案的研究1.1总体方案概述关于一个数控系统，首先必须拟定总体方案，绘制系统总体框图，才能决定各种参数和机构，然后再分机械部分和电气部分。机床数控系统的总体方案应包括：系统运动方式的确定、伺服系统的选择、执行机构的结构和传动方式的确定、计算机系统的选择等内容。一﹑系统运动方式的确定假如要求工作台或刀具沿各坐标轴的运动有确定的函数关系，即连续操纵系统，应具备操纵刀具以给定速率沿加工路径运动的功能。由于数控铣床要具有定位、直线插补、顺圆和逆圆插补，暂停循环加工等功能，故选择连续操纵系统。二﹑伺服系统的选择伺服系统可分为开环操纵系统，半闭环操纵系统和闭环操纵系统。由于这是一台经济型数控铣床，加工精度要求不是专门高，为了简化结构，降低成本，故采纳开环操纵系统。三﹑计算机系统依照机床要求，采纳8位微机，由于MCS-51系列单片机性能优越，决定采纳MCS-51系列的8031单片机扩展系统。操纵系统由微机部分，键盘及显示器，I/0接口及光隔离电路，步进电机，功率放大电路等组成。系统的加工程序和操纵命令通过键盘操作实现，显示器采纳数码管显示加工数据及机床状态等信息。四﹑机械传动方式采纳交流伺服电机驱动，X/Y轴方向传动采纳联轴器直联的形式，Z轴传动和主轴转动采纳了同步带传动形式，为保证一定的传动精度和平稳性，尽量减少摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。同时，为了提高传动刚度和消除间隙，采纳有预加负荷的结构，同步带传动需有张紧装置。1.2总体方案框图依照系统的要求，采纳点位操纵、用伺服电机驱动的半闭环操纵系统。如此可使操纵系统结构简单、成本低廉、调试和维修都比较容易。为确保数控系统的传动精度和工作平稳性，尽量采纳低摩擦的传动和导向元件。此工作台采纳滚珠丝杠螺母副和滚动导轨。为尽量消除传动间隙，计算机系统仍采纳高性能价格比的MCS—51系列单片机扩展系统。第二章机床进给伺服系统机械结构部分2.1工作台外形尺寸及重量可能加工材料：铝合金铣刀直径：铣刀齿数：3最大铣削余量：0.5最大铣削深度：2.5分辨率：0.01工作台加工范围：X=130，Y=530工作台纵向快速移动速度：工作台横向快速移动速度：纵向铣削最大进给速度：横向铣削最大进给速度：X向拖板（上拖板）尺寸（长×宽×高）：588×500×210重量：588×500×210××7.8×10-2=4815.72N实重：4815.72×0.5=2407.86NY向拖板（下拖板）尺寸（长×宽×高）：562×488×210重量：562×488×210××7.8×10-2=4492.3N实重：4492.3×0.5=2246.2NX导轨座尺寸（长×宽×高）：680×500×180重量：680×500×180××7.8×10-2=4773.6N实重：4773.6×0.3=1432.08NY导轨座尺寸（长×宽×高）：1480×500×245重量：1480×500×245××7.8×10-2=14141.4N实重：14141.4×0.3=4242.4N电机重约：400N工作台运动部件总重：2407.86+2246.2+1432.08+4242.4+400=10728.54N2.2铣削力的计算式中：--铣削接触弧深=4--每齿进给量=0.2--铣刀直径=10--铣削深度=5--铣刀齿数Z=3--系数=20Fc=9.81×20×40.86×0.20.72×10-0.86×5×3=420.05N查表得：--圆周切削力--轴向切削力--进给方向的水平力--进给方向的垂直分力因此==157.5==2.3滚珠丝杠螺母副的选择一﹑纵向滚珠丝杠螺母副的计算和选型（1）计算进给牵引力式中：--考虑颠覆力矩阻碍的实验系数=1.4 --导轨上的摩擦系数=0.04=1081.7N（2）计算最大动负载C选用滚珠丝杠副的直径时，必须保证在一定的轴向负载作用下，丝杠在回转100万转后，在它的滚道上不产生点蚀现象。那个轴向负载的最大值即称为滚珠丝杠能承受的最大动负载C式中：L--使用寿命。以转为一个单位--运转系数式中：T--使用寿命取15000h--丝杠导程=5mm--为最大切削力条件下的进给速度。可取最高进给速度的一半（3）滚珠丝杠螺母副的选型查阅《机床数控化改造指导手册》选用L5010型标准滚珠丝杠副，因其额定动载荷29500N，故精度等级选为4级。（4）计算最大静负载当滚珠丝杠副在静态或低速（n）情况下工作时，滚珠丝杠副的破坏形式要紧是在滚珠接触面上产生塑性变形。当塑性变形超过一定限度就会破坏滚珠丝杠副的正常工作。一般同意其塑性变形量不超过滚珠直径的万分之一，产生如此大的塑性变形量时的负载称为同意的最大静负载。式中：--滚珠丝杠的最大轴向负荷；--静态安全系数；=2选用相应的滚珠丝杠副的额定静载荷=96300N因此滚珠丝杠副合格（5）传动效率计算式中：--丝杠螺旋升角；=--摩擦角；滚珠丝杠副的滚动摩擦系数=0.003~0.004。其摩擦角约等于（6）刚度验算滚珠丝杠副的轴向变形会阻碍进给系统的定位精度及运动的平稳性。最大牵引力为686.3N，支承间距为830mm。丝杠螺母副及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负荷的。a.丝杠的拉伸或压缩变形量查《综合作业指导》图3-4。依照Fm=1081.7ND0=50mm查出可算出由于丝杠进行了预拉伸，故其拉压刚度可提高2倍。事实上际变形量b.滚珠与螺纹滚道接触变形查《综合作业指导》图3-5，可知滚珠和螺纹滚道接触变形因进行了预紧，c.支承滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形采纳70000型角接触球轴承。滚动体数量Z=13因进行了预紧，故d．因滚珠丝杠的扭转变形引起的导程的变化量一般占的比重较小，常忽略不计。e.螺母座及轴承支座的变形常为滚珠丝杠副系统刚度的薄弱环节，但变形量计算较为困难。一般依照其精度要求，在结构上尽量增强其刚度而不作计算。f.依照以上计算得出总变形量（7）稳定性校验式中：E--丝杠材料的弹性模量；E=~~截面惯性矩，关于丝杠为--丝杠两支承端距离；=830mm --丝杠的支承方式系数；=2因此丝杠不致失稳；二﹑横向滚珠丝杠螺母副的计算和选型（1）计算切削分力因此（2）计算进给牵引力式中：--考虑颠覆力矩阻碍的实验系数=1.1 --导轨上的摩擦系数=0.04=584.07N（3）计算最大动负载C选用滚珠丝杠副的直径时，必须保证在一定的轴向负载作用下，丝杠在回转100万转后，在它的滚道上不产生点蚀现象。那个轴向负载的最大值即称为滚珠丝杠所能承受的最大动负载C式中：L--使用寿命。以转为一个单位--运转系数式中：T--使用寿命取15000h--丝杠导程=5mm--为最大切削力条件下的进给速度。可取最高进给速度的一半（4）滚珠丝杠螺母副的选型查阅《机床数控化改造指导》选用L5010型标准滚珠丝杠副。其额定动载荷31400N，精度等级按《综合作业指导》表3-17选为4级。（5）计算最大静负载当滚珠丝杠副在静态或低速（n）情况下工作时，滚珠丝杠副的破坏形式要紧是在滚珠接触面上产生塑性变形。当塑性变形超过一定限度就会破坏滚珠丝杠副的正常工作。一般同意其塑性变形量不超过滚珠直径的万分之一。产生如此大的塑性变形量时的负载称为同意的最大静负载。式中：--滚珠丝杠的最大轴向负荷；--静态安全系数；=2选用相应的滚珠丝杠副的额定静载荷=30100因此滚珠丝杠合格（6）传动效率计算式中：--丝杠螺旋升角；= --摩擦角；滚珠丝杠副的滚动摩擦系数=0.003--0.004。其摩擦角约等于因横向和纵向选用的是同一型号，同一尺寸标准的滚珠丝杠螺母副，而横向的切削力小，故刚度及稳定性能够满足要求，不用再验算。Z方向同样也选用了型的标准滚珠丝杠螺母副，公称直径同样是50mm，故刚度和稳定性能够满足要求。=3\*CHINESENUM3三﹑丝杠的使用注意事项1.在安装此滚珠丝杠副时，因为它是外循环式滚珠丝杠副，因此严禁敲击和拆卸管道，以免造成钢球堵塞，运动不流畅；2.在安装或使用时要幸免螺母脱离丝杠表面，因为螺母一旦脱离，滚柱将散落，现在滚珠丝杠副不能正常工作，严峻时还会引起设备事故，因此在主机上必须配置防止螺母脱出的超程爱护装置，尤其是在高速运转的场合；3.在安装滚珠丝杠副的时候两端支承座孔与螺母支承座孔要调整到“三点同心”的最佳状态，不能在不同心的情况下强迫安装；4.由于滚珠丝杠副的传动效率在90%以上，不能自锁，在需要自锁的场合，必须在丝杠轴上配置相应的自锁装置；5.为了使滚柱丝杠副灵活运转，延长使用寿命，必须考虑充足的润滑条件；6.除滚柱丝杠副本身防尘圈外，外露的丝杠轴上也应安装防护装置，以免灰尘，杂物进入丝杠副。=4\*CHINESENUM3四﹑滚珠丝杠的注意事项1.滚珠丝杠螺母副的设计需考虑丝杠的预紧方式，预紧方式有：双螺母垫片式，双螺母螺纹式，双螺母齿差式，单螺母变导程以及过盈滚珠预紧。在本设计中所选用的南京工艺装备厂BS型标准滚珠丝杠副其本身内部差不多进行了预紧；2.该丝杠螺母副可消除轴向间隙，提高轴向刚度。滚珠丝杠副因其磨损小，效率高，预紧后仍能轻快的传动，因此它能通过预紧完全消除间隙，使反向时无空行程，且可通过预紧给予一定的预变形来提高轴向刚度；3.因其传动效率专门高，滚珠丝杠副一般不能自锁。因此在不准许产生逆传动的地点，如Z方向主轴的升降等，必须增设制动或自锁机构。2.4滚动导轨的选型导轨是机床上关键部件之一，其性能好坏，将直接阻碍机床的加工精度、承载能力和使用寿命。导轨设计应满足：导向精度、耐磨性、低速运动平稳性、刚度、结构简单、工艺性好，便于间隙调整、具有良好的润滑和防护等要求。目前，滚动导轨在数控机床上的应用特不广泛，因为其摩擦系数小，f=0.0025～0.005；动、静摩擦系数专门接近，且几乎不受运动速度变化的阻碍，运动轻便灵活，所需驱动功率小；摩擦发热小，磨损小，精度保持性好；低速运动时不易出现爬行现象，因而定位精度高。=1\*CHINESENUM3一﹑导轨类型和特点滚动导轨可分为滚动体不作循环运动的直线运动导轨和滚动体作循环运动的直线运动导轨两大类。第一大类滚动体不作循环运动的导轨又分为滚珠导轨、滚柱导轨和滚针导轨三类。第二大类是滚动体作循环运动的直线运动导轨，又称作直线导轨块（副）组件，是由专业厂家生产制造好的导轨块组件。这种导轨块组件本身的制造精度专门高，而对机床的安装机面要求不高，安装调试特不方便。其刚度高，承载能力大。=2\*CHINESENUM3二﹑直线滚动导轨的选定（=1\*Arabic1）滚动体尺寸和数目的选择原则滚动体的数目也应适当选择。滚动数目过少，则导轨的制造误差将明显地阻碍动导轨的位置精度。随着滚动体数量的增多，不仅提高了动导轨的位置精度，还能够降低导轨的抗压强度。通常每个导轨上每排滚子的数量最少为12～16个。但滚动体数目太多，则会出现载荷在滚动体上分布不均匀的现象，部分滚动体可能受不到载荷而不起作用，反而使刚度下降。在依照结构选择滚动体的尺寸和数目后，还要验算滚动体的承载能力，发觉不能满足要求时，可加大滚动体的直径或增加滚动体数目。关于滚珠导轨，由于承载能力与滚珠直径的平方成正比，因而增大滚珠直径比增加滚珠数目有利。关于滚柱导轨，增大直径和增加数目效果相同。（=2\*Arabic2）所选导轨1.纵向AB型，代号65，横向AB型，代号20，Z向AB型，代号352.验算强度：纵向：测得，纵向导轨的间距为408mm丝杠的最大进给力为387.46N由此，导轨所承受的最大转矩为T=686.3×0.408÷2=140N·M<3237KN·M即导轨的最大抵抗扭矩横向：测得，横向导轨的间距为210mm丝杠的最大进给力为490.8275N由此，导轨所承受的最大转矩为T=490.8275×0.21÷2=51.54N·M<121.8KN·M即导轨的最大抵抗扭矩由上计算可知，导轨的强度能够专门好的满足机床的要求。（=3\*Arabic3）滚动导轨滑块参考图2.5交流伺服电机的计算和选型=1\*CHINESENUM3一﹑伺服电机选型依据为了满足滑台轻巧,简便,有用,而采纳了交流伺服电机.交流伺服电机与直流伺服电机相比有以下优点：（=1\*Arabic1）无电刷磨损，无火花产生，故寿命长，长期不须维修，工作安全可靠。（=2\*Arabic2）输出转矩高，包括高速下的制动转矩能在专门宽的范围内保持较大的转矩。（3）交流伺服电机惯量小,转速高；=2\*CHINESENUM3二﹑伺服电机的选型计算（=1\*Arabic1）纵向伺服电机的选型计算1.最大切削负载转矩计算所选伺服电动机的额定转矩应大于切削负载的转矩。最大切削负载转矩可按下式计算P=C/4从前面的计算，已知最大进给力1081.7N，丝杠导程P=5㎜=0.005m，纵向滚珠丝杠的动载荷C=31.4KN,则预紧力31.4/4=7.85kN。滚珠螺母丝杠副的机械效率0.695。由于伺服电动机与丝杠通过联轴器直连，即传动比为1。滚珠丝杠预加载荷引起的附加摩擦力矩==1.31770000单个轴承的摩擦力矩为，故一对轴承的摩擦力矩。简直端轴承不预紧，其摩擦力矩可忽略不计。最大切削负载转矩T=+0.52+0.32=1.752.负载惯量计算伺服电动机的转子惯量应与负载惯量相匹配。负载惯量可按以下次序计算。工件、夹具与工作台的最大质量为325.6kg，折算到电动机轴上的惯量可按下式计算=m=m()=325.6×()=0.000206丝杠名义直径D=50，长度l=1.024m，丝杠材料（钢）的密度。实心圆柱体（丝杠）的转动惯量为==0.000842联轴节加上锁紧螺母的惯量故负载总惯量0.000206+0.000842+0.0008=0.0018按中小型数控机床惯量匹配条件，1/2<<1/3，所选伺服电动机的转子惯量应在0.00085～0.00057范围内。依照电动机参数列表，我们选取安川交流伺服电机SGMSH系列（中惯量）额定功率为1.5kw电机，其额定转矩为4.9，大于最大切削负载转矩，该伺服电机的转子惯量为5.91×10，也在0.00085～0.00057范围内。总惯量J=J+J=0.000591+0.0018=0.002391kg·m加速时刻t取t的3～4倍，故，t=(3～4)×15=45～60T=0.002391×2×3000/60×t=33.78～45.05空载加速转矩T不同意超过电机的最大转矩，由此可见，所选伺服电机能够满足启动时刻的要求，能够使用。（2）横向伺服电机的选型计算1.最大切削负载转矩计算P=C/4从前面的计算，已知最大进给力584.07N，丝杠导程P=5㎜=0.005m，纵向滚珠丝杠的动载荷C=31.4KN,则预紧力12.4/4=3.1KN滚珠螺母丝杠副的机械效率0.695。由于伺服电动机与丝杠通过联轴器直连，即传动比为1。滚珠丝杠预加载荷引起的附加摩擦力矩==0.5270000单个轴承的摩擦力矩为，故一对轴承的摩擦力矩。因直端轴承不预紧，其摩擦力矩可忽略不计。最大切削负载转矩T=+0.52+0.32=1.332.负载惯量计算伺服电动机的转子惯量应与负载惯量相匹配。负载惯量可按以下次序计算。工件、夹具与工作台的最大质量为214.2kg，折算到电动机轴上的惯量可按下式计算=m=m()=214.2×()=0.00014丝杠名义直径D=50，长度L=0.32m，丝杠材料（钢）的密度。实心圆柱体（丝杠）的转动惯量为==0.00088联轴节加上锁紧螺母的惯量故负载总惯量0.00014+0.00088+0.0008=0.00182按中小型数控机床惯量匹配条件，1/2<<1/3，所选伺服电动机的转子惯量应在0.00091～0.000607范围内。依照电动机参数列表，我们选取安川交流伺服电机SGMSH系列（中惯量）额定功率为1.5kw电机，其额定转矩为4.9，大于最大切削负载转矩，该伺服电机的转子惯量为7.24×10，也在0.00091～0.000607范围内。总惯量J=J+J=0.000724+0.00182=0.002544kg·m加速时刻t取t的3～4倍，故，t=(3～4)×15=45～60T=0.002544×2×3000/60×t=35.96～47.95N·M空载加速转矩T不同意超过电机的最大转矩，由此可见，所选伺服电机能够满足启动时刻的要求，能够使用。=3\*CHINESENUM3三﹑电机参考外形图第三章微机数控系统硬件电路的研究3.1单片机数控系统硬件电路研究内容=1\*CHINESENUM3一﹑绘制系统电气操纵的结构框图依照总体方案及机械结构的操纵要求，确定硬件电路的总体方案，绘制系统电气操纵的结构框图。数控系统是由硬件和软件两部分组成。硬件是系统的基础，有了硬件，软件才能有效地运行。硬件电路的可靠性直接阻碍到数控系统性能指标。机床硬件电路由以下五部分组成：主操纵器，即中央处理器（CPU）；总线，包括数据总线、地址总线和操纵总线；存储器，包括程序存储器和数据存储器；接口，即I/O输入/输出接口电路；外围设备，如键盘、显示器及光电输入机等。=2\*CHINESENUM3二﹑选择中央处理单元（CPU）的类型在微机应用系统中，CPU的选择应考虑以下因素：时钟频率和字长，那个指标将操纵数据处理的速度；可扩展存储器（包括ROM和RAM）的容量；指令系统功能，阻碍编程灵活性；I/O口扩展的能力，即对外设备操纵的能力；开发手段，包括支持开发的软件和硬件电路；此外还要考虑到系统的应用场合、操纵对象对各种参数的要求，以及经济价格比等经济性的要求。=3\*CHINESENUM3三﹑存储器扩展电路存储器扩展电路设计应包括程序存储器和数据存储器的扩展。在选择程序存储器芯片时，要考虑CPU和EPROM时序的匹配，还应考虑最大读出速度、工作温度及存储器的容量问题。在存储器扩展电路的设计中还应包括地址锁存器和译码电路的设计。四﹑I/O即输入/输出接口电路的研究应包括接口芯片的选用、步进电机操纵电路、键盘显示电路及其他辅助电路（例如复位电路、时钟电路等）。此外，不同的数控系统还要求配备不同的外设，这些部分的电路也不例外。3.2GE系列运动操纵器3.2.1运动操纵器简介现代运动操纵技术是在以数字信号处理器DSP(DigitalSignalProcessor)为代表的高性能高速微处理器及大规模可编程逻辑器件进展的基础上出现的。而现代的运动操纵系统是计算机技术、传感技术、电力电子技术和机械工程技术等的集成综合应用系统,能够实现机械传动的自动化和智能化,对机械传动等的运动位置、运动轨迹和各种运动参数进行实时的操纵和治理。运动操纵器差不多从以单片机或微处理器作为核心的运动操纵器和以专用芯片（ASIC）作为核心处理器的运动操纵器，进展到了基于PC总线的以DSP和FPGA作为核心处理器的开放式运动操纵器。运动操纵技术也由面向传统的数控加工行业专用运动操纵技术而进展为具有开放结构、能结合具体应用要求而快速重组的先进运动操纵技术。目前，通用运动操纵器从结构上要紧分为如下3类：⑴基于计算机标准总线的运动操纵器，它是把具有开放体系结构，独立于计算机的运动操纵器与计算机相结合构成。这种运动操纵器大都采纳DSP或微机芯片作为CPU，可完成运动规划、高速实时插补、伺服滤波操纵和伺服驱动、外部I/O之间的标准化通用接口功能，它开放的函数库可供用户依照不同的需求，在DOS或WINDOWS等平台下自行开发应用软件，组成各种操纵系统。如美国Deltatau公司的PMAC多轴运动操纵器和固高科技（深圳）有限公司的GT系列运动操纵器产品等。⑵Soft型开放式运动操纵器，它提供给用户最大的灵活性，它的运动操纵软件全部装在计算机中，而硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外部I/O之间的标准化通用接口。就像计算机中能够安装各种品牌的声卡、CDROM和相应的驱动程序一样。用户能够在WINDOWS平台和其他操作系统的支持下，利用开放的运动操纵内核，开发所需的操纵功能，构成各种类型的高性能运动操纵系统，从而提供给用户更多的选择和灵活性。基于Soft型开放式运动操纵器开发的典型产品有美国MDSI公司的OpenCNC、德国PA（PowerAutomation）公司的PA8000NT。美国SoftSERVO公司的基于网络的运动操纵器和固高科技（深圳）有限公司的GO系列运动操纵器产品等。Soft型开放式运动操纵的特点是开发、制造成本相对较低，能够给予系统集成商和开发商更加个性化的开发平台。⑶嵌入式结构的运动操纵器，这种运动操纵器是把计算机嵌入到运动操纵器中的一种产品，它能够独立运行。运动操纵器与计算机之间的通信依旧是靠计算机总线，实质上是基于总线结构的运动操纵器的一种变种。关于标准总线的计算机模块，这种产品采纳了更加可靠的总线连接方式（采纳针式连接器），更加适合工业应用。在使用中，采纳如工业以太网、RS485、SERCOS、PROFIBUS等现场网络通信接口联接上级计算机或操纵面板。嵌入式的运动操纵器也可配置软盘和硬盘驱动器，甚至能够通过Internet进行远程诊断。例如美国ADEPT公司的SmartController，固高科技公司的GU嵌入式运动操纵平台系列产品等。我们在研究此数控铣床的运动操纵系统时选用的是固高GE系列运动操纵器，数控铣床铣切操纵系统是基于GE-X00-ESG型号嵌入式运动操纵器和标准CNC系统平台的开放式系统。运动操纵器应用高速DSP芯片实现系统的高性能、高速度和高精度。而CNC能够实现多轴协调运动和高速的点位运动系统平台同时提供对标准NC程序代码的编译，并最终形成运动操纵器的操纵指令。其核心由DSP和FPGA组成，能够实现高性能的操纵计算。它适用于广泛的应用领域，包括机器人、数控机床、木工机械、印刷机械、装配生产线、电子加工设备、激光加工设备以及PCB钻铣设备等。GE运动操纵器以IBM-PC及其兼容机为主机，提供标准的ISA总线和PCI总线两个系列的产品。作为选件，在任何一款产品上能够提供RS232串行通讯和PC104通讯接口，方便用户配置系统。运动操纵器提供C语言函数库和Windows动态链接库，实现复杂的操纵功能。将这些操纵函数与自己操纵系统所需的数据处理、界面显示、用户接口等应用程序模块集成在一起，建筑符合特定应用要求的操纵系统，以适应各种应用领域的要求。使用该运动操纵器，要求使用者具有C语言或Windows下使用动态链接库的编程经验。运动操纵器的一般结构如图1所示图1运动操纵器结构框图GE运动操纵器的实物如下：3.2.2GE系列运动操纵器型号及含义3.2.3GE系列运动操纵器功能列表GE系列运动操纵器提供DOS下的C语言函数库和Windows下的动态链接库。用户只要调用函数库中的指令，就能够实现运动操纵器的各种功能。下面我们就讲一下GE系列运动操纵器指令系统的指令返回值及其意义3.2.4指令返回值运动操纵器按照主机发送的指令工作。运动操纵器指令封装在C语言函数库（DOS环境）和动态链接库（Windows环境）中。用户在编写应用程序时，通过调用运动操纵器指令来操纵运动操纵器。运动操纵器在接收到主机发送的指令时，将执行结果反馈到主机，指示当前指令是否正确执行。指令返回值的定义如表所示GE-X00-PX运动操纵器指令返回值定义GE-X00-SX运动操纵器指令返回值定义研究讲明：假如指令返回值为-1，而且重复调用该指令仍返回-1，讲明运动操纵器的通讯出现故障，运动操纵器没有正确地接收主机的指令；或是运动操纵器工作不正常，不能正确处理主机指令。现在请按照如下步骤进行检查：1．在Windows系统下使用运动操纵器时，请检查驱动程序是否正确安装；2．检查运动操纵器、接插件和连接线是否插牢；3．检查运动操纵器的基地址跳线是否正确，请确认运动操纵器的基地址跳线与应用程序中所指定的基地址相一致（针对ISA/PC104总线的运动操纵器）；4．检查PC机的插槽是否能够正常工作，并尝试更换插槽或PC机；5．检查JP4跳线是否正确，JP4跳线默认为1-2脚短接。3.2.5指令错误寄存器当运动操纵器指令的返回值为1时，讲明指令执行错误，现在应当调用指令GT_GetCmdSts进一步确认具体出错缘故。指令错误寄存器的具体定义如表2-3，当某个状态位为1时，指示了相应的错误缘故。表2-3GE-X00-PX运动操纵器指令错误寄存器定义表2-4GE-X00-SX运动操纵器指令错误寄存器定义下面这段程序以标准C语言为例，简单讲明了利用指令返回值进行错误处理的方法。当指令返回值异常时，发出蜂鸣声并显示错误信息。在实际应用系中，应当依照具体情况采取相应的处理方法。例：利用指令返回值进行错误处理voiderror(shortrtn){switch(rtn){case-1:printf("\a\nCommunicationError!");break;case0:break;case1:printf("\a\nCommandError!");break;case2:printf("\a\nRadiusorchordis0!");break;case3:printf("\a\nLengthis0oroverflow!");break;case4:printf("\a\nVelocityoraccelerationislessthen0!");break;case5:printf("\a\nChordisgreaterthandiameter!");break;case7:printf("\a\nParametererror!");break;default:printf("\a\nErrorCode=%d",rtn);break;}}voidmain(){shortrtn;rtn=GT_Open();error(rtn);//打开运动操纵器rtn=GT_Reset();error(rtn);//复位运动操纵器rtn=GT_ClrSts(1);error(rtn);//清除1轴状态寄存器…//其它指令rtn=GT_Close();error(rtn);//关闭运动操纵器}3.3伺服电机接口及驱动电路交流伺服电机有以下优点：无电刷磨损，无火花产生，故寿命长，长期不须维修，工作安全可靠。输出转矩高，包括高速下的制动转矩能在专门宽的范围内保持较大的转矩。交流伺服电机惯量小,转速高；3.3.1电机操纵系统的差不多组成1．运动操纵器；2．具有ISA/PCI/PC104接口的主机；3.步进电机或伺服电机；4.驱动器；5.驱动器电源；6.+12V/+24V直流电源（用于接口板电源）；7.原点开关、正/负限位开关（依照系统需要可选）其中伺服电机既能够选择交流伺服电机也能够选择直流伺服电机。由于此系统使用的是GE-X00-XG运动操纵器，因此电机驱动器选为位置操纵方式，且操纵器和驱动器脉冲模式设置一致。下面看一下采纳GE运动操纵器组成的操纵系统典型连接见图1-1：图1-1采纳GE运动操纵器组成的操纵系统框图讲明：1.系统软件提供NC、CNC程序代码自动执行，连续运动及点动运动两种手动运动模式，加工图像的预览，能够实时显示当前坐标、进给速度等等系统状态。2.采纳该类硬件平台具有以下优点：1）抗干扰能力强，在恶劣工业现场环境的设备运行可靠。2）整体连接线少，安装使用方便。3）设备占用空间小。3.操纵系统软件要紧功能：1）操纵系统软件具有加工模式和演示模式两种模式。2)操纵系统软件可实现沿原轨迹前进和后退功能。3)操纵系统软件可实现任意指定预切点开始加工。4)操纵系统软件可通过对加工图形的动态补偿处理来弥补的偏差对加工的影响。5)操纵系统软件可在自动加工暂停后，设置加工中断点，满足自动加工灵活转换的需要。3.3.2GE运动操纵器的外形结构GE-X00-SX运动操纵器ISA系列GE-X00-SX运动操纵器的外形结构如图2-1所示图2-1ISA系列GE-X00-SX运动操纵器连接器与跳线器位置示意图PCI系列GE-X00-SX运动操纵器的外形结构如图2-2所示：图2-2PCI系列GE-X00-SX运动操纵器连接器与跳线器位置示意图GE-X00-SX（其中X00=200、300或400）运动操纵器的端子板外形结构图如图2-3所示：图2-3GE-X00-SX端子板接口示意图表2-1GE-X00-SX端子板接口定义GE-X00-PX运动操纵器ISA系列GE-X00-PX运动操纵器的外形结构如图2-4所示图2-4ISA系列GE-X00-PX运动操纵器连接器与跳线器位置示意图注：GE-200-PX、GE-300-PX、GE-400-PX运动操纵器端子板外形结构图如图2-3所示。GE-800-PX运动操纵器端子板外形结构图如图2-5所示：图2-5GE-800-PX端子板示意图GE-800-PX运动操纵器端子板上接口定义如表2-2所示表2-2GE-800-PX端子板接口定义表2-3为GE系列运动操纵器上各连接器和跳线器的功能讲明。表2-3连接器及跳线器功能列表研究思路：“PC+运动操纵器可充分利用计算机资源,用于运动过程、机械轨迹都比较复杂,而且柔性比较强，其核心由DSP和FPGA组成，PC机负责人机交互界面的治理和操纵系统的实时监控等方面的工作(例如系统状态的显示、运动轨迹规划、操纵指令的发送、外部信号的监控等等);运动操纵器完成运动操纵的所有细节(包括脉冲和方向信号的输出、模拟输出、原点和限位等信号的检测等等)当运动卡接收到PC机的指令后,向交流伺服驱动器发出同步操纵信号,经驱动器放大后驱动电机,使电机按照相应的频率和角位移运行。第四章微机数控系统人机界面的研究4.1数控系统人机界面概述数控机床是现代制造技术的重要工具。本文从人机界面设计的概念及研究方向入手，充分考虑人的因素，对数控机床人机界面的设计原则进行了初步探讨。数控机床是一种高科技的机电一体化产品，是由数控装置、伺服驱动装置、机床主体和其他辅助装置构成的可编程的通用加工设备，它被广泛应用在加工制造业的各个领域。与通用机床和专用机床相比，数控机床最适宜加工结构较复杂、精度要求高的零件，以及产品更新频繁、生产周期要求短的多品种小批量零件的生产。当代的数控机床正朝着高速度、高精度化、智能化、多功能化、高可靠性的方向进展。数控机床的人机界面设计直接阻碍其工作效率和操作舒适性。因为良好的人机界面操作简单、有效，且具有引导功能，使用户感受愉快、增强兴趣，从而提高使用效率。人机界面（Human-MachineInterface）是人与机器进行交互的操作方式，即用户与机器互相传递信息的媒介，其中包括信息的输入与输出。应结合心理学、人机工程学、计算机语言学、艺术设计、智能人机界面、社会学与人类学等多学科知识对人机界面设计进行研究。其进展趋势也向着更加人性化、高科技化的方向进展。有学者认为，人机界面设计可理解为广义的人机界面设计和狭义的人机界面设计。狭义的人机界面是计算机系统中的人机界面，又称人机接口、用户界面，它是计算机科学与心理学、图形艺术、认知科学和人机工程学的交叉研究领域，是人与计算机之间传递和交换信息的媒介，是计算机系统向用户提供的综合操作环境。从广义的人机界面角度来讲，它要紧是研究人与机关系的合理性。人机界面中的“人”是指作为工作主体的人，包括操作人员、决策人员等。人的生理特征、心理特征以及人的适应能力差不多上重要的研究方向。人机界面中的“机”是指人所操纵的一切对象的总称，包括人操作和使用的一切产品和工程系统。设计满足人的要求、符合人的特点的“机”，是人机界面设计探讨的重要问题。数控机床的人机界面可分为软件人机界面和硬件人机界面。4.1.1数控机床软件界面设计原则1.软件在数控机床中的作用特不重要，其用户界面直接阻碍着数控机床的工作效率和效果。数控机床软件界面的设计原则可归纳如下：(1)一致性原则软件人机界面的一致性原则要紧是指在不同的系统之间及应用系统内部具有相似的界面外观、布局、人机交互方式及信息显示格式等。一致性原则有助于用户学习机床的操作，并减少使用时的出错率。(2)提供信息反馈信息反馈是指机床对用户的操作所作的反应，它能够表明用户的操作是否为机床所同意、是否正确，以及操作的效果如何样。反馈方式能够是文本、图形和声音等。(3)保持界面空间布局的合理性界面空间的布局应简洁明了。设计师应依照对现实操作物的理解设计出能给用户带来方便的界面。例如数控钻床CNC5000V200操纵系统软件的图形界面中，有三个功能独立的过程（PROCESS）：OPERATE，PROGRAM，CONTROL。每个过程分不服务于系统的操作者，程序员和监控者（SUPERVISOR）。每一个过程都有自己的菜单行，在菜单行下的菜单是下拉菜单，具有自己的子菜单。子菜单能够被选择，以进行下一步的操作。(4)合理利用颜色和图形界面上使用颜色能够更好地进行提示操作，还能缓解操作者的视觉疲劳。所用颜色一般不超过3～5种。例如在数控钻床CNC5000V200操纵系统软件的图形界面中，高光表示被激活的过程（PROCESS），被激活的过程具有自己的色彩，并显示为屏幕的前景，OPERATE对应绿色，PROGRAM对应深蓝色，CONTROL对应浅蓝色。图形具有直观、形象、信息量大等优点，在界面中使用图形可增强操作的可理解性及易学易用性。(5)选择适合的字型和大小一个界面中，最好不要有太多的字型，更不宜选用字型太复杂或软弱无力的字体，越简洁清晰则辨识性越佳。例如，字符高宽比可取2∶1或1∶1，以便清晰识不。2.数控机床硬件界面设计原则由于数控机床应用数字技术实现了对机床的执行运动顺序和运动位移的直接操纵，传统机床的变速箱结构被取消或部分取消了，因而机械结构也大大简化了。数控机床的硬件人机界面的设计原则可归纳如下：(1)机床外观色彩的设计原则。机床固定安置，工作气氛平静，因此色彩不宜过于刺激与兴奋，也不宜过于沉闷，应使操作者在工作时心情愉快。一般以纯度低而明度高的颜色为宜，不宜大面积采纳有刺激和兴奋作用的色彩，但应有适当的对比效果，一般采纳装饰色带、面板色及警惕色与主体形成对比。关于大型机床设备，不宜采纳太浅的颜色，如略带中性灰的颜色可产生牢固有力及稳重的视觉感，同时可采纳多色配置，幸免整体色调较暗，达到既稳重又生动和谐的效果。有些机床形态，竖向长且有高耸、不稳定之感，为达到视觉上的稳定性，可用线条或色带对床身进行横向分割，利用分割错觉调整视觉上的尺寸比例感受，从而增加稳定感。(2)机床外观尺度与比例的设计原则机床要紧部件之间，以及它们与整个机床结构之间的尺度与比例，对机床造型设计来讲是至关重要的。例如，在确定机床的差不多尺寸时，运用了“黄金分割”的原则，机床的高度与长度之比为0.1618，使机床的轮廓更紧凑、机床各部件的尺寸关系更协调，增加了机床造型的美感。机床是以水平线作为整体布局的基准，各个部件之间均以水平线分割。水平线忌不整齐、无规则、无层次，要有严格的层次，要统一和协调，为机床增加周密感、规则感和稳定感。机床的垂直划分线不多，在其衬托下使机床的水平划分更加突出。垂直划分线应简明、规则、大方。此外，机床表面忌凹凸部位过多，以防积存油污灰尘，不易清理。(3)机床工作台面和操纵面板的布置原则主工作台面的高度应依照操作要求，按立姿，坐姿，坐/立姿的操作要求进行设计。工作台面上，像手轮和摇把类的手动操纵器的设计，应依照功能和使用方式的不同，进行大小、形状、类不及位置的设计。操纵面板上的操纵按钮和显示仪表，应按功能区进行划分，同时满足显示-操纵相合性的要求，其位置高度和布置排列应符合人机关系，使人方便操纵和观看。例如，显示仪表应尽量放置在人的水平视线向下0～30°的水平视野和人的垂直视野左右各15°的范围内。操纵面板上按钮的颜色依照用途进行分类，例如，红色表示危险、停止、禁止等，可用于车床的自动报警按钮、停止按钮等。绿色表示安全、正常、运行等，如机床的启动按钮就采纳绿色。工作台面上，位于操纵器上或侧旁，用文字或符号标明其功能的标号编码，宜用白色和黑色。4.1.2数控系统人机交互界面分类在数控系统中，人机交互界面要紧用于进行人机交互处理。即在用户的配合下，利用各种交互设备完成CNC系统的连接、各种工作模式的选择、调试运行治理和维修。用户按需选择CNC系统的工作模式，进行相应数据和命令的输入;CNC系统则适时针对用户的操作进行信息的反馈，向用户提供系统运行状态，提供操作和学习关心，当出现操作错误和系统故障时，产生错误和警告信息。CNC装置为用户提供的界面可分为程序操纵界面、数据输入界面和交互输出三类。(1)程序操纵界面程序操纵界面的作用是接收用户命令，完成对数控系统运行的操纵。如数控系统工作模式的切换操纵等。它有命令语言、菜单、窗口和直接操纵等形式。采纳命令语言形式时，用户在系统提示符下通过键入命令来操纵和操纵CNC系统的运行。使用命令语言形式比较灵活，占用屏幕少，但命令语言难以学习和经历，易出现输入错误，因此数控系统中专门少采纳这种形式。采纳菜单形式时，CNC系统在显示器的屏幕上提供一组可选的项目，使用者能够通过各种输入设备进行选择。如:操纵面板上的光标移动键或字母、数字键等来选取其中某一项。窗口形式的界面能同时显示多进程多任务的运行情况，它在一个显示屏幕上提供多个供用户观看或交互的视域，各个视域可完成或显示不同的内容，仿佛多个屏幕正在显示。(2)数据输入界面数据输入界面要紧用于向数控系统提供数据输入，它应为用户提供数据输入格式，提供缺省值，提供容错和修改功能，并向用户回送输入结果。数据输入方式能够是问答式输入、填表输入、菜单选择输入和直接操作输入等。问答式输入方式单调且速度太慢，在数控系统中多采纳填表式数据输入界面一数控系统在显示器上给出一张有明确数据项名称和范围的表格，用户可将一组数据，通过键盘较直观的填入表格。菜单输入和直接输入都要求系统为用户提供能够选择的数据和对象，其输入简单、方便，但输入数据被限制在预订范围内、编程实现较复杂。数控系统中的刀具参数设置、系统参数设置和数控加工程序编辑等界面都属于数据输入界面。(3)交互输出界面交互输出界面的作用是组织数控系统的输出，向用户提供系统运行的信息。在数控系统中，交互输出信息要紧包括:a.响应信息:对用户提供的操作请求、命令等信息作出响应；b.提示信息:提示用户系统现在正在做什么，以及下一步将做什么，如:当前以及下一数控加工程序段的显示；c.运行信息:以文字、图形和声音等方式提供给用户的系统运行结果信息，如:加工情况的大字符显示和图形显示；d.出错信息:当用户操作或系统运行出错时向用户提供的出错或警告信息；e.关心信息:数控系统向用户提供的操作使用方法等信息。数控系统应尽量把所有交互过程的信息都显示出来，在显示内容和形式上尽量做到美观、生动和较高的可视性。4.1.3数控系统常用的显示界面及其比较在CNC系统中，目前比较常见的显示界面有:(1)LED数码管显示方式，包括七段数码管与米字管；(2)CRT显示方式；(3)LCD液晶显示方式，包括字符点阵液晶模块与图形点阵液晶模块。第一种方式由于成本低廉，显示亮度高等特点，因而在早期的CNC数控系统中得到普遍使用。然而，数码管显示信息少，不能显示复杂的图文尤其是中文；另外，不易实现带光标显示。因此，专门难实现全屏幕编辑模式系统的显示接口，交互能力专门差。第二种方式具有显示容量大，视角宽广的优点;同时，它又有体积较大的缺点，要实现嵌入式操纵比较困难。第三种方式的特点是，显示信息容量大，特不是图形点阵液晶模块，能显示各种信息:与微处理器接口简单，本身又自带操纵器，能够大大减轻数控系统中微处理器CPU的负担;平板显示，外观豪华;加之，近年来，液晶模块价格普遍较低，又推出了许多宽视角系列，克服了LCD的缺点。因此，这种显示界面，特不适合作全屏幕编辑显示系统的硬件接口。目前现代数控系统普遍采纳LCD液晶显示器作为图形显示界面，再配合面板键盘就构成了操作人员与设备进行对话的界面了。显示器用于显示提示信息、系统运行状态或报警信息等。面板键盘由若干按键组成，其中的一组或几组功能键上有标明其作用的标志或字符，操作功能键，CNC就执行相应的功能。其余为一定数量的文字、数字、光标和编辑等按键，用于选择功能选项与参数，送入或修改CNC系统参数和数控加工程序等。4.1.4人机界面设计的过程

人机界面的设计过程可分为以下几个步骤：

1.创建系统功能的外部模型设计模型要紧是考虑软件的数据结构、总体结构和过程性描述，界面设计一般只作为附属品，只有对用户的情况(包括年龄、性不、心理情况、文化程度、个性、种族背景等)有所了解，才能设计出有效的用户界面；依照终端用户对以后系统的假想(简称系统假想)设计用户模型，最终使之与系统实现后得到的系统映象(系统的外部特征)相吻合，用户才能对系统感到中意并能有效的使用它；建立用户模型时要充分考虑系统假想给出的信息，系统映象必须准确地反映系统的语法和语义信息。总之，只有了解用户、了解任务才能设计出好的人机界面。

2.确定为完成此系统功能人和计算机应分不完成的任务

任务分析有两种途径。一种是从实际动身，通过对原有处于手工或半手工状态下的应用系统的剖析，将其映射为在人机界面上执行的一组类似的任务；另一种是通过研究系统的需求规格讲明，导出一组与用户模型和系统假想相协调的用户任务。

逐步求精和面向对象分析等技术同样适用于任务分析。逐步求精技术可把任务不断划分为子任务，直至对每个任务的要求都十分清晰；而采纳面向对象分析技术可识不出与应用有关的所有客观的对象以及与对象关联的动作。

3.考虑界面设计中的典型问题

设计任何一个机界面，一般必须考虑系统响应时刻、用户求助机制、错误信息处理和命令方式四个方面。系统响应时刻过长是交互式系统中用户抱怨最多的问题，除了响应时刻的绝对长短外，用户对不同命令在响应时刻上的差不亦专门在意，若过于悬殊用户将难以同意；用户求助机制宜采纳集成式，幸免叠加式系统导致用户求助某项指南而不得不扫瞄大量无关信息；错误和警告信息必须选用用户明了、含义准确的术语描述，同时还应尽可能提供一些有关错误恢复的建议。此外，显示出错信息时，若再辅以听觉(铃声)、视觉(专用颜色)刺激，则效果更佳；命令方式最好是菜单与键盘命令并存，供用户选用。

4.借助CASE工具构造界面原型，并真正实现设计模型软件模型一旦确定，即可构造一个软件原形，现在仅有用户界面部分，此原形交用户评审，依照反馈意见修改后再交给用户评审，直至与用户模型和系统假想一致为止。一般可借助于用户界面工具箱(Userinterfacetoolkits)或用户界面开发系(Userinterfacedevelopmentsystems)提供的现成的模块或对象创建各种界面差不多成分的工作。4.1.5目前数控系统人机界面的研究现状目前，世界上高档数控系统要紧由日本、德国、法国等国生产。其中法国NUM公司是一家专门从事CNC数控系统的开发和研究〔6]，是施耐德集团的子公司，欧洲第二大数控系统供应商。NUM公司的数控系统以其软件的开放、灵活、高效和高精度而著称;尤其以其开放性的人机界面功能深受宽敞用户的欢迎，用户能够开发出适合自己产品的专用人机界面，因而在世界范围内的机床行业中其数控系统的销售量处于领先地位。NUM数控系统的MMITOOL软件确实是专门用于编写CNC用户界面的软件，它能够在PC机的Windows环境下运行，具有丰富的图形库，简化了页面的制作。它有和VisualBASIC相同的编写方法，简单易学，并可方便地定制机床CNC的上下联系和纵横联系的个性化应用界面。用户使用MMITOOL软件设计人机界面包括两个方面:图形界面层设计和关系层设计。图形界面层设计要紧用于为用户提供可视化的图形界面，包括主界面设计、工作方式选择界面、手动操作界面、参数界面设计和报警信息界面等。图形界面设计时期所设计的仅仅只是一个图面而己，它要发挥作用必须与NC和PLC联系起来。MMITOOL软件提供了详细的数据库，编程人员需要将它们之间一一联系起来。通过这种功能强大又使用灵活的界面制作软件，我们就能编出适合自己机床特点的机床界面，从而带来机床加工效率的提高。4.2人机界面编辑系统的整体框架研究4.2.1数控人机界面的差不多特点可简单区分为四区(见图4-2-1中的数字标注)。第一区:是液晶屏幕显示区。第二区:是功能模式操作，指令码按键区。第三区:是专门功能按键区。第四区:是坐标位置，程序，编辑图4-2-1GE系列操纵器外观4.2.2数控系统人机界面概述通过人机界面设计使操作者能够实时操纵机器和了解机器的状态行为。操作者每输入一个命令后，能够及时得到机器的反馈或反应信息。液晶屏幕在人机交互系统中担负着传递信息至用户的任务，液晶屏幕的显示内容由若干“页面”组成，所谓“页面”指的是液晶上显示的一屏，显示媒体由两部分组成:静态图形元素和动态图形元素。静态图形元素包括示意图、修饰性图形、讲明性的文字及提示信息等，由汉字、字符和图形组成;动态图形元素指实时刷新的数值或可由用户修改的信息，在人机交互软件中是用数值变量来表示的。图4-2-2是一个典型的数控系统的人机对话图形界面，从图中能够看出一个图形界面通常由以下几种图形元素构成:图4-2-2数控人机界面的组成元素4.2.3人机界面编辑软件的框架设计界面编辑系统软件要设计成组态软件的形式。也确实是编辑软件要能够让用户在面对不同的数控设备时，只需要利用绘图软件包组态绘制出该数控设备的显示画面，并设定画面图元参数就能够实现对数控设备的综合操纵。这种高度可移植性的软件系统，不仅使软件操作起来简便易行，在线维护方便，而且可视化的图形界面使界面编辑软件具备了良好的人机交互界面。界面编辑系统结构分为文件治理、屏幕图形编辑、编译处理、模拟仿真等几大模块。总体结构如图2-3所示，现分不介绍模块的功能:(1)文件治理:用于对屏幕图形文件、数据文件和图元库文件的保存、读取和删除等。(2)屏幕图形编辑:屏幕图形编辑模块是一个供用户进行人机界面图形设计和显示的具有实时人机交互功能的通用性核心模块。功能特性如下:a.依照数控显示界面的特点，本模块提供直线、矩形、圆、圆弧、文字、图片等差不多图形元素及变数显示、动态文字、动态图片、表格、功能按键5种专门图形元素。b.本模块还提供移动、删除、缩放、复制和层次变换等差不多图形编辑工具，方便用户灵活编辑各种图形。c.屏幕图形元素是以矢量图形方式表达，因此在编辑中可不能有失确实现象。d.每个屏幕图形元素具有自己的属性，用户通过修改图形元素的属性值来操纵它的功能。图4-2-3数控人机界面编辑系统框架结构(3)编译处理:，是指将用户设计的屏幕图形元素的几何参数、功能属性等信息转化为数控操作系统的数据要完成从而显示工作。(4)模拟仿真:模拟功能分为离线模拟和在线模拟两种，离线模拟不与数控设备联系，由电脑简单模拟各屏幕显示效果，而在线模拟将由电脑接管数控操作界面的部分功能，通过串口通讯与数控设备通讯，在线模拟将真实再现最终界面设计效果。4.2.4开发工具的选择依照设计本程序的需要，本文选用C++Builder5.0来编制系统图形编辑器，C++Builder5.0是闻名的Borland公司开发的可视化开发工具。它基于Microsoft公司的32位操作系统Windows系列，具有高效、最优化、可视化应用程序开发环境和强大的数据库开发能力。C++Builder5.0使用的程序语言是C++语言，C++是一门高效有用的程序设计语言，它既可进行过程化程序设计，也能够进行面向对象程序设计，强调对高级抽象的支持，用它开发出的应用程序具有可重用的特点。通过二十多年的进展，己逐渐成熟与完善，并广泛应用于科学与工程等多个领域。高质量的代码能有效地降低软件的复杂度和提高开发效率。面向对象方法的继承性是一种代码重用的有效途径。在软件设计时能够利用一些已被精心设计好同时通过测试的代码，这些可重用的代码被组织和存放在程序设计环境的类库中。由于类库中的这些类的存在，使以后的程序设计过程变得简单，程序的复杂性不断降低、正确性不断加强，也越来越易于理解、修改和补充。利用面向对象的方法，能够建立一个定义良好的接口，以关心系统的设计、实现、维护和程序的重用。本软件要紧进行的是逻辑推理，用到的要紧是面向对象的机制。4.2.5数据结构的研究关于数据结构类型的选择，在本课题中要紧考虑了如下方面:首先是要满足关于待处理的数据元素及其关系的描述:其次，在能够完整描述问题空间所有数据元素及它们之间关系的基础上，应采纳尽可能简单的数据结构，以幸免复杂数据结构带来的复杂操作:同时，应考虑与其它模块之间数据结构的通用性。人机界面设计数据具有“一个对一个”的特点，正好符合线性结构的特点。基于以上考虑，本课题中采纳了具有线性特性的数据结构来实现人机界面编辑过程中图元添加、删除及修改时设计数据的保存和读取数据的高效性。系统采纳了标准模板库(STL)中的标准序列容器vector。标准模板库(StandardTemplateLibrary)是一个C++容器类库，算法和迭代器。他提供许多差不多算法，数据结构。STL是一个通用库，它能够充分定制，因为几乎所有的STL组件差不多上模板。STL是标准化组件，如此你就不用重新开发它们了。你能够仅仅使用这些现成的组件。STL现在是C++的一部分，因此不用额外安装什么。它被内建在编译器之内。我们用到的vector容器是相当易于使用，vector是可动态改变大小的顺序存储的线性表，也叫“动态数组”，因为采纳的是随机迭代器，因此得到某一位置的值特不快。STL容器能够保存对象，内建对象和类对象。它们会安全的保存对象，并定义我们能够操作的那个对象的接口。因此，在STL容器中的对象也专门安全。STL算法是标准算法，我们能够把它们应用在那些容器中的对象上。这些算法都有专门闻名的执行特性。它们能够给对象排序，删除它们，给它们记数、比较，找出专门的对象，把它们合并到另一个容器中，以及执行其他有用的操作。STL所有的东西，确实是容器、算法和同意算法工作在容器中的元素上的iterator(迭代器)。算法以合适、标准的方法操作对象，STLiterator就像是容器中指向对象的指针。在本软件中采纳了vector容器来存储设计过程中涉及到的人机界面数据，要紧对象容器定义如下:vector<GObject*>m-children;//定义用于存放子图元对象指针的容器vector<GPoint>m-vertices;//定义用于存放图元顶点坐标的容器vector<GCanvas*>m-canvas;//定义用于存放各编辑画面对象指针的容器通过vector容器模板自带的push一ack成员函数将要加入的对象压入到相应种类容器中，通过如此的操作就把各对象逐一的放入容器中，再通过其他成员函数如erase,insert等对它们进行操作，实现各对象数据的集中治理。4.2.6小结本章概括介绍了数控人机界面的差不多特点，分析了软件的功能和采纳的设计原则，在此基础上对人机界面编辑系统进行了框架设计，确定了各个功能模块，确定了软件的开发平台和开发工具，最后确定了软件使用的要紧数据结构。第五章加工过程虚拟仿真系统的研究5.1虚拟仿真系统1．虚拟仿真系统的缘故随着数控加工技术在机械制造业中的广泛应用,数控机床已成为不可缺少的高新技术基础设备。然而,数控加工中的程序代码可能会由于种种缘故而产生错误,因此要对其进行检验。传统的检验方法是试切法,这种方法费时又费劲,降低了生产效率。采纳计算机仿真技术对加工过程进行虚拟，通过计算机图形构成的三维数字模型，编制到计算机中去产生逼确实“虚拟环境”，从而使得用户在视觉上产生一种沉醉于虚拟环境的感受，这确实是虚拟仿真技术的浸没感（Immersion）或临场参与感。虚拟仿真与通常CAD系统所产生的模型以及传统的三维动画不同，它不是一个静态的世界，而是一个开放、互动的环境，\o"虚拟现实"虚拟现实环境能够通过操纵与监视装置阻碍或被使用者阻碍，这是VR的第二个特征，即交互性（Interaction）。2.加工仿真系统原理随着我国高等职业教育的飞速进展，以及数控加工技术在机械制造业中的广泛应用，大批数控机床操作人员的专业培训成为迫切而又难以解决的问题。在传统的操作培训中，数控机床编程与操作的有效培训必须在真实的机床上进行。但是随着学生人数的不断增加，有限的机床数量难以保证每位学生有足够的上机操作时刻，同时学生在真实机床上操作还具有一定的危险和不安全性，培训中的误操作经常会导致设备、刀具等的损坏，甚至引发人身损害事故，增加了培训成本。因此，传统的机床操作培训方法效率低、教师工作量大、培训费用高，需要用更新的方法来取代。（1）虚拟现实技术的特点虚拟现实，英文名为VirtualReality，简称VR技术，其特点在于通过计算机产生一种人为虚拟的环境，这种虚拟的环境是由计算机图形构成的三维数字模型，并编制到计算机中去生成一个以视觉感受为主，也包括听觉、触觉的综合可感知的人工环境，从而使得在视觉上产生一种沉醉于那个环境的感受，能够直接观看、操作、触摸、检测周围环境及事物的内在变化，并能与之发生“交互”作用，使人和计算机专门好地“融为一体”，给人一种“身临其境”的感受。虚拟现实是进展到一定水平上的计算机技术与思维科学相结合的产物，它的出现为人类认识世界开发了一条新途径。虚拟现实的最大特点是：用户能够用自然方式与虚拟环境进行交互操作，改变了过去人类除了亲身经历，就只能间接了解环境的模式，从而有效的扩展了自己的认知手段和领域。另外，虚拟现实不仅仅是一个演示媒体，而且依旧一个设计工具，它以视觉形式产生一个适人化的多维信息空间，为我们创建和体验虚拟世界提供了有利的支持。由于虚拟现实技术的实时三维空间表现能力、人机交互式的操作环境以及给人带来的身临其境的感受，它在军事和航天领域的模拟和训练中起到了举足轻重的作用。近年来，随着计算机硬件软件技术的进展以及人们越来越认识到它的重要作用，虚拟技术在各行各业都得到了不同程度的进展，同时越来越显示出宽敞的应用前景。虚拟现实技术在改造传统产业上的价值体现于：用于产品设计与制造，能够降低成本，幸免新产品开发的风险；用于产品演示，可借多媒体效果吸引客户、争取订单；用于培训，可用“虚拟设备”来增加职员的操作熟练程度。虚拟现实技术将使众多传统行业和产业发生革命性的改变。（2）数控加工仿真系统随着虚拟现实技术及计算机技术的进展，出现了能够模拟实际机床加工环境及其工作状态的计算机仿真加工系统，数控机床的模拟操作在显示屏显示的仿真面板上进行，而零件切削过程由机床模型通过三维动画演示。由硬件实现零件切削过程，这时除了操作者是用仿真面板操作外，其它则与实际机床的真实情况一样。即利用计算机和其他的专用硬件、软件去产生一种真实场景的仿真，操作者能够通过与仿真场景的交互，来体验一种接近于真实的场景的感受。因此，采取这种方法能进一步提高操作者的实际操作技能。数控仿真系统的核心是虚拟数控机床，而虚拟数控机床又是虚拟制造技术中的一个重要的执行单元，它能够在数控加工过程中为产品设计提供了可制造性的分析。数控仿真系统完全模拟真实零件的加工过程，能够检验各种数控指令是否正确，能提供与真实机床完全相同的操作面板，其调试、编辑、修改和跟踪执行等功能也一应俱全。3虚拟数控机床平台的构建虚拟数控机床一般是通过以下的构建平台来实现上述功能：（1）NC解释平台。NC解释平台包括NC解释器和NC验证器。任务分配数据库从任务调度中同意数控代码并将其翻译为虚拟机床的部件、刀具等运动的信息，并将其通过计算模块来模拟机床的响应，NC解释器能够被自由地配置从而能够模拟任何一种数控机床的CNC操纵器。（2）NC验证器。能够验证NC代码的语法是否正确。（3）刀具库。刀具库应包括一台数控机床所需要的所有刀具，并能自由配置刀具库中的刀具号，从而能模拟任何一种数控机床的换刀形式及切削加工的要求。（4）仿真平台。仿真平台包括刀具轨迹仿真、切削力仿真，加工精度仿真、三维动画仿真、加工工时统计分析，仿真平台是虚拟数控机床的核心技术。操作者能够在虚拟的环境中进行机床运动和切削过程等的仿真，从中获得相关的加工数据。如进给轴的位移量、换刀状态、主轴转速、加速度、进给量、加工时刻等。通过加工过程的仿真，了解所设计工件的可加工性，验证NC代码的正确性以及评价和优化加工过程，并通过在线修改NC代码来将其优化。（5）计算平台。计算平台用来完成虚拟数控机床中各种计算，如依照NC代码计算加工零件新的几何形状，依照刀具的材料、运行时刻、零件的材料性质和润滑介质的性质计算刀具的补偿量和热补偿量。这些计算结果是虚拟数控机床在应用于虚拟制造过程中的加工方案评价以及可制造性分析所必须的。（6）设计开发平台。虚拟数控机床的设计平台是一个面向对象的数控软件库及其开发环境。通过对数控软件的标准化、规范化研究和其它CAD／CAM软件的数据交换，并对典型的零件进行封装，设计成具有稳定、通用接口的可重复使用的软件。（7）操作运行平台和监控平台。在虚拟环境中完全实现真实机床的操作，让使用者完全感受到真实机床的运行特性。在这些基础上的监控硬件和软件，用来操纵简易机床．增加虚拟数控机床的真实感．同时能够进行典型零件的实验性试切加工，让使用者有一种身临其尽的感受。尤其是在数控教学和培训过程中，初学数控编程者需要大量的编程练习，并进行实际调试。用试切法来检验数控加工程序显然不合理，而且也难于实现。假如利用仿真技术，这些问题能够轻松得到解决，从而幸免