試論數(shù)控加工動(dòng)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(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)的研發(fā)

（1）整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。如圖1所示，首先通過(guò)藍(lán)天數(shù)控系統(tǒng)解釋器進(jìn)行工件程序的讀取，再進(jìn)行語(yǔ)法、詞法等檢查分析工作，在提取數(shù)控程序過(guò)程的同時(shí)對(duì)刀具和工藝信息進(jìn)行加工。接下來(lái)，動(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)會(huì)對(duì)刀具、工件等物體進(jìn)行初始實(shí)體模型的構(gòu)造，通過(guò)分析系統(tǒng)中各個(gè)組成部件的幾何信息和位置信息，實(shí)現(xiàn)加工環(huán)境的動(dòng)態(tài)三維實(shí)體顯示。與刀具軌跡相關(guān)的刀位點(diǎn)的信息以及計(jì)算可以從NML（Neutral Message Language）通道中獲得，如此便可計(jì)算出刀具掃描體中的幾何體了。需要注意的是，刀具會(huì)沿著刀位點(diǎn)而移動(dòng)，所以要重點(diǎn)檢測(cè)刀具是否在運(yùn)動(dòng)過(guò)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(shí)體與刀具掃描體不斷地進(jìn)行布爾差數(shù)學(xué)運(yùn)算時(shí)，動(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)便會(huì)實(shí)時(shí)顯示工件實(shí)體的加工過(guò)程。

圖1 數(shù)控加工動(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)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(dú)立出來(lái)的RCS模塊，通過(guò)NML這種標(biāo)準(zhǔn)通信語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)相互之間的通信聯(lián)系。而任務(wù)控制器系統(tǒng)與動(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)之間的通信則是需要經(jīng)過(guò)共享緩沖區(qū)來(lái)實(shí)現(xiàn)。基于NML的消息機(jī)制，大體上可分為3種消息：狀態(tài)、命令和錯(cuò)誤。即是，從任務(wù)控制器中返回的一切狀態(tài)信息，三維實(shí)體動(dòng)態(tài)仿真模塊中發(fā)出的所有控制命令信息以及錯(cuò)誤信息。當(dāng)數(shù)控加工動(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)處于初始化狀態(tài)時(shí)，狀態(tài)、命令和錯(cuò)誤的信息也將根據(jù)系統(tǒng)中的NML的通信配置文件進(jìn)入初始化，進(jìn)而創(chuàng)建一片能被任務(wù)進(jìn)行部分共享的連續(xù)性緩沖區(qū)，最后要在二者之間實(shí)現(xiàn)通信則只需再對(duì)緩沖區(qū)中全局變量進(jìn)行實(shí)時(shí)讀寫便可以了。成功的信號(hào)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(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)時(shí)也關(guān)閉了NML通道。

2 數(shù)控加工動(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)中相關(guān)軟件的開(kāi)發(fā)及建模

此套仿真軟件主要通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和計(jì)算機(jī)的仿真技術(shù)來(lái)模擬數(shù)控加工的整個(gè)過(guò)程，讓加工人員可以對(duì)整個(gè)加工過(guò)程通過(guò)觀察計(jì)算機(jī)屏幕而有直觀的印象。同時(shí)可以聯(lián)系整個(gè)操作流程，進(jìn)而驗(yàn)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(jī)床的操作流程。

（1）仿真軟件開(kāi)發(fā)的需求分析。首先是實(shí)時(shí)性。仿真軟件開(kāi)發(fā)的目的是方便用戶更準(zhǔn)確地校對(duì)程序以及使用機(jī)床，因此系統(tǒng)能在用戶仿真體驗(yàn)中的要求給予回應(yīng)。例如，用戶如果在加工程序中，需要對(duì)照觀察加工時(shí)某一時(shí)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(shí)時(shí)達(dá)到客戶的要求；其次是動(dòng)態(tài)性。仿真系統(tǒng)的動(dòng)畫(huà)功能事實(shí)上是不斷將點(diǎn)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(dá)出來(lái)，并匹配圖像中的動(dòng)畫(huà)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(yǔ)法的檢查和工件表面的粗糙度估算及預(yù)測(cè)加工時(shí)間，這樣能優(yōu)化應(yīng)用仿真軟件的程序，進(jìn)而在實(shí)際加工中提供更好的服務(wù)。

（2）仿真軟件開(kāi)發(fā)中主要實(shí)現(xiàn)的功能。檢查NC文件的語(yǔ)法；反證機(jī)床實(shí)際加工的過(guò)程，得到相應(yīng)結(jié)果；實(shí)時(shí)監(jiān)控仿真過(guò)程，校對(duì)NC文件的準(zhǔn)確性；同步顯示機(jī)床加工時(shí)間和狀態(tài)；通過(guò)測(cè)試NC文件的執(zhí)行時(shí)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(yǔ)法，編譯可識(shí)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(shí)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(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)的應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

3.1 機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

數(shù)控系統(tǒng)一般作為獨(dú)立于其他操作過(guò)程的控制單元，作用于各個(gè)對(duì)象的控制中，控制和管理是系統(tǒng)軟件需要完成的工作。控制軟件包括刀具補(bǔ)償、插補(bǔ)計(jì)算、譯碼、位置控制以及速度預(yù)處理等密切聯(lián)系機(jī)床加工的功能。管理軟件包括I／O處理、診斷、顯示、輸入等。控制和管理的任務(wù)在多數(shù)條件下需要同時(shí)進(jìn)行，例如控制和顯示要同時(shí)進(jìn)行，位置控制和插補(bǔ)也需要同時(shí)進(jìn)行。數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和任務(wù)多使系統(tǒng)中斷毫無(wú)爭(zhēng)議占領(lǐng)整個(gè)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(bǔ)周期的定時(shí)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(dòng)報(bào)警中斷；硬件中斷是各個(gè)硬件的故障檢測(cè)裝置中發(fā)出的中斷。

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

3.2 機(jī)械管理設(shè)計(jì)

（1）I／O處理。主要處理有關(guān)數(shù)控車床面板中的開(kāi)關(guān)信號(hào)，輸入、輸出并控制車床電氣信號(hào)（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(bào)警顯示及道具位置顯示等。

（3）診斷。具有診斷聯(lián)機(jī)和脫機(jī)的功能。聯(lián)機(jī)診斷指的是數(shù)控車床工作中進(jìn)行的自診斷程序，也可以對(duì)錯(cuò)誤事件進(jìn)行檢測(cè)。脫機(jī)診斷指的是數(shù)控車床具備的脫機(jī)診斷程序操作，針對(duì)存儲(chǔ)器、I／O接口、外圍設(shè)備等的檢測(cè)。

3.3 機(jī)械控制設(shè)計(jì)

（1）譯碼處理。針對(duì)零件程序的處理，是指按照相關(guān)的語(yǔ)法規(guī)則將其翻譯成計(jì)算機(jī)可以識(shí)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(shí)，還會(huì)自動(dòng)對(duì)程序段進(jìn)行語(yǔ)法檢查，并在發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤后報(bào)警。

（2）刀具補(bǔ)償。根據(jù)刀具的參數(shù)來(lái)制作刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償以及半徑補(bǔ)償量，并通過(guò)零件輪廓軌跡來(lái)計(jì)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(guò)合成速度來(lái)計(jì)算各個(gè)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)中的分速度，并依照機(jī)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(lái)規(guī)劃速度。

（4）插補(bǔ)運(yùn)算。插補(bǔ)精度對(duì)數(shù)控系統(tǒng)中工件加工的精度有直接的影響，此外，插補(bǔ)速度也對(duì)工件的加工速度和表面粗糙度有很大的影響，因此，插補(bǔ)是一項(xiàng)實(shí)時(shí)性強(qiáng)，對(duì)精度要求很高的運(yùn)算。

（5）位置控制。伺服系統(tǒng)中的每個(gè)采樣周期，都比較了插補(bǔ)計(jì)算中的理論位置和實(shí)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(dòng)器控制的伺服電機(jī)中。同時(shí)，還要求完成調(diào)整位置回路中的增益、補(bǔ)償各坐標(biāo)中的螺距誤差及反向間隙，以此來(lái)提高機(jī)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(shí)的技術(shù)在其改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)中的價(jià)值首先體現(xiàn)在教育上。數(shù)控仿真系統(tǒng)通過(guò)“虛擬設(shè)備”來(lái)鍛煉學(xué)員操作中的熟練程度，毫無(wú)疑問(wèn)是一種極具價(jià)值的輔助教學(xué)工具。伴隨數(shù)控機(jī)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(jī)床編程相關(guān)知識(shí)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(jī)床的品種繁多，市場(chǎng)上價(jià)格也很高，一臺(tái)普通的數(shù)控銑床或數(shù)控車床也需十幾萬(wàn)到二、三十萬(wàn)不等，而數(shù)控加工中心更是需要幾十萬(wàn)甚至幾百萬(wàn)。操作數(shù)控機(jī)床的訓(xùn)練如果完全依賴實(shí)訓(xùn)數(shù)控機(jī)床，則因?yàn)橥度胩蟆⑾倪^(guò)多導(dǎo)致成本過(guò)高，并且還有一定危險(xiǎn)性。于是，針對(duì)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(shí)踐，打破了以往的數(shù)控僅限于書(shū)本知識(shí)的教學(xué)方式，更增加了學(xué)生自主參與的機(jī)會(huì)，大大提高了對(duì)數(shù)控機(jī)械操作的實(shí)踐熟練性。數(shù)控加工的仿真系統(tǒng)主要針對(duì)“數(shù)控編程和操作”的理論教學(xué)，是數(shù)控操作實(shí)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(guó)外軟件中能夠適應(yīng)數(shù)控系統(tǒng)和機(jī)床并不多，所以不適合我國(guó)的國(guó)情，目前國(guó)內(nèi)較為常見(jiàn)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(gè)軟件各自的特點(diǎn)。

（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(guò)了勞動(dòng)和社會(huì)保障部的評(píng)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(shí)也是全國(guó)性數(shù)控技能大賽中被唯一指定使用的軟件，也是國(guó)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(duì)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(guó)家“863”計(jì)劃課題的項(xiàng)目之一，1995年被中國(guó)南京宇航自動(dòng)化技術(shù)研究所推入市場(chǎng)。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(shí)技術(shù)針對(duì)數(shù)控加工操作技能的培訓(xùn)和考核。不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(duì)刀具和操作面板課程的訓(xùn)練。此套軟件在具備多機(jī)床、多系統(tǒng)、多零件加工的仿真模擬功能的同時(shí)，還具備在真實(shí)設(shè)備上也無(wú)法進(jìn)行的三維測(cè)量等功能，其良好的操作安全性，使學(xué)生不會(huì)因?yàn)殄e(cuò)誤的操作而造成傷害，也不會(huì)對(duì)機(jī)床造成破壞。軟件還可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)來(lái)搭建師生交流的平臺(tái)，給老師的教學(xué)和學(xué)生的學(xué)習(xí)都帶來(lái)便利。

上述的幾款軟件都能在一定程度上實(shí)現(xiàn)人機(jī)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(lái)越強(qiáng)大，進(jìn)而使操作界面給人的真實(shí)感也越來(lái)越強(qiáng)，并且?guī)缀醢怂谐Ｒ?jiàn)的數(shù)控系統(tǒng)，是數(shù)控機(jī)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(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)出現(xiàn)在應(yīng)用中的問(wèn)題以及解決方法

通過(guò)計(jì)算機(jī)的仿真加工可以給我們帶來(lái)很多新用途，實(shí)現(xiàn)很多以前不能完成的工作，例如，預(yù)先估計(jì)加工結(jié)果，各種加工數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)并優(yōu)化加工過(guò)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(dòng)手的機(jī)會(huì)、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(shí)際切削加工過(guò)程中的感受，特別是在切削用量大小的選擇上，系統(tǒng)也無(wú)法進(jìn)行控制，而只是針對(duì)切削深度的限制。學(xué)員在利用仿真系統(tǒng)進(jìn)行編程和操作訓(xùn)練中，也容易忽視對(duì)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(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)打刀或者降低實(shí)際零件加工時(shí)的質(zhì)量、降低零件生產(chǎn)效率、增加額外消耗等問(wèn)題。

另外，學(xué)生在仿真系統(tǒng)軟件中進(jìn)行數(shù)控加工技能訓(xùn)練時(shí)，也容易產(chǎn)生對(duì)計(jì)算機(jī)的依賴心理，或因沉迷于仿真加工而疏于在數(shù)控機(jī)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(lái)進(jìn)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(jìn)行，盡量通過(guò)加大實(shí)際數(shù)控機(jī)床的操作訓(xùn)練和綜合課題訓(xùn)練來(lái)彌補(bǔ)以上的不足。

5 結(jié)束語(yǔ)

數(shù)控加工動(dòng)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(yàn)正確性的能力。此套系統(tǒng)的研發(fā)方便了用戶對(duì)車床加工過(guò)程的監(jiān)控，對(duì)其實(shí)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(jī)床的要求，并為學(xué)校的教學(xué)管理節(jié)約了大量經(jīng)費(fèi)，優(yōu)化了設(shè)備購(gòu)置經(jīng)費(fèi)的使用，且具備投資小、占用少的優(yōu)點(diǎn)。

［1］陳嬋娟，薛愷，常美蓉，李春義.數(shù)控機(jī)床動(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā).［J］.機(jī)床與液壓，2009.（06）.

［2］高艷平.數(shù)控加工動(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)的應(yīng)用研究.［N］.天津職業(yè)院校聯(lián)合學(xué)報(bào)，2011.（02）.

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