開放式數(shù)控系統(tǒng)中遠(yuǎn)程加工形狀設(shè)計(jì)與加工過程仿真研究*

魏勝利，彭云峰

(安陽工學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息工程學(xué)院，河南 安陽 455000)

0 引言

在進(jìn)行數(shù)控加工之前，通常需要對(duì)加工程序進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證通常采用直接的“試切法”［1-2］。這種“試切法”既耗時(shí)又浪費(fèi)材料，容易出現(xiàn)問題且有時(shí)效果不佳［1-3］。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展為解決這個(gè)問題提供了一種有效的途徑。采用仿真方法，能用一種近似真實(shí)的方法，直觀的檢查數(shù)控加工程序，監(jiān)視加工過程，校驗(yàn)其加工代碼的正確性。而且還可以防止出現(xiàn)刀具與工件、夾具、機(jī)床之間的干涉與碰撞，并且還可以大大節(jié)省NC 程序調(diào)試時(shí)間，減少昂貴的試切費(fèi)用，從而縮短產(chǎn)品的試制周期、降低成本、提高數(shù)控加工效率、保證數(shù)控機(jī)床的安全性［3］。

人們采用多種方法對(duì)數(shù)控加工過程進(jìn)行仿真。文獻(xiàn)［1］采用三維圖形消隱的方法實(shí)現(xiàn)仿真。文獻(xiàn)［2-5］采用了三維圖形繪制技術(shù)OpenGL 配合VC++實(shí)現(xiàn)仿真。文獻(xiàn)［6-7］采用專門的數(shù)控仿真軟件VERICUT實(shí)現(xiàn)仿真。文獻(xiàn)［8］采用了LabWindows 下的dSpace技術(shù)實(shí)現(xiàn)仿真。文獻(xiàn)［9］采用MATLAB 實(shí)現(xiàn)仿真。人們采用仿真的目的也不相同，文獻(xiàn)［8-10］為了測(cè)試加工的過程是否正確而進(jìn)行仿真。文獻(xiàn)［11］為了驗(yàn)證刀具干涉而進(jìn)行仿真。文獻(xiàn)［12］為了驗(yàn)證加工工藝而進(jìn)行仿真。

上述研究對(duì)數(shù)控系統(tǒng)加工過程的仿真都是基于本地進(jìn)行的。本文提出了一種基于開放式數(shù)控系統(tǒng)的加工形狀遠(yuǎn)程設(shè)計(jì)和加工過程遠(yuǎn)程仿真。遠(yuǎn)程設(shè)計(jì)與仿真通過以太網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)，甚至可以擴(kuò)展到因特網(wǎng)。現(xiàn)在是一個(gè)資源全球共享的時(shí)代，集成制造、自適應(yīng)制造風(fēng)起云涌。這些都對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展提出了新的要求。數(shù)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展成為一個(gè)趨勢(shì)。數(shù)控系統(tǒng)逐漸成為一個(gè)功能更加強(qiáng)大的加工中心，也更加的智能，同時(shí)它也成為全球某個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。數(shù)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化為數(shù)控制造共享全球資源、實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)制造一體化及快速制造提供了可能。遠(yuǎn)程加工形狀設(shè)計(jì)以及遠(yuǎn)程加工仿真監(jiān)控成為數(shù)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的一個(gè)重要發(fā)展方向。

本課題對(duì)該開放式數(shù)控系統(tǒng)中的加工形狀遠(yuǎn)程設(shè)計(jì)和加工過程遠(yuǎn)程仿真進(jìn)行了研究。系統(tǒng)的工作過程是，在PC 機(jī)上設(shè)計(jì)要加工的曲面的形狀，將設(shè)計(jì)好的曲面的參數(shù)通過網(wǎng)絡(luò)傳遞給一個(gè)微處理器，由微處理器根據(jù)這些參數(shù)進(jìn)行自由曲面插補(bǔ)運(yùn)算，計(jì)算出相應(yīng)的加工坐標(biāo)數(shù)據(jù)，同時(shí)將這些坐標(biāo)數(shù)據(jù)及其它信息通過以太網(wǎng)傳遞給PC 機(jī)。PC 機(jī)在接收到相關(guān)數(shù)據(jù)后，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行保存或者顯示，并實(shí)時(shí)的繪制加工的形狀，實(shí)現(xiàn)對(duì)加工過程實(shí)時(shí)重現(xiàn)或者仿真。同時(shí)，PC機(jī)可以根據(jù)收到的數(shù)據(jù)判斷設(shè)計(jì)是否存在缺陷，能否滿足設(shè)計(jì)要求;判斷加工過程是否存在問題，進(jìn)行故障診斷;還可以根據(jù)設(shè)計(jì)曲面的信息及刀具現(xiàn)在的位置和角度判斷是否存在刀具干涉的可能。

實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程設(shè)計(jì)和加工過程仿真具有重要意義。在制造業(yè)中，傳統(tǒng)的制造已經(jīng)趨于次要地位，而工業(yè)設(shè)計(jì)則成為首要的任務(wù)，是一個(gè)制造企業(yè)的重中之重。任何的設(shè)計(jì)不能一蹴而就，需要多次的嘗試和修改。在傳統(tǒng)方法下，設(shè)計(jì)人員需要將設(shè)計(jì)形狀傳給操作人員，操作人員進(jìn)行試加工，發(fā)現(xiàn)問題反饋給設(shè)計(jì)人員，設(shè)計(jì)人員進(jìn)行修改。需要往返多次才可能最終完成設(shè)計(jì)。這不但需要設(shè)計(jì)人員和操作人員都具有相當(dāng)?shù)膶I(yè)知識(shí)，他們之間還需要有良好的溝通。而經(jīng)常情況下，溝通過程中通常會(huì)出現(xiàn)問題。多次的來往反復(fù)也使設(shè)計(jì)過程漫長。在此過程中也可能泄漏設(shè)計(jì)秘密。而遠(yuǎn)程設(shè)計(jì)和仿真則只需設(shè)計(jì)人員一個(gè)人在異地就可以實(shí)現(xiàn)加工形狀的設(shè)計(jì)和試加工，從而發(fā)現(xiàn)問題，便于快速修改設(shè)計(jì)，避免上述所說的問題。

1 體系結(jié)構(gòu)

本文的作者曾在文獻(xiàn)［13］中提出了一種開放式并行的數(shù)控系統(tǒng)。本文在此體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上引入以太網(wǎng)技術(shù)，研究了數(shù)控系統(tǒng)加工圖形遠(yuǎn)程設(shè)計(jì)及加工過程遠(yuǎn)程仿真。整個(gè)體系結(jié)構(gòu)如圖1 所示。PC 機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程加工形狀設(shè)計(jì)和遠(yuǎn)程加工過程仿真。在PC 機(jī)上進(jìn)行工件加工形狀的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)完畢后將設(shè)計(jì)好的參數(shù)通過以太網(wǎng)傳輸給微處理器。微處理器采用ARM+DSP 雙核芯片。微處理器的網(wǎng)絡(luò)通信采用三星公司的以太網(wǎng)控制芯片W5100 來實(shí)現(xiàn)(圖中未畫出)。ARM 實(shí)現(xiàn)任務(wù)管理、數(shù)據(jù)通信以及與DSP 的數(shù)據(jù)交換;DSP 用來進(jìn)行數(shù)控插補(bǔ)運(yùn)算，計(jì)算出刀具運(yùn)行的位置、速度、加速度等信息。ARM 通過W5100 接收到PC機(jī)傳輸過來的設(shè)計(jì)參數(shù)，然后以數(shù)據(jù)共享的方式通過雙口RAM 傳送到DSP，使之以這些參數(shù)進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，計(jì)算出刀位數(shù)據(jù)，即加工的坐標(biāo)。同時(shí)將這些坐標(biāo)值通過網(wǎng)絡(luò)傳遞給PC 機(jī)，PC 機(jī)根據(jù)這些信息仿真或者重現(xiàn)加工的過程，即根據(jù)傳遞過來的坐標(biāo)繪制加工的圖形。這樣，在PC 機(jī)上就可以看到數(shù)控系統(tǒng)加工的模擬過程，并將加工的數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)的曲面進(jìn)行比較，檢測(cè)是否出現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷和加工錯(cuò)誤。

圖1 數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

2 加工形狀設(shè)計(jì)與加工過程仿真

2.1 加工形狀設(shè)計(jì)

加工形狀設(shè)計(jì)采用VC++調(diào)用MATLAB 的方法實(shí)現(xiàn)。用VC++開發(fā)的設(shè)計(jì)界面如圖2 所示。目前加工的形狀只支持自由曲線、自由曲面以及常規(guī)的直線圓弧等形狀。自由曲線和曲面采用NURBS(Non-Uniform Rational B-Spline，非均勻有理B 樣條)方法描述。可以通過輸入控制點(diǎn)、權(quán)因子、節(jié)點(diǎn)向量以及次數(shù)來設(shè)計(jì)曲線或者曲面的形狀。也可以通過載入這些信息來進(jìn)行設(shè)計(jì)。如果形狀不合適，可以調(diào)整這些參數(shù)值來調(diào)整曲線曲面的形狀，調(diào)整參數(shù)后曲線曲面的形狀隨之改變，及時(shí)顯示調(diào)整后的效果。設(shè)計(jì)完畢后，保存這些設(shè)計(jì)好的參數(shù)，用來將其傳輸?shù)竭h(yuǎn)程的微處理器進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算。一個(gè)設(shè)計(jì)好的曲面形狀如圖3 所示。

圖2 設(shè)計(jì)界面

圖3 設(shè)計(jì)好的曲面

在設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，還可以通過型值點(diǎn)來反求控制點(diǎn)(反求工程)，繼而進(jìn)行加工形狀的調(diào)整和設(shè)計(jì)。該功能目前沒有集成到加工形狀設(shè)計(jì)軟件中。加工設(shè)計(jì)方面進(jìn)一步研究的目標(biāo)是:支持更多形狀的設(shè)計(jì);采用OpenGL 技術(shù)進(jìn)行三維形狀設(shè)計(jì);將設(shè)計(jì)軟件和仿真軟件集成在一起。

2.2 加工過程仿真

將設(shè)計(jì)好的參數(shù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)轿⑻幚砥鬟M(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，繼而接收插補(bǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真顯示。仿真軟件界面如圖4 所示。使用該軟件，首先可以設(shè)置通信雙方的IP 地址，使雙方建立鏈接。然后可以輸入或者加載向微處理器發(fā)送的加工形狀的參數(shù)。最后可以點(diǎn)擊“觸發(fā)”讓微處理器進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算。同時(shí)將接收過來的插補(bǔ)運(yùn)算求出的加工數(shù)據(jù)(坐標(biāo)值)在下面的列表框顯示出來。這些加工數(shù)據(jù)可以保存在數(shù)據(jù)庫里面，用作數(shù)據(jù)挖掘、分析，比如分析加工數(shù)據(jù)進(jìn)行故障診斷，分析是否存在刀具干涉等。在接收數(shù)據(jù)的同時(shí)，系統(tǒng)會(huì)觸發(fā)另一個(gè)進(jìn)程，用于對(duì)加工刀具的行程進(jìn)行仿真。該進(jìn)程使用OpenGL 技術(shù)以三維圖形的形式顯示刀具以及刀具走過的路徑。與此同時(shí)，場(chǎng)景可以旋轉(zhuǎn)，可以從不同的角度對(duì)刀具行走的情況進(jìn)行展示。仿真效果如圖5 所示。

仿真軟件進(jìn)一步研究的目標(biāo)是:擴(kuò)展接口的功能，能夠接收其它CAD 軟件設(shè)計(jì)的參數(shù);仿真圖形更接近實(shí)物，能夠顯示原物和被切削后的效果。

圖4 仿真軟件界面

圖5 仿真效果

3 涉及的技術(shù)與算法

3.1 重構(gòu)技術(shù)

開放式數(shù)控系統(tǒng)的特點(diǎn)是開放性和可擴(kuò)展性。因此它的結(jié)構(gòu)必須是可重構(gòu)的，而不是像傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)那樣是封閉的、專用的。開放式數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件都是可重構(gòu)的。

(1)硬件重構(gòu)

數(shù)控系統(tǒng)的硬件可重構(gòu)意味著各部件、模塊必須是根據(jù)需要可擴(kuò)展的、可替換的，各部件、模塊之間的接口必須是兼容的。這就要求開放式數(shù)控系統(tǒng)盡可能的采用通用芯片或者部件，要采用通用的總線、接口或者技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，避免專用的標(biāo)準(zhǔn)或者規(guī)范。要盡可能多的支持國際上通行的接口、總線規(guī)范。

在我們?cè)O(shè)計(jì)的開放式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，芯片采用了通用的ARM、DSP 處理芯片，采用了通用的設(shè)計(jì)方法，具有CAN、USB、以太網(wǎng)等豐富的接口，使用了國際上廣泛使用的接口總線標(biāo)準(zhǔn)。因此系統(tǒng)具有很好的可擴(kuò)展性和兼容性。在必要時(shí)，可以更換或者增加處理或者控制芯片，實(shí)現(xiàn)更多的功能。通用的設(shè)計(jì)方法和可重構(gòu)的軟件設(shè)計(jì)為硬件的可重構(gòu)提供了保證。

(2)軟件重構(gòu)

開放式數(shù)控系統(tǒng)的軟件也須是可重構(gòu)的。軟件必須模塊化、組件化，可以根據(jù)需要調(diào)用，甚至可以進(jìn)行安裝、卸載、燒寫、擦除。設(shè)計(jì)的軟件要具有較強(qiáng)的通用性，盡可能多的兼顧多種接口。必要時(shí)可以設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換組件，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)格式或者協(xié)議的轉(zhuǎn)換。

在我們?cè)O(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，遵循了軟件設(shè)計(jì)模塊化的思想。比如在插補(bǔ)軟件中，設(shè)計(jì)有曲面插補(bǔ)、自由曲線插補(bǔ)、傳統(tǒng)插補(bǔ)等多種插補(bǔ)軟件。以后還可以繼續(xù)豐富這些插補(bǔ)軟件。在進(jìn)行加工時(shí)可以根據(jù)需要調(diào)用相關(guān)的插補(bǔ)功能。如有特別的需要還可以對(duì)這些功能進(jìn)行裁剪。在論文的第二部分，顯示了曲面插補(bǔ)的功能。在軟件部分，涉及的內(nèi)容更多。比如已有的CAD 軟件可能不能直接用于本系統(tǒng)的工件形狀設(shè)計(jì)，需要將數(shù)據(jù)類型進(jìn)行轉(zhuǎn)換。針對(duì)這樣的情況，可以開發(fā)相關(guān)的轉(zhuǎn)換組件來實(shí)現(xiàn)。

3.2 直接插補(bǔ)算法

一般的插補(bǔ)方法包括直線和圓弧插補(bǔ)，更為復(fù)雜一點(diǎn)的包括B 樣條曲線段插補(bǔ)。對(duì)于復(fù)雜的曲線則用這些插補(bǔ)方法去逼近。這種方法雖然比較成熟，但插補(bǔ)精度和速度都受限制，每段都可能需要加減速控制，數(shù)據(jù)傳輸量大。直接插補(bǔ)算法，是在一系列插補(bǔ)周期中沿插補(bǔ)曲線求出曲線上的一系列型值點(diǎn)，然后用連接這些型值點(diǎn)的短直線去逼近插補(bǔ)曲線的插補(bǔ)方法。該方法能顯著提高插補(bǔ)精度和速度;能有效避免頻繁的加減速控制;更重要的是能用很少的參數(shù)定義曲線曲面的形狀，數(shù)據(jù)傳輸量少，特別適合遠(yuǎn)距離傳輸，也能減少傳輸過程中出錯(cuò)的情況。因此，對(duì)于具有遠(yuǎn)程設(shè)計(jì)功能的數(shù)控系統(tǒng)，直接插補(bǔ)算法具有較大的優(yōu)勢(shì)。在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中基本采用直接插補(bǔ)算法的精神，盡可能的減少要傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)參數(shù)。在第二部分所示的仿真中，設(shè)計(jì)一個(gè)9 ×9 的非均勻有理B 樣條自由曲面需要的參數(shù)為350 個(gè)左右。而在傳統(tǒng)的插補(bǔ)方法下，根據(jù)插補(bǔ)的精度要求不同，可能有成千上萬的數(shù)據(jù)需要傳輸。這就大大減少了傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，減輕了數(shù)據(jù)校驗(yàn)的壓力，減少了傳輸出錯(cuò)的可能。

3.3 并行計(jì)算和多線程

系統(tǒng)中存在多種類型的并行計(jì)算。比如一種是PC 機(jī)和微處理器兩個(gè)處理器之間并行的計(jì)算，它們各承擔(dān)自己的計(jì)算任務(wù)，通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。另一種是PC 機(jī)上的動(dòng)態(tài)仿真軟件中使用多線程來實(shí)現(xiàn)程序的并行。一個(gè)線程負(fù)責(zé)從網(wǎng)絡(luò)接口接收數(shù)據(jù)，另外一個(gè)線程負(fù)責(zé)刀具的動(dòng)態(tài)繪制。它們之間通過一個(gè)公用的數(shù)據(jù)緩沖器通信，并采用信號(hào)量進(jìn)行同步。另外還有一個(gè)線程負(fù)責(zé)和用戶的交互。

采用并行計(jì)算和多線程技術(shù)可以充分利用分布在不同地方的計(jì)算資源，豐富數(shù)控系統(tǒng)的功能，方便加工工件形狀的設(shè)計(jì)修改，甚至可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、修改的同步進(jìn)行。這就為企業(yè)加快設(shè)計(jì)以及設(shè)計(jì)向產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化提供了條件，使企業(yè)能夠快速響應(yīng)多變的市場(chǎng)需求，在競(jìng)爭(zhēng)中處于有利地位。在研究中，準(zhǔn)備將來將系統(tǒng)和其它計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件、如CAD 等三維設(shè)計(jì)軟件結(jié)合起來，直接利用它們的設(shè)計(jì)結(jié)果，這將大大縮短設(shè)計(jì)的時(shí)間。

4 結(jié)論

本文提出了一種基于開放式數(shù)控系統(tǒng)的加工形狀遠(yuǎn)程設(shè)計(jì)和加工過程仿真方法。該方法能夠通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的加工形狀設(shè)計(jì)以及遠(yuǎn)程加工過程動(dòng)態(tài)仿真。遠(yuǎn)程設(shè)計(jì)便于迅速的利用更廣范圍內(nèi)的各種資源。遠(yuǎn)程仿真能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離的再現(xiàn)加工過程，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。同時(shí)能夠進(jìn)行遠(yuǎn)程故障診斷和刀具干涉判斷，能夠共享智能資源。允許在加工前，對(duì)整個(gè)加工過程進(jìn)行仿真和模擬，以發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的不足、加工參數(shù)設(shè)置的合適與否、是否存在加工刀具干涉、是否存在加工缺陷等;能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與修改的同步進(jìn)行，加快設(shè)計(jì)進(jìn)度;允許遠(yuǎn)程監(jiān)控整個(gè)加工過程，及時(shí)發(fā)現(xiàn)加工存在的問題;允許保存和根據(jù)需要重新重現(xiàn)加工的過程，對(duì)加工過程進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)有價(jià)值的線索等。在研究中需要進(jìn)一步改進(jìn)的地方有:將設(shè)計(jì)軟件和仿真軟件集成在一起，能夠和其它設(shè)計(jì)軟件共享資源;設(shè)計(jì)功能更加完善;仿真軟件功能更加真實(shí)。

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