五軸數控模擬機調試與維修實訓設備的設計

王 帥，祁宇明

（天津職業技術師范大學機器人及智能裝備研究所，天津300222）

五軸數控模擬機調試與維修實訓設備的設計

王 帥，祁宇明

（天津職業技術師范大學機器人及智能裝備研究所，天津300222）

數控模擬機調試與維修設備是由五軸模擬機通過串口通信和實訓設備進行連接組成。首先對調試與維修設備的整體結構進行闡述，隨后對五軸模擬機的整體、模擬系統及模擬軟件OpenGL的工作流程、實訓設備的數控裝置、操作面板及面板通訊協議、電氣模塊、數控維修模塊等分別進行了介紹。實訓設備適用于數控維修、數控加工、機電一體化等專業的數控機床調試與維修實驗實訓、企業職工的培訓等，有利于學生、學員快速地掌握相關技能，該設備在教學與實訓中表現良好。

五軸數控模擬機；OpenGL技術；實訓設備

1 引言

中國制造強國戰略制定了十年行動綱領——中國制造2025，在2025高端裝備創新工程中對高檔數控機床提出了新的目標，研發具有精密、高速、高效的高檔數控機床［1］。五軸數控機床普遍適用于各種型號及外形復雜的零部件加工，因此在生產和科研中五軸數控機床具有重要的作用。由于大型的五軸數控機床因制造成本、維修費用高昂，在有的學校、培訓機構對五軸數控機床的使用會嚴格控制，有的地方只是作為一種參觀設備，容易造成學員在數控機床的使用、維修等方面知識掌握得不是很好［2］。

針對五軸數控機床的制造成本、維修費用、學員動手機會少等各種情況，并為滿足社會對數控人才的需要，讓學生、學員對數控機床的工作流程、機床結構及系統構成、機床電氣工作流程和故障判斷與維修等相關方面有些了解，研發了一套開放式、模塊化、低成本的五軸模擬機調試、維修實訓設備。

2 五軸數控模擬機調試與維修實訓設備的組成

五軸數控模擬實訓設備由五軸模擬機和實訓設備兩部分組成，兩部分的通訊是由串口連接并實現通訊［3］。通過模擬機半實物仿真數控操作面板傳輸命令到工控機中進行計算操作，并由OpenGL軟件中的API函數驅動虛擬機床，完成對應的動作，由OpenGL軟件中的反饋系統接收到工控機處理的反饋信息，并將其實時顯示到數控面板上。圖1所示為五軸數控模擬機實訓設備工作流程圖。圖2為五軸數控模擬機實訓設備實物圖。

圖1 五軸數控模擬機實訓設備工作流程圖

圖2 五軸數控模擬機實訓設備實物圖

3 五軸數控模擬機構成

3.1 五軸數控模擬機

如圖3所示為五軸模擬機。五軸數控模擬機能夠讓加工制造類企業方便地實現加工代碼的編寫和檢驗，為進行真實機床加工節省了時間，提高了生產效率［4］。五軸數控模擬機特點如下。

（l）模擬機采用1：1的設計模式，實現立體的模擬系統有著與實體機床一樣的效果，模擬系統在模擬場景中可以對機床及加工背景進行構建，也可以對毛坯、夾具的外形尺寸進行定義；

（2）支持實時手動輸入的加工代碼、還支持CAD/CAM等軟件編寫而生成的加工代碼；

（3）擁有反饋能力：可針對刀具、零件、床身的相互碰撞做出變色發聲等警告和反饋，具有欠切、過切反饋功能，能給虛擬機床各軸設置行程限制，超出限制時發出警告，有一定的加工代碼查錯功能等；

（4）可以完成五軸數控機床各種加工輔助的模擬，比如三色燈狀態顯示會隨加工狀態的變化而變化，還能模擬加工過程中的切屑、切削聲音等。使模擬機更加接近真實機床；

（5）通過立體模型運動模擬工件切削過程，能夠對立體模型進行局部放大或縮小、調整視角等操作；

（6）擁有人性化的后臺及前臺人機交互界面，操作者能體驗到與真實機床相同的感受［5］。

圖3 五軸模擬機

3.2 模擬系統

五軸數控模擬機的模擬系統由目前較為成熟的窗口可視化程序C＃開發平臺和具有工業標準性、穩定性、可擴展性、簡單易用性的OpenGL系統平臺組成［6］。

虛擬現實數控加工仿真系統由虛擬機床構建系統、數字控制系統、人機交互系統、仿真效果功能系統、立體視覺及硬件系統組成。打開仿真軟件，通過虛擬機床構建系統，按照所需要工件的加工特點與要求對機床模型進行構建，隨后操作人員經過人機交互系統對相應的軟件發出對應的指令，發出的指令經過數控系統的分析處理，將處理后的結果反饋到仿真系統中，驅動虛擬機床運行。

人機交互系統是實現人與機器交流的一種對接窗口，可以對數控模擬機下達相應的命令、選擇需要的工作界面、觀察機床加工的過程；仿真效果功能系統可以構建虛擬機床與加工所需要的毛坯，展現毛坯在機床上加工的效果；立體顯示及硬件系統的組成可以立體地展示虛擬的加工環境［7］。如圖4所示為虛擬加工仿真系統組成。

圖4 虛擬加工仿真系統組成

Open GL軟件工作流程如圖5所示。控制程序進入OpenGL軟件，通過幾何頂點數據和圖像像素數據存儲在顯示列表中。幾何圖形通過處理轉化為幾何頂點數據后，數據再經過運算器、頂點計算操作和圖像像素數據經過圖像操作、紋理映射方法，將兩種處理后的數據進行光柵化處理、逐個頂點操作處理后將光柵數據寫入幀緩沖器，實現圖形的顯示［8］。

圖5 Open GL軟件工作流程圖

通過Open GL按實際比例進行機床模型的繪制，模擬各軸的運動，構建模型如圖6所示。

圖6 虛擬機床模型

Open GL的全稱為開放式圖像編輯庫（Open Garphics Library），Open GL是一種圖形開發環境，其作用是讓客戶將傳統的計算機編程軟件從硬件系統中解放出來，為圖形工作站服務，具有獨立于窗口操作與計算機硬件環境的特點，進行圖形編輯時不用花較多的時間去理解系統的主要結構和控制指令，在OpenGL系統平臺中軟件的執行是使用固定的格式來完成應用程序的編寫［9］。

OPen GL具有如下基本功能［10］：①擁有完整的圖形編輯命令，可以非常方便地對實際物體進行模擬繪制，還可以進行系列基本變換，對基本圖形單元進行合理的控制變化，產生所需要的圖形；②擁有光照處理效果對三維圖形進行光照處理和渲染，可以使所繪制的圖形具有較為真實的視覺感；采用位圖模式進行圖形編制，根據多個點、線、面以及多邊形的反走樣函數程序，有效地對圖像邊界鋸齒進行弱化和消除，達到清晰顯示的目的；③Open GL通過設置RI圖形緩沖區來實現動畫的演示，通過運用雙通道緩沖方式，在系統內存中了構建多個基本場景界面幀，而動畫的播放是多個已緩存的動作幀進行播放的，也就是畫面在播放時，系統在緩存接下來的多個幀，這樣有利于圖像地快速處理。

4 調試與維修設備構成

調試與維修設備主要包括數控裝置、操作面板和電氣控制模塊。整個的設備采用立體式、開放式、網孔形式的控制柜，便于學員能夠很好地理解、掌握數控機床工作原理和故障排除。數控裝置、操作面板位于控制柜的前面上方，符合人正常工作時的操作模式。電氣控制模塊位于控制柜的里面。如圖7所示調試與維修設備。

圖7 調試與維修設備

4.1 數控裝置及操作面板

數控裝置系統采用了Sinumerik840D控制系統，系統中的全數字控制系統由Sinumerik＿611數字驅動系統和Simatic7可編程控制器組成，適合多類型、多種類、多批次的加工任務，擁有非常好的動態效果與精度控制；系統還包括標準的PC軟件、硬盤、奔騰處理器，擁有多個接口完成程序的存儲、讀入、打印等工作［11］。如圖8所示為840D控制系統操作面板。

圖8 操作面板

數控操作面板的工作原理是將數控編程語言進行轉化成統一的、可被讀取到的程序代碼，并顯示所需的數據，例如主軸轉速、當前刀號等數據［12］。表1所示為面板通訊協議。

表1 面板通訊協議

數控面板采用單片機內和矩陣鍵盤的方式組成，滿足組合鍵的使用。符號語言的轉換，“＝”作為在數控編程語言中轉換成PMAC運動控制卡中的符號為“EQ”，替換語句如下：stra JG＝Replace（stra JG，＂EQ＂，＂＝＂，1，－1，0）同樣的還有“！＝”、“＞”、“！＜”、“＜”和“｜”分別替換為“NE”、“GT”、“GE”、“LT”和“OR”［13］。

圖9 數控系統控制

用戶坐標系轉換，例如在數控編程語言中，G54坐標系數據與PMAC運動控制卡進行符號的轉換，例如：“G54X300.Y300.Z300.”，替換語句如下：stra JG＝Replace（stra JG，“G54”，“G54 X”＆TextX.Text＆“Y”＆TextY.Text＆“Z”＆TextZ.Text，1，－1，1），同樣的還有 G55～G59的用戶坐標系［13］。如圖9所示數控系統控制。

4.2 電氣控制模塊

電氣控制模塊位于控制柜的里面，利用線槽將電器柜分成5個空間，從上到下依次為24VDC電源；電源開關、接線端子和繼電器；SimaticS7－300PLC；交流伺服驅動系統；交流伺服電機和交流主軸電機［14］。電氣柜的分布放置可以讓學員簡單、清楚地學習低壓電器的選擇、使用；可以更好地理解數控機床的電路設計及工作原理，能夠很好地觀察數控機床電氣模塊的運行情況。交流伺服電機連接著表盤，通過表盤能夠清楚地知道模擬機床各軸的運動動作和空間行程。圖10所示為電氣控制模塊。圖11所示為伺服電機運動表盤。

圖10 電氣控制模塊

圖11 伺服電機運動表盤

4.3 數控維修模塊

數控機床的信號的輸入/輸出是通過I/O接口實現傳輸與通信的，所以機床的故障可以通過I/O接口這個通道表現出來，并進行排除；有些故障可以通過CRT顯示故障報警信息進行排查，當機床出現故障后，數控系統通過分析處理將報警信息顯示在CRT上，依據報警信號燈和警告界面出現的內容查看數控機床使用手冊對故障進行分析、處理，進而排除故障［15］。

5 結束語

五軸模擬機調試與維修實訓設備是將虛擬機床和實訓設備結合起來進行研究。整套設備采用了開放式的結構設計，將虛擬機床、電氣控制線路、數控操作系統、數控操作面板、運行電機，都明了地呈現在學員面前。設備的研制不僅可以解決因真實五軸機床體積大導致占地空間大的問題，還解決了因五軸機床成本、維修費用高致使學校、培訓機構因資金不足而不能購買大量的五軸機床，組建實訓室的問題，可以讓學員們對五軸機床有個直觀的體驗，對五軸數控機床系統的基本參數的設置、PMC編程、電氣控制系統的硬件連接與調試等技能可以直觀學習。設備能夠很好地實現數控機床的基本功能，在教學、培訓過程中效果較好，對社會中缺少五軸數控機床實踐操作的人員提供了很好的解決方法。

［1］國家制造強國建設戰略咨詢委員會.中國制造2025［M］.電子工業出版社，2017.

［2］鄭 鑫.五軸聯動數控加工中心仿真系統開發應用［J］.CAD /CAM 與制造業信息化，2010.10（10）：87－90.

［3］向 倩.基于FANUC數控綜合實驗系統的設計與研究［D］.西南科技大學，2013.

［4］扈志遠.采用映射模型算法與觸摸屏的虛擬數控仿真系統研究［D］.西南交通大學，2011.

［5］岳 剛.五軸數控機床模擬訓練機研發［D］.天津職業技術師范大學，2016.

［6］王永忠.基于Open GL的虛擬機床建模與仿真［D］.西北工業大學，2004.

［7］馬 超.虛擬現實數控加工仿真系統研究與開發［D］.陜西科技大學，2015.

［8］李光耀，劉 劍，李啟炎.用OpenGL實現數控加工仿真中的圖形顯示［J］.計算機輔助工程，2002，（1）：59－62.

［9］朱 軍.基于Open GL的數控仿真系統研究與開發［D］.南京理工大學，2006.

［10］陳加婷.基于Open GL的數控銑削加工幾何仿真關鍵技術研究［D］.哈爾濱理工大學，2015.

［11］劉春來.Siemens802D數控教學系統數控程序解釋器的開發［D］.哈爾濱工業大學，2011.

［12］岳 剛，鄧三鵬，孫奇涵.基于PMAC的數控系統手輪功能研究［J］.機床與液壓，2016，（4）：36－37.

［13］岳 剛，孫奇涵，鄧三鵬.基于PMAC的多系統數控機床研究［J］.機械工程師，2015，（10）：89－90.

［14］吳會波，張永昌，馬韌賓.數控機床裝調、維修綜合實訓系統開發與應用［J］.石家莊職業技術學院學報，2014.

［15］鄧三鵬，張香玲，楊德治.現代數控機床PLC相關故障診斷及維修［J］.制造業自動化，2008，（10）：44－46.

Design of debugging and maintenance training equipment for five axis NC simulator

WANG Shuai，QI Yu－ming
（Institute of Robotics and Intelligent Equipment，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China）

The NC simulator debugging and maintenance equipment is composed of the five axis analog machine connecting with the training equipment through serial communication.Firstly，the overall structure of the debugging and maintenance of the equipment are described，and then the system simulation software OpenGL，the whole working process simulation of the five axis simulator，the training equipment composition，the CNC device，the operation panel and communication protocol，the electrical module，the CNC maintenance module etc.are introduced respectively.The training equipment is suitable for the CNC maintenance，the CNC machining，the electromechanical integration professional CNC machine tools for debugging and maintenance training，the enterprise staff training etc.，which is helpful for students and staffs to master the relevant skills quickly，and it has good performance in practical teaching and training.

five axis NC simulator；OpenGL technology；training equipment

TP29

A

1005—7277（2017）03—0035—05

王 帥（1990－）男，碩士研究生，主要研究方向為智能機器人及其應用技術。

祁宇明（1979－）男，副教授，工學博士，碩士研究生導師，天津職業技術師范大學機器人及智能裝備研究所副所長，主要研究方向為機器人技術及應用、信號采集與分析。

2017－01－16