试论数控加工动态仿真系统的研发及应用

2012-10-15黑龙江科技学院安兴伟

湖北农机化 2012年2期

黑龙江科技学院安兴伟

1 数控加工动态仿真系统的研发

（1）整体设计结构。如图1所示，首先通过蓝天数控系统解释器进行工件程序的读取，再进行语法、词法等检查分析工作，在提取数控程序过程的同时对刀具和工艺信息进行加工。接下来，动态仿真系统会对刀具、工件等物体进行初始实体模型的构造，通过分析系统中各个组成部件的几何信息和位置信息，实现加工环境的动态三维实体显示。与刀具轨迹相关的刀位点的信息以及计算可以从NML（Neutral Message Language）通道中获得，如此便可计算出刀具扫描体中的几何体了。需要注意的是，刀具会沿着刀位点而移动，所以要重点检测刀具是否在运动过程中与工件有碰撞发生，确保判别工件程序的准确性。当工件实体与刀具扫描体不断地进行布尔差数学运算时，动态仿真系统便会实时显示工件实体的加工过程。

图1 数控加工动态仿真系统整体设计图

（2）数据的传输。建立在 RCS（Real－Time Control System）方法的基础之上，但任务协调和加工仿真的部分则是独立出来的RCS模块，通过NML这种标准通信语言来实现相互之间的通信联系。而任务控制器系统与动态仿真系统之间的通信则是需要经过共享缓冲区来实现。基于NML的消息机制，大体上可分为3种消息：状态、命令和错误。即是，从任务控制器中返回的一切状态信息，三维实体动态仿真模块中发出的所有控制命令信息以及错误信息。当数控加工动态仿真系统处于初始化状态时，状态、命令和错误的信息也将根据系统中的NML的通信配置文件进入初始化，进而创建一片能被任务进行部分共享的连续性缓冲区，最后要在二者之间实现通信则只需再对缓冲区中全局变量进行实时读写便可以了。成功的信号便是读操作所检索到的数据与写操作所发送的数据内容一致。最后退出动态仿真系统时也关闭了NML通道。

2 数控加工动态仿真系统中相关软件的开发及建模

此套仿真软件主要通过虚拟现实技术和计算机的仿真技术来模拟数控加工的整个过程，让加工人员可以对整个加工过程通过观察计算机屏幕而有直观的印象。同时可以联系整个操作流程，进而验证操作程序上的合理性和正确性，并优化其NC程序和熟练机床的操作流程。

（1）仿真软件开发的需求分析。首先是实时性。仿真软件开发的目的是方便用户更准确地校对程序以及使用机床，因此系统能在用户仿真体验中的要求给予回应。例如，用户如果在加工程序中，需要对照观察加工时某一时刻参数状态，或者希望仿真暂停、减慢或加快速度，系统都可以实时达到客户的要求；其次是动态性。仿真系统的动画功能事实上是不断将点并在屏幕中并加以显示。主要功能是把加工刀具和图像变化传达出来，并匹配图像中的动画速度。如此才能给人展示出更加逼真的效果。软件还可以具有其它的辅助功能，例如工件加工的误差、程序语法的检查和工件表面的粗糙度估算及预测加工时间，这样能优化应用仿真软件的程序，进而在实际加工中提供更好的服务。

（2）仿真软件开发中主要实现的功能。检查NC文件的语法；反证机床实际加工的过程，得到相应结果；实时监控仿真过程，校对NC文件的准确性；同步显示机床加工时间和状态；通过测试NC文件的执行时间确定最优的加工方案。

（3）模型的建立。首先处理NC文件，包含检查语法，编译可识别中间数据。程序采用的解释原则是编译指令一条，则执行一条，同时显示执行完的成果。

图2 总体数据流程图

3 数控加工动态仿真系统的应用与实现

3.1 机械系统结构

数控系统一般作为独立于其他操作过程的控制单元，作用于各个对象的控制中，控制和管理是系统软件需要完成的工作。控制软件包括刀具补偿、插补计算、译码、位置控制以及速度预处理等密切联系机床加工的功能。管理软件包括I／O处理、诊断、显示、输入等。控制和管理的任务在多数条件下需要同时进行，例如控制和显示要同时进行，位置控制和插补也需要同时进行。数控系统的实时性和任务多使系统中断毫无争议占领整个系统的核心地带，其中断类型分为内、外部中断和程序性中断以及硬件中断。内部中断指位置采样中断和插补周期的定时中断；外部中断就例如键盘输入等；程序中断是程序中因出现异常情况而启动报警中断；硬件中断是各个硬件的故障检测装置中发出的中断。

图3 数控加工动态仿真系统结构图

3.2 机械管理设计

（1）I／O处理。主要处理有关数控车床面板中的开关信号，输入、输出并控制车床电气信号（如换挡、换刀、冷却等）。

（2）显示。主要提供操作上的方便，一般用在零件程序的显示、车床状态显示、参数显示、报警显示及道具位置显示等。

（3）诊断。具有诊断联机和脱机的功能。联机诊断指的是数控车床工作中进行的自诊断程序，也可以对错误事件进行检测。脱机诊断指的是数控车床具备的脱机诊断程序操作，针对存储器、I／O接口、外围设备等的检测。

3.3 机械控制设计

（1）译码处理。针对零件程序的处理，是指按照相关的语法规则将其翻译成计算机可以识别的数据类型，并用适合的数据格式存放在指定内存单元中。译码时，还会自动对程序段进行语法检查，并在发现错误后报警。

（2）刀具补偿。根据刀具的参数来制作刀具长度补偿以及半径补偿量，并通过零件轮廓轨迹来计算刀具的中心轨迹，使在零件加工中保证精度。

（3）速度处理。通过合成速度来计算各个运动坐标中的分速度，并依照机床所允许的最低、最高速度、最好升降速规律以及最大加速度，来规划速度。

（4）插补运算。插补精度对数控系统中工件加工的精度有直接的影响，此外，插补速度也对工件的加工速度和表面粗糙度有很大的影响，因此，插补是一项实时性强，对精度要求很高的运算。

（5）位置控制。伺服系统中的每个采样周期，都比较了插补计算中的理论位置和实际反馈位置，并将差值用在了伺服调节输入以及伺服驱动器控制的伺服电机中。同时，还要求完成调整位置回路中的增益、补偿各坐标中的螺距误差及反向间隙，以此来提高机床定位中的精度。

3.4 数控仿真系统在教学中的应用及相关软件介绍

虚拟现实的技术在其改造传统产业中的价值首先体现在教育上。数控仿真系统通过“虚拟设备”来锻炼学员操作中的熟练程度，毫无疑问是一种极具价值的辅助教学工具。伴随数控机床应用的日益广泛，各大相关院校也在教学中增大了培养具备数控机床编程相关知识以及有熟练操作技术的技能型数控加工人才。然而，数控机床的品种繁多，市场上价格也很高，一台普通的数控铣床或数控车床也需十几万到二、三十万不等，而数控加工中心更是需要几十万甚至几百万。操作数控机床的训练如果完全依赖实训数控机床，则因为投入太大、消耗过多导致成本过高，并且还有一定危险性。于是，针对数控加工操作的仿真软件的研发成功解决了这一难题。教学中使用仿真软件不仅能有效地衔接理论和实践，打破了以往的数控仅限于书本知识的教学方式，更增加了学生自主参与的机会，大大提高了对数控机械操作的实践熟练性。数控加工的仿真系统主要针对“数控编程和操作”的理论教学，是数控操作实战技能训练中必不可少的辅助工具。目前，数控加工仿真系统相关软件有很多形式，国外软件中能够适应数控系统和机床并不多，所以不适合我国的国情，目前国内较为常见的仿真软件有北京斐克VNUC、天傲TNS－Ver2.0、南京宇航、浙大辰光、上海宇龙、斯沃、广州超软等等。下面，我就举例介绍几个软件各自的特点。

（1）北京斐克科技有限公司研发的教学软件。该软件通过了劳动和社会保障部的评审认定，是一款最具权威性的数控加工仿真软件。同时也是全国性数控技能大赛中被唯一指定使用的软件，也是国家高技能人才培训工程所推荐使用的软件。此套软件主要用于模拟华中和FANUC数控系统中针对车、铣以及加工中心的操控及编程。

（2）南京宇航研发的教学软件。该软件是国家“863”计划课题的项目之一，1995年被中国南京宇航自动化技术研究所推入市场。内容包括了SIEMENS、FANUC、广州数控系统、三菱数控系统、北京凯恩帝、华中数控系统等车、铣以及加工中心的模拟操作教学软件，也是一款数控系统元器件装配的仿真软件。

（3）上海宇龙软件工程有限公司研究的教学软件。该软件主要应用于虚拟现实技术针对数控加工操作技能的培训和考核。不仅实现了对数控铣床、数控车床以及加工中心在加工零件的输入、编辑与调试，还有针对刀具和操作面板课程的训练。此套软件在具备多机床、多系统、多零件加工的仿真模拟功能的同时，还具备在真实设备上也无法进行的三维测量等功能，其良好的操作安全性，使学生不会因为错误的操作而造成伤害，也不会对机床造成破坏。软件还可以通过网络来搭建师生交流的平台，给老师的教学和学生的学习都带来便利。

上述的几款软件都能在一定程度上实现人机交互，随着软件版本不断地更新，教学数控加工仿真的功能也将越来越强大，进而使操作界面给人的真实感也越来越强，并且几乎包括了所有常见的数控系统，是数控机床操作和编程学员在掌握这门技术中不可多得的帮手。

4 数控加工动态仿真系统出现在应用中的问题以及解决方法

通过计算机的仿真加工可以给我们带来很多新用途，实现很多以前不能完成的工作，例如，预先估计加工结果，各种加工数据的统计并优化加工过程。数控加工仿真系统应用在教学中，不仅增加了学生动手的机会、提高了操作熟练的程度，还在一定程度上降低了办学的成本。

但是，数控加工仿真系统也不能完全代替学生在实际切削加工过程中的感受，特别是在切削用量大小的选择上，系统也无法进行控制，而只是针对切削深度的限制。学员在利用仿真系统进行编程和操作训练中，也容易忽视对数控刀具的选用、切削用量的选择以及零件的装夹方法等，但这些程序恰恰容易在实际应用中出现打刀或者降低实际零件加工时的质量、降低零件生产效率、增加额外消耗等问题。

另外，学生在仿真系统软件中进行数控加工技能训练时，也容易产生对计算机的依赖心理，或因沉迷于仿真加工而疏于在数控机床上的操作。所以，教师既要合理分组，又要科学地安排应用仿真系统软件来进行技能训练的比例，做到仿真训练和操作训练在后阶段的穿插进行，尽量通过加大实际数控机床的操作训练和综合课题训练来弥补以上的不足。