一种数控机床远程仿真的方法

陈阁　邱明勇

摘  要：目前，在数控机床加工工件时，技术人员希望能够在办公室里随时获得车间内机床和工件的各种信息，特别是当前工件的切除状态，从而达到对机床加工状态的实时获取。随着无人化工厂的大量出现，通过远程查看机床和工件的状态，变得更加紧要。文章提出了一种数控机床远程加工仿真的方法，可以通过部署在局域网内的终端设备（手机或者平板电脑），查看机床和工件的加工状态。

关键词：数控机床;远程仿真;终端设备

中图分类号：TP391.9      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）09-0142-03

A Method for Remote Simulation of Numerical Control Machine

CHEN Ge，QIU Mingyong

（Shenji（Shanghai）Intelligent System Development and Design Co.，Ltd.，Shanghai  200433，China）

Abstract：At present，in the CNC machine tool processing workpiece，technicians hope to be able to get in the office at any time in the workshop machine tool and workpiece information，especially the current workpiece excision state，so as to achieve real-time access to the machine tool processing state. With the emergence of unmanned chemical plants in large numbers，remote viewing of the status of machine tools and workpieces has become more critical. This paper presents a method of remote machining simulation，which can check the machining status of machine tool and workpiece by deploying terminal equipment （mobile phone or tablet PC） in LAN.

Keywords：numerical control machine;remote simulation;terminal equipment

0  引  言

在現有技术中，数控机床（Computer Numerical Control Machine Tools，CNC）端已经有工件材料去除实时仿真的功能，可以通过机头查看工件切除的状况，然而，远程查看机床工件切除状态的功能还不多见，采用在机床内部按照监控摄像机的方法，在机床内部大量冷却液加工的环境下，也不能看清工件的加工状况。因此，通过远程查看机床的加工状态和工件的加工进度，同步显示机床端工件的切除状态，并可以使远程操作者对仿真页面进行交互操作，如对工件和刀具进行缩放、旋转等操作查看细节，隐藏刀具轨迹，只显示关心的工件细节等功能，变得尤为重要[1]。

1  功能实现

为了克服上述缺点，笔者结合自身工作经验，提出了一种远程查看数控机床工件加工状态的方法。在远程终端（例如手机或者平板）可以同步显示机床的运动状态和工件的加工进度。操作者可以在手机或者平板上下载相关软件，通过软件查看机床和工件的加工情况，并通过触屏操作进行简单的触控，然后对工件进行缩放，移动和旋转操作可以查看工件不同视角的加工情况，而且能够观察到工件的加工细节，可以通过显示/隐藏功能，只显示用户关心的内容，如刀具轨迹和工件，同时，该系统可以设置工具的类型和尺寸等参数。本文也提供了一种从CNC端到终端设备完整方案，能够实现远程查看，实现过程包括CNC端和终端（手机或者平板设备）[2]。

1.1  CNC端实现的功能

CNC端生成理论轨迹和实际轨迹，理论轨迹是指根据NC代码解析出的刀具轨迹，包括CNC前端的部分，实际轨迹为通过采样获取的刀具已经走过的轨迹;理论轨迹是通过CNC端的译码模块，获取的刀具类型和机床坐标系的目标值（目标值就是执行到某一行NC代码时，NC代码编程时的值）等数据。

CNC端将对从译码模块获得的数据（理论轨迹和实际轨迹）进行整合，生成理论轨迹;实际轨迹是通过对实时的CNC、刀具位置坐标、刀具参数（包括刀具类型、刀沿方向、刀具长度、刀具半径）数据进行采样，并结合理论轨迹生成工件切除需要的实际轨迹（只进行采样会丢失关键刀具点）[3]。

工件切除仿真的逻辑部分，即实现工件模型数据的改变，对工件模型进行布尔减操作，当刀具移动时，形成刀具的扫掠体，工件的布尔减是指工件模型去掉与刀具扫掠体相交的部分，当有显示终端访问时，CNC端将理论轨迹、实际轨迹以及实时能够生成工件三维结构需要的数据打包发送到显示终端，当CNC端与显示终端的连接建立后，只发送理论轨迹和实际轨迹改变的部分（在上一次发送到终端后新增加的部分），以节约网络资源[4]。

1.2  显示终端实现功能

显示终端和CNC端建立连接，从CNC端获取刀具参数、工件参数、理论轨迹数据、实际轨迹数据，然后在显示终端本地保存理论轨迹数据、实际轨迹数据，并且渲染理论轨迹和实际轨迹，对刀具参数进行解析，渲染刀具，解析工件参数，对工件进行渲染，处理用户的交互操作，主要处理用户的触控操作，获取用户的触控类型，如单指双指滑动等，将触控数据进行转换，实现显示场景的平移、旋转和缩放。用户可以对终端显示的场景进行平移、旋转和缩放操作，方便用户查看关心的细节、设置工件属性等。本领域的技术人员可以通过远程的显示终端上查看经过仿真的机床的加工状态和工件的加工进度[5]。

工件切除逻辑部分，可以放在CNC端，也可以放在显示终端上，同时，也可以搭建一台独立的服务器，将切除逻辑部分放到服务器上，原因是工件切除逻辑部分需要更多的资源，通过将算法放在不同的位置，可以平衡资源，当将运算放到CNC端时，CNC端需要发送工件的实时数据，放到非CNC端时，CNC端不需要发送工件实时数据，但是需要发送工件切除逻辑需要的所有数据，包括历史数据，即加工开始到当前需要的所有数据。

关于数据格式，CNC端可以发送实时生成的轨迹数据，也可以先将NC代码进行預译码，生成轨迹和工件切除逻辑需要的数据格式，然后将该数据发送到显示终端或者中间的服务器，中间数据包含与机床相关的刀具数据、每一段的编号，便于同步CNC端与现实终端或者服务器，采用这种方法的好处是在CNC执行过程中，只需要很少的数据通信，就可以实现CNC端、显示终端或者服务器的同步;缺点是需要进行预译码，生成中间文件，在连接建立时，需要同步中间文件，适合CNC端加工同一个程序的情况。

2  技术效果

本文能够实现远程查看仿真加工的效果，CNC端将显示终端需要的数据，包括理论轨迹、实际轨迹、刀具类型、工件模型，传给终端，CNC端和网络只需要少量的资源。用户可以对终端渲染的场景进行平移、旋转和缩放操作，方便用户查看关心的细节、设置工件属性等，同步或者提前几秒查看工件的加工状态和机床轴的运动状态、显示效果流畅、美观。

3  实施过程

整体操作流程如图1所示，左侧为CNC端处理流程，右侧为终端处理流程。

CNC端负责对轨迹点进行处理，包括轨迹点的拟合、去除无效点，并对轨迹点（包括理论轨迹和实际轨迹）进行打包发送，同时，对工件进行切除运算和CNC端的界面显示。在终端和机床端建立连接时，会同步刀具和工件数据，就是将CNC中的刀偏表、轨迹和当前工件的状态同步到终端设备，让终端打开APP时，显示内容和CNC端的显示内容相同。之后，终端设备会接收到CNC端发来的新增轨迹点数据，然后终端设备会根据新增的轨迹点接收的实时工件数据，更新显示界面。由于每次只处理新增轨迹点，减少了带宽占用，提高了效率。

4  实施效果

当用户要查看机床的加工状态时，可以打开显示终端的应用，通过扫描机床上的二维码或者输入机床的IP地址，显示终端确认后与机床建立连接。连接建立后，显示终端会向连接的CNC端发送数据请求，CNC端收到请求后，会将保存的所有与图形模拟相关的数据打包发送给显示终端，终端显示效果如图2所示。

显示终端获取数据后，对数据进行显示和渲染，可以通过查看视图左下角的显示页面，此时，显示终端页面显示机床的刀具轨迹和工件切除状态，显示终端的显示与机床刀具的运动同步;点击图形模拟按钮，可以切换到全屏显示图形模拟，用户可以通过单指滑动对渲染的场景进行旋转，双指滑动实现渲染场景的平移，双指实现场景的缩放操作，三指点击实现绘图重置，即恢复到初始视角，点击工件设置按钮，实现工件大小的设置，设置后，会向CNC端发送请求，CNC端会在下次程序开始时，按照新的工件设置进行工件切除运算。还可以通过刀具、轨迹、工件的显示/隐藏按钮，进行显示/隐藏操作，只显示用户感兴趣的部分，点击清除轨迹按钮，会清除显示终端和CNC端的历史数据。

CNC端与显示终端的连接建立后，每隔100 ms，CNC端都会将100 ms内增加的数据，包括轨迹、刀具、工件数据发送给显示终端，显示终端对新的数据进行显示和渲染。

5  结  论

通过使用iPad连接公司内网并运行APP，然后开启车间的机床，车间机床也接入了公司内网，通过测试，将iPad上显示的工件切除状态和机床机头上的显示进行对比，延迟基本都在1 s以内，可以显示效果流程，达到了预期的要求。另外，本文只实现了局域网内的远程仿真，将来该功能可以跨越网络，在公网上实现。

参考文献：

[1] 陈阁.一种工件材料去除仿真的方法 [J].无线互联科技，2014（10）：115-116.

[2] 王广官.基于虚拟现实技术的数控车床仿真系统的研究与开发 [D].杭州：浙江大学，2016.

[3] 辛全琦.数控加工通用几何仿真关键技术的研究 [D].天津：天津大学，2018.

[4] 罗亚波，陈定方，肖田元.远程数控仿真的一种编程实现方法 [J].武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2004（1）：62-65.

[5] GINSBURG D，PURNOMO B，等.OpenGL ES 3.0编程指南：第2版 [M].姚军，等译.北京：机械工业出版社，2015.

作者简介：陈阁（1981—），男，汉族，河北邯郸人，工程师，硕士，研究方向：图形图像处理。