專利名稱：多系統同步數控加工仿真方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及數控加工仿真培訓領域，特別涉及一種多系統同步數控加工仿真方法及裝置，集成多型號數控機床、多數控系統面板，可同步實現標準回轉件、異形件修復虛擬加工和真實加工的數控加工仿真訓練，其可廣泛應用于數控加工職業技術培訓，尤其是異形零件數控修復加工培訓。
背景技術：
數控加工仿真培訓在培養數控加工人才方面有著極大優勢，近年來得到了飛速發展。目前數控加工仿真培訓主要采取兩種形式，一種是以純軟件方式的培訓類產品，另一種是以數控系統面板和虛擬視景相結合的仿真器。這兩種方式各有優勢，但兩者存在幾個共同的缺陷。一是缺少數控加工操作的真實感。二是現有的培訓產品主要針對數控加工，力口工件以標準回轉件為主，其結構通常都比較簡單，不能實現復雜結構的零件修復加工。三是培訓功能比較單一，對不同數控機床、不同數控系統的兼容性考慮不周，虛擬加工環境可訂制性差。
發明內容
本發明的目的在于提供一種綜合集成、一機多用、培訓方式靈活多變的多系統同步數控加工仿真培訓方法及裝置。特別針對異形件數控修復加工這一細分領域，提供一種集成多型號數控機床、多數控系統面板，可同步實現標準回轉件、異形件修復虛擬加工和真實加工的數控加工仿真培訓方法和裝置。區別以往的數控加工仿真培訓類產品，本發明整合虛擬數控加工和數控機床實際加工兩者的優勢，利用計算機控制實現兩者同步操作，在保證用戶操作真實體驗 的同時，增加系統的交互性和靈活性，使整個數控加工過程更加直觀和透明，幫助受訓者更好的了解整個數控加工的執行過程，提高培訓效果，顯著提高受訓人員的操作體驗和數控加工認知水平，解決現有數控加工仿真培訓產品在修復件加工領域存在的針對性不強，真實感不足、培訓功能單一、培訓資源浪費等問題。本發明的上述目的通過以下技術方案實現:
多系統同步數控加工仿真方法，步驟如下:首先，由操作者通過虛擬加工系統訂制虛擬加工環境，在真實加工系統中定制真實加工環境；然后，通過多系統控制平臺選擇一種數控系統面板，進行數控編程和控制，通過通信接口將數控指令發送給仿真控制器，仿真控制器進行仿真計算，一方面將刀具的運動參數發送給虛擬加工系統，虛擬加工系統采用基于體特征的混合建模方法和基于體特征的虛擬切削加工仿真算法進行圖形仿真計算，完成虛擬加工；另一方面將加工宏指令發送給真實加工系統，由真實機床完成毛坯或修復件的實際加工；與此同時，仿真控制器還將實時生成虛擬數控顯示屏，驅動LED電路完成各種指示，完成數控系統面板狀態更新。所述的通過虛擬加工系統訂制虛擬加工環境，即虛擬加工環境建模及仿真，過程如下:建模時首先對虛擬加工環境進行規劃，確定數控機床、夾具、刀具型號，然后依次建立結構模型、OB圖模型、三維模型，并輸出為標準的stl格式文件，依據OB圖模型建立裝配結構，定義各裝配體的裝配關系、約束，最終形成整機裝配結構，然后采用自定義統一建模描述語言進行建模并以純文本文件方式進行存儲；仿真時首先由操作者通過虛擬加工系統上位機軟件定制虛擬加工環境，進行機床、夾具、刀具選型設置，依據操作者設定讀取指定純文本格式的結構描述文件，建立與裝配結構一致的數據存儲結構，然后虛擬加虛擬加工仿真上位機軟件圖形仿真引擎讀取數據存儲結構，完成虛擬加工環境繪制。所述的基于體特征的混合建模方法步驟如下:將異形件加工表面和非加工表面進行分離，采用完全不同的建模方法進行建模，即非加工表面結構復雜，采用Cartia三維建模軟件進行建模；加工表面通常比較規則，采用基于體特征的建模方法，以特征表面作為建模的主要依據對加工表面進行分段描述；該方法自定義了一種文件存儲格式，實現了對各種復雜結構的零部件的統一描述建模。所述的異形件為異形回轉件。所述的基于體特征的虛擬切削加工仿真算法步驟如下:在仿真過程中讀取待加工零件的統一描述文件，依據零件特征描述形成一個與真實形狀相一致的零件特征鏈表存儲結構，虛擬機床在收到加工指令后將根據被加工零件的當前工步計算確定加工后特征的類型、尺寸等，然后用新的特征替代原特征，更新零件特征鏈表并按照新特征完成圖形繪制。本發明的另一目的在于提供一種多系統同步數控加工仿真裝置，包括多系統控制平臺1、仿真控制器2、虛擬加工系統3、真實加工系統4及通信協議，其中，多系統控制平臺I與仿真控制器2通信連接，所述仿真控制器2分別與虛擬加工系統3及真實加工系統4通信連接。所述多系統控制平臺I用于提供兩種不同數控系統面板，是系統的輸入部分；仿真控制器2是系統的處理中樞，主要用于處理用戶輸入，數控程序解析、數控加工仿真；虛擬加工系統3和真實加工系統4是系統兩套并行的執行機構，在仿真控制器2的控制下分別完成虛擬加工仿真和真實加工模擬；通信協議為系統各部分之間提供可靠的通信服務。本發明是國內首款可以同步完成虛擬加工和真實加工的數控加工仿真培訓系統。所述的多系統控制平臺I包括工作臺11、旋轉機架12、手輪13、華中數控系統面板14,Funac數控系統面板15、 切換控制裝置16及通信接口 17，旋轉機架12正反兩面分別固定華中數控系統面板14和Funac數控系統面板15，通過工作臺11上的切換控制裝置16實現華中數控系統面板14和Funac數控系統面板15兩種不同數控系統面板的快速切換 ’華中數控系統面板14和Funac數控系統面板15內部各設有一塊面板狀態掃描控制板，對數控系統面板硬件進行周期性掃描，并將掃描結果編碼后通過串口發送給仿真控制器嵌入式工控機主板。所述的仿真控制器2包括嵌入式工控機主板21、手輪控制板22、系統切換控制板23，嵌入式工控機主板21是整個系統的中樞，用于運行仿真軟件，主要處理用戶輸入、完成數控指令解析、仿真加工計算、虛擬數控顯示器模擬。嵌入式工控機主板21具有兩個串口，分別與虛擬加工系統3和真實加工系統4相連，以驅動虛擬加工系統3和真實加工系統4完成加工仿真；手輪13通過手輪控制板22與嵌入式工控機主板21相連，手輪控制板22用于處理手輪13操作，將手輪控制信號分別發送給多系統控制平臺I和數控機床；系統切換控制板23用以實現兩種不同數控系統面板的切換控制，建立嵌入式工控機主板與當前數控系統面板之間的串口數據和VGA視頻信號傳輸通道。
所述的虛擬加工系統3采用一臺PC機作為基礎平臺，PC機通過串口與仿真控制器2的嵌入式工控機主板21連接。采用虛擬現實技術和計算機仿真技術開發虛擬加工仿真上位機軟件，核心功能是以三維圖形方式實現用戶實時控制下的虛擬數控加工過程仿真及測量仿真。此外，上位機軟件還能完成數控機床、工件、刀具、夾具等虛擬數控加工環境定制、觀測角度調整以及其它訓練配置功能。所述的真實加工系統4是一臺現有小型的具有仿真控制功能的真實數控機床，可在仿真控制器的實時控制下完成零件實際加工；真實加工系統4通過串口與仿真控制器2的嵌入式工控機主板21通信連接。主要由數控機床、機床控制單元、通信接口組成，可實現不同原材料毛坯、標準件、異形件的真實數控加工要求。所述的華中數控系統面板14和Funac數控系統面板15上分別設置顯示面板、快捷鍵面板、控制面板、操縱面板、輔助面板及LED電路，且分別與面板狀態掃描控制板相連，所述面板狀態掃描控制板及切換控制裝置分別與系統切換控制板23相連。本發明的有益效果在于:
1.同步加工
系統具有兩套完全不同的執行機構，分別是基于PC機的虛擬加工系統和基于數控機床的真實加工系統，兩套執行機構在仿真控制器的驅動下同步工 作，實現同步切削加工，借助虛擬加工系統操作者可以更加直觀的了解整個數控加工過程，尤其是數控程序的執行過程和刀具的走刀線路，從而極大地改善了操作者的受訓體驗。2.多數控系統加工
系統采用可旋轉的多數控系統平臺提供Fanuc和華中兩種不同的數控系統面板，并利用切換控制裝置實現兩種數控系統的快速切換。操作者可以利用不同的數控系統進行數控加工，熟悉不同數控系統面板的操作和指令系統。實現單一平臺下的一機多用，提高了系統的利用率，實現了系統資源的優化配置。3.異形零件修復加工
異形零件修復加工仿真一直以來都是一項技術難題，主要體現在兩個方面:一是異形零件結構復雜難以建模描述，二是虛擬切削仿真算法十分復雜。在保證仿真精度的前提下數據處理量對性能的影響較大。本發明提出了一種基于體特征的混合建模方法和基于體特征的虛擬切削仿真算法，有效解決了異形零件修復加工仿真問題。4.培訓形式靈活多變
系統各部分功能相對完整，既可以獨立工作又可以在既定通信協議的控制下同步工作，從而保證了系統的組訓方式靈活多變。系統各部分可自由組合實現虛擬加工培訓、真實加工培訓、集團作業。本發明針對目前國內外少有研究的異形件數控修復加工仿真領域，創造性的提出了一種虛擬加工與真實加工同步、多型號數控機床與數控系統兼容、標準件加工與異形件修復仿真于一體的整體解決方案，有效地結合了純軟件仿真和純數控系統仿真的優勢，使操作者可以在同一平臺下實現多型號數控機床、多數控系統面板操作，完成標準回轉件、異形件虛擬加工和真實加工的仿真培訓。本發明具有設計理念先進、功能實用、成本低廉、部署方便、系統兼容性好、組訓方式靈活多變、加工過程直觀形象準確、人機交互性好、用戶操作真實感強、能顯著改變操作者的用戶體驗等諸多優點，開創了一種全新的數控加工仿真培訓模式，具有十分顯著的社會、經濟效益和極大的推廣應用前景。本發明提出了一種可實現虛擬加工與真實加工同步完成的數控加工仿真培訓的方法，并完成原型樣機設計，具備同步加工、多數控系統加工、異形零件修復加工、培訓方式靈活四個顯著特征。本發明首先提出了一種集成真實加工、虛擬加工于一體，并實現同步加工的仿真器設計理念，并完成了實物樣機生產，整合了真實加工、虛擬加工兩者的優勢，使數控加工過程更加直觀形象，便于理解和接受，提高了用戶操控體驗。本發明首次針對異形件虛擬修復技術進行研究，提出了基于體特征的混合建模方法和基于體特征的虛擬切削仿真算法，有效解決了異形件虛擬數控加工仿真這一技術難題，實現了虛擬數控加工技術創新。本發明首次運用基于統一描述語言對虛擬數控顯示器、虛擬數控機床、虛擬刀具、虛擬夾具進行建模和仿真，解決了不同型號數控機床、不同數控系統之間的兼容性問題，實現了訓練系統可配置、可擴展，真正意義上實現了一機多用。
此處所說明的附圖用來提供對本發明的進一步理解，構成本申請的一部分，本發明的示意性實例及其說明用于解釋本發明，并不構成對本發明的不當限定。圖1為本發明的原理示意圖。圖2為本發明的多系統控制平臺構成示意圖。圖3為本發明的整體結構示意圖。圖4為本發明的作業流程。圖5為本發明的虛擬加工環境動態建模方法。圖6為本發明的數控機床功能結構模型圖。
圖7為本發明的數控機床功能OB圖模型。圖8為本發明的數控機床結構描述文件。圖9為本發明的基于體特征的混合建模方法。圖10為本發明的基于體特征的混合建模過程。圖11為本發明的基于體特征的虛擬切削仿真算法。圖12為本發明的數控指令系統建模過程。圖13為本發明的數控加工仿真控制器動態模型。
具體實施例方式下面結合附圖進一步說明本發明的詳細內容及其具體實施方式
。參見圖1，本發明的多系統同步數控加工仿真方法，首先由操作者利用虛擬加工系統訂制虛擬加工環境，在真實加工系統中定制真實加工環境，然后利用多系統控制平臺選擇一種數控系統面板，進行數控編程和控制，利用通信接口將數控指令發送給仿真控制器，仿真控制器進行仿真計算，一方面將刀具的運動參數發送給虛擬加工系統，虛擬加工系統利用虛擬切削加工仿真算法進行圖形仿真計算，完成虛擬加工；另一方面將加工宏指令發送給真實加工系統、由真實加工系統完成毛坯或修復件的實際加工。與此同時仿真控制器還將實時生成虛擬數控顯示屏，驅動LED電路完成各種指示，完成數控系統面板狀態更新。參見附圖2及附圖3，本發明多系統同步數控加工仿真裝置由多系統控制平臺1、仿真控制器2、虛擬加工系統3、真實加工系統4以及數據通信協議組成。多系統控制平臺I主要提供華中數控系統面板14、Funac數控系統面板15兩種數控系統面板仿真。仿真控制器2由嵌入式工控機主板21、手輪控制板22、系統切換控制板23和仿真軟件構成。嵌入式工控機主板21是整個系統的中樞，用于運行仿真軟件，主要處理用戶輸入、完成數控指令解析、仿真加工計算、虛擬數控顯示器模擬。虛擬加工系統3采用一臺PC機作為基礎平臺，用于運行虛擬加工加工仿真上位機軟件，PC機通過串口與仿真控制器進行通信。虛擬加工仿真上位機軟件采用虛擬現實技術和計算機仿真技術開發，核心功能是以三維圖形方式實現用戶實時控制下的虛擬數控加工過程仿真及測量仿真。此外，上位機軟件還能完成數控機床、工件、刀具、夾具等虛擬數控加工環境定制、觀測角度調整以及其它訓練配置功能。真實加工系統4是一臺現有小型的具有仿真控制功能的真實數控機床，主要由數控機床、機床控制單元、通信接口組成，可實現不同原材料毛坯、標準件、異形件的真實數控加工要求。參見附圖4，本發明的作業流程描述如下:
Stepl.操作者在虛擬加工系統中選擇虛擬數控機床；
Step2.操作者在虛擬加工·系統中選擇虛擬夾具；
Step3.操作者在虛擬加工系統中選擇并安裝虛擬刀具；
Step4.操作者在虛擬加工系統中選擇并安裝虛擬毛坯或修復件；
Step5.操作者在虛擬加工系統中調整觀測角度和顯示模式；
Step6.操作者在真實加工系統中安裝虛擬毛坯或修復件；
Step7.操作者在真實加工系統完成對刀、設置刀補等基本操作；
StepS.操作者在多系統控制平臺上選定一種數控系統面板作為當前訓練的數控系統，并按下啟動按鈕，系統進行初始化；
Step9.操作者利用選定的數控系統面板輸入數控加工程序或數控加工指令，由接口電路將編碼后的數控指令發送給仿真控制器；
Stepl0.仿真控制器對數控加工指令進行解析、處理，依據虛擬加工環境參數進行仿真計算;
Stepll.仿真控制器將計算的結果分別發送給虛擬加工系統和真實加工系統；
St印12.虛擬加工系統根據刀具移動參數進行虛擬切削仿真計算，實時完成三維圖形的繪制，實現虛擬加工過程的仿真。St印13.真實加工系統依據驅動機床各部件運動的宏指令完成對機床的運動控制，完成真實加工。St印14.重復第9至14步，直至完成整個數控加工過程。參見圖5，虛擬加工環境建模主要包括虛擬數控機床、虛擬夾具、虛擬刀具。為了實現加工環境的可定制特征，采取動態建模的方式實現，具體思路是:以機床模型為例，將機床整機看成一個由機床級和功能組件級構成的兩層樹狀裝配體結構，即整機由功能組件(如床身、各運動主軸和刀具夾具等)裝配而成，而功能組件又是由單元構件(如方塊、圓柱等)組成的裝配體，通過建立一個具有統一格式的機床裝配結構描述文件表達機床的兩級裝配關系，再開發一個裝配結構的解析引擎，便可以通過統一的建模方法來建立不同的虛擬機床模型。對于不同結構的數控機床只要依據機床的具體結構，按照機床裝配結構描述文件的格式描述機床的結構，機床建模解析引擎便可以生成新的機床模型。動態建模技術克服了靜態建模的局限性，具有更大的靈活性，而且通過提供與商業三維造型軟件的圖形接口，可以解決復雜零件的建模問題，使機床模型的建立和機床的復雜程度無關。參見圖5，虛擬加工環境建模過程如下:
Stepl.虛擬加工環境規劃；
Step2.建立結構模型，參見圖6 ；
Step3.建立OB圖模型，參見圖7 ；
Step4.利用Catia三維建模軟件完成各單元構件的三維建模；
Step5.輸出為標準的Stl格式文件；
Step6.利用通過Stl對象讀取Stl文件,生成里機床組件的裝配結構；
Step7.生成整機裝配結構；
Step8.導出純文本格式的結構描述文件，該描述文件由四部分組成:文件頭、顏色表、機床參數表和機床組件，由于機床組件的聚集度為n所以機床組件的描述有多個，在每個機床組件中包含若干個單元構件的描述。具體文件結構可參見圖8。與虛擬加工環境建模過程相對應，虛擬加工環境仿真過程如下:
Stepl.打開結構描述文件；
Step2.讀取顏色表，建立預制顏色信息列表；
Step3.讀取機床參數表區域；`
Step4.實例化組件對象，并根據指定參數信息進行初始化；
Step5.重復Step6至Step9,直到實例化所有組件對象；
Step6.讀取機床組件參數表區域；
Step7.建立裝配體對象，對組件名稱，元件運動類型、源點坐標、連接屬性等參數進行初始化；
StepS.按照運動類型建立裝配體運動學約束；
Step9.讀取裝配體單元構件區域；
Stepl0.實例化單元構件，按照顏色表索引對應的顏色，使用圖形引擎繪制單元構件圖
元;
Stepll.重復Step6至Step9,直到實例化所有單元構件對象；
Stepl2.重復Step6至Stepll,直到實例化所有裝配體對象；
Stepl3.按照裝配體運動學約束和數控宏指令進行運動學仿真。參見圖9，本發明采用基于體特征的混合建模方法對結構比較復雜的軸類、盤類、殼體類的修復件進行建模。具體思路是將零件分離為非加工表面和加工表面分別建模。非加工表面采用Catia工具建模完成，加工表面采用基于體特征的建模方法將模型分成特征層和零件層。特征層結構設計以構成零件的工藝特征為設計對象，對其進行詳細結構設計和制造信息集成的設計過程。特征層的設計活動通過對特征層統一數據模型的操作來實現對工藝特征的相關制造活動的關聯驅動，同時特征層的設計也是零件層設計的基礎。特征層結構設計主要包括以下內容:(I)特征庫的建立，包括基本特征庫和構造特征庫；(2)基本特征參數輸入和參數修改；(3)特征的詳細結構設計，如倒角、倒圓等；(4)構造特征的結構設計與制造信息關聯，參數特征由二維輪廓參數化設計系統來完成。零件層設計是在特征層結構設計基礎上用回轉類零件的工藝特征以及異形部分來表達零件的完整構造，表達零件特征構成、各特征間的約束關系以及零件整體的制造要求。零件層結構設計主要包括以下內容:(I)對特征的編輯操作:如特征的插入、刪除、零件調頭等；(2)特征間的圓角過渡計算；(3)特征表達模型向統一輪廓表達模型的轉換；(4)零件技術信息輸入，主要包括零件名稱，編號，繪圖比例，生產批量，毛坯類型及尺寸，材料，熱處理等信息。參見圖10，基于體特征的混合建模方法可描述如下:將加工表面和非加工表面進行分離，采用完全不同的建模方法進行建模。非加工表面結構復雜，難于用數據結構描述，因此采用Cartia三維建模軟件進行建模，確保了模型的準確性。加工表面通常具有一定的規則性，如回轉表面、平面、螺旋、螺紋，對于這些規則表面則采用基于體特征的建模方法，以特征表面作為建模的主要依據對加工表面進行分段描述。為了對兩種建模方法進行統一描述，系統自定義了一種文件存儲格式，實現了對各種復雜結構的零部件的建模描述。基于體特征的建模方法由于以特征數據作為存儲結構，極大地減少了存儲開銷，因而為基于體特征的虛擬切削仿真算法提供了條件，在進行切削加工仿真計算時，只需對特征數據進行計算，極大地減少了 CPU消耗，確保了虛擬加工的實時計算和繪制，也從根本上保證了圖形繪制的精度。本發明采用基于體特征的虛擬切削加工仿真算法，基本方法如下:在仿真過程中依據零件特征鏈表形成一個與真實形狀相一致的零件，虛擬機床在收到加工指令后將根據被加工零件的當前工步計算確定加工后特征的類型、尺寸等，然后用新的特征替代原特征，更新零件特征鏈表并按照新特征完成圖形繪制。參見圖11，以回轉特征體車削圓柱過程為例，在收到加工指令后，虛擬切削加工仿真算法計算加工后的特征I和特征2尺寸的“此消彼長”，分別替換為特征I’和特征2’。通過特征替換的方式不僅有效降低了系統存儲開銷，也大幅減少了系統計算開銷，提高了算法效率。參見圖12，目前的數控代碼可以分為三類:(1) ISO標準指令集，一般指G功能指令集或M功能指令集，由于采用同樣的國際標準，對于不同的數控機床，這部分指令定義的功能基本相同；(2)擴展指令集，對于一些保留功能的指令，即國際標準沒有定義的指令，各機床生產廠家的定義不盡相同；(3)高級宏指令集，是指數控機床支持的復雜數控代碼指令集，如三角函數計算、條 件判斷、循環跳轉和高級插補指令等，這部分指令對于不同的機床生產廠家沒有統一的標準，差別最大。控制器動態建模類似于Java的虛擬機技術,先建立一個類似于虛擬機虛擬指令層的數控代碼宏指令層，再建立具體的數控代碼格式對數控代碼宏指令的調用關系映射表，也就是宏指令映射描述文件，控制器通過宏指令映射描述文件來調用的數控代碼宏指令完成具體的仿真加工，從而實現對不同的數控代碼格式的動態解析。數控代碼宏指令是數控加工仿真系統的內部指令集，它定義了數控機床完成加工動作的各種行為，可以直接操作系統參數區，也可以直接調用加工仿真切削算法完成零件的仿真加工。控制器通過宏指令映射描述文件建立具體的數控代碼對數控仿真加工底層的驅動，而完成各種加工任務。只要數控代碼宏指令層的指令集中有對應功能的映射指令，控制器便可以兼容足夠多的數控代碼格式。參見圖13，仿真控制器的工作過程是以宏指令映射描述文件為核心的，宏指令映射描述文件是一個具有統一格式的宏指令映射關系描述表，宏指令映射描述文件中全面定義了數控的代碼和宏指令的映射關系。對一個具體的數控代碼的解析需要經過兩個過程，第一個過程是數控代碼的語法檢查，第二個過程是完成對虛擬數控機床的驅動。這兩個過程都離不開宏指令映射描述文件。控制器的先依據描述文件檢查輸入的數控代碼的格式的正確性，再格式檢驗通過后再根據具體的數控指令查找宏指令映射描述文件，找到對應的宏指令并調用，從而完成驅動虛擬數控機床的任務。具體步驟如下:
Stepl.輸入NC程序；
Step2.對NC程序進行語法檢查；
Step3.判斷語法是否合乎要求，如果不符合跳轉至St印1，否則進入St印4 ；
Step4.查找宏指令映射描述文件將NC程序翻譯成相應的數控加工宏指令，完成代碼格式化轉換；
Step5.翻譯成相應的數控加工宏指令；
Step6.結合系統參數表進行數控加工仿真計算；
Step7.重復St印4至Step6，直到所有NC程序執行完畢；
Step8.結束仿真。參見圖1至圖4，本發明的多系統同步數控加工仿真裝置，包括多系統控制平臺1、仿真控制器2、虛擬加工系統3、真實加工系統4及通信協議，其中，多系統控制平臺I與仿真控制器2通信連接，所述仿真控制器2分別與虛擬加工系統3及真實加工系統4通信連接；所述多系統控制平臺I用于提供兩種不同數控系統面板，是系統的輸入部分；仿真控制器2是系統的處理中樞，主要用于處理用戶輸入，數控程序解析、數控加工仿真；虛擬加工系統3和真實加工系統4是系統兩套并行的執行機構，在仿真控制器2的控制下分別完成虛擬加工仿真和真實加工模擬；通信協議為系統各部分之間提供可靠的通信服務。本發明是首款可以同步完成虛擬加工和真實加工的數控加工仿真培訓系統。所述的多系統控制平臺I包括工作臺11、旋轉機架12、手輪13、華中數控系統面板14,Funac數控系統面板15、切換控制裝置16及通信接口 17，旋轉機架12正反兩面分別固定華中數控系統面板14和Funac數控系統面板15，通過工作臺11上的切換控制裝置16實現華中數控系統面板14和Funac數控系統面板15兩種不同數控系統面板的快速切換 ’華中數控系統面板14和Funac數控系統面板15內部各設有一塊面板狀態掃描控制板，對數控系統面板硬件進行周期性掃描，并將掃描結果編碼后通過串口發送給仿真控制器嵌入式工控機主板。所述的仿真控制器2包括嵌入式工控機主板21、手輪控制板22、系統切換控制板23，嵌入式工控機主板21是整個系統的中樞，用于運行仿真軟件，主要處理用戶輸入、完成數控指令解析、仿真加工計算、虛擬數控顯示器模擬。嵌入式工控機主板21具有兩個串口，分別通過系統切換控制板23與虛擬加工系統3和真實加工系統4相連，以驅動虛擬加工系統3和真實加工系統4完成加工仿真；手輪13通過手輪控制板22與嵌入式工控機主板21相連，手輪控制板22用于處理手輪13操作，將手輪控制信號分別發送給多系統控制平臺I和數控機床；系統切換控制板23用以實現兩種不同數控系統面板的切換控制，建立嵌入式工控機主板與當前數控系統面板之間的串口數據和VGA視頻信號傳輸通道。所述的虛擬 加工系統3采用一臺PC機作為基礎平臺，PC機通過串口與仿真控制器2的嵌入式工控機主板21連接。采用虛擬現實技術和計算機仿真技術開發虛擬加工仿真上位機軟件，核心功能是以三維圖形方式實現用戶實時控制下的虛擬數控加工過程仿真及測量仿真。此外，上位機軟件還能完成數控機床、工件、刀具、夾具等虛擬數控加工環境定制、觀測角度調整以及其它訓練配置功能。所述的真實加工系統4是一臺現有小型的具有仿真控制功能的真實數控機床，主要由數控機床、機床控制單元、通信接口組成，可實現不同原材料毛坯、標準件、異形件的真實數控加工要求。所述的華中數控系統面板14和Funac數控系統面板15上分別設置顯示面板、快捷鍵面板、控制面板、操縱面板、輔助面板及LED電路，且分別與面板狀態掃描控制板相連，所述面板狀態掃描控制板及切換控制裝置分別與系統切換控制板23相連。參見圖1所示，本發明以仿真控制器2為核心，以多系統控制平臺I為人機交互界面，以虛擬加工系統3和真實加工系統4為執行單元，實現實時數控加工過程仿真。其主要工作流程為:操作者首先在真實加工系統的數控機床上裝夾零件或毛坯，完成對刀等加工準備工作，然后通過虛擬加工系統的虛擬加工軟件定制虛擬數控加工環境，完成數控機床、夾具、刀具、工件以及 視景仿真參數設定。完成相關準備工作后，選擇一種數控系統面板，啟動系統。待系統初始化完成后，操作者操作數控系統面板完成數控編程和輸入數控指令，數控系統面板通過接口電路將數控加工指令編碼后發送給仿真控制器2，由仿真軟件對數控加工指令進行解析、翻譯、處理后，根據當前狀態參數完成仿真加工計算，并將計算后得到的刀具移動等相關參數和控制指令通過串口分別發送給虛擬加工系統和真實加工系統，同步驅動虛擬和真實加工系統3、4分別完成虛擬和真實數控加工。同時仿真控制器2通過仿真軟件的虛擬數控顯示器仿真模塊實時更新數控系統面板的顯示界面，并驅動LED電路完成相關指示。參見圖2所示，多系統控制平臺I用來提供兩種不同數控系統面板，是系統的輸入部分；仿真控制器2是系統的處理中樞，主要用于處理用戶輸入，數控程序解析、數控加工仿真；虛擬加工系統3和真實加工系統4是系統兩套并行的執行機構，在仿真控制器2的控制下分別完成虛擬加工仿真和真實加工模擬；通信協議為系統各部分之間提供可靠的通信服務。參加圖2及圖3所示，多系統控制平臺I的旋轉機架12通過底座固定在工作臺11中央，可360度自由旋轉。旋轉機架12前后兩面分別安裝華中、Funac數控系統面板14、15，連接線纜通過底座中央的圓孔引出。工作臺臺面左下角有一個切換控制裝置16。切換控制裝置16有切換旋鈕和啟動、停止、急停三個控制按鈕。通過切換旋鈕控制選擇使用其中一套數控系統硬件仿真面板，通過啟動和停止按鈕控制數控機床運行狀態，通過急停按鈕可緊急停車。仿真控制器2位于工作臺11左下方的一個控制箱內，主要由電源模塊，嵌入式工控機主板21、系統切換控制板23、手輪控制板22三塊電路板構成。電源模塊對各電路板進行供電。三塊電路板和運行在嵌入式工控機主板21上的仿真軟件共同構成仿真控制器2。虛擬加工系統3是系統的執行機構。工作臺11左上角通過伸出的支架固定一臺液晶顯示器，與控制箱內PC機主機相連，構成虛擬加工系統的硬件平臺。PC機主機通過串口與嵌入式工控機主板21連接，主要運行虛擬加工仿真上位機軟件，用三維圖形方式實現虛擬加工過程的實時動態仿真。真實加工系統4是系統的另一套執行機構，其主體是一臺小型的數控車床。在數控車床后側控制箱內安裝有一個運動控制器，通過25針的串口線與嵌入式工控機主板21連接。該控制器運行一個可以控制機床各部件運動的下位機軟件，以嵌入式工控機主板21輸出的控制指令為輸入，以控制數控車床各部件運動的電信號為輸出，實現對真實零件的加工切削。為了實現真實加工與虛擬加工的同步，引入了同步機制。即數控機床每完成一個加工指令會及時地將當前指令的行號上報給仿真控制器2，仿真控制器2依據此行號判斷機床的狀態并通知虛擬加工仿真軟件進行同步。Fanuc數控系統面板15和華中數控系統面板14分別由顯示面板、快捷鍵面板、操縱面板、數控面板、輔助面板、面板狀態掃描控制板、LED電路等組成。顯示面板主要由一塊12寸液晶顯示屏及其附屬電路構成。快捷鍵面板、操縱面板、數控面板為觸摸式按鍵面板。輔助面板包括急停、運行、停止三個開關按鈕。多系統控制平臺兩種面板布局、操作及顯示與其真實數控系統面板基本一致。Fanuc數控系統面板15和華中數控系統14面板背面分別有三個串口、一個USB口、一個Lan 口、一個VGA 口、兩個航空插頭以及一個電源接口。一個串口與仿真控制器的系統切換控制板串口相連，另外兩串口備用，VGA 口與仿真控制器系統切換控制板的VGA輸出口連接。USB 口和Lan 口主要用于系統更新和配置。面板狀態掃描控制板固定在多系統控制平臺I的箱體內部，主要由高性能微控制器CPU、存儲器、開關量輸入模塊、開關量輸出模塊、通訊接口等構成，主要用來處理各種面板輸入和操作控制。主要通訊接口包括手輪接口、暫停接口、循環啟動接口、波段開關接口、急停接口、數控按鍵接口、機床按鍵接口，分別與多系統控制平臺各硬件面板和數控機床連接。串口與嵌入式工控機主板21的串口連接。面板狀態掃描控制板周期性掃描各硬件狀態，按照通信協議編碼后通過串口輸出給嵌入式工控機主板21。嵌入式工控機主板21主要用于處理用戶輸入、完成數控指令解析、數控加工仿真計算、虛擬數控顯示器模擬，實時驅動虛擬加工系統和真實加工系統。嵌入式工控機主板21選用博來的3I270A多串口 3.5寸工業主板，采用Intel Atom N270 1.6GHZ超低功耗處理器，采用一塊TwinMos Ultra-X型號的Flash Card作為存儲設備，6個USB串口，2個SATA接口，板貼內存，可板載SSD，高清音頻，支持MinPC1-E，MinPCI擴展，支持雙顯。嵌入式工控機主板21主要使用接口包括一個VGA輸出串口，一個連接虛擬加工系統PC機的串口，一個連接真實加工系統仿真控制單元的串口，一個連接系統切換控制板23的串口。手輪控制板22包括一個連接外置手輪的輸入接口和三個輸出接口以及一個機床急停接口。三個輸出接口中一個用于連接數控機床仿真控制單元手輪控制接口，另外兩個用于連接面板狀態掃描控制板的仿真器手輪及波段開關控制接口。手輪主控板主要負責采集手輪控制信號，并分別發送給多系統數控面板和數控機床仿真控制單元。系統切換控制板的兩個VGA輸入接口分別與分頻器兩個VGA輸出接口連接，兩個VGA輸出接口則分別連接到多系統控制平臺的兩個顯示面板的VGA輸入接口。其串口輸入接口與嵌入式工控機主板的串口連接，兩個輸出接口與面板狀態掃描控制板的數據串口連接。系統切換旋鈕接口與切換控制裝置的切換旋鈕連接。當操作者扳動切換旋鈕時，系統切換控制板將改變VGA視頻信號和串口數據信號的輸出接口，實現Funac數控系統和華中數控系統的切換。虛擬加工系 統實際上是一臺運行虛擬加工上位機軟件的計算機系統，通過串口與仿真控制器的嵌入式工控機主板通信，在操作者的交互控制下實現虛擬加工仿真。虛擬加工上位機軟件是虛擬加工系統的核心，主要解決以下幾個問題:一是數控加工環境仿真，二是數控加工過程仿真，三是數控加工作業流程仿真。通過建立虛擬數控機床、虛擬刀具、虛擬零件、虛擬夾具模型庫實現數控加工環境的個性化定制及可視化仿真。通過基于體特征建模技術的虛擬切削算法實現數控加工過程仿真，有效解決異形件虛擬修復加工的技術難題。通過選擇數控機床、選擇夾具、定制零件、零件裝夾、對刀等基礎配置模塊以及虛擬測量等輔助功能模塊實現整個數控加工作業流程的仿真。虛擬加工軟件以其豐富的圖形用戶界面和多樣化的表達方式為操作者提供了一個多角度、全方位的數控加工展示平臺，具有良好的交互性和兼容性，極大程度地改善操作者的受訓體驗。真實加工系統是系統的執行單元，是完成零件真實數控加工的執行機構，除具備普通數控車床的加工能力外，還具有一定的交互控制能力，可實現不同原材料、不同回轉直徑、不同形制零件的真實加工要求。真實加工系統采用真實數控機床改造而成，通過內置的嵌入式仿真控制器、通信接口實現與仿真控制器的數據通信，執行仿真控制器的驅動指令完成各種數控加工動作，同時將執行后的狀態反饋給仿真控制器，實現與虛擬加工系統的狀態同步。真實加工系統只接受控制機床運動的原子指令，因而不再依賴特定的數控機床和數控系統的指令系統，為實現多型號數控機床、多數控系統共享硬件資源提供了條件。以上所述僅為本發明的優選實例而已，并不用于限制本發明，對于本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡對本發明所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的 保護范圍之內。
權利要求
1.一種多系統同步數控加工仿真方法，步驟如下:首先，由操作者通過虛擬加工系統訂制虛擬加工環境，在真實加工系統中定制真實加工環境；然后，通過多系統控制平臺選擇一種數控系統面板，進行數控編程和控制，通過通信接口將數控指令發送給仿真控制器，仿真控制器進行仿真計算，一方面將刀具的運動參數發送給虛擬加工系統，虛擬加工系統采用基于體特征的混合建模方法和基于體特征的虛擬切削加工仿真算法進行圖形仿真計算，完成虛擬加工；另一方面將加工宏指令發送給真實加工系統，由真實機床完成毛坯或修復件的實際加工；與此同時，仿真控制器還將實時生成虛擬數控顯示屏，驅動LED電路完成各種指示，完成數控系統面板狀態更新。
2.根據權利要求1所述的多系統同步數控加工仿真方法，其特征在于:所述的通過虛擬加工系統訂制虛擬加工環境，即虛擬加工環境建模及仿真，過程如下:建模時首先對虛擬加工環境進行規劃，確定數控機床、夾具、刀具型號，然后依次建立結構模型、OB圖模型、三維模型，并輸出為標準的stl格式文件，依據OB圖模型建立裝配結構，定義各裝配體的裝配關系、約束，最終形成整機裝配結構，然后采用自定義統一建模描述語言進行建模并以純文本文件方式進行存儲；仿真時首先由操作者通過虛擬加工系統上位機軟件定制虛擬加工環境，進行機床、夾具、刀具選型設置，依據操作者設定讀取指定純文本格式的結構描述文件，建立與裝配結構一致的數據存儲結構，然后虛擬加虛擬加工仿真上位機軟件圖形仿真引擎讀取數據存儲結構，完成虛擬加工環境繪制。
3.根據權利要求1所述的 多系統同步數控加工仿真方法，其特征在于:所述的基于體特征的混合建模方法步驟如下:將異形件加工表面和非加工表面進行分離，采用完全不同的建模方法進行建模，即非加工表面結構復雜，采用Cartia三維建模軟件進行建模；加工表面規則，采用基于體特征的建模方法，以特征表面作為建模的依據對加工表面進行分段描述；該方法自定義了一種文件存儲格式，實現了對各種復雜結構的零部件的統一描述建模。
4.根據權利要求3所述的多系統同步數控加工仿真方法，其特征在于:所述的異形件為異形回轉件。
5.根據權利要求1所述的多系統同步數控加工仿真方法，其特征在于:所述的基于體特征的虛擬切削加工仿真算法步驟如下:在仿真過程中讀取待加工零件的統一描述文件，依據零件特征描述形成一個與真實形狀相一致的零件特征鏈表存儲結構，虛擬機床在收到加工指令后將根據被加工零件的當前工步計算確定加工后特征的類型、尺寸，然后用新的特征替代原特征，更新零件特征鏈表并按照新特征完成圖形繪制。
6.一種實現上述多系統同步數控加工仿真方法的多系統同步數控加工仿真裝置，其特征在于:包括多系統控制平臺(I)、仿真控制器(2)、虛擬加工系統(3)、真實加工系統(4)及通信協議，其中，多系統控制平臺(I)與仿真控制器(2 )通信連接，所述仿真控制器(2 )分別與虛擬加工系統(3)及真實加工系統(4)通信連接。
7.根據權利要求6所述的多系統同步數控加工仿真裝置，其特征在于:所述的多系統控制平臺(I)包括工作臺(11)、旋轉機架(12)、手輪(13)、華中數控系統面板(14)、Funac數控系統面板(15)、切換控制裝置(16)及通信接口(17)，旋轉機架(12)正反兩面分別固定華中數控系統面板(14)和Funac數控系統面板(15)，通過工作臺(11)上的切換控制裝置(16)實現華中數控系統面板(14)和Funac數控系統面板(15)兩種不同數控系統面板的快速切換；華中數控系統面板(14)和Funac數控系統面板(15)內部各設有一塊面板狀態掃描控制板，對數控系統面板硬件進行周期性掃描，并將掃描結果編碼后通過串口發送給仿真控制器嵌入式工控機主板。
8.根據權利要求6所述的多系統同步數控加工仿真裝置，其特征在于:所述的仿真控制器(2 )包括嵌入式工控機主板(21)、手輪控制板(22 )、系統切換控制板(23 )，嵌入式工控機主板(21)具有兩個串口，分別與虛擬加工系統(3)和真實加工系統(4)相連，以驅動虛擬加工系統(3 )和真實加工系統(4)完成加工仿真；手輪(13 )通過手輪控制板(22 )與嵌入式工控機主板(21)相連，手輪控制板(22 )用于處理手輪(13 )操作，將手輪控制信號分別發送給多系統控制平臺(I)和數控機床；系統切換控制板(23)用以實現兩種不同數控系統面板的切換控制，建立嵌入式工控機主板與當前數控系統面板之間的串口數據和VGA視頻信號傳輸通道。
9.根據權利要求6所述的多系統同步數控加工仿真裝置，其特征在于:所述的虛擬加工系統(3)采用一臺PC機作為基礎平臺，運行虛擬加工仿真上位機軟件，PC機通過串口與仿真控制器(2 )的嵌入式工控機主板(21)通信連接。
10.根據權利要求6所述的多系統同步數控加工仿真裝置，其特征在于:所述的真實加工系統(4)是一臺小型的具有仿真控制功能的真實數控機床，可在仿真控制器的實時控制下完成零件實際加工；真實加工系統(4)通過串口與仿真控制器(2)的嵌入式工控機主板(21)通信連接。
全文摘要
本發明涉及一種多系統同步數控加工仿真方法及裝置，屬于數控加工仿真培訓領域。由操作者通過虛擬加工系統訂制虛擬加工環境，在真實加工系統中定制真實加工環境；然后，通過多系統控制平臺選擇一種數控系統面板，進行數控編程和控制，并將數控指令編碼后發送給仿真控制器，仿真控制器進行仿真計算，一方面將刀具的運動參數發送給虛擬加工系統完成虛擬加工；另一方面將加工宏指令發送給真實加工系統控制機床完成毛坯或修復件的實際加工。本發明具有設計理念先進、功能實用、成本低廉、部署方便、系統兼容性好、組訓方式靈活多變、加工過程直觀形象準確、人機交互性好、用戶操作真實感強、能顯著改變操作者的用戶體驗等諸多優點。
文檔編號G09B25/02GK103236217SQ20131014616
公開日2013年8月7日 申請日期2013年4月25日 優先權日2013年4月25日
發明者鄒家平, 高月德, 鄒華懿, 齊鳳軍, 孟慶國, 張前雄, 胡德計, 錢九娟, 孔德新, 胡春華, 劉淼, 沙學鋒, 劉憲偉 申請人:中國人民解放軍裝甲兵技術學院