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技術(shù)文章
虛擬數(shù)控機床模型與實現(xiàn)
閱讀：1690 發(fā)布時間：2014-7-8
1、虛擬制造的產(chǎn)生背景
自20世紀70年代以來，世界市場由局部競爭逐步演變成范圍內(nèi)的競爭，并具有動態(tài)多變的特征，同行業(yè)之間、跨行業(yè)之間的相互滲透、相互競爭日益激烈。為了適應(yīng)變化迅速的市場需求，不斷提高競爭力，現(xiàn)代制造企業(yè)必須解決TQCS難題，即以zui快的上市速度(T-TimetoMarket)，的質(zhì)量(Q-Quality)，zui低的成本(C-Cost)，*的服務(wù)(S-Service)來滿足不同顧客的需求。
與此同時，信息技術(shù)取得了迅速發(fā)展，特別是計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息處理技術(shù)等取得了人們意想不到的進步。二十多年來的實踐證明，將信息技術(shù)應(yīng)用于制造業(yè)，對傳統(tǒng)制造業(yè)進行改造，是現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展的必由之路。進人20世紀90年代，*制造技術(shù)進一步發(fā)展，出現(xiàn)了虛擬制造(VM，VirtualManufacturing)、精益生產(chǎn)(LP，LeanProduction)、敏捷制造(AM，AgileManufacturing)、虛擬企業(yè)(VE，VirtualEnterprise)等新概念。在這些諸多新概念中，“虛擬制造”以其高度集成、支持敏捷制造和分工合作的特點引起了人們的廣泛關(guān)注，不僅在科技界，而且在企業(yè)界，成為研究的熱點之一。
2、虛擬數(shù)控機床的用途
由于數(shù)控加工過程隱含在數(shù)控程序中，而數(shù)控程序中的錯誤又不容易發(fā)現(xiàn)，因此，在實際數(shù)控加工過程中，為了校驗數(shù)控代碼的正確性，需要進行反復(fù)試切，直至確認數(shù)控代碼能夠完成預(yù)定的加工任務(wù)，同時數(shù)控加工參數(shù)也需要反復(fù)調(diào)試。上述操作不僅使效率降低，占用了機器資源，而且有可能引起刀具碰撞而造成經(jīng)濟損失。
目前通常采用計算機圖形模擬刀具軌跡顯示法和機床試切法對數(shù)控程序進行檢驗。但計算機圖形模擬刀具軌跡顯示法缺少真實感，刀具與工件的干涉和過切難以發(fā)現(xiàn)，而試切法成本高，周期長。
采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)建立的虛擬數(shù)控機床，可以為產(chǎn)品設(shè)計過程中的可制造性分析提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)，降低成本并縮短開發(fā)周期。利用機床加工的全過程與用戶的交互功能，還可以對機床操作人員進行培訓(xùn)，并幫助機床制造商向遠程客戶逼真地演示其產(chǎn)品。
基于WTK的虛擬數(shù)控機床
WTK(WorldToolKit)是由美國Sense8公司開發(fā)的虛擬現(xiàn)實軟件程序包。它內(nèi)含大量的虛擬現(xiàn)實硬件驅(qū)動程序，可以方便地連接多種虛擬現(xiàn)實輸人輸出設(shè)置。與設(shè)備無關(guān)的特性，使它可以廣泛應(yīng)用于普通計算機。強大的圖形處理功能，使它能夠逼真地模擬虛擬現(xiàn)實環(huán)境。因此，WTK在國內(nèi)正得到越來越廣泛的應(yīng)用。
我們結(jié)合開放性控制系統(tǒng)的概念，參照當(dāng)今虛擬機床的研究現(xiàn)狀，采用VC++和WTK開發(fā)出可由用戶自由設(shè)定的、能夠進行三維切削并可以實時控制的虛擬數(shù)控機床。
1、虛擬數(shù)控機床的體系結(jié)構(gòu)
數(shù)控加工過程仿真主要包括兩個部分：數(shù)控機床建模和切削過程仿真。數(shù)控機床模型主要由機床的硬件(或物理)部分和軟件部分組成。硬件部分由機床部件、加工零件、刀具、夾具等構(gòu)成。軟件部分則由NC代碼編譯器、運動控制器等構(gòu)成。
虛擬數(shù)控機床應(yīng)具備的特點有：良好的結(jié)構(gòu)、完善的圖形接口、*的符號數(shù)據(jù)接口、強大的網(wǎng)絡(luò)支持功能和標準數(shù)據(jù)格式。以上諸方面決定了虛擬數(shù)控機床需要具備合適的體系結(jié)構(gòu)。根據(jù)虛擬數(shù)控機床的特點，可以將系統(tǒng)的功能模塊做如下劃分：
(1)NC編譯模塊。為了使虛擬數(shù)控機床能夠識別NC程序，開發(fā)了NC解釋模塊，它的功能是接受數(shù)控代碼并將其翻譯為機床部件、刀具等運動的信息。
(2)運動控制模塊。運動控制模塊根據(jù)NC程序決定機床刀具和各個軸的運動狀態(tài)，向各個運動部件發(fā)送運動指令并采集各軸的反饋信息。
(3)操作面板模塊。操作面板模塊包括真實數(shù)控機床的操作面板按鈕功能和虛擬數(shù)控機床的菜單。
(4)切削計算模塊。根據(jù)工件與刀具的相對位置，進行干涉判斷，對發(fā)生干涉的工件進行切削計算并重新生成工件模型。
(5)機床場景模塊。建立虛擬機床的工作環(huán)境。
2、虛擬數(shù)控機床功能模塊的實現(xiàn)
(1)NC解釋模塊：本系統(tǒng)的G代碼按GB8870-88標準編寫，NC解釋步驟為：①由NC編譯器逐行讀取G代碼，建立對應(yīng)的機床狀態(tài)字，存入隊列。機床狀態(tài)字包含：坐標增量方式、刀補狀態(tài)、插補方式等狀態(tài)信息和本行程序的刀心起點和終點坐標、圓弧圓心坐標、刀補半徑等數(shù)字信息。②讀取下一行G代碼建立機床狀態(tài)字，存人隊列。③計算兩行G代碼之間的拐點過渡，對增長型的過渡則生成新機床狀態(tài)字，插人兩個狀態(tài)字之間；對于縮短型的過渡則修改前后的機床狀態(tài)字。④重復(fù)①一③步直到程序結(jié)束。
(2)運動控制模塊：為了擴大系統(tǒng)使用范圍，增強系統(tǒng)的通用性，本文是按速度矢量對虛擬機床進行運動控制的。運動控制模塊讀取機床和刀具位置，由機床狀態(tài)字可以方便地計算出刀具在任意位置的速度矢量，運動控制模塊將速度矢量輸出到機床場景模塊，對場景中的節(jié)點進行運動控制。
(3)操作面板模塊：操作面板模塊采用VC的MFC界面編程技術(shù)，實現(xiàn)真實機床操作面板相應(yīng)的功能。
(4)切削計算模塊：本文采用表面網(wǎng)格模型建立工件模型，通過對工件和刀具的干涉檢驗，對切削點進行“塌陷”處理，重繪工件，完成對工件的切削。
(5)機床場景模塊：采用WTK軟件的場景圖模型，每個機床部件都是場景圖中的節(jié)點，包含機床部件的幾何模型和材質(zhì)、紋理及光源等信息。節(jié)點可以接受速度矢量的驅(qū)動。將部件節(jié)點按傳動鏈連接，從而實現(xiàn)對運動控制模塊速度矢量的響應(yīng)。
結(jié)論與展望
1、結(jié)論
對于解決制造業(yè)的TQCS問題，虛擬制造技術(shù)具有廣闊的市場前景，并已得到了國內(nèi)外科研機構(gòu)和企業(yè)的廣泛關(guān)注。作為實現(xiàn)虛擬制造的一個重要組成部分，虛擬數(shù)控機床技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，有助于提高生產(chǎn)率、降低成本。本文在對虛擬制造的發(fā)展狀態(tài)進行分析的基礎(chǔ)上，建立了虛擬數(shù)控機床的體系結(jié)構(gòu)，采用VR技術(shù)在場景圖中實現(xiàn)虛擬機床子系統(tǒng)，并由NC解釋模塊、運動控制模塊和操作面板模塊完成虛擬數(shù)控子系統(tǒng)的相應(yīng)功能；完成了NC程序編譯、刀具軌跡計算、虛擬數(shù)控機床的運動控制和對工件模型的切削計算。
2、展望
虛擬制造技術(shù)是一門新興技術(shù)，它面向系統(tǒng)的全生命周期和全系統(tǒng)，使研究、開發(fā)和使用者之間的更為有效，加速了新技術(shù)向產(chǎn)品轉(zhuǎn)化的開發(fā)、研制與使用過程，并通過全生命周期協(xié)同利用仿真技術(shù)來降低技術(shù)風(fēng)險、提高產(chǎn)品質(zhì)量、縮短研制周期、降低成本、增強企業(yè)競爭力。
目前，我國對虛擬數(shù)控機床的研究還處在起步階段，對下列問題還需要深人研究與探討：
(1)虛擬制造中人機協(xié)調(diào)的深人研究。對人和計算機在制造分析過程中的角色、相互作用方式和協(xié)同方法進行更深人的研究。
(2)從制造分析的角度，研究如何更好地利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)來分析和解決可制造性問題。
(3)對虛擬制造系統(tǒng)與其它分析設(shè)計系統(tǒng)之間的集成體制進行研究。
自20世紀70年代以來，世界市場由局部競爭逐步演變成范圍內(nèi)的競爭，并具有動態(tài)多變的特征，同行業(yè)之間、跨行業(yè)之間的相互滲透、相互競爭日益激烈。為了適應(yīng)變化迅速的市場需求，不斷提高競爭力，現(xiàn)代制造企業(yè)必須解決TQCS難題，即以zui快的上市速度(T-TimetoMarket)，的質(zhì)量(Q-Quality)，zui低的成本(C-Cost)，*的服務(wù)(S-Service)來滿足不同顧客的需求。
與此同時，信息技術(shù)取得了迅速發(fā)展，特別是計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息處理技術(shù)等取得了人們意想不到的進步。二十多年來的實踐證明，將信息技術(shù)應(yīng)用于制造業(yè)，對傳統(tǒng)制造業(yè)進行改造，是現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展的必由之路。進人20世紀90年代，*制造技術(shù)進一步發(fā)展，出現(xiàn)了虛擬制造(VM，VirtualManufacturing)、精益生產(chǎn)(LP，LeanProduction)、敏捷制造(AM，AgileManufacturing)、虛擬企業(yè)(VE，VirtualEnterprise)等新概念。在這些諸多新概念中，“虛擬制造”以其高度集成、支持敏捷制造和分工合作的特點引起了人們的廣泛關(guān)注，不僅在科技界，而且在企業(yè)界，成為研究的熱點之一。
2、虛擬數(shù)控機床的用途
由于數(shù)控加工過程隱含在數(shù)控程序中，而數(shù)控程序中的錯誤又不容易發(fā)現(xiàn)，因此，在實際數(shù)控加工過程中，為了校驗數(shù)控代碼的正確性，需要進行反復(fù)試切，直至確認數(shù)控代碼能夠完成預(yù)定的加工任務(wù)，同時數(shù)控加工參數(shù)也需要反復(fù)調(diào)試。上述操作不僅使效率降低，占用了機器資源，而且有可能引起刀具碰撞而造成經(jīng)濟損失。
目前通常采用計算機圖形模擬刀具軌跡顯示法和機床試切法對數(shù)控程序進行檢驗。但計算機圖形模擬刀具軌跡顯示法缺少真實感，刀具與工件的干涉和過切難以發(fā)現(xiàn)，而試切法成本高，周期長。
采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)建立的虛擬數(shù)控機床，可以為產(chǎn)品設(shè)計過程中的可制造性分析提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)，降低成本并縮短開發(fā)周期。利用機床加工的全過程與用戶的交互功能，還可以對機床操作人員進行培訓(xùn)，并幫助機床制造商向遠程客戶逼真地演示其產(chǎn)品。
基于WTK的虛擬數(shù)控機床
WTK(WorldToolKit)是由美國Sense8公司開發(fā)的虛擬現(xiàn)實軟件程序包。它內(nèi)含大量的虛擬現(xiàn)實硬件驅(qū)動程序，可以方便地連接多種虛擬現(xiàn)實輸人輸出設(shè)置。與設(shè)備無關(guān)的特性，使它可以廣泛應(yīng)用于普通計算機。強大的圖形處理功能，使它能夠逼真地模擬虛擬現(xiàn)實環(huán)境。因此，WTK在國內(nèi)正得到越來越廣泛的應(yīng)用。
我們結(jié)合開放性控制系統(tǒng)的概念，參照當(dāng)今虛擬機床的研究現(xiàn)狀，采用VC++和WTK開發(fā)出可由用戶自由設(shè)定的、能夠進行三維切削并可以實時控制的虛擬數(shù)控機床。
1、虛擬數(shù)控機床的體系結(jié)構(gòu)
數(shù)控加工過程仿真主要包括兩個部分：數(shù)控機床建模和切削過程仿真。數(shù)控機床模型主要由機床的硬件(或物理)部分和軟件部分組成。硬件部分由機床部件、加工零件、刀具、夾具等構(gòu)成。軟件部分則由NC代碼編譯器、運動控制器等構(gòu)成。
虛擬數(shù)控機床應(yīng)具備的特點有：良好的結(jié)構(gòu)、完善的圖形接口、*的符號數(shù)據(jù)接口、強大的網(wǎng)絡(luò)支持功能和標準數(shù)據(jù)格式。以上諸方面決定了虛擬數(shù)控機床需要具備合適的體系結(jié)構(gòu)。根據(jù)虛擬數(shù)控機床的特點，可以將系統(tǒng)的功能模塊做如下劃分：
(1)NC編譯模塊。為了使虛擬數(shù)控機床能夠識別NC程序，開發(fā)了NC解釋模塊，它的功能是接受數(shù)控代碼并將其翻譯為機床部件、刀具等運動的信息。
(2)運動控制模塊。運動控制模塊根據(jù)NC程序決定機床刀具和各個軸的運動狀態(tài)，向各個運動部件發(fā)送運動指令并采集各軸的反饋信息。
(3)操作面板模塊。操作面板模塊包括真實數(shù)控機床的操作面板按鈕功能和虛擬數(shù)控機床的菜單。
(4)切削計算模塊。根據(jù)工件與刀具的相對位置，進行干涉判斷，對發(fā)生干涉的工件進行切削計算并重新生成工件模型。
(5)機床場景模塊。建立虛擬機床的工作環(huán)境。
2、虛擬數(shù)控機床功能模塊的實現(xiàn)
(1)NC解釋模塊：本系統(tǒng)的G代碼按GB8870-88標準編寫，NC解釋步驟為：①由NC編譯器逐行讀取G代碼，建立對應(yīng)的機床狀態(tài)字，存入隊列。機床狀態(tài)字包含：坐標增量方式、刀補狀態(tài)、插補方式等狀態(tài)信息和本行程序的刀心起點和終點坐標、圓弧圓心坐標、刀補半徑等數(shù)字信息。②讀取下一行G代碼建立機床狀態(tài)字，存人隊列。③計算兩行G代碼之間的拐點過渡，對增長型的過渡則生成新機床狀態(tài)字，插人兩個狀態(tài)字之間；對于縮短型的過渡則修改前后的機床狀態(tài)字。④重復(fù)①一③步直到程序結(jié)束。
(2)運動控制模塊：為了擴大系統(tǒng)使用范圍，增強系統(tǒng)的通用性，本文是按速度矢量對虛擬機床進行運動控制的。運動控制模塊讀取機床和刀具位置，由機床狀態(tài)字可以方便地計算出刀具在任意位置的速度矢量，運動控制模塊將速度矢量輸出到機床場景模塊，對場景中的節(jié)點進行運動控制。
(3)操作面板模塊：操作面板模塊采用VC的MFC界面編程技術(shù)，實現(xiàn)真實機床操作面板相應(yīng)的功能。
(4)切削計算模塊：本文采用表面網(wǎng)格模型建立工件模型，通過對工件和刀具的干涉檢驗，對切削點進行“塌陷”處理，重繪工件，完成對工件的切削。
(5)機床場景模塊：采用WTK軟件的場景圖模型，每個機床部件都是場景圖中的節(jié)點，包含機床部件的幾何模型和材質(zhì)、紋理及光源等信息。節(jié)點可以接受速度矢量的驅(qū)動。將部件節(jié)點按傳動鏈連接，從而實現(xiàn)對運動控制模塊速度矢量的響應(yīng)。
結(jié)論與展望
1、結(jié)論
對于解決制造業(yè)的TQCS問題，虛擬制造技術(shù)具有廣闊的市場前景，并已得到了國內(nèi)外科研機構(gòu)和企業(yè)的廣泛關(guān)注。作為實現(xiàn)虛擬制造的一個重要組成部分，虛擬數(shù)控機床技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，有助于提高生產(chǎn)率、降低成本。本文在對虛擬制造的發(fā)展狀態(tài)進行分析的基礎(chǔ)上，建立了虛擬數(shù)控機床的體系結(jié)構(gòu)，采用VR技術(shù)在場景圖中實現(xiàn)虛擬機床子系統(tǒng)，并由NC解釋模塊、運動控制模塊和操作面板模塊完成虛擬數(shù)控子系統(tǒng)的相應(yīng)功能；完成了NC程序編譯、刀具軌跡計算、虛擬數(shù)控機床的運動控制和對工件模型的切削計算。
2、展望
虛擬制造技術(shù)是一門新興技術(shù)，它面向系統(tǒng)的全生命周期和全系統(tǒng)，使研究、開發(fā)和使用者之間的更為有效，加速了新技術(shù)向產(chǎn)品轉(zhuǎn)化的開發(fā)、研制與使用過程，并通過全生命周期協(xié)同利用仿真技術(shù)來降低技術(shù)風(fēng)險、提高產(chǎn)品質(zhì)量、縮短研制周期、降低成本、增強企業(yè)競爭力。
目前，我國對虛擬數(shù)控機床的研究還處在起步階段，對下列問題還需要深人研究與探討：
(1)虛擬制造中人機協(xié)調(diào)的深人研究。對人和計算機在制造分析過程中的角色、相互作用方式和協(xié)同方法進行更深人的研究。
(2)從制造分析的角度，研究如何更好地利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)來分析和解決可制造性問題。
(3)對虛擬制造系統(tǒng)與其它分析設(shè)計系統(tǒng)之間的集成體制進行研究。