數(shù)控機(jī)床作為數(shù)控加工中重要的一種精密設(shè)備，
在以往數(shù)控機(jī)床實(shí)操培訓(xùn)中，由于硬件和管理的限制， 不便于長期使用設(shè)備，因此實(shí)際訓(xùn)練不便于實(shí)施，特別是針對高職院校學(xué)生而言更是如此［1］。為了更好地 培訓(xùn)數(shù)控機(jī)床的操作人員，避免培訓(xùn)過程中造成設(shè)備損壞、降低訓(xùn)練成本，有效解決精密設(shè)備的培訓(xùn)問題。國內(nèi)外的高校和相關(guān)研究機(jī)構(gòu)做了大量研究: 文獻(xiàn)
［2］中提出了基于物理引擎軟件和渲染硬件，優(yōu)化虛擬場景的渲染，增加虛擬效果;文獻(xiàn)［3］中開發(fā)了通過圓臺離散法提供待加工零件模型并配合相應(yīng)的算法實(shí)現(xiàn)虛擬車削仿真系統(tǒng); 文獻(xiàn)［4］中采用 MVC ( Model View Controller) 設(shè)計(jì)模式的總體框架設(shè)計(jì)理論以及功能模塊化的設(shè)計(jì)思想設(shè)計(jì)開發(fā)了虛擬沖床仿真系統(tǒng)。目前，大多數(shù)的虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)集中在單純演示系
統(tǒng)運(yùn)動的方面，并沒有結(jié)合數(shù)控機(jī)床的控制器和實(shí)際的加工環(huán)境。因此，本文針對四軸加工中心提出了一種融合半物理仿真思想［5］的虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)架構(gòu)，即采用物理引擎軟件模擬四軸加工中心的實(shí)際運(yùn)動，采用真實(shí)的機(jī)床控制器控制虛擬模型的運(yùn)動，并且通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)［6］采集傳感器信號獲取真實(shí)的加工環(huán)境信息的低成本高效率的虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)。后，以具體的 4060 型雕刻機(jī)( X / Y / Z 線性位移軸 + 繞 X 的旋轉(zhuǎn)軸) 為原型，設(shè)計(jì)了一款面向四軸加工中心的半物理仿真虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)。
1 總體架構(gòu)
虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)主要由控制器系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)和通 信模塊組成。半物理仿真虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)架構(gòu)如圖 1 所 示。本系統(tǒng)將數(shù)控機(jī)床中成本較低且具有核心技術(shù)的 機(jī)床控制器作為實(shí)物引入仿真回路，將生產(chǎn)成本較高 且體積較大的數(shù)控機(jī)床本體用物理引擎軟件的虛擬模 型代替。同時(shí)，為了提高實(shí)訓(xùn)過程的全面性和真實(shí)性， 系統(tǒng)引入了 G 代碼輸入?yún)^(qū)進(jìn)行 G 代碼的編寫［7］。同時(shí)，加入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集加工環(huán)境的信息。為 了增加用戶的交互體驗(yàn)感，我們將虛擬模型的運(yùn)行界 面嵌入到人機(jī)交互界面中。其中，人機(jī)交互界面和機(jī) 床控制器之間采用以太網(wǎng)通信，機(jī)床控制器和數(shù)據(jù)采 集系統(tǒng)之間采用 SPI 通信，人機(jī)交互界面和物理引擎軟件之間采用 SOCKET 通信。
虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)流程為用戶在人機(jī)交互界面的 G代碼輸入?yún)^(qū)中編寫 G 代碼以及設(shè)定相應(yīng)的參數(shù)值或者直接導(dǎo)入 G 代碼，設(shè)置完成后，數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)通信傳輸給機(jī)床控制器。同時(shí)，用戶返回到人機(jī)交互界面的虛擬實(shí)訓(xùn)區(qū)設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，并且給機(jī)床控制器發(fā)指令調(diào)用程序。機(jī)床控制器得到響應(yīng)后，將控制信號通過以太網(wǎng)通信回傳給人機(jī)交互界面。人機(jī)交互界 面調(diào)用算法和相應(yīng)程序?qū)⑿畔⑦M(jìn)行處理后，通過
SOCKET 通信給物理引擎軟件發(fā)送命令，物理引擎軟件中的虛擬模型即可完成相應(yīng)的加工動作。同時(shí)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過傳感器組實(shí)時(shí)采集加工環(huán)境的信息， 數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后反饋到人機(jī)交互界面中，實(shí)時(shí)的顯示給用戶。用戶在人機(jī)交互界面上可以進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)置， 并實(shí)時(shí)觀看虛擬加工場景和被控?cái)?shù)控機(jī)床的加工 過程。
2 控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括機(jī)床控制器和數(shù) 據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
2． 1 機(jī)床控制器的設(shè)計(jì)
機(jī)床控制器的主要功能是輸出控制物理引擎軟件中虛擬模型的數(shù)字信號和接收并處理實(shí)際加工環(huán)境的信息。控制器系統(tǒng)的原理框圖如圖 2 所示，系統(tǒng)的控制器系統(tǒng)采用一個(gè)主處理器，多個(gè)從處理器的模式［8］。各個(gè)從處理器之間通過通信建立連接，再由主處理器統(tǒng)一調(diào)度，協(xié)調(diào)處理各自的任務(wù)。主處理器采用 STM32F429IGT6 芯片，它是基于 AＲM Cortex － M4 內(nèi)核的 CPU，含有豐富的接口和外設(shè)，除了基本的電源、時(shí)鐘之外還有通用和復(fù)用功能 I / O 口、DMA 通道、JTAG 接口、CAN 總線、I2C 總線、SPI 總線和 USB 總線等。通信從處理器采用 STM32F103ZET6 芯片，它通過SPI 總線分別和 W5500 芯片、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和運(yùn)動從處理器之間建立通信。其中，W5500 芯片建立了機(jī)床控制器和人機(jī)交互界面之間的以太網(wǎng)通信。算法從處 理器的主要功能是分析和處理數(shù)據(jù)。