虛擬數(shù)控機床及開放式數(shù)控系統(tǒng)的研究

摘 要：隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)在虛擬制造系統(tǒng)中應(yīng)用的推廣，對虛擬數(shù)控機床的研究也越來越多，虛擬數(shù)控機床可以提供關(guān)鍵的數(shù)據(jù)到產(chǎn)品設(shè)計的制造性分析過程中。傳統(tǒng)的數(shù)控機床系統(tǒng)雖然已經(jīng)可以具備相當(dāng)?shù)木龋鋵崿F(xiàn)過程對用戶是封閉的，不利于擴(kuò)展；開放式數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)運而生，能夠方便擴(kuò)展數(shù)控系統(tǒng)的功能。

關(guān)鍵詞：虛擬數(shù)控；數(shù)控機床；開放式數(shù)控

1 虛擬數(shù)控機床及其關(guān)鍵技術(shù)

虛擬數(shù)控加工過程可以為產(chǎn)品設(shè)計提供重要的數(shù)據(jù)支持，在節(jié)省資源的同時又避免風(fēng)險。虛擬數(shù)控機床技術(shù)是虛擬數(shù)控加工過程的關(guān)鍵步驟，具有如下特點：（1）良好的結(jié)構(gòu)。虛擬數(shù)控機床和現(xiàn)實生活中的機床結(jié)構(gòu)類似，因此在仿真機床的各項功能時不會產(chǎn)生結(jié)構(gòu)或信息的失真。另外，虛擬機床各個模塊是隔離的，可以獨立地開發(fā)和工作。（2）完善的圖形和數(shù)據(jù)接口。圖形接口使用戶體驗虛擬現(xiàn)實的感覺，以圖像形式展現(xiàn)機床的各種狀態(tài)和參數(shù)；數(shù)據(jù)接口提供了和其他軟件的交互接口。

虛擬數(shù)控機床和客戶端組成了服務(wù)器/客戶端網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，作為服務(wù)器的虛擬數(shù)控機床在接收到客戶端的請求后，會調(diào)度知識庫中的元知識，將客戶端的請求分解為一系列的子任務(wù)，然后把每個子任務(wù)分發(fā)給相應(yīng)的子模塊。一般而言，虛擬數(shù)控機床系統(tǒng)包括四個子模塊：計算模塊、拓?fù)錂C構(gòu)、解釋器以及幾何實體。計算模塊完成齊次變換等計算任務(wù)，是虛擬制造過程中不可或缺的組成部分；解釋器將數(shù)控代碼翻譯為制定機床部件等相關(guān)信息，并計算數(shù)控機床的響應(yīng)；幾何實體的作用是描述各機械實體的相關(guān)信息，從而方便快速建立數(shù)控機床幾何模型；拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)描述了各幾何實體間的關(guān)系。

在虛擬數(shù)控機床的應(yīng)用中，其關(guān)鍵技術(shù)主要包括機床環(huán)境構(gòu)建、數(shù)控加工的建模以及與虛擬對象的擬實工具等。虛擬數(shù)控機床技術(shù)利用計算機等硬件和相關(guān)軟件構(gòu)建虛擬數(shù)據(jù)加工環(huán)境，此環(huán)境的組成部分可以囊括：（1）硬件及驅(qū)動層。立體眼鏡以及實景頭盔等是實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實技術(shù)的硬件支持，為驅(qū)動這些硬件設(shè)備還需要相應(yīng)的程序驅(qū)動模塊，以獲取和硬件設(shè)備相關(guān)的位置、姿勢等視覺參數(shù)。（2）虛擬數(shù)控機床的管理層。此部分主要用于管理虛擬數(shù)控機床加工過程中的各種事件，并描述機械物體的形狀及特性，一般包括特征數(shù)據(jù)庫和規(guī)則庫兩部分。（3）工具和應(yīng)用層。提供和CAD/CAM等的接口，并為用戶提供人機交互接口和仿真界面。數(shù)控加工過程中涉及到的建模一般包括加工條件模型和加工過程兩種。

2 虛擬數(shù)控機床系統(tǒng)的幾何模型

虛擬數(shù)控機床的幾何模型實質(zhì)上是裝配單元組成的裝配體，也就是一個裝配模型，一般包括總體結(jié)構(gòu)、裝配模型等方面。

虛擬數(shù)控機床的總體結(jié)構(gòu)可以用相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來描述，由于數(shù)控機床的幾何模型本質(zhì)上就是一個裝配體，所以其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以對應(yīng)分為兩部分：第一部分存儲備機床零部件幾何模型相關(guān)的信息，第二部分用于存儲機床零部件幾何模型間的裝配關(guān)系，裝配關(guān)系反應(yīng)了零部件間的位置和約束關(guān)系。

裝配模型可以使用層次樹和圖兩種形式表示：層次樹在表示裝配體的組成關(guān)系時比較清晰，并且方便裝配求解裝配序列規(guī)劃，但是在表達(dá)零部件的配合關(guān)系上有所欠缺。與之相反，圖結(jié)構(gòu)易于表達(dá)零部件的配合關(guān)系，并且可以迅速地從一個零件找到另外一個零件，適于分析運動鏈，但難以表示層次組成關(guān)系。裝配關(guān)系描述了各個零部件的配合關(guān)系描述以及約束關(guān)系：幾何關(guān)系、排斥關(guān)系以及運動關(guān)系。幾何關(guān)系說明了零部件間的對齊、偏置以及配合等相互關(guān)系；運動關(guān)系說明了零部件之間的諸如直線運動、旋轉(zhuǎn)運動等關(guān)系；排斥關(guān)系闡述某零部件是否可以和其他部件并存于一個機床中。

在基于二叉樹結(jié)構(gòu)的裝配模型中，單獨的一個裝配體被表示為一顆二叉樹，根節(jié)點表示的是最終要使用的裝配體，中間節(jié)點表示子裝配部件，葉子節(jié)點表示零件。其中非葉子節(jié)點的左子節(jié)點一般作為基體存在，不能變換它的位置，而只能將變換矩陣作用于非葉子節(jié)點的右子節(jié)點。約束關(guān)系上，同一層次的裝配單元間只存在位置約束關(guān)系，從屬關(guān)系存在于不同層次的裝配單元間。

3 開放式數(shù)控系統(tǒng)

與傳統(tǒng)的虛擬數(shù)控系統(tǒng)不同，開放式數(shù)控系統(tǒng)不再是包含很多插件版的專用系統(tǒng)，而是采用模塊化結(jié)構(gòu)，可以靈活地配置軟件和硬件，并允許集成第三方插件，所以說是能夠滿足可擴(kuò)展性、可移植性的數(shù)控系統(tǒng)。

開放式數(shù)控系統(tǒng)具有傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)不具備的一些特點：（1）模塊化及可擴(kuò)展性。開放式數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)該可以實現(xiàn)功能的模塊化和體系結(jié)構(gòu)的模塊化，用戶使用時可以根據(jù)模塊的功能進(jìn)行調(diào)整，以此實現(xiàn)二次開發(fā)。（2）平臺無關(guān)性。開放式數(shù)控系統(tǒng)不應(yīng)該依賴于具體的操作系統(tǒng)平臺，當(dāng)平臺和控制器間的接口明確時，只要使用相應(yīng)操作系統(tǒng)平臺的API接口，就應(yīng)該可以實現(xiàn)平臺移植。（3）標(biāo)準(zhǔn)化和網(wǎng)絡(luò)化。開放式數(shù)控系統(tǒng)要在一定的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范下進(jìn)行，以提供給用戶一個標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)平臺，用戶只要使用簡單的步驟就可以實現(xiàn)添加硬件、改變軟件結(jié)構(gòu)等操作，從而簡化系統(tǒng)的模塊。另外，開放式數(shù)控系統(tǒng)還應(yīng)該融合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化。

基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)可以存在多種形式：PC連接NC型、NC嵌入PC型以及PC嵌入NC型等。PC連接NC型開放式數(shù)控系統(tǒng)利用串行線連接PC和NC，在實現(xiàn)上比較簡單，并且再重復(fù)利用時幾乎不加修改就可使用；但是這種數(shù)控系統(tǒng)的響應(yīng)速度較慢，而且原有的NC系統(tǒng)無法實現(xiàn)開放化。PC嵌入NC型開放式數(shù)控系統(tǒng)將PC嵌入到NC內(nèi)部，二者使用專用的總線連接，雖然響應(yīng)速度比較快，但這種開放式數(shù)控系統(tǒng)無法直接利用PC，不能充分發(fā)揮PC豐富的功能；雖然此類數(shù)控系統(tǒng)已經(jīng)具備一定的開放性，但其體系結(jié)構(gòu)還不是完全開放的。

作為數(shù)控系統(tǒng)的重要功能，自動換刀功能目的是降低數(shù)控加工過程中的非切削時間，以此提高數(shù)控機床的生產(chǎn)效率。在實現(xiàn)時，自動換刀功能需要數(shù)控系統(tǒng)多模塊的密切配合，現(xiàn)有的自動換刀功能主要是采用PLC實現(xiàn)的，一定程度上增加了數(shù)控系統(tǒng)的硬件成本。開放式數(shù)控系統(tǒng)可以使用全軟件化方式控制數(shù)控機床系統(tǒng)和刀庫，以降低自動換刀的生產(chǎn)成本。

現(xiàn)有的數(shù)控機床多采用集中工序的原則，多種工序的加工需要多種刀具，這就要求有自動換刀的裝置。刀庫式換刀裝置按照刀庫容量可以分為盤式刀庫以及鏈?zhǔn)降稁欤P式刀庫正反兩個方向都可以轉(zhuǎn)動，但為節(jié)省換刀時間，一般采用最短路徑的旋轉(zhuǎn)方法，基本原理是當(dāng)旋轉(zhuǎn)刀庫時，先比較期望刀號和當(dāng)前刀號的差值，然后決定刀庫的旋轉(zhuǎn)方向，這樣可以保證刀庫總是按照最短的旋轉(zhuǎn)路徑進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，最終節(jié)省選刀時間。

4 結(jié)束語

文章首先介紹了虛擬數(shù)控機床及其關(guān)鍵技術(shù)，并深入分析了虛擬數(shù)控機床的幾何模型，最后研究了開放式數(shù)控系統(tǒng)，并深入研究其自動換刀功能，對提高數(shù)控生產(chǎn)效率具有重要的現(xiàn)實意義。

參考文獻(xiàn)

[1]秦承剛.開放式數(shù)控系統(tǒng)的實時操作系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)研究與應(yīng)用[D].中國科學(xué)院研究生院，2012.

[2]谷巖.數(shù)控系統(tǒng)軟件可靠性設(shè)計與故障分析技術(shù)[D].吉林大學(xué)，2014.

[3]王程鵬.開放式數(shù)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].科技傳播，2013.

[4]任晚娜.開放式數(shù)控系統(tǒng)平臺架構(gòu)及其應(yīng)用研究[D].長安大學(xué)，2012.

作者簡介：李芳（1982，6-），女，籍貫：江蘇省揚州市，學(xué)歷：在職碩士在讀，研究方向：機械電子工程。endprint