CN103236217A - 多系统同步数控加工仿真方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多系统同步数控加工仿真方法及装置，属于数控加工仿真培训领域。由操作者通过虚拟加工系统订制虚拟加工环境，在真实加工系统中定制真实加工环境；然后，通过多系统控制平台选择一种数控系统面板，进行数控编程和控制，并将数控指令编码后发送给仿真控制器，仿真控制器进行仿真计算，一方面将刀具的运动参数发送给虚拟加工系统完成虚拟加工；另一方面将加工宏指令发送给真实加工系统控制机床完成毛坯或修复件的实际加工。本发明具有设计理念先进、功能实用、成本低廉、部署方便、系统兼容性好、组训方式灵活多变、加工过程直观形象准确、人机交互性好、用户操作真实感强、能显著改变操作者的用户体验等诸多优点。

Description

多系统同步数控加工仿真方法及装置

技术领域

    本发明涉及数控加工仿真培训领域，特别涉及一种多系统同步数控加工仿真方法及装置，集成多型号数控机床、多数控系统面板，可同步实现标准回转件、异形件修复虚拟加工和真实加工的数控加工仿真训练，其可广泛应用于数控加工职业技术培训，尤其是异形零件数控修复加工培训。

背景技术

数控加工仿真培训在培养数控加工人才方面有着极大优势，近年来得到了飞速发展。目前数控加工仿真培训主要采取两种形式，一种是以纯软件方式的培训类产品，另一种是以数控系统面板和虚拟视景相结合的仿真器。这两种方式各有优势，但两者存在几个共同的缺陷。一是缺少数控加工操作的真实感。二是现有的培训产品主要针对数控加工，加工件以标准回转件为主，其结构通常都比较简单，不能实现复杂结构的零件修复加工。三是培训功能比较单一，对不同数控机床、不同数控系统的兼容性考虑不周，虚拟加工环境可订制性差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种综合集成、一机多用、培训方式灵活多变的多系统同步数控加工仿真培训方法及装置。特别针对异形件数控修复加工这一细分领域，提供一种集成多型号数控机床、多数控系统面板，可同步实现标准回转件、异形件修复虚拟加工和真实加工的数控加工仿真培训方法和装置。区别以往的数控加工仿真培训类产品，本发明整合虚拟数控加工和数控机床实际加工两者的优势，利用计算机控制实现两者同步操作，在保证用户操作真实体验的同时，增加系统的交互性和灵活性，使整个数控加工过程更加直观和透明，帮助受训者更好的了解整个数控加工的执行过程，提高培训效果，显著提高受训人员的操作体验和数控加工认知水平，解决现有数控加工仿真培训产品在修复件加工领域存在的针对性不强，真实感不足、培训功能单一、培训资源浪费等问题。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

多系统同步数控加工仿真方法，步骤如下：首先，由操作者通过虚拟加工系统订制虚拟加工环境，在真实加工系统中定制真实加工环境；然后，通过多系统控制平台选择一种数控系统面板，进行数控编程和控制，通过通信接口将数控指令发送给仿真控制器，仿真控制器进行仿真计算，一方面将刀具的运动参数发送给虚拟加工系统，虚拟加工系统采用基于体特征的混合建模方法和基于体特征的虚拟切削加工仿真算法进行图形仿真计算，完成虚拟加工；另一方面将加工宏指令发送给真实加工系统，由真实机床完成毛坯或修复件的实际加工；与此同时，仿真控制器还将实时生成虚拟数控显示屏，驱动LED电路完成各种指示，完成数控系统面板状态更新。

所述的通过虚拟加工系统订制虚拟加工环境，即虚拟加工环境建模及仿真，过程如下：建模时首先对虚拟加工环境进行规划，确定数控机床、夹具、刀具型号，然后依次建立结构模型、OB图模型、三维模型，并输出为标准的stl格式文件，依据OB图模型建立装配结构，定义各装配体的装配关系、约束，最终形成整机装配结构，然后采用自定义统一建模描述语言进行建模并以纯文本文件方式进行存储；仿真时首先由操作者通过虚拟加工系统上位机软件定制虚拟加工环境，进行机床、夹具、刀具选型设置，依据操作者设定读取指定纯文本格式的结构描述文件，建立与装配结构一致的数据存储结构，然后虚拟加虚拟加工仿真上位机软件图形仿真引擎读取数据存储结构，完成虚拟加工环境绘制。

所述的基于体特征的混合建模方法步骤如下：将异形件加工表面和非加工表面进行分离，采用完全不同的建模方法进行建模，即非加工表面结构复杂，采用Cartia三维建模软件进行建模；加工表面通常比较规则，采用基于体特征的建模方法，以特征表面作为建模的主要依据对加工表面进行分段描述；该方法自定义了一种文件存储格式，实现了对各种复杂结构的零部件的统一描述建模。

所述的异形件为异形回转件。

所述的基于体特征的虚拟切削加工仿真算法步骤如下：在仿真过程中读取待加工零件的统一描述文件，依据零件特征描述形成一个与真实形状相一致的零件特征链表存储结构，虚拟机床在收到加工指令后将根据被加工零件的当前工步计算确定加工后特征的类型、尺寸等，然后用新的特征替代原特征，更新零件特征链表并按照新特征完成图形绘制。

本发明的另一目的在于提供一种多系统同步数控加工仿真装置，包括多系统控制平台1、仿真控制器2、虚拟加工系统3、真实加工系统4及通信协议，其中，多系统控制平台1与仿真控制器2通信连接，所述仿真控制器2分别与虚拟加工系统3及真实加工系统4通信连接。所述多系统控制平台1用于提供两种不同数控系统面板，是系统的输入部分；仿真控制器2是系统的处理中枢，主要用于处理用户输入，数控程序解析、数控加工仿真；虚拟加工系统3和真实加工系统4是系统两套并行的执行机构，在仿真控制器2的控制下分别完成虚拟加工仿真和真实加工模拟；通信协议为系统各部分之间提供可靠的通信服务。本发明是国内首款可以同步完成虚拟加工和真实加工的数控加工仿真培训系统。

所述的多系统控制平台1包括工作台11、旋转机架12、手轮13、华中数控系统面板14、Funac数控系统面板15、切换控制装置16及通信接口17，旋转机架12正反两面分别固定华中数控系统面板14和Funac数控系统面板15，通过工作台11上的切换控制装置16实现华中数控系统面板14和Funac数控系统面板15两种不同数控系统面板的快速切换；华中数控系统面板14和Funac数控系统面板15内部各设有一块面板状态扫描控制板，对数控系统面板硬件进行周期性扫描，并将扫描结果编码后通过串口发送给仿真控制器嵌入式工控机主板。

所述的仿真控制器2包括嵌入式工控机主板21、手轮控制板22、系统切换控制板23，嵌入式工控机主板21是整个系统的中枢，用于运行仿真软件，主要处理用户输入、完成数控指令解析、仿真加工计算、虚拟数控显示器模拟。嵌入式工控机主板21具有两个串口，分别与虚拟加工系统3和真实加工系统4相连，以驱动虚拟加工系统3和真实加工系统4完成加工仿真；手轮13通过手轮控制板22与嵌入式工控机主板21相连，手轮控制板22用于处理手轮13操作，将手轮控制信号分别发送给多系统控制平台1和数控机床；系统切换控制板23用以实现两种不同数控系统面板的切换控制，建立嵌入式工控机主板与当前数控系统面板之间的串口数据和VGA视频信号传输通道。

所述的虚拟加工系统3采用一台PC机作为基础平台，PC机通过串口与仿真控制器2的嵌入式工控机主板21连接。采用虚拟现实技术和计算机仿真技术开发虚拟加工仿真上位机软件，核心功能是以三维图形方式实现用户实时控制下的虚拟数控加工过程仿真及测量仿真。此外，上位机软件还能完成数控机床、工件、刀具、夹具等虚拟数控加工环境定制、观测角度调整以及其它训练配置功能。

所述的真实加工系统4是一台现有小型的具有仿真控制功能的真实数控机床，可在仿真控制器的实时控制下完成零件实际加工；真实加工系统4通过串口与仿真控制器2的嵌入式工控机主板21通信连接。主要由数控机床、机床控制单元、通信接口组成，可实现不同原材料毛坯、标准件、异形件的真实数控加工要求。

所述的华中数控系统面板14和Funac数控系统面板15上分别设置显示面板、快捷键面板、控制面板、操纵面板、辅助面板及LED电路，且分别与面板状态扫描控制板相连，所述面板状态扫描控制板及切换控制装置分别与系统切换控制板23相连。

本发明的有益效果在于： 

1.      同步加工

系统具有两套完全不同的执行机构，分别是基于PC机的虚拟加工系统和基于数控机床的真实加工系统，两套执行机构在仿真控制器的驱动下同步工作，实现同步切削加工，借助虚拟加工系统操作者可以更加直观的了解整个数控加工过程，尤其是数控程序的执行过程和刀具的走刀线路，从而极大地改善了操作者的受训体验。

2.      多数控系统加工

系统采用可旋转的多数控系统平台提供Fanuc和华中两种不同的数控系统面板，并利用切换控制装置实现两种数控系统的快速切换。操作者可以利用不同的数控系统进行数控加工，熟悉不同数控系统面板的操作和指令系统。实现单一平台下的一机多用，提高了系统的利用率，实现了系统资源的优化配置。

3.      异形零件修复加工

异形零件修复加工仿真一直以来都是一项技术难题，主要体现在两个方面：一是异形零件结构复杂难以建模描述，二是虚拟切削仿真算法十分复杂。在保证仿真精度的前提下数据处理量对性能的影响较大。本发明提出了一种基于体特征的混合建模方法和基于体特征的虚拟切削仿真算法，有效解决了异形零件修复加工仿真问题。

4.      培训形式灵活多变

系统各部分功能相对完整，既可以独立工作又可以在既定通信协议的控制下同步工作，从而保证了系统的组训方式灵活多变。系统各部分可自由组合实现虚拟加工培训、真实加工培训、集团作业。

本发明针对目前国内外少有研究的异形件数控修复加工仿真领域，创造性的提出了一种虚拟加工与真实加工同步、多型号数控机床与数控系统兼容、标准件加工与异形件修复仿真于一体的整体解决方案，有效地结合了纯软件仿真和纯数控系统仿真的优势，使操作者可以在同一平台下实现多型号数控机床、多数控系统面板操作，完成标准回转件、异形件虚拟加工和真实加工的仿真培训。本发明具有设计理念先进、功能实用、成本低廉、部署方便、系统兼容性好、组训方式灵活多变、加工过程直观形象准确、人机交互性好、用户操作真实感强、能显著改变操作者的用户体验等诸多优点，开创了一种全新的数控加工仿真培训模式，具有十分显著的社会、经济效益和极大的推广应用前景。

本发明提出了一种可实现虚拟加工与真实加工同步完成的数控加工仿真培训的方法，并完成原型样机设计，具备同步加工、多数控系统加工、异形零件修复加工、培训方式灵活四个显著特征。本发明首先提出了一种集成真实加工、虚拟加工于一体，并实现同步加工的仿真器设计理念，并完成了实物样机生产，整合了真实加工、虚拟加工两者的优势，使数控加工过程更加直观形象，便于理解和接受，提高了用户操控体验。本发明首次针对异形件虚拟修复技术进行研究，提出了基于体特征的混合建模方法和基于体特征的虚拟切削仿真算法，有效解决了异形件虚拟数控加工仿真这一技术难题，实现了虚拟数控加工技术创新。本发明首次运用基于统一描述语言对虚拟数控显示器、虚拟数控机床、虚拟刀具、虚拟夹具进行建模和仿真，解决了不同型号数控机床、不同数控系统之间的兼容性问题，实现了训练系统可配置、可扩展，真正意义上实现了一机多用。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明的原理示意图。

图2为本发明的多系统控制平台构成示意图。

图3为本发明的整体结构示意图。

图4为本发明的作业流程。

图5为本发明的虚拟加工环境动态建模方法。

图6为本发明的数控机床功能结构模型图。

图7为本发明的数控机床功能OB图模型。

图8为本发明的数控机床结构描述文件。

图9为本发明的基于体特征的混合建模方法。

图10为本发明的基于体特征的混合建模过程。

图11为本发明的基于体特征的虚拟切削仿真算法。

图12为本发明的数控指令系统建模过程。

图13为本发明的数控加工仿真控制器动态模型。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。

参见图1，本发明的多系统同步数控加工仿真方法，首先由操作者利用虚拟加工系统订制虚拟加工环境，在真实加工系统中定制真实加工环境，然后利用多系统控制平台选择一种数控系统面板，进行数控编程和控制，利用通信接口将数控指令发送给仿真控制器，仿真控制器进行仿真计算，一方面将刀具的运动参数发送给虚拟加工系统，虚拟加工系统利用虚拟切削加工仿真算法进行图形仿真计算，完成虚拟加工；另一方面将加工宏指令发送给真实加工系统、由真实加工系统完成毛坯或修复件的实际加工。与此同时仿真控制器还将实时生成虚拟数控显示屏，驱动LED电路完成各种指示，完成数控系统面板状态更新。

参见附图2及附图3，本发明多系统同步数控加工仿真装置由多系统控制平台1、仿真控制器2、虚拟加工系统3、真实加工系统4以及数据通信协议组成。多系统控制平台1主要提供华中数控系统面板14、Funac数控系统面板15两种数控系统面板仿真。仿真控制器2由嵌入式工控机主板21、手轮控制板22、系统切换控制板23和仿真软件构成。嵌入式工控机主板21是整个系统的中枢，用于运行仿真软件，主要处理用户输入、完成数控指令解析、仿真加工计算、虚拟数控显示器模拟。虚拟加工系统3采用一台PC机作为基础平台，用于运行虚拟加工加工仿真上位机软件，PC机通过串口与仿真控制器进行通信。虚拟加工仿真上位机软件采用虚拟现实技术和计算机仿真技术开发，核心功能是以三维图形方式实现用户实时控制下的虚拟数控加工过程仿真及测量仿真。此外，上位机软件还能完成数控机床、工件、刀具、夹具等虚拟数控加工环境定制、观测角度调整以及其它训练配置功能。真实加工系统4是一台现有小型的具有仿真控制功能的真实数控机床，主要由数控机床、机床控制单元、通信接口组成，可实现不同原材料毛坯、标准件、异形件的真实数控加工要求。

参见附图4，本发明的作业流程描述如下：

Step1.操作者在虚拟加工系统中选择虚拟数控机床；

Step2.操作者在虚拟加工系统中选择虚拟夹具；

Step3.操作者在虚拟加工系统中选择并安装虚拟刀具；

Step4.操作者在虚拟加工系统中选择并安装虚拟毛坯或修复件；

Step5.操作者在虚拟加工系统中调整观测角度和显示模式；

Step6.操作者在真实加工系统中安装虚拟毛坯或修复件；

Step7.操作者在真实加工系统完成对刀、设置刀补等基本操作；

Step8.操作者在多系统控制平台上选定一种数控系统面板作为当前训练的数控系统，并按下启动按钮，系统进行初始化；

Step9.操作者利用选定的数控系统面板输入数控加工程序或数控加工指令，由接口电路将编码后的数控指令发送给仿真控制器；

Step10.仿真控制器对数控加工指令进行解析、处理，依据虚拟加工环境参数进行仿真计算；

Step11.仿真控制器将计算的结果分别发送给虚拟加工系统和真实加工系统；

Step12.虚拟加工系统根据刀具移动参数进行虚拟切削仿真计算，实时完成三维图形的绘制，实现虚拟加工过程的仿真。

Step13.真实加工系统依据驱动机床各部件运动的宏指令完成对机床的运动控制，完成真实加工。

Step14.重复第9至14步，直至完成整个数控加工过程。

参见图5，虚拟加工环境建模主要包括虚拟数控机床、虚拟夹具、虚拟刀具。为了实现加工环境的可定制特征，采取动态建模的方式实现，具体思路是：以机床模型为例，将机床整机看成一个由机床级和功能组件级构成的两层树状装配体结构，即整机由功能组件（如床身、各运动主轴和刀具夹具等）装配而成，而功能组件又是由单元构件（如方块、圆柱等）组成的装配体，通过建立一个具有统一格式的机床装配结构描述文件表达机床的两级装配关系，再开发一个装配结构的解析引擎，便可以通过统一的建模方法来建立不同的虚拟机床模型。对于不同结构的数控机床只要依据机床的具体结构，按照机床装配结构描述文件的格式描述机床的结构，机床建模解析引擎便可以生成新的机床模型。动态建模技术克服了静态建模的局限性，具有更大的灵活性，而且通过提供与商业三维造型软件的图形接口，可以解决复杂零件的建模问题，使机床模型的建立和机床的复杂程度无关。

参见图5，虚拟加工环境建模过程如下：

Step1.虚拟加工环境规划；

Step2.建立结构模型，参见图6；

Step3.建立OB图模型，参见图7；

Step4.利用Catia三维建模软件完成各单元构件的三维建模；

Step5.输出为标准的Stl格式文件；

Step6.利用通过Stl对象读取Stl文件，生成里机床组件的装配结构；

Step7.生成整机装配结构；

Step8.导出纯文本格式的结构描述文件，该描述文件由四部分组成：文件头、颜色表、机床参数表和机床组件，由于机床组件的聚集度为n所以机床组件的描述有多个，在每个机床组件中包含若干个单元构件的描述。具体文件结构可参见图8。

    与虚拟加工环境建模过程相对应，虚拟加工环境仿真过程如下：

Step1.打开结构描述文件;

Step2.读取颜色表，建立预制颜色信息列表；

Step3.读取机床参数表区域；

Step4.实例化组件对象，并根据指定参数信息进行初始化；

Step5.重复Step6至Step9，直到实例化所有组件对象；

Step6.读取机床组件参数表区域；

Step7.建立装配体对象，对组件名称，元件运动类型、源点坐标、连接属性等参数进行初始化；

Step8.按照运动类型建立装配体运动学约束；

Step9.读取装配体单元构件区域；

Step10.实例化单元构件，按照颜色表索引对应的颜色，使用图形引擎绘制单元构件图元；

Step11.重复Step6至Step9，直到实例化所有单元构件对象；

Step12.重复Step6至Step11，直到实例化所有装配体对象；

Step13.按照装配体运动学约束和数控宏指令进行运动学仿真。

参见图9，本发明采用基于体特征的混合建模方法对结构比较复杂的轴类、盘类、壳体类的修复件进行建模。具体思路是将零件分离为非加工表面和加工表面分别建模。非加工表面采用Catia工具建模完成，加工表面采用基于体特征的建模方法将模型分成特征层和零件层。特征层结构设计以构成零件的工艺特征为设计对象，对其进行详细结构设计和制造信息集成的设计过程。特征层的设计活动通过对特征层统一数据模型的操作来实现对工艺特征的相关制造活动的关联驱动，同时特征层的设计也是零件层设计的基础。特征层结构设计主要包括以下内容：（1）特征库的建立，包括基本特征库和构造特征库；（2）基本特征参数输入和参数修改；（3）特征的详细结构设计，如倒角、倒圆等；（4）构造特征的结构设计与制造信息关联，参数特征由二维轮廓参数化设计系统来完成。零件层设计是在特征层结构设计基础上用回转类零件的工艺特征以及异形部分来表达零件的完整构造，表达零件特征构成、各特征间的约束关系以及零件整体的制造要求。零件层结构设计主要包括以下内容：（1）对特征的编辑操作：如特征的插入、删除、零件调头等；（2）特征间的圆角过渡计算；（3）特征表达模型向统一轮廓表达模型的转换；（4）零件技术信息输入，主要包括零件名称，编号，绘图比例，生产批量，毛坯类型及尺寸，材料，热处理等信息。

参见图10，基于体特征的混合建模方法可描述如下：将加工表面和非加工表面进行分离，采用完全不同的建模方法进行建模。非加工表面结构复杂，难于用数据结构描述，因此采用Cartia三维建模软件进行建模，确保了模型的准确性。加工表面通常具有一定的规则性，如回转表面、平面、螺旋、螺纹，对于这些规则表面则采用基于体特征的建模方法，以特征表面作为建模的主要依据对加工表面进行分段描述。为了对两种建模方法进行统一描述，系统自定义了一种文件存储格式，实现了对各种复杂结构的零部件的建模描述。基于体特征的建模方法由于以特征数据作为存储结构，极大地减少了存储开销，因而为基于体特征的虚拟切削仿真算法提供了条件，在进行切削加工仿真计算时，只需对特征数据进行计算，极大地减少了CPU消耗，确保了虚拟加工的实时计算和绘制，也从根本上保证了图形绘制的精度。

本发明采用基于体特征的虚拟切削加工仿真算法，基本方法如下：在仿真过程中依据零件特征链表形成一个与真实形状相一致的零件，虚拟机床在收到加工指令后将根据被加工零件的当前工步计算确定加工后特征的类型、尺寸等，然后用新的特征替代原特征，更新零件特征链表并按照新特征完成图形绘制。参见图11，以回转特征体车削圆柱过程为例，在收到加工指令后，虚拟切削加工仿真算法计算加工后的特征1和特征2尺寸的“此消彼长”，分别替换为特征1’和特征2’。通过特征替换的方式不仅有效降低了系统存储开销，也大幅减少了系统计算开销，提高了算法效率。

参见图12，目前的数控代码可以分为三类：（1）ISO标准指令集，一般指G功能指令集或M功能指令集，由于采用同样的国际标准，对于不同的数控机床，这部分指令定义的功能基本相同；（2）扩展指令集，对于一些保留功能的指令，即国际标准没有定义的指令，各机床生产厂家的定义不尽相同；（3）高级宏指令集，是指数控机床支持的复杂数控代码指令集，如三角函数计算、条件判断、循环跳转和高级插补指令等，这部分指令对于不同的机床生产厂家没有统一的标准，差别最大。控制器动态建模类似于Java的虚拟机技术，先建立一个类似于虚拟机虚拟指令层的数控代码宏指令层，再建立具体的数控代码格式对数控代码宏指令的调用关系映射表，也就是宏指令映射描述文件，控制器通过宏指令映射描述文件来调用的数控代码宏指令完成具体的仿真加工，从而实现对不同的数控代码格式的动态解析。

数控代码宏指令是数控加工仿真系统的内部指令集，它定义了数控机床完成加工动作的各种行为，可以直接操作系统参数区，也可以直接调用加工仿真切削算法完成零件的仿真加工。控制器通过宏指令映射描述文件建立具体的数控代码对数控仿真加工底层的驱动，而完成各种加工任务。只要数控代码宏指令层的指令集中有对应功能的映射指令，控制器便可以兼容足够多的数控代码格式。

参见图13，仿真控制器的工作过程是以宏指令映射描述文件为核心的，宏指令映射描述文件是一个具有统一格式的宏指令映射关系描述表，宏指令映射描述文件中全面定义了数控的代码和宏指令的映射关系。对一个具体的数控代码的解析需要经过两个过程，第一个过程是数控代码的语法检查，第二个过程是完成对虚拟数控机床的驱动。这两个过程都离不开宏指令映射描述文件。控制器的先依据描述文件检查输入的数控代码的格式的正确性，再格式检验通过后再根据具体的数控指令查找宏指令映射描述文件，找到对应的宏指令并调用，从而完成驱动虚拟数控机床的任务。具体步骤如下：

Step1.输入NC程序;

Step2.对NC程序进行语法检查；

Step3.判断语法是否合乎要求，如果不符合跳转至Step1，否则进入Step4；

Step4.查找宏指令映射描述文件将NC程序翻译成相应的数控加工宏指令，完成代码格式化转换；

Step5.翻译成相应的数控加工宏指令；

Step6.结合系统参数表进行数控加工仿真计算；

Step7.重复Step4至Step6，直到所有NC程序执行完毕；

Step8.结束仿真。

参见图1至图4，本发明的多系统同步数控加工仿真装置，包括多系统控制平台1、仿真控制器2、虚拟加工系统3、真实加工系统4及通信协议，其中，多系统控制平台1与仿真控制器2通信连接，所述仿真控制器2分别与虚拟加工系统3及真实加工系统4通信连接；所述多系统控制平台1用于提供两种不同数控系统面板，是系统的输入部分；仿真控制器2是系统的处理中枢，主要用于处理用户输入，数控程序解析、数控加工仿真；虚拟加工系统3和真实加工系统4是系统两套并行的执行机构，在仿真控制器2的控制下分别完成虚拟加工仿真和真实加工模拟；通信协议为系统各部分之间提供可靠的通信服务。本发明是首款可以同步完成虚拟加工和真实加工的数控加工仿真培训系统。

所述的多系统控制平台1包括工作台11、旋转机架12、手轮13、华中数控系统面板14、Funac数控系统面板15、切换控制装置16及通信接口17，旋转机架12正反两面分别固定华中数控系统面板14和Funac数控系统面板15，通过工作台11上的切换控制装置16实现华中数控系统面板14和Funac数控系统面板15两种不同数控系统面板的快速切换；华中数控系统面板14和Funac数控系统面板15内部各设有一块面板状态扫描控制板，对数控系统面板硬件进行周期性扫描，并将扫描结果编码后通过串口发送给仿真控制器嵌入式工控机主板。

所述的仿真控制器2包括嵌入式工控机主板21、手轮控制板22、系统切换控制板23，嵌入式工控机主板21是整个系统的中枢，用于运行仿真软件，主要处理用户输入、完成数控指令解析、仿真加工计算、虚拟数控显示器模拟。嵌入式工控机主板21具有两个串口，分别通过系统切换控制板23与虚拟加工系统3和真实加工系统4相连，以驱动虚拟加工系统3和真实加工系统4完成加工仿真；手轮13通过手轮控制板22与嵌入式工控机主板21相连，手轮控制板22用于处理手轮13操作，将手轮控制信号分别发送给多系统控制平台1和数控机床；系统切换控制板23用以实现两种不同数控系统面板的切换控制，建立嵌入式工控机主板与当前数控系统面板之间的串口数据和VGA视频信号传输通道。

所述的虚拟加工系统3采用一台PC机作为基础平台，PC机通过串口与仿真控制器2的嵌入式工控机主板21连接。采用虚拟现实技术和计算机仿真技术开发虚拟加工仿真上位机软件，核心功能是以三维图形方式实现用户实时控制下的虚拟数控加工过程仿真及测量仿真。此外，上位机软件还能完成数控机床、工件、刀具、夹具等虚拟数控加工环境定制、观测角度调整以及其它训练配置功能。

所述的真实加工系统4是一台现有小型的具有仿真控制功能的真实数控机床，主要由数控机床、机床控制单元、通信接口组成，可实现不同原材料毛坯、标准件、异形件的真实数控加工要求。

所述的华中数控系统面板14和Funac数控系统面板15上分别设置显示面板、快捷键面板、控制面板、操纵面板、辅助面板及LED电路，且分别与面板状态扫描控制板相连，所述面板状态扫描控制板及切换控制装置分别与系统切换控制板23相连。

参见图1所示，本发明以仿真控制器2为核心，以多系统控制平台1为人机交互界面，以虚拟加工系统3和真实加工系统4为执行单元，实现实时数控加工过程仿真。其主要工作流程为：操作者首先在真实加工系统的数控机床上装夹零件或毛坯，完成对刀等加工准备工作，然后通过虚拟加工系统的虚拟加工软件定制虚拟数控加工环境，完成数控机床、夹具、刀具、工件以及视景仿真参数设定。完成相关准备工作后，选择一种数控系统面板，启动系统。待系统初始化完成后，操作者操作数控系统面板完成数控编程和输入数控指令，数控系统面板通过接口电路将数控加工指令编码后发送给仿真控制器2，由仿真软件对数控加工指令进行解析、翻译、处理后，根据当前状态参数完成仿真加工计算，并将计算后得到的刀具移动等相关参数和控制指令通过串口分别发送给虚拟加工系统和真实加工系统，同步驱动虚拟和真实加工系统3、4分别完成虚拟和真实数控加工。同时仿真控制器2通过仿真软件的虚拟数控显示器仿真模块实时更新数控系统面板的显示界面，并驱动LED电路完成相关指示。

参见图2所示，多系统控制平台1用来提供两种不同数控系统面板，是系统的输入部分；仿真控制器2是系统的处理中枢，主要用于处理用户输入，数控程序解析、数控加工仿真；虚拟加工系统3和真实加工系统4是系统两套并行的执行机构，在仿真控制器2的控制下分别完成虚拟加工仿真和真实加工模拟；通信协议为系统各部分之间提供可靠的通信服务。

参加图2及图3所示，多系统控制平台1的旋转机架12通过底座固定在工作台11中央，可360度自由旋转。旋转机架12前后两面分别安装华中、Funac数控系统面板14、15，连接线缆通过底座中央的圆孔引出。工作台台面左下角有一个切换控制装置16。切换控制装置16有切换旋钮和启动、停止、急停三个控制按钮。通过切换旋钮控制选择使用其中一套数控系统硬件仿真面板，通过启动和停止按钮控制数控机床运行状态，通过急停按钮可紧急停车。

仿真控制器2位于工作台11左下方的一个控制箱内，主要由电源模块，嵌入式工控机主板21、系统切换控制板23、手轮控制板22三块电路板构成。电源模块对各电路板进行供电。三块电路板和运行在嵌入式工控机主板21上的仿真软件共同构成仿真控制器2。

虚拟加工系统3是系统的执行机构。工作台11左上角通过伸出的支架固定一台液晶显示器，与控制箱内PC机主机相连，构成虚拟加工系统的硬件平台。PC机主机通过串口与嵌入式工控机主板21连接，主要运行虚拟加工仿真上位机软件，用三维图形方式实现虚拟加工过程的实时动态仿真。

真实加工系统4是系统的另一套执行机构，其主体是一台小型的数控车床。在数控车床后侧控制箱内安装有一个运动控制器，通过25针的串口线与嵌入式工控机主板21连接。该控制器运行一个可以控制机床各部件运动的下位机软件，以嵌入式工控机主板21输出的控制指令为输入，以控制数控车床各部件运动的电信号为输出，实现对真实零件的加工切削。为了实现真实加工与虚拟加工的同步，引入了同步机制。即数控机床每完成一个加工指令会及时地将当前指令的行号上报给仿真控制器2，仿真控制器2依据此行号判断机床的状态并通知虚拟加工仿真软件进行同步。

Fanuc数控系统面板15和华中数控系统面板14分别由显示面板、快捷键面板、操纵面板、数控面板、辅助面板、面板状态扫描控制板、LED电路等组成。显示面板主要由一块12寸液晶显示屏及其附属电路构成。快捷键面板、操纵面板、数控面板为触摸式按键面板。辅助面板包括急停、运行、停止三个开关按钮。多系统控制平台两种面板布局、操作及显示与其真实数控系统面板基本一致。

Fanuc数控系统面板15和华中数控系统14面板背面分别有三个串口、一个USB口、一个Lan口、一个VGA口、两个航空插头以及一个电源接口。一个串口与仿真控制器的系统切换控制板串口相连，另外两串口备用，VGA口与仿真控制器系统切换控制板的VGA输出口连接。USB口和Lan口主要用于系统更新和配置。

面板状态扫描控制板固定在多系统控制平台1的箱体内部，主要由高性能微控制器CPU、存储器、开关量输入模块、开关量输出模块、通讯接口等构成，主要用来处理各种面板输入和操作控制。主要通讯接口包括手轮接口、暂停接口、循环启动接口、波段开关接口、急停接口、数控按键接口、机床按键接口，分别与多系统控制平台各硬件面板和数控机床连接。串口与嵌入式工控机主板21的串口连接。面板状态扫描控制板周期性扫描各硬件状态，按照通信协议编码后通过串口输出给嵌入式工控机主板21。

嵌入式工控机主板21主要用于处理用户输入、完成数控指令解析、数控加工仿真计算、虚拟数控显示器模拟，实时驱动虚拟加工系统和真实加工系统。嵌入式工控机主板21选用博来的3I270A多串口3.5寸工业主板，采用Intel Atom N270 1.6GHZ超低功耗处理器，采用一块TwinMos Ultra-X型号的Flash Card作为存储设备，6个USB串口，2个SATA接口，板贴内存，可板载SSD，高清音频，支持MinPCI-E，MinPCI扩展，支持双显。嵌入式工控机主板21主要使用接口包括一个VGA输出串口，一个连接虚拟加工系统PC机的串口，一个连接真实加工系统仿真控制单元的串口，一个连接系统切换控制板23的串口。

手轮控制板22包括一个连接外置手轮的输入接口和三个输出接口以及一个机床急停接口。三个输出接口中一个用于连接数控机床仿真控制单元手轮控制接口，另外两个用于连接面板状态扫描控制板的仿真器手轮及波段开关控制接口。手轮主控板主要负责采集手轮控制信号，并分别发送给多系统数控面板和数控机床仿真控制单元。

系统切换控制板的两个VGA输入接口分别与分频器两个VGA输出接口连接，两个VGA输出接口则分别连接到多系统控制平台的两个显示面板的VGA输入接口。其串口输入接口与嵌入式工控机主板的串口连接，两个输出接口与面板状态扫描控制板的数据串口连接。系统切换旋钮接口与切换控制装置的切换旋钮连接。当操作者扳动切换旋钮时，系统切换控制板将改变VGA视频信号和串口数据信号的输出接口，实现Funac数控系统和华中数控系统的切换。

虚拟加工系统实际上是一台运行虚拟加工上位机软件的计算机系统，通过串口与仿真控制器的嵌入式工控机主板通信，在操作者的交互控制下实现虚拟加工仿真。虚拟加工上位机软件是虚拟加工系统的核心，主要解决以下几个问题：一是数控加工环境仿真，二是数控加工过程仿真，三是数控加工作业流程仿真。通过建立虚拟数控机床、虚拟刀具、虚拟零件、虚拟夹具模型库实现数控加工环境的个性化定制及可视化仿真。通过基于体特征建模技术的虚拟切削算法实现数控加工过程仿真，有效解决异形件虚拟修复加工的技术难题。通过选择数控机床、选择夹具、定制零件、零件装夹、对刀等基础配置模块以及虚拟测量等辅助功能模块实现整个数控加工作业流程的仿真。虚拟加工软件以其丰富的图形用户界面和多样化的表达方式为操作者提供了一个多角度、全方位的数控加工展示平台，具有良好的交互性和兼容性，极大程度地改善操作者的受训体验。

真实加工系统是系统的执行单元，是完成零件真实数控加工的执行机构，除具备普通数控车床的加工能力外，还具有一定的交互控制能力，可实现不同原材料、不同回转直径、不同形制零件的真实加工要求。真实加工系统采用真实数控机床改造而成，通过内置的嵌入式仿真控制器、通信接口实现与仿真控制器的数据通信，执行仿真控制器的驱动指令完成各种数控加工动作，同时将执行后的状态反馈给仿真控制器，实现与虚拟加工系统的状态同步。真实加工系统只接受控制机床运动的原子指令，因而不再依赖特定的数控机床和数控系统的指令系统，为实现多型号数控机床、多数控系统共享硬件资源提供了条件。

以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多系统同步数控加工仿真方法，步骤如下：首先，由操作者通过虚拟加工系统订制虚拟加工环境，在真实加工系统中定制真实加工环境；然后，通过多系统控制平台选择一种数控系统面板，进行数控编程和控制，通过通信接口将数控指令发送给仿真控制器，仿真控制器进行仿真计算，一方面将刀具的运动参数发送给虚拟加工系统，虚拟加工系统采用基于体特征的混合建模方法和基于体特征的虚拟切削加工仿真算法进行图形仿真计算，完成虚拟加工；另一方面将加工宏指令发送给真实加工系统，由真实机床完成毛坯或修复件的实际加工；与此同时，仿真控制器还将实时生成虚拟数控显示屏，驱动LED电路完成各种指示，完成数控系统面板状态更新。

2.根据权利要求1所述的多系统同步数控加工仿真方法，其特征在于：所述的通过虚拟加工系统订制虚拟加工环境，即虚拟加工环境建模及仿真，过程如下：建模时首先对虚拟加工环境进行规划，确定数控机床、夹具、刀具型号，然后依次建立结构模型、OB图模型、三维模型，并输出为标准的stl格式文件，依据OB图模型建立装配结构，定义各装配体的装配关系、约束，最终形成整机装配结构，然后采用自定义统一建模描述语言进行建模并以纯文本文件方式进行存储；仿真时首先由操作者通过虚拟加工系统上位机软件定制虚拟加工环境，进行机床、夹具、刀具选型设置，依据操作者设定读取指定纯文本格式的结构描述文件，建立与装配结构一致的数据存储结构，然后虚拟加虚拟加工仿真上位机软件图形仿真引擎读取数据存储结构，完成虚拟加工环境绘制。

3.根据权利要求1所述的多系统同步数控加工仿真方法，其特征在于：所述的基于体特征的混合建模方法步骤如下：将异形件加工表面和非加工表面进行分离，采用完全不同的建模方法进行建模，即非加工表面结构复杂，采用Cartia三维建模软件进行建模；加工表面规则，采用基于体特征的建模方法，以特征表面作为建模的依据对加工表面进行分段描述；该方法自定义了一种文件存储格式，实现了对各种复杂结构的零部件的统一描述建模。

4.根据权利要求3所述的多系统同步数控加工仿真方法，其特征在于：所述的异形件为异形回转件。

5.根据权利要求1所述的多系统同步数控加工仿真方法，其特征在于：所述的基于体特征的虚拟切削加工仿真算法步骤如下：在仿真过程中读取待加工零件的统一描述文件，依据零件特征描述形成一个与真实形状相一致的零件特征链表存储结构，虚拟机床在收到加工指令后将根据被加工零件的当前工步计算确定加工后特征的类型、尺寸，然后用新的特征替代原特征，更新零件特征链表并按照新特征完成图形绘制。

6.一种实现上述多系统同步数控加工仿真方法的多系统同步数控加工仿真装置，其特征在于：包括多系统控制平台（1）、仿真控制器（2）、虚拟加工系统（3）、真实加工系统（4）及通信协议，其中，多系统控制平台（1）与仿真控制器（2）通信连接，所述仿真控制器（2）分别与虚拟加工系统（3）及真实加工系统（4）通信连接。

7.根据权利要求6所述的多系统同步数控加工仿真装置，其特征在于：所述的多系统控制平台（1）包括工作台（11）、旋转机架（12）、手轮（13）、华中数控系统面板（14）、Funac数控系统面板（15）、切换控制装置（16）及通信接口（17），旋转机架（12）正反两面分别固定华中数控系统面板（14）和Funac数控系统面板（15），通过工作台（11）上的切换控制装置（16）实现华中数控系统面板（14）和Funac数控系统面板（15）两种不同数控系统面板的快速切换；华中数控系统面板（14）和Funac数控系统面板（15）内部各设有一块面板状态扫描控制板，对数控系统面板硬件进行周期性扫描，并将扫描结果编码后通过串口发送给仿真控制器嵌入式工控机主板。

8.根据权利要求6所述的多系统同步数控加工仿真装置，其特征在于：所述的仿真控制器（2）包括嵌入式工控机主板（21）、手轮控制板（22）、系统切换控制板（23），嵌入式工控机主板（21）具有两个串口，分别与虚拟加工系统（3）和真实加工系统（4）相连，以驱动虚拟加工系统（3）和真实加工系统（4）完成加工仿真；手轮（13）通过手轮控制板（22）与嵌入式工控机主板（21）相连，手轮控制板（22）用于处理手轮（13）操作，将手轮控制信号分别发送给多系统控制平台（1）和数控机床；系统切换控制板（23）用以实现两种不同数控系统面板的切换控制，建立嵌入式工控机主板与当前数控系统面板之间的串口数据和VGA视频信号传输通道。

9.根据权利要求6所述的多系统同步数控加工仿真装置，其特征在于：所述的虚拟加工系统（3）采用一台PC机作为基础平台，运行虚拟加工仿真上位机软件，PC机通过串口与仿真控制器（2）的嵌入式工控机主板（21）通信连接。

10.根据权利要求6所述的多系统同步数控加工仿真装置，其特征在于：所述的真实加工系统（4）是一台小型的具有仿真控制功能的真实数控机床，可在仿真控制器的实时控制下完成零件实际加工；真实加工系统（4）通过串口与仿真控制器（2）的嵌入式工控机主板（21）通信连接。

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