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五軸數控機床模擬訓練機研發

2016-8-1 來源：天津職業技術師范大學作者：岳剛

隨著科技的進步和生活水平的提高，人們對產品使用的人性化、產品可靠性和外觀等方面的要求漸漸增多，隨之而來的是越來越多的具有復雜形面的零件被設計出來來滿足這些需求[9][10]。與此同時，隨著機械加工制造行業的逐漸成熟，與其相關的制造產業的加工標準和要求也都在不斷提高。傳統三軸數控銑床與車床由于精度、性能達不到現代加工要求，將會逐漸的被淘汰掉。所以，應用了高速數據處理技術、精確運動控制技術和數字化等先進技術的五軸數控機床越來越受到人們的青睞，逐漸得到了廣泛的應用。五軸數控機床在機械結構和加工方式都比傳統的三軸數控機床在有很大的改進，增加了兩個自由度，即增加了能夠繞兩個軸回轉的自由度，最終通過五軸聯動完成任意角度的平面和曲面加工，極大限度的滿足現代加工要求。同時，能夠有效規避由于多次裝夾引起的加工誤差。

2.1 數控機床簡介

隨著計算機科技和工業化技術的進步，工業產品漸漸地向著精密復雜的方向發展，相應的對制造業加工的精度要求日趨嚴格，同時各行各業尤其是電子產業更新換代的周期也日趨變短。尤其是宇航、軍工、造船、汽車和模具加工行業，用普通機床進行加工已無法滿足生產要求，從而一種新型的用數字程序控制的機床應運而生。這種機床融合了嵌入式技術技術、數據處理技術、高精度運動控制技術、檢測反饋技術和機械設計制造等新技術，即為數控機床。下面主要介紹數控機床的組成及相關工作原理。

2.1.1 數控機床的組成

數控機床可以分為控制和執行兩大部分，控制部分就是操作系統也就是常說的數控系統，執行部分就是機床本體。

數控系統是數控機床的控制中樞[11]，它可以根據用戶輸入的或導入的數控加工程序，來進行相應的加工動作，從而使機床進給并進行特定的零件加工。數控系統可以分為機床進給控制系統、主軸進給控制系統、數控裝置等幾個部分。機床進給控制系統包括伺服驅動單元、精密伺服電機和電機角度反饋裝置三個部分。主軸進給控制系統包括主軸驅動模塊和主軸電機兩個部分。機床本體可以分為機床傳動部分、機床線路、機床液壓和氣動系統、機床潤滑裝置等幾個部分。

數控系統通常由專業的數控操作系統公司設計并投向市場，之后由機床制造公司把數控系統集成到機床本體上，并完成整體機床的調試。數控系統通過專門的運動控制器驅動機床進行切削運動，使機床按照規劃好的路徑和軌跡進行機加工。機床的運動控制通常采用 PLC 或 PMC 等作為底層控制器，并應用 DSP 數據處理技術按照用戶發出的指令控制機床進行特定的加工任務。此外，針對不同的機床，機床制造廠還必需對通用的數控系統進行個性化配置，有時也需要根據數控機床的硬件本體適當增加或減少數控系統的功能，從而使數字控制系統能夠與機床機械本體協調工作。

數控系統能夠驅動機床按照特定的軌跡進行運動和切削，允許用戶按照一定的標準編寫加工程序來完成特殊的加工動作[13]。所以，工件加工程序識別和編程語言標準的建立也是數控系統不可缺少的重要組成部分。

2.1.2 數控機床的工作原理

數控系統運行用戶編寫或輸入的特定工件加工程序，通過運動控制系統驅動機床來實現數控機床對零件的加工，并通過測量反饋數據不斷糾正加工誤差，最終實現具有一定精度的零件加工。

首先，數控系統將用戶輸入的工件加工程序按行進行分割，在每行中首先按照首字母G、M、S、T 分為三大類，然后根據首字母后的數字對函數進行檢索，然后再按照查找到的固定配合繼續搜索本行后面的相應代碼，直到固定配合中的關鍵字都搜索完成，或者遇見其他以 G、M、S 或 T 開頭的代碼為止，直到本行結束，開始執行本行代碼的相應控制動作。

2.2 數控模擬系統構建的基本原則

1.滿足功能要求。研發或改進某個系統，是為了能夠完成一定的目標，即設計過程需要有明確目標。針對本課題，五軸數控機床模擬訓練機的基礎功能包含了動態模擬加工、檢驗和報警以及加工過程中碰撞檢測等。

2.一體性，系統各模塊既相互獨立，又相互聯系。整個系統的構建思路是將其拆分為多個部分，各部分之間相互影響。所以，通訊技術在各部分之間有著極其突出的作用，它可以完成系統的一體化。

3.穩定性，數學模型來代替實際系統進行實驗是仿真系統的設計原理，數學的實際模型與實際參數之間總是存在差異的，怎樣減少兩者之間的差異，使之保持相對較小的波動，這是穩定性所要討論的。穩定性是衡量模擬系統的重要指標之一[15]，若無法保證系統仿真的準確性，就不能說成功的構建了模擬系統。數控模擬系統，其穩定性表現在模擬過程的實時刷新、模擬的動作與設計的一致性、碰撞檢測的準確等。

4.最優化，模擬數控切削過程是一個多因素共存的問題，如數學建模和數學算法復雜、編寫的算法計算繁復，在一定的硬件系統制約下，必定會拖慢系統模擬的速度，破壞模擬的效果。所以，需要改進模擬系統，其中首要的內容就是改進仿數學建模和數學算法確保系統的運行速度和降低占有的資源。

5.開放性，就是允許操作者對系統進行定制和修改，實現操作者對系統特定功能的需求以及后期改進的需要，構建開放的、可變更、靈活的數控系統。

2.3 系統的主要功能

數控模擬系統經大量實踐驗證可以用在工業現場[13][19]，節省產品的研發周期，驗證產品設計是否符合加工要求、加工代碼是否準確、生產工藝是否合適，進而幫助企業提高利潤。此外數控模擬系統也能夠用在大中專院校的數控實訓中，為培養數控操作及維護人員提供強有力的支持。綜上所述，此數控模擬系統的主要功能為：

（1）加工環境和加工任務的定義

（2）實現人機交互功能

（3）實現三維動畫顯示加工過程

2.4 系統的總體結構

數控模擬系統應用了模塊化、結構化的構建方式，我們將系統簡單的分為五個部分：NC 操作面板模塊；加工代碼識別模塊；立體仿真模塊；通訊模塊；數據庫。五個部分有機地組成了統一的模擬系統[14].

模擬操作面板：它是根據實際操作面板為作為模擬對象而設計，包括兩部分MDI 操作鍵盤和 CTR 顯示器，主要功能是顯示機床的參數和狀態、主軸和進給速率控制、操作模式選擇、編輯程序和設置參數等。

根據不同的數控系統，本研究把它分為海德漢和西門子兩種操作界面。兩種數控面板分別通過串口與工控機相連接并實現通訊。工控機將根據接收到的數控面板的鍵盤命令進行相應的運算和操作，通過API 函數驅動 Open GL 中的虛擬機床進行相應的運動。由工控機處理Open GL反饋的運動坐標及其他參數數據，并實時控制數控面板上界面的切換和文字的顯示，控制系統的流程圖如圖 2-1 所示：