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五轴数控机床模拟训练机研发

2016-8-1 来源：天津职业技术师范大学作者：岳刚

随着科技的进步和生活水平的提高，人们对产品使用的人性化、产品可靠性和外观等方面的要求渐渐增多，随之而来的是越来越多的具有复杂形面的零件被设计出来来满足这些需求[9][10]。与此同时，随着机械加工制造行业的逐渐成熟，与其相关的制造产业的加工标准和要求也都在不断提高。传统三轴数控铣床与车床由于精度、性能达不到现代加工要求，将会逐渐的被淘汰掉。所以，应用了高速数据处理技术、精确运动控制技术和数字化等先进技术的五轴数控机床越来越受到人们的青睐，逐渐得到了广泛的应用。五轴数控机床在机械结构和加工方式都比传统的三轴数控机床在有很大的改进，增加了两个自由度，即增加了能够绕两个轴回转的自由度，最终通过五轴联动完成任意角度的平面和曲面加工，极大限度的满足现代加工要求。同时，能够有效规避由于多次装夹引起的加工误差。

2.1 数控机床简介

随着计算机科技和工业化技术的进步，工业产品渐渐地向着精密复杂的方向发展，相应的对制造业加工的精度要求日趋严格，同时各行各业尤其是电子产业更新换代的周期也日趋变短。尤其是宇航、军工、造船、汽车和模具加工行业，用普通机床进行加工已无法满足生产要求，从而一种新型的用数字程序控制的机床应运而生。这种机床融合了嵌入式技术技术、数据处理技术、高精度运动控制技术、检测反馈技术和机械设计制造等新技术，即为数控机床。下面主要介绍数控机床的组成及相关工作原理。

2.1.1 数控机床的组成

数控机床可以分为控制和执行两大部分，控制部分就是操作系统也就是常说的数控系统，执行部分就是机床本体。

数控系统是数控机床的控制中枢[11]，它可以根据用户输入的或导入的数控加工程序，来进行相应的加工动作，从而使机床进给并进行特定的零件加工。数控系统可以分为机床进给控制系统、主轴进给控制系统、数控装置等几个部分。机床进给控制系统包括伺服驱动单元、精密伺服电机和电机角度反馈装置三个部分。主轴进给控制系统包括主轴驱动模块和主轴电机两个部分。机床本体可以分为机床传动部分、机床线路、机床液压和气动系统、机床润滑装置等几个部分。

数控系统通常由专业的数控操作系统公司设计并投向市场，之后由机床制造公司把数控系统集成到机床本体上，并完成整体机床的调试。数控系统通过专门的运动控制器驱动机床进行切削运动，使机床按照规划好的路径和轨迹进行机加工。机床的运动控制通常采用 PLC 或 PMC 等作为底层控制器，并应用 DSP 数据处理技术按照用户发出的指令控制机床进行特定的加工任务。此外，针对不同的机床，机床制造厂还必需对通用的数控系统进行个性化配置，有时也需要根据数控机床的硬件本体适当增加或减少数控系统的功能，从而使数字控制系统能够与机床机械本体协调工作。

数控系统能够驱动机床按照特定的轨迹进行运动和切削，允许用户按照一定的标准编写加工程序来完成特殊的加工动作[13]。所以，工件加工程序识别和编程语言标准的建立也是数控系统不可缺少的重要组成部分。

2.1.2 数控机床的工作原理

数控系统运行用户编写或输入的特定工件加工程序，通过运动控制系统驱动机床来实现数控机床对零件的加工，并通过测量反馈数据不断纠正加工误差，最终实现具有一定精度的零件加工。

首先，数控系统将用户输入的工件加工程序按行进行分割，在每行中首先按照首字母G、M、S、T 分为三大类，然后根据首字母后的数字对函数进行检索，然后再按照查找到的固定配合继续搜索本行后面的相应代码，直到固定配合中的关键字都搜索完成，或者遇见其他以 G、M、S 或 T 开头的代码为止，直到本行结束，开始执行本行代码的相应控制动作。

2.2 数控模拟系统构建的基本原则

1.满足功能要求。研发或改进某个系统，是为了能够完成一定的目标，即设计过程需要有明确目标。针对本课题，五轴数控机床模拟训练机的基础功能包含了动态模拟加工、检验和报警以及加工过程中碰撞检测等。

2.一体性，系统各模块既相互独立，又相互联系。整个系统的构建思路是将其拆分为多个部分，各部分之间相互影响。所以，通讯技术在各部分之间有着极其突出的作用，它可以完成系统的一体化。

3.稳定性，数学模型来代替实际系统进行实验是仿真系统的设计原理，数学的实际模型与实际参数之间总是存在差异的，怎样减少两者之间的差异，使之保持相对较小的波动，这是稳定性所要讨论的。稳定性是衡量模拟系统的重要指标之一[15]，若无法保证系统仿真的准确性，就不能说成功的构建了模拟系统。数控模拟系统，其稳定性表现在模拟过程的实时刷新、模拟的动作与设计的一致性、碰撞检测的准确等。

4.最优化，模拟数控切削过程是一个多因素共存的问题，如数学建模和数学算法复杂、编写的算法计算繁复，在一定的硬件系统制约下，必定会拖慢系统模拟的速度，破坏模拟的效果。所以，需要改进模拟系统，其中首要的内容就是改进仿数学建模和数学算法确保系统的运行速度和降低占有的资源。

5.开放性，就是允许操作者对系统进行定制和修改，实现操作者对系统特定功能的需求以及后期改进的需要，构建开放的、可变更、灵活的数控系统。

2.3 系统的主要功能

数控模拟系统经大量实践验证可以用在工业现场[13][19]，节省产品的研发周期，验证产品设计是否符合加工要求、加工代码是否准确、生产工艺是否合适，进而帮助企业提高利润。此外数控模拟系统也能够用在大中专院校的数控实训中，为培养数控操作及维护人员提供强有力的支持。综上所述，此数控模拟系统的主要功能为：

（1）加工环境和加工任务的定义

（2）实现人机交互功能

（3）实现三维动画显示加工过程

2.4 系统的总体结构

数控模拟系统应用了模块化、结构化的构建方式，我们将系统简单的分为五个部分：NC 操作面板模块；加工代码识别模块；立体仿真模块；通讯模块；数据库。五个部分有机地组成了统一的模拟系统[14].

模拟操作面板：它是根据实际操作面板为作为模拟对象而设计，包括两部分MDI 操作键盘和 CTR 显示器，主要功能是显示机床的参数和状态、主轴和进给速率控制、操作模式选择、编辑程序和设置参数等。

根据不同的数控系统，本研究把它分为海德汉和西门子两种操作界面。两种数控面板分别通过串口与工控机相连接并实现通讯。工控机将根据接收到的数控面板的键盘命令进行相应的运算和操作，通过API 函数驱动 Open GL 中的虚拟机床进行相应的运动。由工控机处理Open GL反馈的运动坐标及其他参数数据，并实时控制数控面板上界面的切换和文字的显示，控制系统的流程图如图 2-1 所示：