開放式數控系統中遠程加工形狀設計與加工過程仿真研究*

魏勝利，彭云峰

(安陽工學院 計算機科學與信息工程學院，河南 安陽 455000)

0 引言

在進行數控加工之前，通常需要對加工程序進行驗證。驗證通常采用直接的“試切法”［1-2］。這種“試切法”既耗時又浪費材料，容易出現問題且有時效果不佳［1-3］。計算機仿真技術的發展為解決這個問題提供了一種有效的途徑。采用仿真方法，能用一種近似真實的方法，直觀的檢查數控加工程序，監視加工過程，校驗其加工代碼的正確性。而且還可以防止出現刀具與工件、夾具、機床之間的干涉與碰撞，并且還可以大大節省NC 程序調試時間，減少昂貴的試切費用，從而縮短產品的試制周期、降低成本、提高數控加工效率、保證數控機床的安全性［3］。

人們采用多種方法對數控加工過程進行仿真。文獻［1］采用三維圖形消隱的方法實現仿真。文獻［2-5］采用了三維圖形繪制技術OpenGL 配合VC++實現仿真。文獻［6-7］采用專門的數控仿真軟件VERICUT實現仿真。文獻［8］采用了LabWindows 下的dSpace技術實現仿真。文獻［9］采用MATLAB 實現仿真。人們采用仿真的目的也不相同，文獻［8-10］為了測試加工的過程是否正確而進行仿真。文獻［11］為了驗證刀具干涉而進行仿真。文獻［12］為了驗證加工工藝而進行仿真。

上述研究對數控系統加工過程的仿真都是基于本地進行的。本文提出了一種基于開放式數控系統的加工形狀遠程設計和加工過程遠程仿真。遠程設計與仿真通過以太網來實現，甚至可以擴展到因特網。現在是一個資源全球共享的時代，集成制造、自適應制造風起云涌。這些都對數控系統的發展提出了新的要求。數控系統網絡化發展成為一個趨勢。數控系統逐漸成為一個功能更加強大的加工中心，也更加的智能，同時它也成為全球某個網絡中的一個節點。數控系統的網絡化為數控制造共享全球資源、實現設計制造一體化及快速制造提供了可能。遠程加工形狀設計以及遠程加工仿真監控成為數控系統網絡化發展的一個重要發展方向。

本課題對該開放式數控系統中的加工形狀遠程設計和加工過程遠程仿真進行了研究。系統的工作過程是，在PC 機上設計要加工的曲面的形狀，將設計好的曲面的參數通過網絡傳遞給一個微處理器，由微處理器根據這些參數進行自由曲面插補運算，計算出相應的加工坐標數據，同時將這些坐標數據及其它信息通過以太網傳遞給PC 機。PC 機在接收到相關數據后，對這些數據進行保存或者顯示，并實時的繪制加工的形狀，實現對加工過程實時重現或者仿真。同時，PC機可以根據收到的數據判斷設計是否存在缺陷，能否滿足設計要求;判斷加工過程是否存在問題，進行故障診斷;還可以根據設計曲面的信息及刀具現在的位置和角度判斷是否存在刀具干涉的可能。

實現遠程設計和加工過程仿真具有重要意義。在制造業中，傳統的制造已經趨于次要地位，而工業設計則成為首要的任務，是一個制造企業的重中之重。任何的設計不能一蹴而就，需要多次的嘗試和修改。在傳統方法下，設計人員需要將設計形狀傳給操作人員，操作人員進行試加工，發現問題反饋給設計人員，設計人員進行修改。需要往返多次才可能最終完成設計。這不但需要設計人員和操作人員都具有相當的專業知識，他們之間還需要有良好的溝通。而經常情況下，溝通過程中通常會出現問題。多次的來往反復也使設計過程漫長。在此過程中也可能泄漏設計秘密。而遠程設計和仿真則只需設計人員一個人在異地就可以實現加工形狀的設計和試加工，從而發現問題，便于快速修改設計，避免上述所說的問題。

1 體系結構

本文的作者曾在文獻［13］中提出了一種開放式并行的數控系統。本文在此體系結構的基礎上引入以太網技術，研究了數控系統加工圖形遠程設計及加工過程遠程仿真。整個體系結構如圖1 所示。PC 機實現遠程加工形狀設計和遠程加工過程仿真。在PC 機上進行工件加工形狀的設計，設計完畢后將設計好的參數通過以太網傳輸給微處理器。微處理器采用ARM+DSP 雙核芯片。微處理器的網絡通信采用三星公司的以太網控制芯片W5100 來實現(圖中未畫出)。ARM 實現任務管理、數據通信以及與DSP 的數據交換;DSP 用來進行數控插補運算，計算出刀具運行的位置、速度、加速度等信息。ARM 通過W5100 接收到PC機傳輸過來的設計參數，然后以數據共享的方式通過雙口RAM 傳送到DSP，使之以這些參數進行插補運算，計算出刀位數據，即加工的坐標。同時將這些坐標值通過網絡傳遞給PC 機，PC 機根據這些信息仿真或者重現加工的過程，即根據傳遞過來的坐標繪制加工的圖形。這樣，在PC 機上就可以看到數控系統加工的模擬過程，并將加工的數據和設計的曲面進行比較，檢測是否出現設計缺陷和加工錯誤。

圖1 數控系統體系結構

2 加工形狀設計與加工過程仿真

2.1 加工形狀設計

加工形狀設計采用VC++調用MATLAB 的方法實現。用VC++開發的設計界面如圖2 所示。目前加工的形狀只支持自由曲線、自由曲面以及常規的直線圓弧等形狀。自由曲線和曲面采用NURBS(Non-Uniform Rational B-Spline，非均勻有理B 樣條)方法描述。可以通過輸入控制點、權因子、節點向量以及次數來設計曲線或者曲面的形狀。也可以通過載入這些信息來進行設計。如果形狀不合適，可以調整這些參數值來調整曲線曲面的形狀，調整參數后曲線曲面的形狀隨之改變，及時顯示調整后的效果。設計完畢后，保存這些設計好的參數，用來將其傳輸到遠程的微處理器進行插補運算。一個設計好的曲面形狀如圖3 所示。

圖2 設計界面

圖3 設計好的曲面

在設計的系統中，還可以通過型值點來反求控制點(反求工程)，繼而進行加工形狀的調整和設計。該功能目前沒有集成到加工形狀設計軟件中。加工設計方面進一步研究的目標是:支持更多形狀的設計;采用OpenGL 技術進行三維形狀設計;將設計軟件和仿真軟件集成在一起。

2.2 加工過程仿真

將設計好的參數通過網絡傳輸到微處理器進行插補運算，繼而接收插補數據進行仿真顯示。仿真軟件界面如圖4 所示。使用該軟件，首先可以設置通信雙方的IP 地址，使雙方建立鏈接。然后可以輸入或者加載向微處理器發送的加工形狀的參數。最后可以點擊“觸發”讓微處理器進行插補運算。同時將接收過來的插補運算求出的加工數據(坐標值)在下面的列表框顯示出來。這些加工數據可以保存在數據庫里面，用作數據挖掘、分析，比如分析加工數據進行故障診斷，分析是否存在刀具干涉等。在接收數據的同時，系統會觸發另一個進程，用于對加工刀具的行程進行仿真。該進程使用OpenGL 技術以三維圖形的形式顯示刀具以及刀具走過的路徑。與此同時，場景可以旋轉，可以從不同的角度對刀具行走的情況進行展示。仿真效果如圖5 所示。

仿真軟件進一步研究的目標是:擴展接口的功能，能夠接收其它CAD 軟件設計的參數;仿真圖形更接近實物，能夠顯示原物和被切削后的效果。

圖4 仿真軟件界面

圖5 仿真效果

3 涉及的技術與算法

3.1 重構技術

開放式數控系統的特點是開放性和可擴展性。因此它的結構必須是可重構的，而不是像傳統數控系統那樣是封閉的、專用的。開放式數控系統的硬件結構和軟件都是可重構的。

(1)硬件重構

數控系統的硬件可重構意味著各部件、模塊必須是根據需要可擴展的、可替換的，各部件、模塊之間的接口必須是兼容的。這就要求開放式數控系統盡可能的采用通用芯片或者部件，要采用通用的總線、接口或者技術標準，避免專用的標準或者規范。要盡可能多的支持國際上通行的接口、總線規范。

在我們設計的開放式數控系統結構中，芯片采用了通用的ARM、DSP 處理芯片，采用了通用的設計方法，具有CAN、USB、以太網等豐富的接口，使用了國際上廣泛使用的接口總線標準。因此系統具有很好的可擴展性和兼容性。在必要時，可以更換或者增加處理或者控制芯片，實現更多的功能。通用的設計方法和可重構的軟件設計為硬件的可重構提供了保證。

(2)軟件重構

開放式數控系統的軟件也須是可重構的。軟件必須模塊化、組件化，可以根據需要調用，甚至可以進行安裝、卸載、燒寫、擦除。設計的軟件要具有較強的通用性，盡可能多的兼顧多種接口。必要時可以設計轉換組件，實現數據格式或者協議的轉換。

在我們設計的系統中，遵循了軟件設計模塊化的思想。比如在插補軟件中，設計有曲面插補、自由曲線插補、傳統插補等多種插補軟件。以后還可以繼續豐富這些插補軟件。在進行加工時可以根據需要調用相關的插補功能。如有特別的需要還可以對這些功能進行裁剪。在論文的第二部分，顯示了曲面插補的功能。在軟件部分，涉及的內容更多。比如已有的CAD 軟件可能不能直接用于本系統的工件形狀設計，需要將數據類型進行轉換。針對這樣的情況，可以開發相關的轉換組件來實現。

3.2 直接插補算法

一般的插補方法包括直線和圓弧插補，更為復雜一點的包括B 樣條曲線段插補。對于復雜的曲線則用這些插補方法去逼近。這種方法雖然比較成熟，但插補精度和速度都受限制，每段都可能需要加減速控制，數據傳輸量大。直接插補算法，是在一系列插補周期中沿插補曲線求出曲線上的一系列型值點，然后用連接這些型值點的短直線去逼近插補曲線的插補方法。該方法能顯著提高插補精度和速度;能有效避免頻繁的加減速控制;更重要的是能用很少的參數定義曲線曲面的形狀，數據傳輸量少，特別適合遠距離傳輸，也能減少傳輸過程中出錯的情況。因此，對于具有遠程設計功能的數控系統，直接插補算法具有較大的優勢。在系統的設計中基本采用直接插補算法的精神，盡可能的減少要傳輸的設計參數。在第二部分所示的仿真中，設計一個9 ×9 的非均勻有理B 樣條自由曲面需要的參數為350 個左右。而在傳統的插補方法下，根據插補的精度要求不同，可能有成千上萬的數據需要傳輸。這就大大減少了傳輸的數據量，減輕了數據校驗的壓力，減少了傳輸出錯的可能。

3.3 并行計算和多線程

系統中存在多種類型的并行計算。比如一種是PC 機和微處理器兩個處理器之間并行的計算，它們各承擔自己的計算任務，通過網絡進行通信。另一種是PC 機上的動態仿真軟件中使用多線程來實現程序的并行。一個線程負責從網絡接口接收數據，另外一個線程負責刀具的動態繪制。它們之間通過一個公用的數據緩沖器通信，并采用信號量進行同步。另外還有一個線程負責和用戶的交互。

采用并行計算和多線程技術可以充分利用分布在不同地方的計算資源，豐富數控系統的功能，方便加工工件形狀的設計修改，甚至可以實現設計、修改的同步進行。這就為企業加快設計以及設計向產品的轉化提供了條件，使企業能夠快速響應多變的市場需求，在競爭中處于有利地位。在研究中，準備將來將系統和其它計算機輔助設計軟件、如CAD 等三維設計軟件結合起來，直接利用它們的設計結果，這將大大縮短設計的時間。

4 結論

本文提出了一種基于開放式數控系統的加工形狀遠程設計和加工過程仿真方法。該方法能夠通過以太網實現遠程的加工形狀設計以及遠程加工過程動態仿真。遠程設計便于迅速的利用更廣范圍內的各種資源。遠程仿真能夠實現遠距離的再現加工過程，實現遠程監控。同時能夠進行遠程故障診斷和刀具干涉判斷，能夠共享智能資源。允許在加工前，對整個加工過程進行仿真和模擬，以發現設計的不足、加工參數設置的合適與否、是否存在加工刀具干涉、是否存在加工缺陷等;能實現設計與修改的同步進行，加快設計進度;允許遠程監控整個加工過程，及時發現加工存在的問題;允許保存和根據需要重新重現加工的過程，對加工過程進行分析，發現有價值的線索等。在研究中需要進一步改進的地方有:將設計軟件和仿真軟件集成在一起，能夠和其它設計軟件共享資源;設計功能更加完善;仿真軟件功能更加真實。

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