虛擬數控機床及開放式數控系統的研究

摘 要：隨著虛擬現實技術在虛擬制造系統中應用的推廣，對虛擬數控機床的研究也越來越多，虛擬數控機床可以提供關鍵的數據到產品設計的制造性分析過程中。傳統的數控機床系統雖然已經可以具備相當的精度，但其實現過程對用戶是封閉的，不利于擴展；開放式數控系統應運而生，能夠方便擴展數控系統的功能。

關鍵詞：虛擬數控；數控機床；開放式數控

1 虛擬數控機床及其關鍵技術

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

虛擬數控機床和客戶端組成了服務器/客戶端網絡結構，作為服務器的虛擬數控機床在接收到客戶端的請求后，會調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，然后把每個子任務分發給相應的子模塊。一般而言，虛擬數控機床系統包括四個子模塊：計算模塊、拓撲機構、解釋器以及幾何實體。計算模塊完成齊次變換等計算任務，是虛擬制造過程中不可或缺的組成部分；解釋器將數控代碼翻譯為制定機床部件等相關信息，并計算數控機床的響應；幾何實體的作用是描述各機械實體的相關信息，從而方便快速建立數控機床幾何模型；拓撲結構描述了各幾何實體間的關系。

在虛擬數控機床的應用中，其關鍵技術主要包括機床環境構建、數控加工的建模以及與虛擬對象的擬實工具等。虛擬數控機床技術利用計算機等硬件和相關軟件構建虛擬數據加工環境，此環境的組成部分可以囊括：（1）硬件及驅動層。立體眼鏡以及實景頭盔等是實現虛擬現實技術的硬件支持，為驅動這些硬件設備還需要相應的程序驅動模塊，以獲取和硬件設備相關的位置、姿勢等視覺參數。（2）虛擬數控機床的管理層。此部分主要用于管理虛擬數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，一般包括特征數據庫和規則庫兩部分。（3）工具和應用層。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 虛擬數控機床系統的幾何模型

虛擬數控機床的幾何模型實質上是裝配單元組成的裝配體，也就是一個裝配模型，一般包括總體結構、裝配模型等方面。

虛擬數控機床的總體結構可以用相關的數據結構來描述，由于數控機床的幾何模型本質上就是一個裝配體，所以其數據結構可以對應分為兩部分：第一部分存儲備機床零部件幾何模型相關的信息，第二部分用于存儲機床零部件幾何模型間的裝配關系，裝配關系反應了零部件間的位置和約束關系。

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系時比較清晰，并且方便裝配求解裝配序列規劃，但是在表達零部件的配合關系上有所欠缺。與之相反，圖結構易于表達零部件的配合關系，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系。裝配關系描述了各個零部件的配合關系描述以及約束關系：幾何關系、排斥關系以及運動關系。幾何關系說明了零部件間的對齊、偏置以及配合等相互關系；運動關系說明了零部件之間的諸如直線運動、旋轉運動等關系；排斥關系闡述某零部件是否可以和其他部件并存于一個機床中。

在基于二叉樹結構的裝配模型中，單獨的一個裝配體被表示為一顆二叉樹，根節點表示的是最終要使用的裝配體，中間節點表示子裝配部件，葉子節點表示零件。其中非葉子節點的左子節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點的右子節點。約束關系上，同一層次的裝配單元間只存在位置約束關系，從屬關系存在于不同層次的裝配單元間。

3 開放式數控系統

與傳統的虛擬數控系統不同，開放式數控系統不再是包含很多插件版的專用系統，而是采用模塊化結構，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展性、可移植性的數控系統。

開放式數控系統具有傳統的數控系統不具備的一些特點：（1）模塊化及可擴展性。開放式數控系統應該可以實現功能的模塊化和體系結構的模塊化，用戶使用時可以根據模塊的功能進行調整，以此實現二次開發。（2）平臺無關性。開放式數控系統不應該依賴于具體的操作系統平臺，當平臺和控制器間的接口明確時，只要使用相應操作系統平臺的API接口，就應該可以實現平臺移植。（3）標準化和網絡化。開放式數控系統要在一定的標準規范下進行，以提供給用戶一個標準開發平臺，用戶只要使用簡單的步驟就可以實現添加硬件、改變軟件結構等操作，從而簡化系統的模塊。另外，開放式數控系統還應該融合網絡技術，以實現網絡化。

基于PC的開放式數控系統可以存在多種形式：PC連接NC型、NC嵌入PC型以及PC嵌入NC型等。PC連接NC型開放式數控系統利用串行線連接PC和NC，在實現上比較簡單，并且再重復利用時幾乎不加修改就可使用；但是這種數控系統的響應速度較慢，而且原有的NC系統無法實現開放化。PC嵌入NC型開放式數控系統將PC嵌入到NC內部，二者使用專用的總線連接，雖然響應速度比較快，但這種開放式數控系統無法直接利用PC，不能充分發揮PC豐富的功能；雖然此類數控系統已經具備一定的開放性，但其體系結構還不是完全開放的。

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

現有的數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式刀庫，盤式刀庫正反兩個方向都可以轉動，但為節省換刀時間，一般采用最短路徑的旋轉方法，基本原理是當旋轉刀庫時，先比較期望刀號和當前刀號的差值，然后決定刀庫的旋轉方向，這樣可以保證刀庫總是按照最短的旋轉路徑進行旋轉，最終節省選刀時間。

4 結束語

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

參考文獻

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