攪拌摩擦焊并聯(lián)機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)虛擬加工功能的開發(fā)

林永勇，劉文濤，周法權(quán)，韋葉，張華德

(1.上海航天設(shè)備制造總廠，上海200245;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001)

0 前言

對(duì)于一些具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的數(shù)控機(jī)床，以及一些重要零件的加工應(yīng)用場(chǎng)合，進(jìn)行加工過程的實(shí)體運(yùn)動(dòng)仿真 (虛擬加工)是非常必要的。通過這種仿真，可以預(yù)先觀察加工時(shí)機(jī)床各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件之間，以及機(jī)床運(yùn)動(dòng)構(gòu)件與工件之間的干涉情況，從而避免加工過程中的意外發(fā)生。

目前，對(duì)加工過程的實(shí)體運(yùn)動(dòng)仿真通常是借助一些離線的第三方仿真軟件進(jìn)行的，如UG、Vericut等［1-2］。但這類離線仿真方法存在一些不足之處:首先是操作者使用不太方便，離線仿真時(shí)的坐標(biāo)系與加工時(shí)的坐標(biāo)系也不容易完全一致，仿真情況會(huì)有差異;更重要的是這類軟件不支持對(duì)并聯(lián)機(jī)床等具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)數(shù)控機(jī)床的仿真。

理想的仿真方案是在數(shù)控系統(tǒng)中加入實(shí)體仿真功能，比較典型的如瑞典EXECHON公司在西門子840d的基礎(chǔ)上開發(fā)的在線仿真模塊ILP(In Line Production)，與該公司的TRIPOD型并聯(lián)機(jī)床匹配使用，可實(shí)現(xiàn)離線或在線仿真［3］。但類似功能在其他數(shù)控系統(tǒng)中并不多見，主要原因在于其他數(shù)控系統(tǒng)并不具備840d那樣良好的開放性。在我國也有一些在自行開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)中加入3維仿真功能的案例［4］，但其功能還較為簡單，通常只能進(jìn)行一些示意性的仿真。

本文作者針對(duì)所設(shè)計(jì)的一種基于3prs并聯(lián)機(jī)構(gòu)的攪拌摩擦焊機(jī)床，在開放式數(shù)控系統(tǒng)PA基礎(chǔ)上，開發(fā)了具有虛擬加工仿真功能的數(shù)控系統(tǒng)。其中仿真過程使用的實(shí)體模型與機(jī)床真實(shí)模型完全一致，而仿真數(shù)據(jù)則來自于數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)數(shù)據(jù)或位置反饋數(shù)據(jù)，因而能夠準(zhǔn)確而同步地反映機(jī)床的實(shí)際運(yùn)行情況。

1 機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)

攪拌摩擦焊機(jī)床采用龍門架＋3PRS并聯(lián)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式 (圖1)。其中3PRS并聯(lián)機(jī)構(gòu) (圖2)由3個(gè)并聯(lián)布置的驅(qū)動(dòng)支路共同控制1個(gè)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，每個(gè)驅(qū)動(dòng)支路又由1個(gè)滑塊和1個(gè)支臂構(gòu)成;滑塊與支臂之間通過回轉(zhuǎn)副連接，支臂與動(dòng)平臺(tái)之間通過萬向節(jié) (或球面副)連接。該機(jī)構(gòu)具有3個(gè)自由度，可以實(shí)現(xiàn)Z軸運(yùn)動(dòng)以及A、B軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，而X軸和Y軸的運(yùn)動(dòng)則由龍門架的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。

圖1 五軸并聯(lián)摩擦焊機(jī)床

圖2 3PRS并聯(lián)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

采用3PRS并聯(lián)機(jī)構(gòu)的原因在于該結(jié)構(gòu)具有較高的承載能力，能夠承受厚板材料攪拌摩擦焊過程所產(chǎn)生的較大工作載荷。從圖2中可以看出，主軸與滑塊及支臂之間的安裝較為緊湊，因而當(dāng)加工過程中主軸擺角較大時(shí)，需要注意各構(gòu)件之間的干涉情況［5］。

2 數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

攪拌摩擦焊并聯(lián)機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)是在PA系統(tǒng)基礎(chǔ)上開發(fā)的，PA系列數(shù)控系統(tǒng)是德國Power Automation公司開發(fā)的一種基于PC的全軟件數(shù)控系統(tǒng)，最大的特點(diǎn)是其全面的開放性。其結(jié)構(gòu)框架如圖3所示，包含HMI、CNC和PLC 3個(gè)相對(duì)獨(dú)立的模塊，互相之間可以通訊，均可進(jìn)行不同程度的開發(fā)，以得到所需要的功能［6］。

PA的HMI采用基于瀏覽器的結(jié)構(gòu)框架，用戶不僅可以使用PA系統(tǒng)提供的可編輯功能插件設(shè)計(jì)其獨(dú)特的人機(jī)交互界面，還可以在HMI中嵌入自定義JAVA插件及ActiveX控件，將使用高級(jí)語言編寫的插件加入人機(jī)界面。

圖3 數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

PA的CNC采用與西門子840d相同的開發(fā)方式，系統(tǒng)為用戶提供了一種可編輯循環(huán) (Compile Cycles)，通過一些開放的入口點(diǎn)以及相關(guān)的綁定函數(shù)，用戶可以參與CNC解釋器以及CNC插補(bǔ)器的工作。

PA的PLC為符合IEC1131-3標(biāo)準(zhǔn)的軟PLC系統(tǒng)，支持用戶使用梯形圖、功能塊圖、指令表、流程圖及結(jié)構(gòu)化文本等多種方式進(jìn)行編程，完成各種復(fù)雜的機(jī)床邏輯控制。

在攪拌摩擦焊機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)過程中對(duì)HMI和CNC兩方面都進(jìn)行了開發(fā):在CNC中利用PA提供的編譯循環(huán)功能 (compile cycle)加入了3PRS機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)算法;在HMI中通過嵌入自定義ActiveX控件的方法，加入了在線仿真功能模塊。

3 在線仿真功能的實(shí)現(xiàn)

3.1 實(shí)體模型數(shù)據(jù)處理

仿真過程所采用的三維模型直接取自機(jī)床零件的SolidWorks實(shí)體模型，為減小仿真時(shí)的計(jì)算量，需要對(duì)零件的形狀進(jìn)行簡化處理，去掉一些對(duì)干涉分析影響不大的局部結(jié)構(gòu)，同時(shí)，對(duì)相互連接并具有相同運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件組合成組件形式，具體包括:床身、龍門架、并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)架、支路1滑塊、支路1支臂、支路1萬向節(jié)、支路2滑塊、支路2支臂、支路2萬向節(jié)、支路3滑塊、支路3支臂、支路3萬向節(jié)、主軸及動(dòng)平臺(tái)、攪拌頭、以及工件等15個(gè)組件。這些組件中攪拌頭和工件組件由于會(huì)經(jīng)常改變，將作為需要單獨(dú)造型的可替換組件，其他組件則為固定結(jié)構(gòu)組件。

三維運(yùn)動(dòng)仿真采用MFC中調(diào)用OpenGL庫的方式進(jìn)行開發(fā)，在MFC中直接讀取SolidWorks的零件文件比較困難，文中采用的是通過3DS MAX軟件進(jìn)行轉(zhuǎn)換的方法。即在SolidWorks中將零件的實(shí)體造型文件存成.wrl格式，導(dǎo)入到3DS MAX中進(jìn)行模型網(wǎng)格的細(xì)化和材質(zhì)的渲染，再保存為3DS文件，即可為MFC程序所讀取。

3DS文件為二進(jìn)制代碼，包含了非常豐富的物理信息數(shù)據(jù)和幾何信息數(shù)據(jù)，如網(wǎng)格信息、材質(zhì)信息、紋理信息、組件名稱等等。這些信息是以塊的方式存儲(chǔ)的，塊的層次結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，每個(gè)子塊下又包含了更多的子塊。在用OpenGL進(jìn)行數(shù)控加工仿真時(shí)，由于重點(diǎn)在于驗(yàn)證構(gòu)件之間干涉情況，因此除了面的節(jié)點(diǎn)信息外，一般只需再用到材質(zhì)信息即可。在MFC中讀取3DS文件時(shí)依次讀取ID號(hào)和塊的長度，對(duì)不需要該塊的信息可以直接跳過 (圖4)［7］。

圖4 3DS文件讀取流程

3.2 機(jī)床數(shù)據(jù)的獲取及各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件位置的計(jì)算

為了實(shí)現(xiàn)機(jī)床運(yùn)動(dòng)的仿真，需要根據(jù)當(dāng)前的數(shù)據(jù)對(duì)機(jī)床模型零件的位姿進(jìn)行重新繪制。在并聯(lián)機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)中，存在虛軸和實(shí)軸兩種運(yùn)動(dòng)軸數(shù)據(jù)，其中虛軸是指模擬傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)機(jī)床定義的運(yùn)動(dòng)軸，即X、Y、Z、A、B等運(yùn)動(dòng)軸，用于描述機(jī)床主軸在笛卡爾坐標(biāo)下的位置和姿態(tài);實(shí)軸是指機(jī)床的實(shí)際驅(qū)動(dòng)軸，即圖2中3PRS機(jī)構(gòu)3個(gè)豎直驅(qū)動(dòng)軸的實(shí)際伸長量，也即滑塊在驅(qū)動(dòng)軸上的位置。根據(jù)虛軸數(shù)據(jù)求解實(shí)軸數(shù)據(jù)稱為運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解，根據(jù)實(shí)軸數(shù)據(jù)求解虛軸數(shù)據(jù)稱為運(yùn)動(dòng)學(xué)正解。PA數(shù)控系統(tǒng)中插補(bǔ)過程是在虛軸下進(jìn)行的，通過嵌入Compile Cycle循環(huán)，在插補(bǔ)過程之后加入3PRS機(jī)構(gòu)的逆解運(yùn)算，將虛軸數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為了實(shí)軸數(shù)據(jù)，從而控制機(jī)床的運(yùn)動(dòng) (圖5)。

圖5 機(jī)床運(yùn)動(dòng)構(gòu)件位置計(jì)算

在HMI中對(duì)CNC中機(jī)床實(shí)軸數(shù)據(jù)的訪問以Client/Server方式進(jìn)行，CNC作為Server，HMI作為Client通過定時(shí)器定時(shí)獲取實(shí)軸數(shù)據(jù)。根據(jù)實(shí)軸數(shù)據(jù)可以直接確定滑塊的位置，而主軸及動(dòng)平臺(tái)的位置和姿態(tài)則需要根據(jù)實(shí)軸數(shù)據(jù)通過正解運(yùn)算得到，由于用解析法求解比較困難，系統(tǒng)中采用牛頓-拉夫森方法，即先對(duì)動(dòng)平臺(tái)位位置取一個(gè)初值 (通常取上一周期中的動(dòng)平臺(tái)位置)，計(jì)算出虛軸 (Z、A、B)和實(shí)軸 (l1、l2、l3)之間的雅克比矩陣，根據(jù)圖6所示過程進(jìn)行反復(fù)迭代直至到達(dá)要求的求解精度。動(dòng)平臺(tái)的位置求出后，3PRS機(jī)構(gòu)的其他活動(dòng)構(gòu)件如支臂、萬向節(jié)等的位置就比較容易確定了，文中將不贅述［8］。

圖6 主軸及動(dòng)平臺(tái)位置的迭代計(jì)算

3.3 控件的開發(fā)過程及仿真圖形的繪制流程

控件的開發(fā)過程如圖7所示，首先需要在MFC中創(chuàng)建項(xiàng)目控件，并添加OpenGL相關(guān)的函數(shù)庫，主要包括:opengl32.lib、glu32.lib以及glaux.lib。

圖7 ActiveX控件的開發(fā)過程

在仿真程序中，在WM_CREATE消息的OnCreate()函數(shù)中需要對(duì)圖形進(jìn)行初始化設(shè)置;。在WM_SIZE消息的OnSize()函數(shù)中對(duì)視點(diǎn)，投影變換方式，以及場(chǎng)景進(jìn)行設(shè)定;在OnDraw()函數(shù)中添加模型繪制的代碼，進(jìn)行圖形繪制，并用glFlush()顯示圖像。繪制完成之后，在接收到WM_DESTROY消息時(shí)刪除RC以釋放Windows系統(tǒng)資源。

仿真圖形的繪制流程如圖8所示，繪制運(yùn)動(dòng)物體時(shí)是通過更改旋轉(zhuǎn)矩陣以及平移向量實(shí)現(xiàn)的，為避免之后繪制的其他圖元也會(huì)產(chǎn)生相同的運(yùn)動(dòng)，OpenGL中設(shè)置了矩陣堆棧，將其他零件的坐標(biāo)矩陣壓入棧中進(jìn)行保存，待變換結(jié)束后再將堆棧中的矩陣彈出，恢復(fù)其他零件的位置。

圖8 仿真圖形的繪制流程

為能更細(xì)致地觀察構(gòu)件之間的干涉情況，界面中還設(shè)置了對(duì)機(jī)床構(gòu)件消隱、放大、平移及旋轉(zhuǎn)等操作功能 (圖9)。

圖9 仿真圖形操作菜單

4 數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)行測(cè)試

所開發(fā)的帶在線仿真功能的HMI界面運(yùn)行情況如圖10所示，由于仿真時(shí)的位置數(shù)據(jù)來自于CNC中驅(qū)動(dòng)軸的數(shù)據(jù)，因而系統(tǒng)即可以進(jìn)行離線仿真也可以實(shí)現(xiàn)加工過程的同步仿真。數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)行測(cè)試表明，所開發(fā)的仿真模塊更夠準(zhǔn)確反映機(jī)床加工過程中各構(gòu)件的實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況，從而可以降低操作過程出現(xiàn)意外的可能性。

圖10 攪拌摩擦焊數(shù)控系統(tǒng)主界面

5 結(jié)束語

利用PA系統(tǒng)所提供的開放環(huán)境，在該系統(tǒng)中開發(fā)了基于機(jī)床部件3維實(shí)體模型的虛擬加工仿真功能，有利于操作者更直觀地了解機(jī)床的實(shí)際動(dòng)作，并避免干涉、碰撞等意外的發(fā)生。

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