基于智能終端的數控加工仿真技術的研究與開發

馮娟

(西安航空職業技術學院 航空制造工程學院， 西安)

0 引言

在我國信息技術不斷發展的過程中，機械制造業也有進一步的發展。創新及完善制造技術是傳統制造業的發展及繼承，能夠提高社會效益。數控加工技術是一種現代化的技術，能夠滿足現代制造業生產過程中集成化、自動化及柔性化的需求[1]。目前，機械制造業中也逐漸使用了數控加工技術，它完善了傳統制造業的管理方式、生產方式和產業結構[2]。隨著數據加工技術的逐漸發展，促進了我國制造業的現代化發展。那么在此背景下，就要全面實現機械加工生產的數控化，能有效地促進我國現代化制造技術的持續發展。

1 數控加工仿真系統的設計結構

數控仿真系統被廣泛應用到企業生產實際中，它能夠對零件設計縮短時間，并對零件設計過程中的準確性、數控程序正確性及工藝流程有效性進行有效檢驗，可以使零件加工質量得到進一步的提高，降低制造成本[3]。系統仿真是系統實驗研究的主要學科，其對系統開發屬于綜合性工程，要經過系統分析、建模、總體架構及程序編寫等步驟，圖1為仿真系統開發的流程。

利用模塊化進行數控加工仿真系統的設計，將系統分解成操作面板、代碼解釋、通訊模塊、三維仿真及數據庫五個模塊，圖2為數控加工仿真技術的功能模型。其中模擬操作面板主要是以實際的操作面板為模擬進行設計，主要包括顯示器和操作鍵盤，其主要目的就是將機床狀態及參數充分的現實出現。其中代碼解釋模塊指的是在三維幾何數控仿真系統中使用刀位數據成為運動驅動代碼的模擬，所以就要創建代碼解釋模塊對代碼進行分析和處理[4]；三維仿真模塊屬于仿真系統的核心部分，其不僅能夠有效模擬工件加工的動態化過程中，還能夠實現加工過程中碰撞及干涉的檢測；通訊模塊的主要目的就是使系統能夠和自動編程器、機床之間實現數據交換，創建實驗室局域網，有效滿足網絡化教學需求[5]；數據庫的主要目的就是由于刀具具有多種種類，使用數據庫管理能夠便于用戶設備及選擇。

圖1 仿真系統開發的流程

圖2 數控加工仿真技術的功能模型

2 數控加工仿真系統的設計

2.1 創建數控機床模型

數控機床仿真要求能夠將數控機床結構特點、重點部分的運行充分地展現出來。為了能夠節約計算資源實現，提高設備在仿真速度，本文就只是對仿真系統模型進行討論，數控機床系統、控制面板不作介紹，圖3為拆分數控機床模型。

圖3 拆分數控機床的模型

OpenGL是能夠實現三維圖形輸入的軟件，這里重點是以矩形為主的床身模型，可以使用OpenGL輔助庫中的函數進行繪制，利用形狀控制點坐標實現各種類型模型的繪制。數控機床幾何模型重點位保證拆分以后的單獨建模部件模型空間位置，本文在實現數控機床部件建模拆分之后，一般都是利用拆分前整體的設備坐標系與原點作為建模原點及坐標系，在實現仿真場景創建的過程中，只要將其中的數控機床部件到場景中調入，并不需要調整其他部件，就能夠重新裝配數控機床[6]。

2.2 用戶界面

本文所設計的數控加工仿真系統用戶界面，其主要目的就是連接手機、平板等智能終端系統并且與用戶相互溝通，此模塊具有對NC代碼進行編輯的作用，界面中具有輸入框及MDI，用戶將數據輸入之后會通過文本的方式到設備中保存，便于今后系統的調用[7]，界面還包括參數設置，用于對仿真系統中的參數進行設置，比如毛坯長度值及半徑，對程序文件及道具起始點進行調用和設置。并且其中還包括顯示參數的界面，其主要是在加工仿真的過程中實現機床數據的顯示，比如刀尖點坐標值，這個時候的轉速與供給速度和仿真時間相同。仿真界面屬于系統主界面，其能夠實現加工過程三維動畫的展現，包括工件從毛坯到零件全過程進行展現，使其能夠和實際情況相互同步。用戶界面實現部分代碼。

2.3 數控加工仿真模塊化

數控加工仿真能夠實現系統模塊化設計，能夠滿足仿真系統擴展需求及模塊的協調性需求。在實現仿真系統設計中，要以功能為基礎劃分模塊之后進行設計，最后實現仿真系統的設計，仿真系統的模塊化結構詳見圖4所示。

圖4 仿真系統模塊化的結構

通過圖4可以看出，仿真系統主要包括幾何建模、人機交互和代碼譯碼機制三部分。設計不同部位模塊和操作，最后組合功能模塊，以此能夠形成完整的仿真系統。其中的人際交互模塊主要目的為實現3D圖形的展現，比如動態加工零件模型及零件毛坯等。

2.4 代碼解釋模塊

數控機床一般都是通過數控信息載體NC加工實現指定零件加工的，在實現數控機床系統仿真過程中，不輸入加工狀態、環境等多方面的因素，而要通過NC程序實現仿真系統的驅動，和生產加工的實際相互接近，從而能夠生成精準性的數控加工仿真結果。但是此種驅動方式目前只是應用到高級仿真系統中，國內大部分三維幾何數控仿真系統都是使用通過刀位數據實現仿真系統模擬運動驅動代碼。并且，在對NC代碼有效分析處理的過程中，使其能夠成為系統最容易被接受到數控仿真系統功能研究內容。

現代國內NC程序大部分都是根據FANUC系統編程格式編寫，完整零件數控加工程序包括多個程序段，其中程序段還包括多個代碼字。表1為NC代碼中常用字符的含義。

表1 NC代碼中常用字符的含義

在實現代碼解釋的過程中，因為數據具有一定的連續性，所以要使用有序性且連續性的數據存儲結構和動態鏈。全面考慮數控系統解釋器中的內部邏輯關系及數控系統運動控制基礎，將編譯層輸入口數據定義成為通過字符串方式的輸入數控代碼，輸出口數據實現具有多種信息量結構的定義。

系統使用字符串方式逐行進行讀取和檢查，根據字體進行分解，最后到數據存儲結構中存儲。INC代碼的解釋流程,如圖5所示。

3 數控加工仿真系統的測試

人機界面屬于用戶體驗中尤為重要的部分，如果人機界面良好，就能夠有效實現輔助工作人員機械操作過程，并且操作簡便，機械的加工較為直觀，而且生產速度較快。人性化設計能夠使機械在使用過程中的時間進行能延長，數控加工仿真中的人性化界面尤為重要，其能夠有效監控操作人員的仿真過程。圖6為開機畫面和系統的默認畫面，用戶能夠通過此畫面進入到其他模塊中實現操作。

圖6 開機畫面和系統的默認畫面

數控加工仿真是一種在虛擬加工環境中實現NC代碼驗證的方式，其不僅要實現數控的智能化終端加工仿真系統，還要全面測試系統的性能。本系統將實際的零件加工為基礎，對可行性進行全面的分析。測試方式為：以最終零件產品結構信息為基礎，在本文所設計的編程界面中實現NC代碼設計，并且實現零件初始的尺寸進行設置，在設置終端毛坯參數的過程中，要繪制毛坯初始的狀態。圖7為實際的車床加工零件。根據零件特點進行編輯，實現零件的加工。通過測試表示，本文所設計的系統可行，并且能夠有效滿足中低端數控系統3D加工仿真需求。

圖7 實際的車床加工零件

4 總結

因為數控加工過程中具有多種復雜的因素，而且仿真系統自身也比較復雜，那么在研究數控加工仿真過程中，就需要做大量的準備工作。本文在實現基于智能終端數控加工仿真系統開發過程中，全面考慮數控機床切削力等因素，所以能夠使系統加工質量預測精度得到進一步的提高。通過本文測試也表示，本文所設計的系統能夠滿足行業使用需求。