一種數控機床遠程仿真的方法

陳閣　邱明勇

摘? 要：目前，在數控機床加工工件時，技術人員希望能夠在辦公室里隨時獲得車間內機床和工件的各種信息，特別是當前工件的切除狀態，從而達到對機床加工狀態的實時獲取。隨著無人化工廠的大量出現，通過遠程查看機床和工件的狀態，變得更加緊要。文章提出了一種數控機床遠程加工仿真的方法，可以通過部署在局域網內的終端設備（手機或者平板電腦），查看機床和工件的加工狀態。

關鍵詞：數控機床;遠程仿真;終端設備

中圖分類號：TP391.9? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）09-0142-03

A Method for Remote Simulation of Numerical Control Machine

CHEN Ge，QIU Mingyong

（Shenji（Shanghai）Intelligent System Development and Design Co.，Ltd.，Shanghai? 200433，China）

Abstract：At present，in the CNC machine tool processing workpiece，technicians hope to be able to get in the office at any time in the workshop machine tool and workpiece information，especially the current workpiece excision state，so as to achieve real-time access to the machine tool processing state. With the emergence of unmanned chemical plants in large numbers，remote viewing of the status of machine tools and workpieces has become more critical. This paper presents a method of remote machining simulation，which can check the machining status of machine tool and workpiece by deploying terminal equipment （mobile phone or tablet PC） in LAN.

Keywords：numerical control machine;remote simulation;terminal equipment

0? 引? 言

在現有技術中，數控機床（Computer Numerical Control Machine Tools，CNC）端已經有工件材料去除實時仿真的功能，可以通過機頭查看工件切除的狀況，然而，遠程查看機床工件切除狀態的功能還不多見，采用在機床內部按照監控攝像機的方法，在機床內部大量冷卻液加工的環境下，也不能看清工件的加工狀況。因此，通過遠程查看機床的加工狀態和工件的加工進度，同步顯示機床端工件的切除狀態，并可以使遠程操作者對仿真頁面進行交互操作，如對工件和刀具進行縮放、旋轉等操作查看細節，隱藏刀具軌跡，只顯示關心的工件細節等功能，變得尤為重要[1]。

1? 功能實現

為了克服上述缺點，筆者結合自身工作經驗，提出了一種遠程查看數控機床工件加工狀態的方法。在遠程終端（例如手機或者平板）可以同步顯示機床的運動狀態和工件的加工進度。操作者可以在手機或者平板上下載相關軟件，通過軟件查看機床和工件的加工情況，并通過觸屏操作進行簡單的觸控，然后對工件進行縮放，移動和旋轉操作可以查看工件不同視角的加工情況，而且能夠觀察到工件的加工細節，可以通過顯示/隱藏功能，只顯示用戶關心的內容，如刀具軌跡和工件，同時，該系統可以設置工具的類型和尺寸等參數。本文也提供了一種從CNC端到終端設備完整方案，能夠實現遠程查看，實現過程包括CNC端和終端（手機或者平板設備）[2]。

1.1? CNC端實現的功能

CNC端生成理論軌跡和實際軌跡，理論軌跡是指根據NC代碼解析出的刀具軌跡，包括CNC前端的部分，實際軌跡為通過采樣獲取的刀具已經走過的軌跡;理論軌跡是通過CNC端的譯碼模塊，獲取的刀具類型和機床坐標系的目標值（目標值就是執行到某一行NC代碼時，NC代碼編程時的值）等數據。

CNC端將對從譯碼模塊獲得的數據（理論軌跡和實際軌跡）進行整合，生成理論軌跡;實際軌跡是通過對實時的CNC、刀具位置坐標、刀具參數（包括刀具類型、刀沿方向、刀具長度、刀具半徑）數據進行采樣，并結合理論軌跡生成工件切除需要的實際軌跡（只進行采樣會丟失關鍵刀具點）[3]。

工件切除仿真的邏輯部分，即實現工件模型數據的改變，對工件模型進行布爾減操作，當刀具移動時，形成刀具的掃掠體，工件的布爾減是指工件模型去掉與刀具掃掠體相交的部分，當有顯示終端訪問時，CNC端將理論軌跡、實際軌跡以及實時能夠生成工件三維結構需要的數據打包發送到顯示終端，當CNC端與顯示終端的連接建立后，只發送理論軌跡和實際軌跡改變的部分（在上一次發送到終端后新增加的部分），以節約網絡資源[4]。

1.2? 顯示終端實現功能

顯示終端和CNC端建立連接，從CNC端獲取刀具參數、工件參數、理論軌跡數據、實際軌跡數據，然后在顯示終端本地保存理論軌跡數據、實際軌跡數據，并且渲染理論軌跡和實際軌跡，對刀具參數進行解析，渲染刀具，解析工件參數，對工件進行渲染，處理用戶的交互操作，主要處理用戶的觸控操作，獲取用戶的觸控類型，如單指雙指滑動等，將觸控數據進行轉換，實現顯示場景的平移、旋轉和縮放。用戶可以對終端顯示的場景進行平移、旋轉和縮放操作，方便用戶查看關心的細節、設置工件屬性等。本領域的技術人員可以通過遠程的顯示終端上查看經過仿真的機床的加工狀態和工件的加工進度[5]。

工件切除邏輯部分，可以放在CNC端，也可以放在顯示終端上，同時，也可以搭建一臺獨立的服務器，將切除邏輯部分放到服務器上，原因是工件切除邏輯部分需要更多的資源，通過將算法放在不同的位置，可以平衡資源，當將運算放到CNC端時，CNC端需要發送工件的實時數據，放到非CNC端時，CNC端不需要發送工件實時數據，但是需要發送工件切除邏輯需要的所有數據，包括歷史數據，即加工開始到當前需要的所有數據。

關于數據格式，CNC端可以發送實時生成的軌跡數據，也可以先將NC代碼進行預譯碼，生成軌跡和工件切除邏輯需要的數據格式，然后將該數據發送到顯示終端或者中間的服務器，中間數據包含與機床相關的刀具數據、每一段的編號，便于同步CNC端與現實終端或者服務器，采用這種方法的好處是在CNC執行過程中，只需要很少的數據通信，就可以實現CNC端、顯示終端或者服務器的同步;缺點是需要進行預譯碼，生成中間文件，在連接建立時，需要同步中間文件，適合CNC端加工同一個程序的情況。

2? 技術效果

本文能夠實現遠程查看仿真加工的效果，CNC端將顯示終端需要的數據，包括理論軌跡、實際軌跡、刀具類型、工件模型，傳給終端，CNC端和網絡只需要少量的資源。用戶可以對終端渲染的場景進行平移、旋轉和縮放操作，方便用戶查看關心的細節、設置工件屬性等，同步或者提前幾秒查看工件的加工狀態和機床軸的運動狀態、顯示效果流暢、美觀。

3? 實施過程

整體操作流程如圖1所示，左側為CNC端處理流程，右側為終端處理流程。

CNC端負責對軌跡點進行處理，包括軌跡點的擬合、去除無效點，并對軌跡點（包括理論軌跡和實際軌跡）進行打包發送，同時，對工件進行切除運算和CNC端的界面顯示。在終端和機床端建立連接時，會同步刀具和工件數據，就是將CNC中的刀偏表、軌跡和當前工件的狀態同步到終端設備，讓終端打開APP時，顯示內容和CNC端的顯示內容相同。之后，終端設備會接收到CNC端發來的新增軌跡點數據，然后終端設備會根據新增的軌跡點接收的實時工件數據，更新顯示界面。由于每次只處理新增軌跡點，減少了帶寬占用，提高了效率。

4? 實施效果

當用戶要查看機床的加工狀態時，可以打開顯示終端的應用，通過掃描機床上的二維碼或者輸入機床的IP地址，顯示終端確認后與機床建立連接。連接建立后，顯示終端會向連接的CNC端發送數據請求，CNC端收到請求后，會將保存的所有與圖形模擬相關的數據打包發送給顯示終端，終端顯示效果如圖2所示。

顯示終端獲取數據后，對數據進行顯示和渲染，可以通過查看視圖左下角的顯示頁面，此時，顯示終端頁面顯示機床的刀具軌跡和工件切除狀態，顯示終端的顯示與機床刀具的運動同步;點擊圖形模擬按鈕，可以切換到全屏顯示圖形模擬，用戶可以通過單指滑動對渲染的場景進行旋轉，雙指滑動實現渲染場景的平移，雙指實現場景的縮放操作，三指點擊實現繪圖重置，即恢復到初始視角，點擊工件設置按鈕，實現工件大小的設置，設置后，會向CNC端發送請求，CNC端會在下次程序開始時，按照新的工件設置進行工件切除運算。還可以通過刀具、軌跡、工件的顯示/隱藏按鈕，進行顯示/隱藏操作，只顯示用戶感興趣的部分，點擊清除軌跡按鈕，會清除顯示終端和CNC端的歷史數據。

CNC端與顯示終端的連接建立后，每隔100 ms，CNC端都會將100 ms內增加的數據，包括軌跡、刀具、工件數據發送給顯示終端，顯示終端對新的數據進行顯示和渲染。

5? 結? 論

通過使用iPad連接公司內網并運行APP，然后開啟車間的機床，車間機床也接入了公司內網，通過測試，將iPad上顯示的工件切除狀態和機床機頭上的顯示進行對比，延遲基本都在1 s以內，可以顯示效果流程，達到了預期的要求。另外，本文只實現了局域網內的遠程仿真，將來該功能可以跨越網絡，在公網上實現。

參考文獻：

[1] 陳閣.一種工件材料去除仿真的方法 [J].無線互聯科技，2014（10）：115-116.

[2] 王廣官.基于虛擬現實技術的數控車床仿真系統的研究與開發 [D].杭州：浙江大學，2016.

[3] 辛全琦.數控加工通用幾何仿真關鍵技術的研究 [D].天津：天津大學，2018.

[4] 羅亞波，陳定方，肖田元.遠程數控仿真的一種編程實現方法 [J].武漢理工大學學報（交通科學與工程版），2004（1）：62-65.

[5] GINSBURG D，PURNOMO B，等.OpenGL ES 3.0編程指南：第2版 [M].姚軍，等譯.北京：機械工業出版社，2015.

作者簡介：陳閣（1981—），男，漢族，河北邯鄲人，工程師，碩士，研究方向：圖形圖像處理。