开放式数控系统中远程加工形状设计与加工过程仿真研究*

魏胜利，彭云峰

(安阳工学院 计算机科学与信息工程学院，河南 安阳 455000)

0 引言

在进行数控加工之前，通常需要对加工程序进行验证。验证通常采用直接的“试切法”［1-2］。这种“试切法”既耗时又浪费材料，容易出现问题且有时效果不佳［1-3］。计算机仿真技术的发展为解决这个问题提供了一种有效的途径。采用仿真方法，能用一种近似真实的方法，直观的检查数控加工程序，监视加工过程，校验其加工代码的正确性。而且还可以防止出现刀具与工件、夹具、机床之间的干涉与碰撞，并且还可以大大节省NC 程序调试时间，减少昂贵的试切费用，从而缩短产品的试制周期、降低成本、提高数控加工效率、保证数控机床的安全性［3］。

人们采用多种方法对数控加工过程进行仿真。文献［1］采用三维图形消隐的方法实现仿真。文献［2-5］采用了三维图形绘制技术OpenGL 配合VC++实现仿真。文献［6-7］采用专门的数控仿真软件VERICUT实现仿真。文献［8］采用了LabWindows 下的dSpace技术实现仿真。文献［9］采用MATLAB 实现仿真。人们采用仿真的目的也不相同，文献［8-10］为了测试加工的过程是否正确而进行仿真。文献［11］为了验证刀具干涉而进行仿真。文献［12］为了验证加工工艺而进行仿真。

上述研究对数控系统加工过程的仿真都是基于本地进行的。本文提出了一种基于开放式数控系统的加工形状远程设计和加工过程远程仿真。远程设计与仿真通过以太网来实现，甚至可以扩展到因特网。现在是一个资源全球共享的时代，集成制造、自适应制造风起云涌。这些都对数控系统的发展提出了新的要求。数控系统网络化发展成为一个趋势。数控系统逐渐成为一个功能更加强大的加工中心，也更加的智能，同时它也成为全球某个网络中的一个节点。数控系统的网络化为数控制造共享全球资源、实现设计制造一体化及快速制造提供了可能。远程加工形状设计以及远程加工仿真监控成为数控系统网络化发展的一个重要发展方向。

本课题对该开放式数控系统中的加工形状远程设计和加工过程远程仿真进行了研究。系统的工作过程是，在PC 机上设计要加工的曲面的形状，将设计好的曲面的参数通过网络传递给一个微处理器，由微处理器根据这些参数进行自由曲面插补运算，计算出相应的加工坐标数据，同时将这些坐标数据及其它信息通过以太网传递给PC 机。PC 机在接收到相关数据后，对这些数据进行保存或者显示，并实时的绘制加工的形状，实现对加工过程实时重现或者仿真。同时，PC机可以根据收到的数据判断设计是否存在缺陷，能否满足设计要求;判断加工过程是否存在问题，进行故障诊断;还可以根据设计曲面的信息及刀具现在的位置和角度判断是否存在刀具干涉的可能。

实现远程设计和加工过程仿真具有重要意义。在制造业中，传统的制造已经趋于次要地位，而工业设计则成为首要的任务，是一个制造企业的重中之重。任何的设计不能一蹴而就，需要多次的尝试和修改。在传统方法下，设计人员需要将设计形状传给操作人员，操作人员进行试加工，发现问题反馈给设计人员，设计人员进行修改。需要往返多次才可能最终完成设计。这不但需要设计人员和操作人员都具有相当的专业知识，他们之间还需要有良好的沟通。而经常情况下，沟通过程中通常会出现问题。多次的来往反复也使设计过程漫长。在此过程中也可能泄漏设计秘密。而远程设计和仿真则只需设计人员一个人在异地就可以实现加工形状的设计和试加工，从而发现问题，便于快速修改设计，避免上述所说的问题。

1 体系结构

本文的作者曾在文献［13］中提出了一种开放式并行的数控系统。本文在此体系结构的基础上引入以太网技术，研究了数控系统加工图形远程设计及加工过程远程仿真。整个体系结构如图1 所示。PC 机实现远程加工形状设计和远程加工过程仿真。在PC 机上进行工件加工形状的设计，设计完毕后将设计好的参数通过以太网传输给微处理器。微处理器采用ARM+DSP 双核芯片。微处理器的网络通信采用三星公司的以太网控制芯片W5100 来实现(图中未画出)。ARM 实现任务管理、数据通信以及与DSP 的数据交换;DSP 用来进行数控插补运算，计算出刀具运行的位置、速度、加速度等信息。ARM 通过W5100 接收到PC机传输过来的设计参数，然后以数据共享的方式通过双口RAM 传送到DSP，使之以这些参数进行插补运算，计算出刀位数据，即加工的坐标。同时将这些坐标值通过网络传递给PC 机，PC 机根据这些信息仿真或者重现加工的过程，即根据传递过来的坐标绘制加工的图形。这样，在PC 机上就可以看到数控系统加工的模拟过程，并将加工的数据和设计的曲面进行比较，检测是否出现设计缺陷和加工错误。

图1 数控系统体系结构

2 加工形状设计与加工过程仿真

2.1 加工形状设计

加工形状设计采用VC++调用MATLAB 的方法实现。用VC++开发的设计界面如图2 所示。目前加工的形状只支持自由曲线、自由曲面以及常规的直线圆弧等形状。自由曲线和曲面采用NURBS(Non-Uniform Rational B-Spline，非均匀有理B 样条)方法描述。可以通过输入控制点、权因子、节点向量以及次数来设计曲线或者曲面的形状。也可以通过载入这些信息来进行设计。如果形状不合适，可以调整这些参数值来调整曲线曲面的形状，调整参数后曲线曲面的形状随之改变，及时显示调整后的效果。设计完毕后，保存这些设计好的参数，用来将其传输到远程的微处理器进行插补运算。一个设计好的曲面形状如图3 所示。

图2 设计界面

图3 设计好的曲面

在设计的系统中，还可以通过型值点来反求控制点(反求工程)，继而进行加工形状的调整和设计。该功能目前没有集成到加工形状设计软件中。加工设计方面进一步研究的目标是:支持更多形状的设计;采用OpenGL 技术进行三维形状设计;将设计软件和仿真软件集成在一起。

2.2 加工过程仿真

将设计好的参数通过网络传输到微处理器进行插补运算，继而接收插补数据进行仿真显示。仿真软件界面如图4 所示。使用该软件，首先可以设置通信双方的IP 地址，使双方建立链接。然后可以输入或者加载向微处理器发送的加工形状的参数。最后可以点击“触发”让微处理器进行插补运算。同时将接收过来的插补运算求出的加工数据(坐标值)在下面的列表框显示出来。这些加工数据可以保存在数据库里面，用作数据挖掘、分析，比如分析加工数据进行故障诊断，分析是否存在刀具干涉等。在接收数据的同时，系统会触发另一个进程，用于对加工刀具的行程进行仿真。该进程使用OpenGL 技术以三维图形的形式显示刀具以及刀具走过的路径。与此同时，场景可以旋转，可以从不同的角度对刀具行走的情况进行展示。仿真效果如图5 所示。

仿真软件进一步研究的目标是:扩展接口的功能，能够接收其它CAD 软件设计的参数;仿真图形更接近实物，能够显示原物和被切削后的效果。

图4 仿真软件界面

图5 仿真效果

3 涉及的技术与算法

3.1 重构技术

开放式数控系统的特点是开放性和可扩展性。因此它的结构必须是可重构的，而不是像传统数控系统那样是封闭的、专用的。开放式数控系统的硬件结构和软件都是可重构的。

(1)硬件重构

数控系统的硬件可重构意味着各部件、模块必须是根据需要可扩展的、可替换的，各部件、模块之间的接口必须是兼容的。这就要求开放式数控系统尽可能的采用通用芯片或者部件，要采用通用的总线、接口或者技术标准，避免专用的标准或者规范。要尽可能多的支持国际上通行的接口、总线规范。

在我们设计的开放式数控系统结构中，芯片采用了通用的ARM、DSP 处理芯片，采用了通用的设计方法，具有CAN、USB、以太网等丰富的接口，使用了国际上广泛使用的接口总线标准。因此系统具有很好的可扩展性和兼容性。在必要时，可以更换或者增加处理或者控制芯片，实现更多的功能。通用的设计方法和可重构的软件设计为硬件的可重构提供了保证。

(2)软件重构

开放式数控系统的软件也须是可重构的。软件必须模块化、组件化，可以根据需要调用，甚至可以进行安装、卸载、烧写、擦除。设计的软件要具有较强的通用性，尽可能多的兼顾多种接口。必要时可以设计转换组件，实现数据格式或者协议的转换。

在我们设计的系统中，遵循了软件设计模块化的思想。比如在插补软件中，设计有曲面插补、自由曲线插补、传统插补等多种插补软件。以后还可以继续丰富这些插补软件。在进行加工时可以根据需要调用相关的插补功能。如有特别的需要还可以对这些功能进行裁剪。在论文的第二部分，显示了曲面插补的功能。在软件部分，涉及的内容更多。比如已有的CAD 软件可能不能直接用于本系统的工件形状设计，需要将数据类型进行转换。针对这样的情况，可以开发相关的转换组件来实现。

3.2 直接插补算法

一般的插补方法包括直线和圆弧插补，更为复杂一点的包括B 样条曲线段插补。对于复杂的曲线则用这些插补方法去逼近。这种方法虽然比较成熟，但插补精度和速度都受限制，每段都可能需要加减速控制，数据传输量大。直接插补算法，是在一系列插补周期中沿插补曲线求出曲线上的一系列型值点，然后用连接这些型值点的短直线去逼近插补曲线的插补方法。该方法能显著提高插补精度和速度;能有效避免频繁的加减速控制;更重要的是能用很少的参数定义曲线曲面的形状，数据传输量少，特别适合远距离传输，也能减少传输过程中出错的情况。因此，对于具有远程设计功能的数控系统，直接插补算法具有较大的优势。在系统的设计中基本采用直接插补算法的精神，尽可能的减少要传输的设计参数。在第二部分所示的仿真中，设计一个9 ×9 的非均匀有理B 样条自由曲面需要的参数为350 个左右。而在传统的插补方法下，根据插补的精度要求不同，可能有成千上万的数据需要传输。这就大大减少了传输的数据量，减轻了数据校验的压力，减少了传输出错的可能。

3.3 并行计算和多线程

系统中存在多种类型的并行计算。比如一种是PC 机和微处理器两个处理器之间并行的计算，它们各承担自己的计算任务，通过网络进行通信。另一种是PC 机上的动态仿真软件中使用多线程来实现程序的并行。一个线程负责从网络接口接收数据，另外一个线程负责刀具的动态绘制。它们之间通过一个公用的数据缓冲器通信，并采用信号量进行同步。另外还有一个线程负责和用户的交互。

采用并行计算和多线程技术可以充分利用分布在不同地方的计算资源，丰富数控系统的功能，方便加工工件形状的设计修改，甚至可以实现设计、修改的同步进行。这就为企业加快设计以及设计向产品的转化提供了条件，使企业能够快速响应多变的市场需求，在竞争中处于有利地位。在研究中，准备将来将系统和其它计算机辅助设计软件、如CAD 等三维设计软件结合起来，直接利用它们的设计结果，这将大大缩短设计的时间。

4 结论

本文提出了一种基于开放式数控系统的加工形状远程设计和加工过程仿真方法。该方法能够通过以太网实现远程的加工形状设计以及远程加工过程动态仿真。远程设计便于迅速的利用更广范围内的各种资源。远程仿真能够实现远距离的再现加工过程，实现远程监控。同时能够进行远程故障诊断和刀具干涉判断，能够共享智能资源。允许在加工前，对整个加工过程进行仿真和模拟，以发现设计的不足、加工参数设置的合适与否、是否存在加工刀具干涉、是否存在加工缺陷等;能实现设计与修改的同步进行，加快设计进度;允许远程监控整个加工过程，及时发现加工存在的问题;允许保存和根据需要重新重现加工的过程，对加工过程进行分析，发现有价值的线索等。在研究中需要进一步改进的地方有:将设计软件和仿真软件集成在一起，能够和其它设计软件共享资源;设计功能更加完善;仿真软件功能更加真实。

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