模擬機(jī)訓(xùn)練系統(tǒng)操作模塊研究
2016-8-2 來源：天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 作者：岳剛
4.1 模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的需求分析
數(shù)控編程技術(shù)類課程是大中專院校數(shù)控機(jī)械專業(yè)必修的一類專業(yè)課[57]。它作為一項(xiàng)側(cè)重動手能力培養(yǎng)的課程，在實(shí)際授課中必須穿插一定的試驗(yàn)實(shí)訓(xùn)課程來使學(xué)生充分理解和掌握課程的精髓。數(shù)控程序的編寫和現(xiàn)場機(jī)床實(shí)踐是授課的一個必需環(huán)節(jié)[58]。但是由于資金不足、場地匱乏等限制條件，當(dāng)前大中專院校機(jī)床配備明顯不足，甚至?xí)霈F(xiàn)同一專業(yè)學(xué)生不能在同一學(xué)期進(jìn)行數(shù)控實(shí)訓(xùn)的現(xiàn)象，這就違背了理論結(jié)合實(shí)踐的初衷[59]，無法使理論與實(shí)踐相互印證。因此，面對五軸數(shù)控機(jī)床配備不足的實(shí)情展開了模擬訓(xùn)練系統(tǒng)研究。
該系統(tǒng)主要用于教學(xué)及培訓(xùn)，專門為職業(yè)院校以及工科大學(xué)數(shù)控類課程實(shí)踐打造，以解決大規(guī)模數(shù)控實(shí)訓(xùn)與培養(yǎng)學(xué)生動手操作能力的難題，同時也解決了機(jī)床數(shù)量與學(xué)生數(shù)量不匹配的供需矛盾[60]。使用模擬訓(xùn)練系統(tǒng)能夠讓加工制造類企業(yè)方便的實(shí)現(xiàn)加工代碼的編寫和檢驗(yàn)，為真實(shí)機(jī)床的使用節(jié)省了時間，提高了生產(chǎn)效率[61]。此模擬訓(xùn)練系統(tǒng)以西門子840D 為藍(lán)本，所研發(fā)的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)需要擁有此機(jī)床的主要功能，模擬訓(xùn)練系統(tǒng)需要滿足以下幾點(diǎn)要求：
（l）該機(jī)床的一比一立體模型可以在模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)與實(shí)體機(jī)床相同的各種運(yùn)動及切削效果。
（2）支持實(shí)時的手動輸入加工代碼、能夠支持各種 CAD/CAM 軟件編寫而生成的加工代碼。
（3）擁有反饋能力：可以針對刀具、零件、床身的相互碰撞做出變色發(fā)聲等警告和反饋；具有欠切、過切反饋功能；能給虛擬機(jī)床各軸設(shè)置行程限制，超出時發(fā)出警告；有一定的加工代碼差錯功能等。
（4）可以完成五軸數(shù)控機(jī)床各種加工輔助的模擬，比如三色光狀態(tài)顯示燈，切屑，切削聲音等，令模擬器更加接近真實(shí)機(jī)床。
（5）通過立體模型運(yùn)動模擬工件切削過程，并且能夠?qū)αⅢw模型進(jìn)行局部放大或縮小、調(diào)整視角等操作。
（6）擁有人性化的后臺及前臺人機(jī)交互頁面，使操作者體驗(yàn)到與真實(shí)機(jī)床相同的感受。具有一定的幫助信息，具有五軸數(shù)控機(jī)床二次開發(fā)功能及實(shí)訓(xùn)功能。
4.2 仿真系統(tǒng)的功能模型
由上一節(jié)模擬器系統(tǒng)總體需求分析可以推出模擬機(jī)訓(xùn)練系統(tǒng)必須擁有以下功能：
1.模擬切削場景功能
對于模擬機(jī)訓(xùn)練系統(tǒng)立體仿真的要求，此系統(tǒng)需要支持立體模型導(dǎo)入，用專業(yè)繪圖軟
件來進(jìn)行模型的構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)完善系統(tǒng)模擬性能，模擬場景有：
1）機(jī)床結(jié)構(gòu)模型的組建以及模擬背景組建
2）毛坯的外形尺寸、夾具的外形尺寸定義。
3）加工用刀具的構(gòu)建。允許使用已構(gòu)建的刀具庫內(nèi)的刀具信息來進(jìn)行重定義，也允許直接指定刀具各部分外形和大小來構(gòu)建新的刀具。
2.模擬切削動作的功能
需要擁有下列功能：
1）五軸數(shù)控機(jī)床模擬訓(xùn)練機(jī)系統(tǒng)和西門子 840D 實(shí)體數(shù)控系統(tǒng)，在加工代碼、零偏設(shè)定等方面保持一致。可以識別標(biāo)準(zhǔn) G 代碼加工程序。
2）模擬功能。可以模擬五軸數(shù)控機(jī)床各軸、刀庫、絲杠等組件的移動過程，動態(tài)化的再現(xiàn)五軸數(shù)控機(jī)床切削時刀具相對毛坯移動以及切屑掉落過程；可以利用色彩的改變，以及聲音表示刀具與毛坯、刀具與機(jī)床的碰撞等事件。
3）可以動態(tài)模擬五軸數(shù)控機(jī)床自動換刀的過程，并且能通過手輪完成加工偏置的測量與輸入。
4）可以針對五軸數(shù)控機(jī)床的多種附加功能做出模擬，例如三色光指示燈隨加工狀態(tài)的變化。
3.檢驗(yàn)分析的功能
加工質(zhì)量檢驗(yàn)功能。能夠?qū)⑶邢鬟^程中或切削完成后的零件三維模型導(dǎo)出，然后測量零件尺寸以及觀察零件形狀是否符合預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)。同時，具備一種對照功能，即比較加工后零件與預(yù)期零件之間的差別，根據(jù)有無差別以及差別大小，推算出工件加工過程中是否發(fā)生過切或欠切過程。
4.完全模擬機(jī)床界面
依據(jù)西門子 840D 機(jī)床界面構(gòu)建軟件前臺界面，擁有當(dāng)前坐標(biāo)顯示、加工偏置設(shè)定等輔助界面，并且完全開放可二次開發(fā)，能夠依據(jù)自身需求進(jìn)行定制。
4.3.1 仿真系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境的選擇
五軸數(shù)控模擬訓(xùn)練機(jī)系統(tǒng)是一臺具有鍵盤面板手輪等硬件以及機(jī)床三維模型的教學(xué)儀器[62]。伴隨著電子計(jì)算機(jī)顯卡 CPU 等圖像和數(shù)據(jù)處理硬件的飛速進(jìn)步，以及三維建模仿真算法和軟件快速發(fā)展，虛擬加工技術(shù)越來越完美的呈現(xiàn)出機(jī)床的實(shí)際加工運(yùn)動狀態(tài)，這給五軸數(shù)控模擬訓(xùn)練機(jī)系統(tǒng)的搭建提供了不同種類的研發(fā)環(huán)境和技術(shù)手段。通過大量閱讀文獻(xiàn)，以及網(wǎng)絡(luò)調(diào)研，綜合考慮研發(fā)目的以及應(yīng)用環(huán)境，能夠使用的技術(shù)方案如下：
a：基于VC++以及三維繪圖軟件研發(fā)；
b：基于VRML 技術(shù)的研發(fā)；
c：基于 C#和 Open GL 的二次開發(fā)。
雖然已經(jīng)有許多技術(shù)人員基于 Open GL 做了機(jī)床模擬器的研發(fā)與運(yùn)用領(lǐng)域的探索[63][64]。北航李軍峰運(yùn)用 Open GL 對數(shù)控機(jī)床進(jìn)行了加工模擬仿真研究[63]，不過他討論的內(nèi)容只是機(jī)床仿真系統(tǒng)的構(gòu)建以及模擬工件切削過程，對添加硬件的完全型模擬數(shù)控技術(shù)研究以及專門為實(shí)訓(xùn)課程所開發(fā)的教學(xué)功能性數(shù)控系統(tǒng)研究較為淺顯。缺乏適合于特殊用戶的數(shù)控模擬教學(xué)及虛擬仿真系統(tǒng)，功能的深度開發(fā)與探索較為淺顯[65]。
本課題是在目前較為先進(jìn)的數(shù)控機(jī)床基礎(chǔ)上進(jìn)行虛擬仿真器的構(gòu)建以及模擬系統(tǒng)的開發(fā)。使用對象是廣大學(xué)生以及培訓(xùn)工作人員，在 Open GL 上進(jìn)行二次開發(fā)可以減少開發(fā)周期以及開發(fā)成本[66]，同時基于 Open GL 的技術(shù)成熟度，數(shù)控仿真器的開發(fā)更加方便快捷。通過對比所提出各個方案的多種優(yōu)點(diǎn)以及缺點(diǎn)，同時聯(lián)合本論文的實(shí)際研究對象和研究方法，選擇 Open GL 與 C#進(jìn)行聯(lián)合開發(fā)方案，作為五軸數(shù)控機(jī)床的模擬器控制系統(tǒng)的開發(fā)平臺。
4.3.2 Open GL 概述
一般來說，數(shù)控加工模擬軟件其最主要的部分就是仿真過程的顯示，仿真模擬的外放過程決定了編制軟件的水平層次，具備優(yōu)秀的圖像顯示以及完備的人機(jī)交互功能是一個虛擬仿真軟件必不可少的功能[67]。采用完備的圖形技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)作為模擬軟件圖形顯示的主要技術(shù)支持非常有必要。基于圖形標(biāo)準(zhǔn)在圖像顯示的重要作用，計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展帶動了圖像顯示領(lǐng)域的發(fā)展[68]，目前，主要的圖形顯示標(biāo)準(zhǔn)有 Core、Hoop S、Open GL 等。在市場競爭與產(chǎn)品的更新?lián)Q代下，Open GL 脫穎而出稱為了目前國內(nèi)外 3D 圖形顯示領(lǐng)域的基本標(biāo)準(zhǔn)，具有重要的領(lǐng)域地位。基于 Unix 平臺的 PC 機(jī)下的 Open GL 已經(jīng)得到了比較成熟的使用。以下是對 Open GL 圖形庫基本內(nèi)容的簡單介紹[69]。
Open GL 全稱為開放式圖想編輯庫（Open Garphics Library），計(jì)算機(jī)的發(fā)展以及人們對圖形見面觀賞效果的質(zhì)量要求，推動了計(jì)算機(jī)圖形庫軟件的發(fā)展，Open Garphics Library就是在這樣一個環(huán)境下所誕生的產(chǎn)品[70]。該軟件由上百個過程程序與函數(shù)共同構(gòu)成，采用圖形編輯庫內(nèi)部的圖形編輯函數(shù)函數(shù)，使用人員可以構(gòu)建出質(zhì)量優(yōu)越的三維模型，不需要操作人員具有專業(yè)的數(shù)學(xué)圖像處理知識，只需要采用特定的方式，構(gòu)建好自己所需要的圖形編輯軟件[71]。在 Open GL 編輯環(huán)境下，使用者能夠采用較少的步驟構(gòu)建具有較高質(zhì)量的三維圖像，在動畫的制作上，Open GL 使用起來也能得心應(yīng)手。Open GL的原型是 SGI 公司為了將客戶從傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)編程軟件與硬件系統(tǒng)中解脫出來而開發(fā)的一款圖形開發(fā)環(huán)境，主要是為圖形工作站服務(wù)，它具有獨(dú)立于窗口操作與計(jì)算機(jī)硬件環(huán)境等特點(diǎn)，進(jìn)行圖形編輯時不用花較多的時間去理解系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)和控制指令，采用固定格式進(jìn)行應(yīng)用程序的編制就可以在支持 Open GL 系統(tǒng)的平臺進(jìn)行軟件的執(zhí)行[73]。
a）Open GL 的主要特點(diǎn)
（1）工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：Open GL 的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)由專門研究 Open GL 構(gòu)架的審查委員會進(jìn)行技術(shù)指導(dǎo)，在審查委員會的監(jiān)督下，Open GL 做到了行業(yè)開放、無商業(yè)利益牽連，兼容性優(yōu)良的圖形標(biāo)準(zhǔn)。
（2）穩(wěn)定性：Open GL 經(jīng)過 10 多年各種平臺的實(shí)際應(yīng)用效果檢驗(yàn)，器不斷的優(yōu)化與根性使其具備了良好的控制特性與編寫規(guī)范，其軟件具備向后兼容性，對于軟件和硬件的跟新十分方便。
（3）可擴(kuò)展性：Open GL 中具有一種自動擴(kuò)展的軟件接口，即 API。采用該擴(kuò)展程序，可以對圖形編輯軟件進(jìn)行額外功能的擴(kuò)展；
（4）簡單易用性：基于 Open GL 的優(yōu)越控制結(jié)構(gòu)，簡單的設(shè)計(jì)以及完整的邏輯控制程序，使得用戶在該圖形編制界面下，可以采用較少的程序代碼就可以得到完整的程序，同時 Open GL 內(nèi)部刻錄了系統(tǒng)硬件的相關(guān)信息，程序開發(fā)人員在進(jìn)行程序編制時不用對硬件進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)[73]。
b）OPen GL 提供的基本功能
（l）二維和三維造型：由于現(xiàn)實(shí)中的各種實(shí)際物體均能采用點(diǎn)、線、面進(jìn)行三維描述，Open GL 具有完整的圖形編輯命令，對實(shí)際物體的模擬繪制十分簡單方便。
（2）圖形變換：由于復(fù)雜的圖形可以通過基本單元經(jīng)過不同的變換進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，Open GL中具備系列基本變換，因此可以對基本圖形單元進(jìn)行合理的控制變化，產(chǎn)生所需要的圖形。
（3）光照處理：為使所繪制的圖形具有較為真實(shí)的視感，需要對三維圖形進(jìn)行光照處理和渲染。
（4）著色：Open GL 內(nèi)部具有多種模型的著色方式，其一是 RGB 顏色編輯模式，另一種是顏色索引模式。
（5）反走樣：Open GL 中主要采用位圖模式進(jìn)行圖形的編制，而位圖模式在繪圖時會產(chǎn)生邊界鋸齒，該鋸齒稱為圖形走樣，為了降低和弱化這種圖像邊界鋸齒，Open GL 內(nèi)部具有多個點(diǎn)、線、面以及多邊形的反走樣函數(shù)程序，可以有效的對圖像邊界鋸齒進(jìn)行弱化和消除，達(dá)到清晰顯示的目的。
（6）融合：在 Open GL 中，為了使三維模型具有較高的實(shí)物視覺體驗(yàn)，對三維模型進(jìn)行半透明或者透明處理是主要技術(shù)手段，而該手段實(shí)現(xiàn)需要采用圖像融合技術(shù)進(jìn)行模擬。
（7）霧化：霧化效果在圖形編輯中具有較高的使用頻率，由于霧化可以模擬真實(shí)環(huán)境中霧的存在，在模型的構(gòu)建時具有一定的使用意義，而 Open GL 軟件包中的“fog”就可以對模型圖形進(jìn)行系統(tǒng)霧化效果實(shí)現(xiàn)。
（8）紋理映射：計(jì)算機(jī)圖形圖像顯示學(xué)中，所有具有顏色、值、光亮度等數(shù)據(jù)三維物體所構(gòu)成的矩形數(shù)組被稱為模型的紋理。三維模型的紋理映射就是把該物體所具有的紋理數(shù)組在模型表面進(jìn)行投影，從而使該模型具有更加直觀的表達(dá)效果。
（9）動畫效果：在 Open GL 中，動畫的實(shí)現(xiàn)是該軟件包的主要特點(diǎn)之一，Open GL 通過設(shè)置 RI 圖形緩沖區(qū)區(qū)來實(shí)現(xiàn)動畫的演示是目前主流的實(shí)現(xiàn)形式[74]。為了在虛擬軟件中得到運(yùn)動平滑的界面動畫，模型的動態(tài)過程必須在被投影到屏幕前在系統(tǒng)內(nèi)存中建立相應(yīng)的界面幀，才能保證動畫播放的流暢度。而 Open GL 通過運(yùn)用雙通道緩沖方式，在系統(tǒng)內(nèi)存中了構(gòu)建多個基本場景界面幀，屏幕對動畫進(jìn)行幀的播放時，后臺內(nèi)存中存儲著下一界面的多個幀，該方式對運(yùn)動動畫的顯示效果十分具有優(yōu)勢，對于高速運(yùn)動的圖像仍能快速處理。
c）Open GL 的工作流程
首先，控制程序從左側(cè)進(jìn)入 Open GL 的軟件程序包，通過其中包含有幾何數(shù)據(jù)以及像素?cái)?shù)據(jù)兩者，經(jīng)過求值器、像素操作，紋理映射、光柵化等多種圖像處理方式，最后生產(chǎn)待顯示的圖像幀。在該處理過程中，基于的 Open GL 函數(shù)分析包，會將得到的數(shù)據(jù)儲存在程序列表中，并按照一定的順序進(jìn)行解算處理，圖像處理的求值過程是對所輸入數(shù)據(jù)的求值多項(xiàng)式進(jìn)行幾何曲線以及曲面的擬合繪制；然后會對圖像的各個定點(diǎn)以及微型圖元進(jìn)行對應(yīng)的組合，同時采用特殊的變換方法對定點(diǎn)和光照進(jìn)行有效處理，將圖元進(jìn)行修改和裁剪，從而得到適合實(shí)際視覺的大小[43]。而在后續(xù)的圖像數(shù)據(jù)光柵化中，Open GL 主要采用對點(diǎn)、線、多邊形進(jìn)行二維數(shù)值描述的方法，生產(chǎn)對應(yīng)的像素儲存和圖像幀的緩存地址；當(dāng)所輸入的處理對象是像素?cái)?shù)據(jù)時，上述過程中的“求值器”將不再起作用，而會在像素值處理階段進(jìn)行處理，該階段的處理結(jié)果可以儲存為模型的紋理內(nèi)存，從而在圖像的光柵操作中進(jìn)行分析時使用[35]，同時也可以采用與幾何模型數(shù)據(jù)相同的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)光柵化。
d）Open GL 的動畫技術(shù)
數(shù)控加工模擬軟件的動態(tài)顯示是仿真系統(tǒng)的主要功能之一，采用基于 Open GL 開發(fā)包的仿真過程動畫顯示具有突出的技術(shù)優(yōu)勢。
Open GL 開發(fā)包的數(shù)控仿真動畫實(shí)現(xiàn)主要采用雙重緩沖算法以及交互函數(shù)，雙重緩沖區(qū)包含兩個部分：前緩沖區(qū)域以及后緩沖區(qū)域[37]。雙重緩沖作用方式是當(dāng)前端緩沖區(qū)域畫面得到顯示時，后端緩沖區(qū)域同時處理下一階段的緩沖內(nèi)容，前緩沖區(qū)域的目標(biāo)內(nèi)容得到顯示后，后緩沖區(qū)域的內(nèi)容進(jìn)行顯示，顯示的同時前緩沖區(qū)域?qū)ο乱粠膬?nèi)容進(jìn)行處理，當(dāng)后緩沖區(qū)域的內(nèi)容顯示結(jié)束后[43]，再次顯示前端緩沖區(qū)域所處理完成的內(nèi)容；此過程進(jìn)行重復(fù)運(yùn)行，就會得到圖形的連續(xù)顯示效果。Open GL 所采用的雙緩存顯示技術(shù)，繪制圖像的同時可以對上一幀的內(nèi)容進(jìn)行顯示，十分方便的克服了模擬動畫播放時屏幕閃爍的問題，可以對復(fù)雜的動畫圖像進(jìn)行顯示和處理，其主要缺點(diǎn)就是圖像的顯示速度會受制于圖像的加工速度[42]。采用基于 Open GL 的雙緩存技術(shù)，能夠在數(shù)控仿真模擬軟件中進(jìn)行有效運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)對數(shù)控加工過程中的剛體運(yùn)動、變形、模型變化、視覺效果的有效處理和實(shí)時顯示。同時 Open GL 提供了基于 Windows 系統(tǒng)的 API 擴(kuò)展函數(shù)：Sw Pa Bueffsr 可以對緩沖區(qū)的處理對象進(jìn)行快速交換，功能十分完備可靠。
e）系統(tǒng)的開發(fā)平臺
基于 Open GL 圖形庫的技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用優(yōu)勢，目前主流的系統(tǒng)程序編寫軟件，Visua1C++6.0、C++Builder 以及 C#等，都采用了 Open GL 圖形庫作為自身的擴(kuò)展模塊，用來加強(qiáng)系統(tǒng)編譯軟件對圖形圖像的分析及處理能力，而其中之一的 C#，是目前最為成熟的窗口可視化程序開發(fā)平臺，其隸屬于微軟公司，也是目前軟件開發(fā)領(lǐng)域中非常優(yōu)秀的開發(fā)平臺之一，其強(qiáng)大的功能以及相對簡單的使用性，十分適合本系統(tǒng)的開發(fā)[49]。
4.3.3 模型構(gòu)建
通過 Open GL 按實(shí)際比例進(jìn)行機(jī)床模型的繪制，模擬各軸的運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的手輪控制功能，構(gòu)建模型如下圖：
圖 4-2 虛擬機(jī)床模型
4.3 機(jī)床手輪功能的實(shí)現(xiàn)
本節(jié)研究了模擬數(shù)控系統(tǒng)的手輪操作實(shí)現(xiàn)方法。研究了一種利用 C#與 Open GL 完成實(shí)體手輪操作模擬數(shù)控系統(tǒng)的算法。使用 C#完成手輪操作處理程序，完成手輪的通訊，并進(jìn)行轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)響應(yīng)；利用 Open GL 模擬各軸的移動，完成模擬數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)體手輪操作，并公開了核心部分的程序源代碼[21]。通過這種方式，編寫出的程序代碼，具備很強(qiáng)的開放性和可移植性。
手輪操作在數(shù)控機(jī)床操作中占據(jù)著非常主要的地位，在切削前對刀、機(jī)床各軸小范圍移動等都要通過手輪完成[32]。手輪操作的實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)是手輪大輪與選中軸移動的跟隨性，跟隨性能夠分成兩個部分，運(yùn)動距離與運(yùn)動速度。本章研究了一種利用 C#與 Open GL 完成實(shí)體手輪操作模擬數(shù)控系統(tǒng)的算法。
4.3.1 硬件結(jié)構(gòu)
以手輪為控制機(jī)構(gòu)，工控機(jī)為處理中樞，實(shí)現(xiàn)五軸數(shù)控機(jī)床模擬器中的虛擬機(jī)床與手輪的運(yùn)動跟隨。系統(tǒng)硬件連接如圖 4-2 所示。系統(tǒng)連接框圖如圖 4-3 所示。
圖 4-2 系統(tǒng)硬件連接
圖 4-3 系統(tǒng)連接框圖
手輪通過串口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦た貦C(jī)上，由工控機(jī)上的 C#語言編寫的上位機(jī)軟件（以后簡稱 C#軟件）進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，區(qū)分不同的軸和倍率，以及使能是否按下。將處理后的數(shù)據(jù)通過 API 接口傳輸給Open GL，最終驅(qū)動虛擬數(shù)控機(jī)床相應(yīng)軸的運(yùn)動。
4.3.2 手輪數(shù)據(jù)設(shè)定
手輪通過串口發(fā)送給工控機(jī)的指令，由 C#軟件存儲在相應(yīng)的變量中，手輪與 C#軟件的通訊協(xié)議如表 4-1：
表 4-1 手輪通訊協(xié)議
手輪利用RS485通訊協(xié)議與工控機(jī)相連接來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。手輪的核心是旋轉(zhuǎn)編碼器，旋轉(zhuǎn)手輪就能夠生成一個表示當(dāng)前位置的串碼 A，手輪上的各個分度值都具有唯一的串碼A。工控機(jī)接收到手輪發(fā)出的串碼 A1 后，用 A1 和之前記錄的串碼 A0 求差，獲得差值△，當(dāng)△>0 就表示手輪正轉(zhuǎn)，當(dāng)△＜0 就表示手輪反轉(zhuǎn)。之后把｜△｜當(dāng)做手輪移動距離。
4.3.3 軟件設(shè)計(jì)
在操作界面能夠?qū)崟r顯示 X、Y、Z、A、C 五個軸的相對位置或絕對位置，手輪當(dāng)前位置，手輪旋轉(zhuǎn)量，手輪倍率，手輪旋轉(zhuǎn)速度。調(diào)試軟件界面如圖 4-4 所示：
圖 4-4 軟件界面
數(shù)控機(jī)床手輪功能的實(shí)現(xiàn)，是數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要的一環(huán)，本文詳細(xì)論述了利用 C#軟件和 Open GL 實(shí)現(xiàn)手輪運(yùn)動和速度跟隨的方法，并通過實(shí)驗(yàn)論證了方法的有效性。
4.4 機(jī)床多系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
本章詳細(xì)的探究了多系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)過程，獨(dú)創(chuàng)的提出了一種基于 C#和數(shù)控面板的方法，最終實(shí)現(xiàn)集多系統(tǒng)于五軸數(shù)控機(jī)床。通過 C#語言編寫上位機(jī)軟件，主要能夠?qū)崿F(xiàn)多系統(tǒng)界面切換和功能切換的功能，通過各機(jī)床的通用性，使多個系統(tǒng)共存在一個機(jī)床內(nèi)，如果想完全換成別的機(jī)床系統(tǒng)，除了在軟件界面上切換過來，還需要切換相應(yīng)的面板，這樣的話，在很大程度上提高了數(shù)控機(jī)床的利用率，特別適合用在學(xué)校的實(shí)訓(xùn)教學(xué)之中。
在教學(xué)實(shí)踐中，接觸到的數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)往往不止一種，國內(nèi)外有多個廠家發(fā)布了數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)，例如西門子、海德漢、華中數(shù)控、三菱和 FANUC 等。為提高學(xué)生的適應(yīng)性，學(xué)校通常會同時采購多種數(shù)控機(jī)床，而這些機(jī)床通常床身的區(qū)別性不大，這樣就造出來資源的冗余和浪費(fèi)。因此，需要急需開發(fā)出一套能夠融合多種數(shù)控系統(tǒng)的產(chǎn)品或者系統(tǒng)。
4.4.1 實(shí)現(xiàn)原理
實(shí)現(xiàn)對應(yīng)的功能，需要的硬件主要有：工控機(jī)一臺，西門子 840D、海德漢 530i 的數(shù)控面板。
兩種數(shù)控面板分別通過串口與工控機(jī)相連接并實(shí)現(xiàn)通訊。工控機(jī)將根據(jù)接收到的數(shù)控面板的鍵盤命令進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算和操作，通過 API 函數(shù)驅(qū)動 Open GL 中的虛擬機(jī)床進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動。由工控機(jī)處理 Open GL 反饋的運(yùn)動坐標(biāo)及其他參數(shù)數(shù)據(jù)，并實(shí)時控制數(shù)控面板上界面的切換和文字的顯示，控制系統(tǒng)的流程圖如圖 4-5 所示：
圖 4-5 控制系統(tǒng)流程圖
4.4.2 工控機(jī)程序編寫
工控機(jī)作為多系統(tǒng)機(jī)床的核心，綜合處理各組成部件間的信息，讓數(shù)控面板、手輪、指示燈等硬件和虛擬數(shù)控機(jī)床有機(jī)的結(jié)合在一起，協(xié)調(diào)工作。軟件的原理是將各系統(tǒng)的數(shù)控編程語言進(jìn)行轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化成統(tǒng)一的程序代碼。并且將需要顯示的數(shù)據(jù)，如各軸坐標(biāo)值、主軸轉(zhuǎn)速、當(dāng)前刀號等數(shù)據(jù)做為全局變量，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理的通用化；另外在更換系統(tǒng)時，可以直接提取相應(yīng)的變量，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示的通用化。
程序的功能完全可由目前很成熟的、簡單的 C#編程語言來實(shí)現(xiàn)。下面就代表性代碼進(jìn)行說明。
首先是機(jī)床當(dāng)前狀態(tài)，機(jī)床當(dāng)前狀態(tài)是指在機(jī)床運(yùn)行過程中所處的狀態(tài)，比如切削狀態(tài)、當(dāng)前刀具偏置、當(dāng)前倍率等數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)通過全局變量來存儲可以實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)通用化的調(diào)用，下面是機(jī)床當(dāng)前狀態(tài)的申明：
Public Bool jc_xunhuan_start // 機(jī)床循環(huán)啟停，循環(huán)啟動為 1，循環(huán)停止為 0
Public Int jc_m oshi// 機(jī)床模式。
Public Bool jc_wcs_mcs// 機(jī)床坐標(biāo)狀態(tài),1 代表 wcs，0 代表 mcs
Public Int bzw_開始讀坐標(biāo)//運(yùn)行狀態(tài)為 0 停止?fàn)顟B(tài)為 1
Public Double jc_ 擺頭偏置_x // 機(jī)床的擺頭偏置 x Public Double jc_ 擺頭偏置_y // 機(jī)床的擺頭偏置 y
Public Double jc_ 擺頭偏置_z // 機(jī)床的擺頭偏置 z
Public Double jc_ 已存偏置_x（16）//機(jī)床的已存偏置 x（相應(yīng)軸對刀后）
Public Double jc_ 已存偏置_y（16）//機(jī)床的已存偏置 y（相應(yīng)軸對刀后）
Public Double jc_ 已存偏置_z（16）//機(jī)床的已存偏置 z（相應(yīng)軸對刀后）
Public String jc_ 當(dāng)前零點(diǎn)偏移//設(shè)置當(dāng)前激活的零點(diǎn)偏移，如 G54 等，若為空則未激活任何零點(diǎn)偏移
Public Double jc_ 切削進(jìn)給倍率//切削進(jìn)給倍率
Public Double jc_ 快速進(jìn)給倍率//切削進(jìn)給倍率
Public String jc_ 手輪倍率 //手輪倍率
Public String jc_ 手輪軸 //當(dāng)前手輪軸
Public String jc_ 手輪位置 //當(dāng)前手輪大輪位置—之前
Public String jc_ 手輪位置_當(dāng)前//當(dāng)前手輪大輪當(dāng)前位置
Public Int jc_手輪串口號//運(yùn)行狀態(tài)為 0 停止?fàn)顟B(tài)為 1
Public Int jc_西門子鍵盤串口號
Public Int jc_海德漢鍵盤串口號
Public Long jc_ 開機(jī)延遲 //默認(rèn)為 25000
研究了一種基于工控機(jī)和 C#實(shí)現(xiàn)多面板數(shù)控機(jī)床的方法，以 FANUC 系統(tǒng)的數(shù)控編程語言為例，詳細(xì)說明了實(shí)現(xiàn)方法及思路。工控機(jī)界面通過 C#語言編寫，同時工控機(jī)實(shí)現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的分析和處理，集成了數(shù)控機(jī)床控編程系統(tǒng)，達(dá)到了節(jié)約了購置成本的效果。完全自主搭建好的多系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床，已成功的應(yīng)用在自主研發(fā)的五軸數(shù)控機(jī)床模擬訓(xùn)練機(jī)上，并且達(dá)到了理想效果。
表 4-2 面板通訊協(xié)議
4.5 機(jī)床面板功能的實(shí)現(xiàn)
機(jī)床面板是用戶與機(jī)床進(jìn)行交互的主要輸入裝置，為了給用戶提供真實(shí)的操作體驗(yàn)，機(jī)床面板采用采用物理面板。面板采用單片機(jī)加矩陣鍵盤的形式，鍵盤自主設(shè)計(jì)制作，采用雙單片機(jī)并聯(lián)模式，滿足組合按鍵按下的需求。面板通訊協(xié)議如表4-2 所示。
4.6 虛擬電機(jī)運(yùn)動的實(shí)現(xiàn)
五軸數(shù)控機(jī)床通過控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動，帶動絲杠，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)各軸運(yùn)動，在運(yùn)動過程中有連續(xù)性；而虛擬機(jī)床通過改變各軸與機(jī)床的相對位置，來實(shí)現(xiàn)五個軸的運(yùn)動，因此改變相對位置值之后，相應(yīng)的軸會立即運(yùn)動到指定位置，這就和實(shí)際機(jī)床運(yùn)動有沖突了。
為使虛擬機(jī)床運(yùn)行達(dá)到與實(shí)際機(jī)床相同的視覺效果，特別設(shè)計(jì)了虛擬電機(jī)運(yùn)動算法。
參考 PLC 控制伺服電機(jī)的方法，有兩種方式：
第一種：一般的 PLC 都具備高速脈沖輸出口，通常有兩個。通過這兩個高速脈沖輸出口，就可以直接驅(qū)動伺服電機(jī)，電機(jī)運(yùn)動的速度跟高速脈沖輸出口的脈沖頻率成正比，電機(jī)旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)跟高速脈沖輸出口的脈沖個數(shù)成正比，如果需要反轉(zhuǎn)，再通過一個 I/O 信號就行。第二種：有一些 PLC 是具備定位模塊的，比如 GE，這種定位模塊是通過讀取 PLC中 CPU模塊傳過來的運(yùn)行命令的數(shù)據(jù)，最終轉(zhuǎn)換成能夠驅(qū)動伺服電機(jī)的方向和脈沖。由于定位模塊內(nèi)部接口是為控制伺服而設(shè)計(jì)的，所以能夠和伺服驅(qū)動器進(jìn)行數(shù)據(jù)上的交換，能夠讀出伺服報(bào)警信號信號，伺服使能信號，伺服定位結(jié)束信號，還有其他的一些伺服電機(jī)控制方面的信號。
伺服電機(jī)控制的方式一共可以分為兩種，分別為脈沖控制和模擬電壓控制。
1、脈沖控制方式可以細(xì)分為位置控制模式和轉(zhuǎn)矩控制模式；
2、模擬電壓模擬電壓控制一般通過模擬量去控制伺服電機(jī)，可通過 PLC 的模擬量輸出去控制伺服電機(jī)，同時也可通過定位模塊去控制。
所以為使虛擬電機(jī)能達(dá)到同樣的連續(xù)運(yùn)動效果，可以模擬電機(jī)的脈沖運(yùn)動效果，將結(jié)果分段顯示，將剩余移動位移轉(zhuǎn)化為有限個小的位移，以脈沖的形式發(fā)送移動指令，這樣就能達(dá)到把瞬間移動轉(zhuǎn)化為多個瞬間移動，然后每個瞬間移動之間，插入一個小的延時，這樣就可以得到連續(xù)的效果。
理論上講延時越小則觀察到的連續(xù)性越好，但是對于程序來講，延時越小發(fā)出的脈沖越多，過大的頻率會導(dǎo)致系統(tǒng)卡頓，經(jīng)測試，極限頻率為 100Hz 左右，所以延時大于 10ms即可；而電影的播放速度為 24 幀每秒，即 42.6ms/幀，也就是延時應(yīng)該小于 42.6ms，所以每幀的時間差可以取 Δt =40ms ，這樣既可以騙過人眼，讓使用者認(rèn)為運(yùn)動是連續(xù)的，又不至于影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
然后是脈沖的個數(shù) N，也就是完成一個運(yùn)動需要的脈沖數(shù)量；每個脈沖移動的距離Δs ；還有最后一個脈沖移動的距離δs 。
下面可以開始構(gòu)建電機(jī)運(yùn)動函數(shù)了，函數(shù)輸入值為所選坐標(biāo)軸 axis、位移 S 和速度 V（若 S>0 則正向移動，若 S<0 則反向移動），這樣可以計(jì)算出移動用時 t。基于以上討論，可以推導(dǎo)出如下公式：
用這幾個公式可以構(gòu)成虛擬電機(jī)的運(yùn)動主函數(shù)，把輸入的位移和速度值分解為脈沖數(shù)、每個脈沖所走距離、最后一個脈沖所走距離，然后循環(huán)調(diào)用運(yùn)動子函數(shù)。虛擬電機(jī)運(yùn)動主函數(shù)構(gòu)建偽代碼如下：
static void Dian Ji（Double S ，Double V，Int axis）
{Int N
Double d S
Double dd S
Int axis
Double t
t = S / V //計(jì)算總時間
N = Math.Floor（t / 40） + 1 //計(jì)算總脈沖次數(shù)
d S = Math.Floor（S / N） //計(jì)算每個脈沖所走距離
dd S = S / N - d S //計(jì)算最后一次脈沖的剩余移動量
XNDJ( N， d S，dd S，axis) //調(diào)用電機(jī)子函數(shù)} 然后構(gòu)建虛擬電機(jī)的運(yùn)動子函數(shù)：
static void XNDJ（Int N，Double d S，Double dd S，Int axis ）
{//虛擬電機(jī)函數(shù)，參數(shù)分別為脈沖數(shù)、每個脈沖所走距離、最后一個脈沖所走距離、所選坐標(biāo)軸
//其中調(diào)用的函數(shù)有
//Move To（Int axis，Double s ）//（使選定軸 axis 移動距離 s）
//Sleep YS（Int time ）//（使程序延時，單位 ms）
//其中使用的全局變量有
Int Stop XNDJ （用來停止相應(yīng)軸的電機(jī)運(yùn)動函數(shù)，0 為不停止，不為 0 則停止相應(yīng)軸）
If (N > 1)
{For(i = 2;i < N+1;i++) //完成前N-1 次脈沖
{Move To( axis，d S) //完成前 N-1 次脈沖中每次對應(yīng)軸的移動
I f (Stop XNDJ = = axis)
{ return}//跳出循環(huán)條件Sleep YS （40）//延時 40ms }
Move To (axis，dd S) //完成最后一次脈沖的剩余移動量}
在虛擬電機(jī)的運(yùn)動函數(shù)中，輸入?yún)?shù)為脈沖數(shù)、每個脈沖所走距離、最后一個脈沖所走距離、所選坐標(biāo)軸，每次調(diào)用可以完成相應(yīng)軸的有限次的移動，直到移動結(jié)束；也可以響應(yīng)中斷，比如用戶點(diǎn)擊了循環(huán)停止按鈕或改變了電機(jī)運(yùn)動倍率。
初期用的是系統(tǒng)的自帶延時函數(shù)，發(fā)現(xiàn)使用時會使系統(tǒng)失去響應(yīng)，用戶無法進(jìn)行其他操作，直到延時結(jié)束才能響應(yīng)，所以雖然比較簡單，但并不能應(yīng)用在這里。新的延時函數(shù)，使用的是系統(tǒng)開機(jī)時間，先記錄延時開始時的系統(tǒng)開機(jī)時間，再不斷請求開機(jī)時間，將獲取的新的開機(jī)時間與起始開機(jī)時間的差和延時長度對比，若差大于延時長度，則跳出循環(huán)。
4.7 本章小結(jié)
本章主要從五軸手?jǐn)?shù)控機(jī)床模擬訓(xùn)練機(jī)的功能分析入手，分析和比較了三種虛擬機(jī)床的開發(fā)方案，選擇基于 Open GL 以及C# 這兩款工具來進(jìn)行五軸數(shù)控機(jī)床模擬機(jī)的開發(fā)，并簡單描述了Open GL 這款工具的主要特點(diǎn)，分析了Open GL 的功能優(yōu)勢。
在上章中提到，五軸數(shù)控機(jī)床模擬器是基于 C#和 Open GL 進(jìn)行二次開發(fā)，軟件開發(fā)平臺基于 Windows 系統(tǒng)，就需要將機(jī)床原有的伺服系統(tǒng)進(jìn)行模擬，使原伺服系統(tǒng)及伺服電機(jī)可以在 Windows 中模擬出來，使模擬器中機(jī)床的運(yùn)行符合真實(shí)機(jī)床的運(yùn)行規(guī)律；同時可以驅(qū)動手輪、面板、鍵盤、指示燈等硬件，實(shí)現(xiàn)對用戶輸入的響應(yīng)，包括鍵盤和手輪按鍵的觸發(fā)，面板界面菜單的顯示，指示燈的點(diǎn)亮和熄滅等。最終效果是使用戶體驗(yàn)到操作真實(shí)五軸數(shù)控機(jī)床的感覺，最大程度的實(shí)現(xiàn)仿真教學(xué)的真實(shí)性。
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