五軸數控機床模擬訓練機研發（fā） -數控機床市場網（wǎng）

您現在（zài）的位置（zhì）：數控機床市場網（wǎng）> 專題>五軸加工中（zhōng）心（xīn）設計與（yǔ）工藝（yì）

五軸數控機床模擬訓練（liàn）機研發

2016-8-1 來源（yuán）：天津職業技術（shù）師範大學作者：嶽剛

隨著科（kē）技的進步和（hé）生活水平的提高，人們對產品使用的人性（xìng）化、產品可靠性和外觀等方麵（miàn）的要求漸漸增多，隨之而來的是越（yuè）來越多的具有複雜形麵的零件被設計出來來滿足這（zhè）些需（xū）求[9][10]。與此同時，隨著（zhe）機械加工製造行業的逐漸成熟，與其相（xiàng）關（guān）的製造產業的加工標準和要求也（yě）都在不斷提高。傳統三軸數控銑床與車床由於精度、性能達不到現代加工要求，將（jiāng）會逐漸（jiàn）的被淘汰掉。所以，應用了（le）高速數據處理技術（shù）、精確運動控製技術和數字化（huà）等先進技術的五軸數控機床越來越受到人們的青（qīng）睞，逐漸得到了廣泛的應用。五軸數控機床在機械結（jié）構和加（jiā）工方式都比傳統（tǒng）的三軸數控機床在有很（hěn）大的改（gǎi）進，增加了兩個自由度，即增加了能夠繞兩（liǎng）個軸（zhóu）回轉的自由度，最終通過五軸聯動完成任意角度的平麵（miàn）和曲麵加工，極大限度的滿足現代加工要求。同時，能夠有效規避由（yóu）於多次裝夾引起的加工誤差。

2.1 數控（kòng）機床（chuáng）簡介

隨著計算機科（kē）技和工業化（huà）技術的進步，工業產品漸漸地向著（zhe）精密複雜的方向發展，相（xiàng）應的對製造業加工的（de）精度要求日趨嚴格，同時各行各業尤（yóu）其是電子產業更新換代的周期也日趨變短。尤其（qí）是宇航、軍工、造船、汽車和模具加工行業，用普（pǔ）通機床進行加工已無法滿足生（shēng）產要求，從而一種新型的用（yòng）數字程序控製的（de）機床應運而生。這種機床融合了嵌入式技（jì）術技術、數據處理技術、高（gāo）精度運動控製技術、檢測反饋技術和機械設計製造等（děng）新技術，即為數控機（jī）床。下麵主要介紹數控機（jī）床的組成及相關工（gōng）作原理。

2.1.1 數控機床的組成

數（shù）控機床可以分（fèn）為控製（zhì）和執行（háng）兩大部分，控製（zhì）部分就是操作係統也就是常說的數控係統，執行部分就是機床（chuáng）本體。

數控係統是數控機床的控製中樞[11]，它可以根據用戶輸入（rù）的或導入的（de）數控加工程序，來進行相應的加（jiā）工動作，從而使機床進給並進行特定的（de）零件（jiàn）加工。數控係統可以分為機床進給控製係統、主軸進給控製係統（tǒng）、數控裝（zhuāng）置等（děng）幾（jǐ）個部分。機床進給控製係統包括伺（sì）服驅動單元、精密伺服電機和電（diàn）機角度反饋裝置三個部分。主軸進給控製係（xì）統包括主軸驅動模塊和主軸電機兩個（gè）部分。機床（chuáng）本體可以（yǐ）分為機（jī）床傳（chuán）動（dòng）部分、機床線路、機床液壓和氣動係統（tǒng）、機床潤滑裝置等幾個部分。

數控係統通常由專業的數控操作（zuò）係統公司設計並投向市場，之後由機床製造公司把數控係統集成（chéng）到機床本體上，並完成整體機床的調試（shì）。數控係統（tǒng）通過專門的運動控製器驅動機床進行切削運（yùn）動，使機床按照規劃好（hǎo）的路（lù）徑和軌跡進行機加工。機床的運動控製通常采（cǎi）用 PLC 或 PMC 等作為底層控製器，並應用 DSP 數據處理技術按照用戶發（fā）出的指令控製機床進行特定的加工任務。此外，針對（duì）不（bú）同的機床（chuáng），機床製造廠還必需對通用的數控係統進（jìn）行個性化配置，有時也需（xū）要根據數控機床的硬件本體適當增加或減少數控係統的（de）功能，從而使數字控製（zhì）係統能夠與機床機械本體協調工作。

數控係統能夠驅動機床按（àn）照特定的軌跡進行運動和切削，允許用戶按照一定的標準編寫加工程序來完（wán）成特殊的加工動作[13]。所以（yǐ），工件加工程序識別和編程（chéng）語言標準的建（jiàn）立也（yě）是數控係統不可缺少的重要組成部分。

2.1.2 數控機床的工（gōng）作原理

數控係統運行用戶編寫或輸入的特定工件（jiàn）加工程（chéng）序，通過運（yùn）動控製（zhì）係統驅動機床來實現數控機床對零件的（de）加工，並通過測量反饋數據不斷糾正加工誤差，最終實現具有一定精度的零件加（jiā）工。

首先，數（shù）控（kòng）係統將（jiāng）用戶輸入的工件加工程序按行進行分（fèn）割，在每行（háng）中首先按照首字母G、M、S、T 分為（wéi）三（sān）大類（lèi），然後根據首字母後的數字（zì）對函數進行檢索，然後再按照查找到的固定配合繼續搜索本行後麵的相應代（dài）碼，直到固定配合中的關鍵字都搜索（suǒ）完成，或者遇見（jiàn）其他以（yǐ） G、M、S 或 T 開（kāi）頭的代（dài）碼為止（zhǐ），直到本行結束，開始（shǐ）執行本（běn）行代碼的相應控製動作。

2.2 數控模擬係統構建的基本原則

1.滿足功能要求。研發或改進某個係（xì）統，是為了能夠完成一定的目（mù）標，即設計（jì）過程需要有明確目標（biāo）。針對本（běn）課題（tí），五（wǔ）軸數控（kòng）機床模擬訓練機的基礎功能（néng）包含了動態模（mó）擬加工（gōng）、檢驗和報警以及加工過程中碰撞（zhuàng）檢測（cè）等。

2.一體（tǐ）性，係統各模塊既相互獨立（lì），又相互聯係。整個係統（tǒng）的構建思（sī）路是將其拆分為多（duō）個部分，各部分之間相互影響。所以，通訊技術（shù）在（zài）各部（bù）分之間有著極其突出的（de）作用，它（tā）可以完成係統的一體化。

3.穩定性，數學模型（xíng）來代替實際係統進行實驗是仿真係統的（de）設計原理，數學（xué）的實際（jì）模型與實（shí）際參數之間總是存在差（chà）異的，怎樣減少兩者之間的差（chà）異，使之保持相對較小的波動，這是穩（wěn）定性所要討論的。穩定性是衡量模擬係統的重要指標之一[15]，若無法保證係統仿真的準確性（xìng），就不能說成功的構（gòu）建了模擬係統（tǒng）。數控模擬係統，其穩定性表現在模擬過程的實時刷（shuā）新、模擬的動作與設計的一致性、碰撞檢測的準確等。

4.最優化，模擬（nǐ）數控切削（xuē）過程是一個多因素共存的（de）問題，如（rú）數學建模和數學算法複雜（zá）、編寫的算法計算繁複，在一定的硬件係統製（zhì）約下，必定會拖慢係統模（mó）擬的速度，破壞模擬的效果。所以，需要改進模擬係統，其中首要的內容就是改進仿數學建模和數（shù）學算法確保（bǎo）係統的運（yùn）行速度和降低占有的資源。

5.開放性，就是允許操作者對係統進行定製和修改，實現操作者對係統特定功能的需求以（yǐ）及後期改進的需要，構建開（kāi）放（fàng）的、可變更、靈活的（de）數控係統。

2.3 係統的主要功能

數控模擬係統經大量實踐驗證可以用在工業（yè）現場[13][19]，節省產品的（de）研發（fā）周期，驗證產品設計是否符（fú）合加工要求、加工（gōng）代碼是否準確、生產工藝是否合適，進而幫（bāng）助企業提高利潤。此外數控模擬係統也能夠用在大中專院校的數控實訓中，為培養數（shù）控操作（zuò）及維護人員（yuán）提供強有力的支持。綜上所述，此數控模擬係統的主要（yào）功能（néng）為：

（1）加工環境和加工任務的定（dìng）義

（2）實（shí）現人機交互功能

（3）實現三維動畫顯示加工（gōng）過程

2.4 係統的總體結構

數控模（mó）擬係統應（yīng）用了模塊化、結構化的構建方式，我們（men）將係統簡單的分為五個部分：NC 操作麵板模塊；加工代碼識別模塊；立體（tǐ）仿真模塊；通訊模塊；數據庫。五個部分有（yǒu）機地（dì）組成了統一的模擬係統[14].

模（mó）擬操作麵板：它是根（gēn）據實際操作麵板為作為模擬對象而設計，包括（kuò）兩部分MDI 操作鍵盤和 CTR 顯示器，主要功能是顯示機床的參數和狀態、主軸和進給速率控製、操（cāo）作模式（shì）選擇、編輯程序和設（shè）置參數等。

根據不同的數（shù）控係統，本（běn）研究把它分為海德漢和西門子（zǐ）兩種操作界麵。兩種（zhǒng）數控麵板分別（bié）通（tōng）過串口與工控（kòng）機相連接並實現（xiàn）通訊。工控機將根據（jù）接收到的數（shù）控麵板的鍵盤命令進行相應的運算和操作，通（tōng）過API 函數驅動 Open GL 中的虛擬機床進行相應（yīng）的（de）運動。由工控機處理Open GL反饋（kuì）的運動坐標及其他參數數據，並實時控製數控（kòng）麵板上（shàng）界（jiè）麵的切換和文字的顯示，控製係統的流（liú）程圖如圖 2-1 所示（shì）：