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五（wǔ）軸數控機（jī）床模（mó）擬訓練機研發

2016-8-1 來源：天（tiān）津職業技術師範大學作者：嶽剛

隨著科技的（de）進步和生活水平的提高，人們對（duì）產品使用的人性化、產品可靠性和（hé）外觀等方麵的要求（qiú）漸（jiàn）漸增多，隨之而來的是（shì）越來越多的具有複（fù）雜形麵的零件被設計出來來滿足這些需求[9][10]。與此同時，隨著機械加工（gōng）製造行業的逐漸成熟，與（yǔ）其相關的製造產業的加工標準和要求也都在不斷（duàn）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（qiú），將會逐漸的被淘汰（tài）掉。所以，應用了高速數據處理技術（shù）、精確運動控製技術和數字化等先進技術（shù）的五軸數控機床越來越受到人們的青睞，逐漸得到了廣泛的應用。五軸數控機床在機械結構（gòu）和加工方（fāng）式都比傳統的三軸數控機床在有很大的改進，增加了兩個自由度，即增加了能夠繞兩（liǎng）個軸回轉的自由度，最終通過五軸（zhóu）聯動完成任意角度的平麵和曲麵加工，極大限度的滿足現代加工要求。同時，能夠（gòu）有（yǒu）效規避由於多（duō）次裝夾引起的加工誤差。

2.1 數控機床簡介

隨著計算機（jī）科技（jì）和工業化技術的進步，工業產品漸漸地向著精密（mì）複雜的方向發展，相應的對製造業加工（gōng）的精（jīng）度要求日趨嚴格，同時各行各業尤其是電子產業更新換代的周期也日趨變短。尤其是宇航、軍（jun1）工、造船、汽（qì）車和模具加工行（háng）業（yè），用普通機床進（jìn）行加工已無（wú）法滿足生產要求，從而一（yī）種新型的用（yòng）數字程（chéng）序控製的機（jī）床應運而生。這（zhè）種機床融合了嵌入式技術技術、數據處理技術、高精（jīng）度運動控製技術、檢測反饋技術和（hé）機械設計製造等新技術，即為數控機床。下（xià）麵主要（yào）介紹數控機床的組（zǔ）成及（jí）相關工作原（yuán）理。

2.1.1 數控機床（chuáng）的組成

數（shù）控機床可以分為控（kòng）製和執行兩大部分，控製部分就是操作係統也就是常說的數控係統，執行部分（fèn）就是機床本體。

數控係（xì）統（tǒng）是數（shù）控機床的控製中樞[11]，它可以根據用戶輸入的或導入的數控加工（gōng）程序，來進行相應（yīng）的加工動作，從而使機床進給並進行特定的零（líng）件加工。數控係統可以（yǐ）分為（wéi）機床進給控製係統（tǒng）、主軸進給控製係（xì）統、數控裝置等幾個部分。機床進給控製係統包括伺（sì）服驅動單元、精密伺服電機和電機角度反饋裝置三個（gè）部分。主軸進（jìn）給（gěi）控製係統包括主軸驅動模塊（kuài）和主軸電（diàn）機兩個（gè）部（bù）分（fèn）。機床本體可以分為（wéi）機床傳動部分、機床線路、機床液壓和氣動係統、機床潤滑裝置等幾個部分。

數控係統通常由專業（yè）的數控操作係統公司設計（jì）並投向市（shì）場，之後由機床製造公司把數控係統集（jí）成到機床本體上，並完成整體機床的調試。數控係統通過專門的運動控製器驅動機（jī）床進行切削運動，使機（jī）床按照規劃好的路徑和軌跡進行機加工。機床的運動控製通常采用 PLC 或 PMC 等作為底層控製器，並應用 DSP 數據處理技術按（àn）照用戶（hù）發出的指令控（kòng）製機床進行特定的加工任務（wù）。此外，針對不同的機（jī）床，機床（chuáng）製造廠（chǎng）還（hái）必需對通用的數控係統進行個性化配置（zhì），有（yǒu）時也需要根（gēn）據數控機床的硬（yìng）件本體適當增加或減少數控係統的功能，從而使數字控製係統能夠與機床（chuáng）機械本體協（xié）調工作。

數控係統能（néng）夠驅動機床按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（jiā）工程（chéng）序來完成特殊的加工動作[13]。所以，工件加（jiā）工程序（xù）識別和編程語言標準的建立也是數控係統不可缺少的重要組成部分。

2.1.2 數控機床（chuáng）的工作（zuò）原理

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

首先，數控係統將用（yòng）戶輸入的工（gōng）件加工程序按行進行分割，在每行中首先按照首字（zì）母（mǔ）G、M、S、T 分為三大類（lèi），然後（hòu）根據首（shǒu）字母後的數字對函數（shù）進行檢索，然後再（zài）按照查找到的固定配合繼續搜（sōu）索（suǒ）本行（háng）後麵（miàn）的相應代碼，直到固定配合中的關鍵字都搜索完成（chéng），或者遇見其他以 G、M、S 或 T 開頭的代（dài）碼為止，直到本行結束，開始執行本行代碼的相應控製動作（zuò）。

2.2 數（shù）控模擬係統（tǒng）構建（jiàn）的基本原則

1.滿足功能要求。研發或（huò）改進某個係統，是（shì）為了能夠完成一定的目標，即設計過程需要有明確目標。針對本課題，五軸數控機（jī）床（chuáng）模擬訓練機的基礎功能包含了動態模擬加工、檢驗和報警以及加工過程中（zhōng）碰撞檢測等。

2.一體性，係統各模塊既相互獨立，又相互聯係。整個係統的（de）構建思路是（shì）將（jiāng）其拆分為多個部（bù）分，各部分之間（jiān）相互影響（xiǎng）。所以，通訊技術在各部分之間有（yǒu）著極其突出的（de）作用，它可以完成係統（tǒng）的一體化。

3.穩定性，數學（xué）模型來代替實際係統進（jìn）行實驗是仿真係統的設計原理，數（shù）學的實際模型與（yǔ）實際參數之間總是存在差異的，怎樣減少兩者之間的差異，使之保持相對較小（xiǎo）的波動，這是穩定性所要討論的。穩定（dìng）性是（shì）衡量模擬（nǐ）係統的重要指標之一[15]，若無法保證（zhèng）係統仿真的（de）準確性，就不能說成（chéng）功的構建了模擬係統。數控（kòng）模擬係統，其穩定性表現在模擬過程的（de）實時刷（shuā）新、模擬的動作（zuò）與設計的（de）一致性、碰撞檢測的準確等。

4.最優化，模擬數控（kòng）切（qiē）削過程是一個多因素共存的（de）問（wèn）題，如數學建（jiàn）模和數學算法複雜、編寫的算法計算繁複，在一定的硬件係統製約下，必定會拖慢係統模擬的速度，破壞模擬的效果。所以，需要改進模擬（nǐ）係統，其中首要的內容就是改進仿數學建模和數學（xué）算法確保係（xì）統的運行速度和降低占有的資源（yuán）。

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（duì）係統特定功能的需求以及後期改進的需要，構建開放的、可變更、靈（líng）活的數控係統。

2.3 係統的主要功能

數控模擬係統經大量實踐驗（yàn）證可（kě）以用在工業現場[13][19]，節省產品的研發周期（qī），驗證產品（pǐn）設計（jì）是否符合加工要求、加工代碼是否（fǒu）準確、生產工藝是否合適，進而幫助企（qǐ）業提高利潤。此外數（shù）控模擬（nǐ）係統也能夠用在大中專院校（xiào）的（de）數控實訓中，為培養數控操作及維護人員提供強有力的支持。綜上所述，此數控模擬係統的主要（yào）功（gōng）能為：

（1）加工（gōng）環境和加工任務的（de）定義

（2）實現人機交互功能

（3）實現（xiàn）三維動畫（huà）顯示加工過程

2.4 係統的總體結構（gòu）

數控模擬係統應用了模（mó）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（cāo）作麵板模（mó）塊（kuài）；加工代碼識別模塊；立體仿真模塊；通訊模（mó）塊；數據庫。五個部分有機地（dì）組成了統一的模擬係統[14].

模擬操作麵（miàn）板：它是根據實際操作麵板為作為模擬對象而設計，包（bāo）括兩部分MDI 操作鍵（jiàn）盤和（hé） CTR 顯（xiǎn）示器，主要功能是顯（xiǎn）示（shì）機床的參數和狀態、主軸和進（jìn）給速率控製、操（cāo）作模式選擇、編輯程序和設置參數等。

根（gēn）據（jù）不同的數控係（xì）統，本研究把它分為海德漢和西門子（zǐ）兩種操作界麵。兩種數控麵板分別通過串口與工控機相連接並實現通訊。工控機將根據接收到的數控麵板的鍵盤命令進行（háng）相應的運算和操作，通過API 函數驅動 Open GL 中的（de）虛擬機床進行相應的運（yùn）動。由工控機處理Open GL反饋的運動坐標及其他參數數據，並實時控製（zhì）數（shù）控（kòng）麵板上界麵的（de）切換和文（wén）字（zì）的顯示（shì），控製係統的流程圖如圖 2-1 所示：