基于智能终端的数控加工仿真技术的研究与开发

冯娟

(西安航空职业技术学院 航空制造工程学院， 西安)

0 引言

在我国信息技术不断发展的过程中，机械制造业也有进一步的发展。创新及完善制造技术是传统制造业的发展及继承，能够提高社会效益。数控加工技术是一种现代化的技术，能够满足现代制造业生产过程中集成化、自动化及柔性化的需求[1]。目前，机械制造业中也逐渐使用了数控加工技术，它完善了传统制造业的管理方式、生产方式和产业结构[2]。随着数据加工技术的逐渐发展，促进了我国制造业的现代化发展。那么在此背景下，就要全面实现机械加工生产的数控化，能有效地促进我国现代化制造技术的持续发展。

1 数控加工仿真系统的设计结构

数控仿真系统被广泛应用到企业生产实际中，它能够对零件设计缩短时间，并对零件设计过程中的准确性、数控程序正确性及工艺流程有效性进行有效检验，可以使零件加工质量得到进一步的提高，降低制造成本[3]。系统仿真是系统实验研究的主要学科，其对系统开发属于综合性工程，要经过系统分析、建模、总体架构及程序编写等步骤，图1为仿真系统开发的流程。

利用模块化进行数控加工仿真系统的设计，将系统分解成操作面板、代码解释、通讯模块、三维仿真及数据库五个模块，图2为数控加工仿真技术的功能模型。其中模拟操作面板主要是以实际的操作面板为模拟进行设计，主要包括显示器和操作键盘，其主要目的就是将机床状态及参数充分的现实出现。其中代码解释模块指的是在三维几何数控仿真系统中使用刀位数据成为运动驱动代码的模拟，所以就要创建代码解释模块对代码进行分析和处理[4]；三维仿真模块属于仿真系统的核心部分，其不仅能够有效模拟工件加工的动态化过程中，还能够实现加工过程中碰撞及干涉的检测；通讯模块的主要目的就是使系统能够和自动编程器、机床之间实现数据交换，创建实验室局域网，有效满足网络化教学需求[5]；数据库的主要目的就是由于刀具具有多种种类，使用数据库管理能够便于用户设备及选择。

图1 仿真系统开发的流程

图2 数控加工仿真技术的功能模型

2 数控加工仿真系统的设计

2.1 创建数控机床模型

数控机床仿真要求能够将数控机床结构特点、重点部分的运行充分地展现出来。为了能够节约计算资源实现，提高设备在仿真速度，本文就只是对仿真系统模型进行讨论，数控机床系统、控制面板不作介绍，图3为拆分数控机床模型。

图3 拆分数控机床的模型

OpenGL是能够实现三维图形输入的软件，这里重点是以矩形为主的床身模型，可以使用OpenGL辅助库中的函数进行绘制，利用形状控制点坐标实现各种类型模型的绘制。数控机床几何模型重点位保证拆分以后的单独建模部件模型空间位置，本文在实现数控机床部件建模拆分之后，一般都是利用拆分前整体的设备坐标系与原点作为建模原点及坐标系，在实现仿真场景创建的过程中，只要将其中的数控机床部件到场景中调入，并不需要调整其他部件，就能够重新装配数控机床[6]。

2.2 用户界面

本文所设计的数控加工仿真系统用户界面，其主要目的就是连接手机、平板等智能终端系统并且与用户相互沟通，此模块具有对NC代码进行编辑的作用，界面中具有输入框及MDI，用户将数据输入之后会通过文本的方式到设备中保存，便于今后系统的调用[7]，界面还包括参数设置，用于对仿真系统中的参数进行设置，比如毛坯长度值及半径，对程序文件及道具起始点进行调用和设置。并且其中还包括显示参数的界面，其主要是在加工仿真的过程中实现机床数据的显示，比如刀尖点坐标值，这个时候的转速与供给速度和仿真时间相同。仿真界面属于系统主界面，其能够实现加工过程三维动画的展现，包括工件从毛坯到零件全过程进行展现，使其能够和实际情况相互同步。用户界面实现部分代码。

2.3 数控加工仿真模块化

数控加工仿真能够实现系统模块化设计，能够满足仿真系统扩展需求及模块的协调性需求。在实现仿真系统设计中，要以功能为基础划分模块之后进行设计，最后实现仿真系统的设计，仿真系统的模块化结构详见图4所示。

图4 仿真系统模块化的结构

通过图4可以看出，仿真系统主要包括几何建模、人机交互和代码译码机制三部分。设计不同部位模块和操作，最后组合功能模块，以此能够形成完整的仿真系统。其中的人际交互模块主要目的为实现3D图形的展现，比如动态加工零件模型及零件毛坯等。

2.4 代码解释模块

数控机床一般都是通过数控信息载体NC加工实现指定零件加工的，在实现数控机床系统仿真过程中，不输入加工状态、环境等多方面的因素，而要通过NC程序实现仿真系统的驱动，和生产加工的实际相互接近，从而能够生成精准性的数控加工仿真结果。但是此种驱动方式目前只是应用到高级仿真系统中，国内大部分三维几何数控仿真系统都是使用通过刀位数据实现仿真系统模拟运动驱动代码。并且，在对NC代码有效分析处理的过程中，使其能够成为系统最容易被接受到数控仿真系统功能研究内容。

现代国内NC程序大部分都是根据FANUC系统编程格式编写，完整零件数控加工程序包括多个程序段，其中程序段还包括多个代码字。表1为NC代码中常用字符的含义。

表1 NC代码中常用字符的含义

在实现代码解释的过程中，因为数据具有一定的连续性，所以要使用有序性且连续性的数据存储结构和动态链。全面考虑数控系统解释器中的内部逻辑关系及数控系统运动控制基础，将编译层输入口数据定义成为通过字符串方式的输入数控代码，输出口数据实现具有多种信息量结构的定义。

系统使用字符串方式逐行进行读取和检查，根据字体进行分解，最后到数据存储结构中存储。INC代码的解释流程,如图5所示。

3 数控加工仿真系统的测试

人机界面属于用户体验中尤为重要的部分，如果人机界面良好，就能够有效实现辅助工作人员机械操作过程，并且操作简便，机械的加工较为直观，而且生产速度较快。人性化设计能够使机械在使用过程中的时间进行能延长，数控加工仿真中的人性化界面尤为重要，其能够有效监控操作人员的仿真过程。图6为开机画面和系统的默认画面，用户能够通过此画面进入到其他模块中实现操作。

图6 开机画面和系统的默认画面

数控加工仿真是一种在虚拟加工环境中实现NC代码验证的方式，其不仅要实现数控的智能化终端加工仿真系统，还要全面测试系统的性能。本系统将实际的零件加工为基础，对可行性进行全面的分析。测试方式为：以最终零件产品结构信息为基础，在本文所设计的编程界面中实现NC代码设计，并且实现零件初始的尺寸进行设置，在设置终端毛坯参数的过程中，要绘制毛坯初始的状态。图7为实际的车床加工零件。根据零件特点进行编辑，实现零件的加工。通过测试表示，本文所设计的系统可行，并且能够有效满足中低端数控系统3D加工仿真需求。

图7 实际的车床加工零件

4 总结

因为数控加工过程中具有多种复杂的因素，而且仿真系统自身也比较复杂，那么在研究数控加工仿真过程中，就需要做大量的准备工作。本文在实现基于智能终端数控加工仿真系统开发过程中，全面考虑数控机床切削力等因素，所以能够使系统加工质量预测精度得到进一步的提高。通过本文测试也表示，本文所设计的系统能够满足行业使用需求。