基于MachineWorks的復雜數(shù)控加工環(huán)境仿真的研究*

翁孝波1,2，吳文江2,3，王品2,3

(1.中國科學院 研究生院，北京100049；2.中國科學院 沈陽計算技術研究所，沈陽110171；3.沈陽高精數(shù)控技術有限公司 高檔數(shù)控國家工程研究中心，沈陽110171)

摘要：當前存在的一些商品化數(shù)控加工仿真系統(tǒng)通常作為一個獨立于數(shù)控系統(tǒng)的程序而很難集成入當前數(shù)控系統(tǒng)中，為此有些情況下需要依據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的實際情況開發(fā)數(shù)控加工仿真系統(tǒng)，但是當前存在的一些開發(fā)方案都或多或少存在一些問題，如開發(fā)周期長、靈活性差。本文仔細研究了數(shù)控加工仿真系統(tǒng)的幾個關鍵技術和幾類常用開發(fā)方案，采用了基于專用的數(shù)控加工仿真系統(tǒng)庫——MachineWorks的開發(fā)方案， 結果顯示這種方案對開發(fā)量過大和靈活性不足的問題做出相應折衷，能方便的集成入當前的數(shù)控系統(tǒng)中，同時能夠減少開發(fā)工作量。并且本文針對一般CAM或加工仿真軟件只進行零件刀具軌跡或中間文件的模擬，無法滿足復雜加工環(huán)境下的加工仿真需求的問題，在此開發(fā)方案基礎上對復雜數(shù)控加工環(huán)境仿真的開發(fā)思路、過程及相關關鍵技術做了闡述。

關鍵詞：MachineWorks；數(shù)控加工仿真；加工環(huán)境

文章編號：1001-2265(2015)09-0114-04

收稿日期：2014-11-10；修回日期：2014-12-12

基金項目：*國產高檔數(shù)控機床、系統(tǒng)及其技術在航空領域的綜合應用驗證及工藝研究(2014ZX04001051)

作者簡介：翁孝波(1990—)，男，浙江義烏人，中國科學院沈陽計算技術研究所碩士研究生，研究方向為數(shù)控仿真技術，(E-mail)wengxiaobo@sict.ac.cn。

中圖分類號：TH165;TH659

Research on MachineWorks-Based Simulation of Complex Numerical

Control Machining Environment

WENG Xiao-bo1,2，WU Wen-jiang2,3，WANG pin2,3

(1.Graduate University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China;2.Shenyang Institute of Computing Technology,Chinese Academy of Sciences,Shenyang 110171,China)

Abstract：Although there exist some commercial NC machining simulation systems at present,but these systems are hard to be integrated into numerical control systems which already exist,so in some situations we have to develop NC machining simulation systems in according to numerical control systems which is developing.Although there exist some methods to develop a NC machining simulation system,but these methods have some problems more or less such as the amount of work is too huge or the flexibility is not very good .This paper explores some key technologies which are used by machining simulation system and some schemes which are used to develop machining simulation system,we use a method which is based on special-purposed library to develop the system.The result shows that this method can satisfy the demand which requires to decrease the amount of work and keep some-level of flexibility.In consideration of the general CAM or machining simulation system only simulate the cutter-location based-on part and cutter,the virtual machining environment is simple,so based on the method we describe the process of simulation of complex NC machining environment.

Key words： MachineWorks;NC machining simulation;machining environment

0引言

當前存在的一些加工仿真系統(tǒng)很難集成入系統(tǒng)中，并且當前常用開發(fā)方案都或多或少存在一些不足。故本文從數(shù)控加工仿真系統(tǒng)開發(fā)的常用方法出發(fā)，重點研究了復雜數(shù)控加工環(huán)境的結構和關鍵技術，尤其是虛擬機床的建模方法包括幾何模型、運動模型和控制系統(tǒng)模型。提出了利用專用庫的開發(fā)方案，對開發(fā)工作量和靈活性做出相應折衷，在方便的集成入當前的數(shù)控系統(tǒng)同時，能夠減少開發(fā)工作量。

國外方面，文獻[2]對加工仿真系統(tǒng)所采用的模型做了初步研究，采用一些通用數(shù)據(jù)模型和標準來方便的集成入CAD/CAPP/CAM系統(tǒng)中。文獻[3]對復雜數(shù)控加工仿真系統(tǒng)的運動模型的構建做了研究,但整個系統(tǒng)的開發(fā)基于VC++技術，開發(fā)工作量較大。文獻[4]描述了利用CATIA V5實現(xiàn)加工仿真系統(tǒng)，但是系統(tǒng)中的加工仿真環(huán)境比較簡單。國內方面，文獻[5]對利用Vericut進行加工仿真系統(tǒng)的開發(fā)做了研究，但是開發(fā)的系統(tǒng)很難集成入當前的數(shù)控系統(tǒng)中，彈性不足。國內外對于利用一些專用的數(shù)控加工仿真系統(tǒng)庫如MachineWorks開發(fā)加工仿真系統(tǒng)的研究相對較少。

本文研究主要以計算機圖形學、前向運動學及基本的編譯原理作為理論基礎，采用基于仿真系統(tǒng)庫MachineWorks的方法，在此開發(fā)方案基礎上開發(fā)了一個復雜數(shù)控加工環(huán)境仿真原型系統(tǒng)，利用專用庫的方法能夠明顯減少重復性工作量，提升效率。

利用該方案開發(fā)加工仿真系統(tǒng)，以期能夠降低開發(fā)難度、縮短開發(fā)周期，且能方便的集成入數(shù)控系統(tǒng)中。這對于實際開發(fā)數(shù)控加工仿真系統(tǒng)具有一定的參考價值，且能提高開發(fā)效率，滿足復雜數(shù)控加工環(huán)境下的加工仿真需求。

1常用數(shù)控加工仿真系統(tǒng)

常用的數(shù)控加工仿真系統(tǒng)主要有以下幾種：

(1)應用程序框架如Qt、VC等結合OpenGL技術。

(2)利用現(xiàn)有的造型系統(tǒng)實現(xiàn)基本造型并輸出相應的文件格式如廣泛應用的STL格式，然后導入系統(tǒng)中。

(3)在現(xiàn)有軟件功能基礎上利用提供的開發(fā)接口和開發(fā)語言對軟件功能進行二次開發(fā)，實現(xiàn)系統(tǒng)功能定制和擴展。

第一種開發(fā)方案的靈活性是最好的，但開發(fā)工作量也是最大的。第二種開發(fā)方案靈活性上差一些但是它減少了一部分工作量。最后一種方案的工作量是最少的，但它必須依賴于特定的現(xiàn)有軟件及其所提供的接口和功能，而且這種方案的最大一個缺點就是很難集成入當前的數(shù)控系統(tǒng)中。

在實際情況中必須依照具體的現(xiàn)實狀況和條件來選擇相應的開發(fā)方案，同時也希望能有一種開發(fā)方案能同時結合以上幾種方案的優(yōu)點并克服它們的缺點，在一定程度上基于數(shù)控加工仿真系統(tǒng)專用庫的開發(fā)方案實現(xiàn)了上述的期望。

2基于MachineWorks的數(shù)控加工仿真系統(tǒng)

2.1MachineWorks簡介

圖1　MachineWorks 庫的層次結構

MachineWorks是一種組件級應用程序開發(fā)接口工具包[10]。提供了一系列專門用于開發(fā)數(shù)控加工仿真系統(tǒng)的庫，以提高開發(fā)效率。

MachineWorks包含了一系列的庫，總體層次結構如圖1所示。

2.2開發(fā)方案優(yōu)點

相對于前面所介紹的第四種方案而言，具有很大的靈活性，不必依賴于具體現(xiàn)有軟件的功能和接口，而且能方便的集成入當前的數(shù)控系統(tǒng)中。

同時因為它是特定領域的軟件庫，因此對于開發(fā)數(shù)控加工仿真軟件系統(tǒng)的支持在一個比較高的層次上，開發(fā)過程中可以較少的關注底層的一些具體細節(jié)，而專注于實現(xiàn)系統(tǒng)的各個功能，減少了開發(fā)工作量。

2.3復雜數(shù)控加工環(huán)境仿真總體結構

整個數(shù)控加工環(huán)境主要包括毛坯模型、夾具模型、運動模型、控制模塊等，總體結構如圖2所示。

圖2　總體結構

3虛擬加工環(huán)境的建模

虛擬模型是物理模型在計算機系統(tǒng)內部的映射，它們之間的一致性是仿真結果可靠與否的重要保證。虛擬加工環(huán)境的建模主要包括兩個部分：幾何模型和運動模型。

虛擬加工環(huán)境中的模型包括由零件設計模型組成的機床模型、毛坯模型及其他相關物體的模型。構建幾何模型就是從這些模型的幾何關系出發(fā)，在系統(tǒng)內部建立模型的幾何信息如各自的幾何特征、互相之間的位置關系等，是進一步建立運動模型的基礎。構建運動模型就是在幾何模型的基礎上，從模型之間的運動關系出發(fā)，建立模型之間的運動鏈接關系。本文以典型虛擬數(shù)控機床模型的構建方法為例來說明，其余模型相對比較簡單。

3.1幾何模型

虛擬數(shù)控機床是一個由各個零部件組合而成的整體，這些零部件相互之間存在著裝配關系和位置關系。

裝配關系可以由一個層次結構圖來描述，如圖3所示。多個基本體素組成零件，多個零件組成部件，多個部件組成機床整體。這種層次關系反映了各個零部件之間的組成關系，由層次結構圖可知，表示幾何模型的數(shù)據(jù)結構中必須包含兩部分信息：

圖3　幾何模型的層次結構

(1)各個零部件的幾何和拓撲信息。

(2)各個零部件及基本體素之間的裝配組成關系。

幾何模型的一個重要作用是顯示真實機床的幾何特征和作為碰撞檢測的依據(jù)，精度越高，幾何特征越接近真實物體，碰撞檢測的精度也越高，消耗的計算資源也會越多。因此，在構建幾何模型時要兼顧精度與運行效率，在保證運行效率的情況下盡可能提高精度。

為了簡化建模過程和降低對計算資源的消耗，需要對由幾千個零部件組成的機床模型進行拆解和簡化，一些與加工仿真無關的部件可以忽略如排屑系統(tǒng)、保護外罩、冷卻系統(tǒng)等。

MachineWorks支持兩種幾何模型的建立方法，一種是直接調用內部API函數(shù)，構造基本體素級的圖元(primitive)如圓柱體、球體、長方體等或依據(jù)旋轉、平移等操作構造不規(guī)則基本體素，然后由這些基本體素通過布爾運算生成。優(yōu)點是較靈活，可以在程序運行過程中生成，但這種方法使用起來比較復雜，同時也會減慢系統(tǒng)運行速度。另一種是利用造型系統(tǒng)構造基本造型，然后導入系統(tǒng)中。優(yōu)點是系統(tǒng)運行速度較快，但是靈活性較差并且要占用較多的內存空間。

現(xiàn)有的一些造型軟件如Pro/E、UG等在實體建模方面具有很大優(yōu)勢，可以降低幾何建模難度，故利用造型軟件來構建一些復雜的幾何模型，生成STL格式文件，再導入系統(tǒng)中，而一些簡單的幾何模型則通過調用內部API函數(shù)的形式直接生成，以此兼顧幾何模型構建的靈活性和系統(tǒng)運行效率。

虛擬機床模型作為一個整體，不是由各個零部件隨意堆砌而成的，各個零部件之間存在著一定的位置關系，這個位置關系是依據(jù)物理模型間的位置關系而來的。由分層結構圖來描述位置關系如圖4所示，部件集Ci可表示為：

圖4　分層結構圖

式中cin表示ci的第n個基本部件模型，Pij為組成Ci的基本零件集。Tij表示對模型的平移和轉動，可以用一個轉換矩陣表示。機床整體M可表示為：

式中mn表示機床整體由n個部件組成。

通過轉換矩陣將基本模型按照要求的位置及方向放置，組成機床整體。任意一個轉換矩陣T可按照以下形式表示：

T=Tt×Tra×Trb×Trc,

式中Tt表示模型分別沿著x，y，z軸移動tx，ty，tz；Tra表示模型沿著a軸轉動α角；Trb表示模型沿著b軸轉動β角；Trc表示模型沿著c軸轉動γ角。

m個基本零件組成部件Ci可表示為：

式中Tij為表示部件Ci的第j個基本模型方向和位置的轉換矩陣。n個部件組成機床整體：

圖5　虛擬機床幾何模型

式中Ti為表示機床整體M的第i個部件方向和位置的轉換矩陣。

當建立了模型間的裝配關系及位置關系后即可建立機床整體的幾何模型，基于本文方法建立的一個虛擬機床幾何模型如圖5所示。

3.2運動模型

幾何模型中只有各個零部件模型的幾何信息，而構建虛擬加工環(huán)境的運動模型就是要建立它們之間的運動關系信息。運動關系信息描述了各個部件間存在的相互運動關系，也稱為運動鏈接關系。

機床的加工運動由數(shù)控加工代碼或刀位文件驅動，加工運動是所有運動部件運動合成的結果，每個運動部件的運動具有如下特點：有限的運動范圍(a軸的旋轉角度、x軸的平移距離)、每個運動部件只有一種運動類型(旋轉、平移)，復雜運動由多個部件同時運動實現(xiàn)、運動部件之間具有層次性的運動關系。

加工運動所涉及到的各個運動部件之間存在主從關系，這種運動關系稱為前向運動(forwardkinematic)。

加工運動所涉及到的運動部件之間存在著層次關系如圖6所示，上層運動部件相對下層運動部件為主部件，下層運動部件相對上層運動部件為從部件。主部件的運動會帶動從部件的運動，而從部件的運動則不會影響主部件的運動。整個加工運動某一時刻的運動狀態(tài)由各個層次運動部件的運動狀態(tài)所決定，是所有運動部件在某一時刻運動狀態(tài)的合成。

圖6　運動部件 層次關系圖

MachineWorks中用物體集合(solidassembly)的概念抽象的表示一個運動部件。一個物體集合內可以包含多個物體，當物體集合內的任何一個物體移動時，集合內的其他物體也會隨之移動并且物體之間的相對位置保持不變，這與現(xiàn)實狀況的直觀印象是相對應的。

在MachineWorks中以樹狀結構的數(shù)據(jù)模型表示運動部件之間的層次運動關系。樹中的任何一個節(jié)點代表一個物體集合，父節(jié)點可以擁有兩個或兩個以上的子節(jié)點。父節(jié)點移動時，它的所有子節(jié)點也會隨之移動，而子節(jié)點的移動不會影響父節(jié)點，這與運動部件之間的主從關系概念是相對應的。建立控制節(jié)點并將控制節(jié)點與物體集合中的某一物體相關聯(lián)，即可通過控制節(jié)點來控制一個物體集合的運動，包括運動范圍和類型。這樣所有運動部件的運動特點及其相互之間的關系都統(tǒng)一在了一棵運動樹狀結構中。

本文建立的一個通用的數(shù)控加工環(huán)境運動模型樹狀結構圖如圖7所示，根節(jié)點代表包含有基座的物體集合，基座節(jié)點的運動會帶動所有

圖7　運動模型樹狀結構圖

在基座上的運動部件的運動，這表現(xiàn)為所有其他物體集合節(jié)點都是它的子節(jié)點。

圖8　通過控制節(jié)點移動刀具

以y軸運動控制節(jié)點為例，通過y軸運動控制節(jié)點控制y軸物體集合在y軸的平移運動，y軸物體集合的平移運動會帶動所有子節(jié)點如包含刀具的物體集合子節(jié)點在y軸的運動，如圖8所示,刀具向下平移運動。

4控制系統(tǒng)建模

控制系統(tǒng)在整個仿真系統(tǒng)內的地位如圖9所示，控制系統(tǒng)讀取加工代碼并進行相應的分析，將加工代碼內的加工信息轉化為各個運動部件的運動，驅動整個虛擬加工環(huán)境的運作。

圖9　控制系統(tǒng)的作用

4.1數(shù)控加工代碼解析特點及解決方案

數(shù)控加工代碼是控制系統(tǒng)驅動虛擬加工環(huán)境運作的依據(jù)，通常對數(shù)控加工代碼有一個檢查過程，包括語法檢查和詞法分析，提取出其中的加工信息，然后轉化為表征虛擬加工環(huán)境中運動部件運動的內部數(shù)據(jù)，采用相關數(shù)據(jù)結構記錄保存這些數(shù)據(jù)。

難點在于，雖然就各類數(shù)控系統(tǒng)來說，大部分系統(tǒng)總體上參照了ISO標準，但是各類系統(tǒng)都對標準做了一定程度的修改，有不同程度的功能擴展。如果對每類系統(tǒng)分別設計一個模塊，在運行時載入相應的模塊，系統(tǒng)過于冗余、繁瑣，而且這樣做需要頻繁增添模塊，不易維護。一個較好的方案是建立一個通用模塊，這個通用模塊的執(zhí)行依據(jù)兩個規(guī)則庫：一個遵循通用標準的規(guī)則庫，一個由用戶自定義或默認的特殊規(guī)則庫。特殊規(guī)則庫保存了不同系統(tǒng)的功能擴展信息，用于記錄和識別擴展的加工代碼規(guī)則。這種方案的優(yōu)點是整個系統(tǒng)具有可配置、可擴展性，便于維護。

4.2控制系統(tǒng)的總體結構及實現(xiàn)方法

本文建立的控制系統(tǒng)總體結構如圖10所示，預處理的主要功能是規(guī)范加工代碼格式如去除多余空格、替換宏定義等以便進一步的分析處理。語法檢查和詞法分析是根據(jù)相應系統(tǒng)預定義的規(guī)則和相關數(shù)控加工知識，對加工代碼進行語法構詞及語義上的檢查。檢查以預先定義的兩個規(guī)則庫作為依據(jù)，若出現(xiàn)不符合預先定義的規(guī)則庫的情 況，則認為出現(xiàn)錯誤。出現(xiàn)錯誤的同時顯示錯誤信息和加工代碼便于重新修改。通過詞法分析和語法檢查后，需要解析加工代碼，提取加工代碼中的加工信息，轉化為各個運動部件的動作、狀態(tài)和刀位軌跡信息。解析過程是以預先定義的運動模型作為依據(jù)的，將運動信息依據(jù)運動部件之間樹狀層次結構分解為各個運動部件各自的位置變化，由此驅動虛擬加工環(huán)境內各個運動部件的運動，顯示加工過程。

圖10　控制系統(tǒng)總體結構

5結論

本文介紹了一種基于專用庫開發(fā)數(shù)控加工仿真系統(tǒng)的方法，并在該方法基礎上對復雜數(shù)控加工環(huán)境的仿真及相關關鍵技術做了仔細研究，經過實際的開發(fā)測試，利用該方法來開發(fā)數(shù)控加工仿真系統(tǒng)，思路清晰、開發(fā)難度相對較小、能夠明顯降低工作量縮短開發(fā)周期，能滿足復雜數(shù)控加工環(huán)境下的加工仿真需求，系統(tǒng)也具有一定的彈性，能方便的集成入數(shù)控系統(tǒng)中，對實際開發(fā)數(shù)控加工仿真系統(tǒng)具有一定的參考價值。但因為MachineWorks對數(shù)控加工仿真系統(tǒng)中的控制系統(tǒng)的建模功能支持目前還不是很完善，在大部分情況下需要獨立開發(fā)一個控制系統(tǒng)，故對于實際的復雜數(shù)控加工仿真還有待進一步研究和開發(fā)測試。

[參考文獻]

[1]JGLi,HZhao,YXYao,etal.Off-lineoptimizationonNCmachiningbasedonvirtualmachining[J].TheInternationalJournalofAdvancedManufacturingTechnology,2008,36(9,10):908-917.

[2]YuZhang,Xiao-LanBai,XunXu,etal.STEP-NCBasedHigh-levelMachiningSimulationsIntegratedwithCAD/CAPP/CAM[J].InternationalJournalofAutomationandComputing,2012,9(5): 506-517.

[3]ZhangJian-Min,FanYu,JiaDong-yun,etal.KinematicsimulationofaparallelNCmachinetoolinthemanufacturingprocess[J].FrontiersofMechanicalEngineeringinChina,2006,1(2):173-176.

[4]RozmarinaDubovska,JaroslavJambor,JozefMajerik.ImplementationofCAD/CAMsystemCATIAV5inSimulationofCNCMachiningProcess[J].ProcediaEngineering,2014,69(2014):638-645.

[5]王中勝，張磊，劉萬普,等. 基于Vericut的車銑復合加工中心虛擬仿真研究[J]. 航空制造技術，2011，1(2):106-110.

[6]章善財，夏鏈，韓江. 通用NC代碼編譯器的設計與實現(xiàn)[J].組合機床與自動化加工技術，2014(10)：53-56.

[7]吳陳燕. 正交型五軸虛擬機床構建及NC刀具路徑仿真模擬[J]. 組合機床與自動化加工技術，2013(12):130-132,135.

[8]崔海龍，關立文，滑勇之，等. 基于VERICUT二次開發(fā)的數(shù)控加工切削力仿真研究[J]. 組合機床與自動化加工技術，2012(5):9-12.

[9]王偉，張鵬，劉慶云. 制造業(yè)中虛擬仿真技術的發(fā)展研究[J]. 組合機床與自動化加工技術，2013(7)：1-4.

[10]MachineWorks Ltd. Programmer’s Guide[M]. Sheffield:MachineWorks Ltd,2012 .

[11]MachineWorks Ltd. Geometry[M]. Sheffield:MachineWorks Ltd,2012.

[12]MachineWorks Ltd. Simulation, Volume 1,2[M]. Sheffield:MachineWorks Ltd,2012.

[13]MachineWorks Ltd. Full Machine Simulation[M]. Sheffield:MachineWorks Ltd,2012.

[14]MachineWorks Ltd. Graphics[M]. Sheffield:MachineWorks Ltd,2012.

[15]孫家廣. 計算機圖形學 [M]．3版.北京：清華大學出版社，1998.

[16]李斌，李曦. 數(shù)控技術[M]．武漢：華中科技大學出版社，2010.

(編輯李秀敏)