陳閣　邱明勇

摘? 要：目前，在數(shù)控機床加工工件時，技術(shù)人員希望能夠在辦公室里隨時獲得車間內(nèi)機床和工件的各種信息，特別是當(dāng)前工件的切除狀態(tài)，從而達(dá)到對機床加工狀態(tài)的實時獲取。隨著無人化工廠的大量出現(xiàn)，通過遠(yuǎn)程查看機床和工件的狀態(tài)，變得更加緊要。文章提出了一種數(shù)控機床遠(yuǎn)程加工仿真的方法，可以通過部署在局域網(wǎng)內(nèi)的終端設(shè)備（手機或者平板電腦），查看機床和工件的加工狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機床;遠(yuǎn)程仿真;終端設(shè)備

中圖分類號：TP391.9? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）09-0142-03

A Method for Remote Simulation of Numerical Control Machine

CHEN Ge，QIU Mingyong

（Shenji（Shanghai）Intelligent System Development and Design Co.，Ltd.，Shanghai? 200433，China）

Abstract：At present，in the CNC machine tool processing workpiece，technicians hope to be able to get in the office at any time in the workshop machine tool and workpiece information，especially the current workpiece excision state，so as to achieve real-time access to the machine tool processing state. With the emergence of unmanned chemical plants in large numbers，remote viewing of the status of machine tools and workpieces has become more critical. This paper presents a method of remote machining simulation，which can check the machining status of machine tool and workpiece by deploying terminal equipment （mobile phone or tablet PC） in LAN.

Keywords：numerical control machine;remote simulation;terminal equipment

0? 引? 言

在現(xiàn)有技術(shù)中，數(shù)控機床（Computer Numerical Control Machine Tools，CNC）端已經(jīng)有工件材料去除實時仿真的功能，可以通過機頭查看工件切除的狀況，然而，遠(yuǎn)程查看機床工件切除狀態(tài)的功能還不多見，采用在機床內(nèi)部按照監(jiān)控攝像機的方法，在機床內(nèi)部大量冷卻液加工的環(huán)境下，也不能看清工件的加工狀況。因此，通過遠(yuǎn)程查看機床的加工狀態(tài)和工件的加工進度，同步顯示機床端工件的切除狀態(tài)，并可以使遠(yuǎn)程操作者對仿真頁面進行交互操作，如對工件和刀具進行縮放、旋轉(zhuǎn)等操作查看細(xì)節(jié)，隱藏刀具軌跡，只顯示關(guān)心的工件細(xì)節(jié)等功能，變得尤為重要[1]。

1? 功能實現(xiàn)

為了克服上述缺點，筆者結(jié)合自身工作經(jīng)驗，提出了一種遠(yuǎn)程查看數(shù)控機床工件加工狀態(tài)的方法。在遠(yuǎn)程終端（例如手機或者平板）可以同步顯示機床的運動狀態(tài)和工件的加工進度。操作者可以在手機或者平板上下載相關(guān)軟件，通過軟件查看機床和工件的加工情況，并通過觸屏操作進行簡單的觸控，然后對工件進行縮放，移動和旋轉(zhuǎn)操作可以查看工件不同視角的加工情況，而且能夠觀察到工件的加工細(xì)節(jié)，可以通過顯示/隱藏功能，只顯示用戶關(guān)心的內(nèi)容，如刀具軌跡和工件，同時，該系統(tǒng)可以設(shè)置工具的類型和尺寸等參數(shù)。本文也提供了一種從CNC端到終端設(shè)備完整方案，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程查看，實現(xiàn)過程包括CNC端和終端（手機或者平板設(shè)備）[2]。

1.1? CNC端實現(xiàn)的功能

CNC端生成理論軌跡和實際軌跡，理論軌跡是指根據(jù)NC代碼解析出的刀具軌跡，包括CNC前端的部分，實際軌跡為通過采樣獲取的刀具已經(jīng)走過的軌跡;理論軌跡是通過CNC端的譯碼模塊，獲取的刀具類型和機床坐標(biāo)系的目標(biāo)值（目標(biāo)值就是執(zhí)行到某一行NC代碼時，NC代碼編程時的值）等數(shù)據(jù)。

CNC端將對從譯碼模塊獲得的數(shù)據(jù)（理論軌跡和實際軌跡）進行整合，生成理論軌跡;實際軌跡是通過對實時的CNC、刀具位置坐標(biāo)、刀具參數(shù)（包括刀具類型、刀沿方向、刀具長度、刀具半徑）數(shù)據(jù)進行采樣，并結(jié)合理論軌跡生成工件切除需要的實際軌跡（只進行采樣會丟失關(guān)鍵刀具點）[3]。

工件切除仿真的邏輯部分，即實現(xiàn)工件模型數(shù)據(jù)的改變，對工件模型進行布爾減操作，當(dāng)?shù)毒咭苿訒r，形成刀具的掃掠體，工件的布爾減是指工件模型去掉與刀具掃掠體相交的部分，當(dāng)有顯示終端訪問時，CNC端將理論軌跡、實際軌跡以及實時能夠生成工件三維結(jié)構(gòu)需要的數(shù)據(jù)打包發(fā)送到顯示終端，當(dāng)CNC端與顯示終端的連接建立后，只發(fā)送理論軌跡和實際軌跡改變的部分（在上一次發(fā)送到終端后新增加的部分），以節(jié)約網(wǎng)絡(luò)資源[4]。

1.2? 顯示終端實現(xiàn)功能

顯示終端和CNC端建立連接，從CNC端獲取刀具參數(shù)、工件參數(shù)、理論軌跡數(shù)據(jù)、實際軌跡數(shù)據(jù)，然后在顯示終端本地保存理論軌跡數(shù)據(jù)、實際軌跡數(shù)據(jù)，并且渲染理論軌跡和實際軌跡，對刀具參數(shù)進行解析，渲染刀具，解析工件參數(shù)，對工件進行渲染，處理用戶的交互操作，主要處理用戶的觸控操作，獲取用戶的觸控類型，如單指雙指滑動等，將觸控數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)顯示場景的平移、旋轉(zhuǎn)和縮放。用戶可以對終端顯示的場景進行平移、旋轉(zhuǎn)和縮放操作，方便用戶查看關(guān)心的細(xì)節(jié)、設(shè)置工件屬性等。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以通過遠(yuǎn)程的顯示終端上查看經(jīng)過仿真的機床的加工狀態(tài)和工件的加工進度[5]。

工件切除邏輯部分，可以放在CNC端，也可以放在顯示終端上，同時，也可以搭建一臺獨立的服務(wù)器，將切除邏輯部分放到服務(wù)器上，原因是工件切除邏輯部分需要更多的資源，通過將算法放在不同的位置，可以平衡資源，當(dāng)將運算放到CNC端時，CNC端需要發(fā)送工件的實時數(shù)據(jù)，放到非CNC端時，CNC端不需要發(fā)送工件實時數(shù)據(jù)，但是需要發(fā)送工件切除邏輯需要的所有數(shù)據(jù)，包括歷史數(shù)據(jù)，即加工開始到當(dāng)前需要的所有數(shù)據(jù)。

關(guān)于數(shù)據(jù)格式，CNC端可以發(fā)送實時生成的軌跡數(shù)據(jù)，也可以先將NC代碼進行預(yù)譯碼，生成軌跡和工件切除邏輯需要的數(shù)據(jù)格式，然后將該數(shù)據(jù)發(fā)送到顯示終端或者中間的服務(wù)器，中間數(shù)據(jù)包含與機床相關(guān)的刀具數(shù)據(jù)、每一段的編號，便于同步CNC端與現(xiàn)實終端或者服務(wù)器，采用這種方法的好處是在CNC執(zhí)行過程中，只需要很少的數(shù)據(jù)通信，就可以實現(xiàn)CNC端、顯示終端或者服務(wù)器的同步;缺點是需要進行預(yù)譯碼，生成中間文件，在連接建立時，需要同步中間文件，適合CNC端加工同一個程序的情況。

2? 技術(shù)效果

本文能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程查看仿真加工的效果，CNC端將顯示終端需要的數(shù)據(jù)，包括理論軌跡、實際軌跡、刀具類型、工件模型，傳給終端，CNC端和網(wǎng)絡(luò)只需要少量的資源。用戶可以對終端渲染的場景進行平移、旋轉(zhuǎn)和縮放操作，方便用戶查看關(guān)心的細(xì)節(jié)、設(shè)置工件屬性等，同步或者提前幾秒查看工件的加工狀態(tài)和機床軸的運動狀態(tài)、顯示效果流暢、美觀。

3? 實施過程

整體操作流程如圖1所示，左側(cè)為CNC端處理流程，右側(cè)為終端處理流程。

CNC端負(fù)責(zé)對軌跡點進行處理，包括軌跡點的擬合、去除無效點，并對軌跡點（包括理論軌跡和實際軌跡）進行打包發(fā)送，同時，對工件進行切除運算和CNC端的界面顯示。在終端和機床端建立連接時，會同步刀具和工件數(shù)據(jù)，就是將CNC中的刀偏表、軌跡和當(dāng)前工件的狀態(tài)同步到終端設(shè)備，讓終端打開APP時，顯示內(nèi)容和CNC端的顯示內(nèi)容相同。之后，終端設(shè)備會接收到CNC端發(fā)來的新增軌跡點數(shù)據(jù)，然后終端設(shè)備會根據(jù)新增的軌跡點接收的實時工件數(shù)據(jù)，更新顯示界面。由于每次只處理新增軌跡點，減少了帶寬占用，提高了效率。

4? 實施效果

當(dāng)用戶要查看機床的加工狀態(tài)時，可以打開顯示終端的應(yīng)用，通過掃描機床上的二維碼或者輸入機床的IP地址，顯示終端確認(rèn)后與機床建立連接。連接建立后，顯示終端會向連接的CNC端發(fā)送數(shù)據(jù)請求，CNC端收到請求后，會將保存的所有與圖形模擬相關(guān)的數(shù)據(jù)打包發(fā)送給顯示終端，終端顯示效果如圖2所示。

顯示終端獲取數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進行顯示和渲染，可以通過查看視圖左下角的顯示頁面，此時，顯示終端頁面顯示機床的刀具軌跡和工件切除狀態(tài)，顯示終端的顯示與機床刀具的運動同步;點擊圖形模擬按鈕，可以切換到全屏顯示圖形模擬，用戶可以通過單指滑動對渲染的場景進行旋轉(zhuǎn)，雙指滑動實現(xiàn)渲染場景的平移，雙指實現(xiàn)場景的縮放操作，三指點擊實現(xiàn)繪圖重置，即恢復(fù)到初始視角，點擊工件設(shè)置按鈕，實現(xiàn)工件大小的設(shè)置，設(shè)置后，會向CNC端發(fā)送請求，CNC端會在下次程序開始時，按照新的工件設(shè)置進行工件切除運算。還可以通過刀具、軌跡、工件的顯示/隱藏按鈕，進行顯示/隱藏操作，只顯示用戶感興趣的部分，點擊清除軌跡按鈕，會清除顯示終端和CNC端的歷史數(shù)據(jù)。

CNC端與顯示終端的連接建立后，每隔100 ms，CNC端都會將100 ms內(nèi)增加的數(shù)據(jù)，包括軌跡、刀具、工件數(shù)據(jù)發(fā)送給顯示終端，顯示終端對新的數(shù)據(jù)進行顯示和渲染。

5? 結(jié)? 論

通過使用iPad連接公司內(nèi)網(wǎng)并運行APP，然后開啟車間的機床，車間機床也接入了公司內(nèi)網(wǎng)，通過測試，將iPad上顯示的工件切除狀態(tài)和機床機頭上的顯示進行對比，延遲基本都在1 s以內(nèi)，可以顯示效果流程，達(dá)到了預(yù)期的要求。另外，本文只實現(xiàn)了局域網(wǎng)內(nèi)的遠(yuǎn)程仿真，將來該功能可以跨越網(wǎng)絡(luò)，在公網(wǎng)上實現(xiàn)。

參考文獻：

[1] 陳閣.一種工件材料去除仿真的方法 [J].無線互聯(lián)科技，2014（10）：115-116.

[2] 王廣官.基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的數(shù)控車床仿真系統(tǒng)的研究與開發(fā) [D].杭州：浙江大學(xué)，2016.

[3] 辛全琦.數(shù)控加工通用幾何仿真關(guān)鍵技術(shù)的研究 [D].天津：天津大學(xué)，2018.

[4] 羅亞波，陳定方，肖田元.遠(yuǎn)程數(shù)控仿真的一種編程實現(xiàn)方法 [J].武漢理工大學(xué)學(xué)報（交通科學(xué)與工程版），2004（1）：62-65.

[5] GINSBURG D，PURNOMO B，等.OpenGL ES 3.0編程指南：第2版 [M].姚軍，等譯.北京：機械工業(yè)出版社，2015.

作者簡介：陳閣（1981—），男，漢族，河北邯鄲人，工程師，碩士，研究方向：圖形圖像處理。