數控機床作為數控加工中重要的一種精密設備,
在以往數控機床實操培訓中,由于硬件和管理的限制, 不便于長期使用設備,因此實際訓練不便于實施,特別是針對高職院校學生而言更是如此[1]。為了更好地 培訓數控機床的操作人員,避免培訓過程中造成設備損壞、降低訓練成本,有效解決精密設備的培訓問題。國內外的高校和相關研究機構做了大量研究: 文獻
[2]中提出了基于物理引擎軟件和渲染硬件,優化虛擬場景的渲染,增加虛擬效果;文獻[3]中開發了通過圓臺離散法提供待加工零件模型并配合相應的算法實現虛擬車削仿真系統; 文獻[4]中采用 MVC ( Model View Controller) 設計模式的總體框架設計理論以及功能模塊化的設計思想設計開發了虛擬沖床仿真系統。目前,大多數的虛擬實訓系統集中在單純演示系
統運動的方面,并沒有結合數控機床的控制器和實際的加工環境。因此,本文針對四軸加工中心提出了一種融合半物理仿真思想[5]的虛擬實訓系統架構,即采用物理引擎軟件模擬四軸加工中心的實際運動,采用真實的機床控制器控制虛擬模型的運動,并且通過數據采集系統[6]采集傳感器信號獲取真實的加工環境信息的低成本高效率的虛擬實訓系統。最后,以具體的 4060 型雕刻機( X / Y / Z 線性位移軸 + 繞 X 的旋轉軸) 為原型,設計了一款面向四軸加工中心的半物理仿真虛擬實訓系統。
1 總體架構
虛擬實訓系統主要由控制器系統、軟件系統和通 信模塊組成。半物理仿真虛擬實訓系統架構如圖 1 所 示。本系統將數控機床中成本較低且具有核心技術的 機床控制器作為實物引入仿真回路,將生產成本較高 且體積較大的數控機床本體用物理引擎軟件的虛擬模 型代替。同時,為了提高實訓過程的全面性和真實性, 系統引入了 G 代碼輸入區進行 G 代碼的編寫[7]。同時,加入數據采集系統實時采集加工環境的信息。為 了增加用戶的交互體驗感,我們將虛擬模型的運行界 面嵌入到人機交互界面中。其中,人機交互界面和機 床控制器之間采用以太網通信,機床控制器和數據采 集系統之間采用 SPI 通信,人機交互界面和物理引擎軟件之間采用 SOCKET 通信。
虛擬實訓系統流程為用戶在人機交互界面的 G代碼輸入區中編寫 G 代碼以及設定相應的參數值或者直接導入 G 代碼,設置完成后,數據通過以太網通信傳輸給機床控制器。同時,用戶返回到人機交互界面的虛擬實訓區設置相應的參數,并且給機床控制器發指令調用程序。機床控制器得到響應后,將控制信號通過以太網通信回傳給人機交互界面。人機交互界 面調用算法和相應程序將信息進行處理后,通過
SOCKET 通信給物理引擎軟件發送命令,物理引擎軟件中的虛擬模型即可完成相應的加工動作。同時,數據采集系統通過傳感器組實時采集加工環境的信息, 數據經過處理后反饋到人機交互界面中,實時的顯示給用戶。用戶在人機交互界面上可以進行系統設置, 并實時觀看虛擬加工場景和被控數控機床的加工 過程。
2 控制器系統設計
系統的控制器系統設計主要包括機床控制器和數 據采集系統的設計。
2. 1 機床控制器的設計
機床控制器的主要功能是輸出控制物理引擎軟件中虛擬模型的數字信號和接收并處理實際加工環境的信息。控制器系統的原理框圖如圖 2 所示,系統的控制器系統采用一個主處理器,多個從處理器的模式[8]。各個從處理器之間通過通信建立連接,再由主處理器統一調度,協調處理各自的任務。主處理器采用 STM32F429IGT6 芯片,它是基于 ARM Cortex - M4 內核的 CPU,含有豐富的接口和外設,除了基本的電源、時鐘之外還有通用和復用功能 I / O 口、DMA 通道、JTAG 接口、CAN 總線、I2C 總線、SPI 總線和 USB 總線等。通信從處理器采用 STM32F103ZET6 芯片,它通過SPI 總線分別和 W5500 芯片、數據采集系統和運動從處理器之間建立通信。其中,W5500 芯片建立了機床控制器和人機交互界面之間的以太網通信。算法從處 理器的主要功能是分析和處理數據。
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本文提出了半物理仿真技術結合機床控制器的虛擬實訓系統架構。本架構融合了半物理仿真的思想, 具有開發成本低和逼真程度高的特點。基于本系統架構,我們具體實現了四軸加工中心的虛擬實訓系統,該系統實現了實時演示、多角度觀察的功能,提高了用戶學習的樂趣和積極性,為四軸加工中心的實訓做了很好的鋪墊,達到理論教學和實際操作過渡結合的效果。
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