虚拟数控轨迹仿真系统研究与开发.pdf

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1、设计与研究脚a n dR 绷呦虚拟数控轨迹仿真系统研究与开发+刘有余王立涛付立新许德章(安徽工程科技学院先进数控和伺服驱动技术安徽省重点实验室，安徽芜湖2 4 1 0 0 0；安徽省黄山台钻有限公司，安徽旌德2 4 2 6 0 0)摘要：采用虚拟现实技术，研究与开发虚拟数控轨迹仿真系统，介绍了系统开发思想和仿真系统若干关键技术问题的处理。系统直观开放、稳定可靠，可作为数控系统开发、人员培训的虚拟科研与教研等的环境支撑设备。关键词：虚拟现实数控插补软件开发R e s e a r c ho na n dD e v e l o p m e n to fS i m u l a t i o nS y s

2、 t e mo fV i r t u a lN CP a t hL I UY o u y u，W A N GL i t a o，F UL i x i n，X UD e z h a n g(!)A n h u iK e yL a b o r a t o r yo fA d v a n c e dN u m e r i c a lC o n t r o l&S e r v oT e c h n o l o g y，A n h u iU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g ya n dS c i e n c e，W u h u2 4 1 0 0 0，C H N

3、；)A n h u iH u a n g s h a nB e n c hD r i l l i n gM a c h i n eC o，L t d，J i n g d e2 4 2 6 0 0，C H N)A b s t r a c t：T h ea u t h o ru s e dt h ev i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g yt or e s e a r c ha n dd e v e l o pt h es i m u l a t i o ns y s t e mo fv i r t u a lN Cp a t h T h es y

4、s t e mh a st h e c h a r a c t e r i s t i c so fi n t u i t i o n，o p e n i n g，s t a b i l i z a t i o na n dc r e d i b i l i t y，w h i c hc a nb eu s e da sv i r t u a lr e s e a r c hi n s t r u m e n ta n dt e a c h i n ge q u i p m e n ti nr e s e a r c hi n s t i t u t i o n so rg e n e r a

5、 lu n i v e r-s i t i e s K e y w o r d s：V i r t u a lR e a l i t y；N u m e r i c a lC o n t r o l；I n t e r p o l a t i o n；S o f t w a r eD e v e l o p m e n t数控机床是现代制造业核心装备，数控轨迹控制(插补)是数控机床核心工作原理，揭示数控加工本质，在数控科研和教研中占有重要地位。这些原理晦涩抽象，真实机床都把插补原理固化在机床芯片中，无法看清刀具轨迹控制，更不能分析比较多种插补算法精度及效率。目前，国内外对虚拟数控加工的几何仿真

6、和物理仿真系统研究已进行了大量工作旧，3J，出现U G、C A T I A、M a s t e r C A M、C A X A 等成熟的商业软件，有力推动了C A D C A M 技术在数控加工领域的应用与发展；另外，数控机床装置本身的轨迹控制也是国内外研究的一个热点，旨在研发高精高效数控插补算法和实现方法【4 5J。但旨在构建设计插补算法平台、虚拟再现插补机理的数控轨迹控制虚拟化研究未见报道，长期以来，数控轨迹控制的科研和教研只能“纸上谈兵”。针对此种状况，笔者研发了虚拟数控轨迹仿真系统，该系统可作为软机床代替真实机床对创新插补算法调试实现，并能虚拟再现真实机床2 D 和3 D 插补机理，可

7、分析比较各种插补算法的精度及效率，达到真实硬件设备无法做到的事情。本文就系统结构模块和系统研发中关键技术问题的处理开展研究。1 系统结构模块本系统采用虚拟现实(V i r t u a lr e a l i t y)技术J，用计算机仿真方式建立虚拟数控轨迹仿真环境，将用户“投人”到该环境中，实现用户与该环境直接进行自然交互，达到在计算机上实现数控科研和教研的目的。本项目选用W i n d o w sX P 作为软件开发的操作系统、V i s u a lB a s i c 作为开发工具。系统结构模块如图l 所示。其中“设计编辑”采用面向对象技术，开发了可扩充工具箱，用户可创新插补算法，在工具箱中选

8、取适当工具实现插补思想。同时创新的插补算法可在“仿真实现”中进行仿真实现，评价其性能优劣。“插补仿真模块”从动态可视化和人机交互的方式来指导用户进宰国家高技术研究发展计划(8 6 3)项目(2 0 0 6 A A 0 4 2 2 4 4)；安徽省高等学校青年教师科研资助计划项目(自然科学项目)(2 0 0 6 j q l l 4 7)；安徽省“十五攻荚”项目(0 6 0 1 2 1 0 0 B)；安徽省教育厅省级自然科学研究项目(2 0 0 6 K J 0 7 7 A)；安徽工程科技学院青年科研基金资助项目(2 0 0 4 Y Q 0 0 3)；安徽工程科技学院教学研究项目(2 0 0 7 y

9、 j y 2 5)酌鼍母訾茎辫万方数据行数控插补算法的仿真实现，并可分析评价其精度及效率，真正达到形象直观的效果。I 虚拟数控轨迹仿真系统11。I 怠!l 新插补设计模块I I 插朴仿舆模块l I 系统管理模块I I 帮助模块I上上1去上壶舞_ L抛数接条物设仿I ；字函曲线积数线插分法插褂法插李插赴一计真圭朴编实辑现-_ _图1 系统结构模块2 仿真系统的关键技术(1)过象限坐标变换如图2，X O Y 坐标系里逆圆弧A 曰跨过3、4、1、2 共4 个象限，且圆弧圆心不在坐标原点。插补此类圆弧，可采用坐标变换法：在圆弧圆心建立新坐标系X7 0 y，与X O Y 各坐标轴平行，将圆弧A B 在X

10、 0 Y 坐标系内按象限分成A S 和S B 两段。对圆心在坐标原点的各类圆弧，根据其顺、逆和始点、终点的不同，共可分为8 种情况 J，y 百、Y、oro(c)丁。图2 圆弧过象限坐标变换针对8 种情况可分别编制8 个插补子程序。图2 中觚和船圆弧可引用子程序插补。现以昭段为例，设S、B、C 在X O Y 坐标系内坐标为(瓠，Y。)，(菇日，Y 口)，(戈。，Y。)，应用矩阵计算式(1)，可计算出S、B 在X 0 Y 坐标系中坐标(菇s，y s)，(石口，Y7 口)。(分仨仨a调用子程序在X 0 Y 坐标系中插补册圆弧，所得中间点坐标值构成矩阵：应用矩阵计算式(2)，可计算出X O Y 坐标系

11、中各插补中间点(z s，Y s)、(菇I，Y 1)、(石2，Y 2)、(名。，Y。)、(石日，脚州2 0 0 童9m 铺5 M-、一，Y B)。了s，l毙Y 一l，。Y aD e s i g n a n dR 删呦设计与研究+(2)应用上述原理，可插补任意圆弧。此原理也可应用于直线插补。(2)圆弧输入参数变换为使插补出的轨迹图形与理论轮廓形成对比，本系统提供“绘制轮廓”功能，用L i n e 或c i r c l e 把待插补的直线或圆弧绘制出来。以2 D 为例，数控插补圆弧编程指令格式一般为“G 0 2 G 0 3X Y R F 一；州，即仅需输入圆弧的终点坐标、半径等数值(起点为刀具当前点

12、，为已知)；而V i s u a lB a s i c 绘制圆弧的格式为“o b j e c t C i r c l e s t e p (x，Y)，r a d i o ，c o l o r，s t a r t，e n d，a s p e c t ”【8 ，即要求指定圆弧的圆心坐标、半径、弧的起点和终点角度。如图3，过任意起点为A(硝，Y)、终点为B(钿，Y 口)、半径为月的劣弧有逆圆l 和顺圆2，逆圆l 的起点角度傀，和终点角度口。、圆心坐标计算如公式(3)、(4)；顺圆2 的起点角度n：和终点角度、圆心坐标计算如公式(5)、(6)。特别指出，V B 是按逆时针绘制圆弧【8J，故绘制顺圆2

13、的起点为曰，终点为A。图3 劣弧几何计算a l=a r c t a n f 生垒1、y B y 一c s i n 陋芝净型)卢。=a r c t a n f 塑1、)，口一n Is i n 陋五雾)翼墙-R c m o s a，16 7Sl2一”8儿九儿儿几儿S，2一nB小以办办办S，2一n8茁x茁菇髫Sl2=一n口儿九儿儿几儿万方数据设计与研究脚a n d 肭a：=订+a r c t a n、X,A-一X B Y sY A l、一s i n 陋孕)3 z2 订+a r c t a nXA-万XBYs1，s i n、(x A-砭x s)2 霉+(Y A-Y s)2)如图4，过任意起点为A(硝，

14、Y A)、终点为B(石。，Y。)、半径为R 的优弧有顺圆l和逆圆2，顺圆1 的起点角度a。和终点角度p。、圆心坐标计算如公式(7)、(8)；逆圆2 的起点角度啦和终点角度岛、圆心坐标计算如公式(9)、(1 0)。(6)图4 优弧几何计算”a r c t a n(麓)一c s i n 陋掣)肛a r c t a n(麓)+a 吲n、(x A-x a)2+(Y A-Y B)2 一)鼹=n x,_ R s-R c i o 峨s f l l(8)”订c t a n(篙Y s1、一y 一c s i n 陋掣)废+a r c t a n(鬻Y s)、一y ，【s i n 陋五簿)y x m 0 2：=x

15、s+-尺R。c i o 叩s f l：2(3)脉冲当量参数化但本项目开发的仿真系统脉冲当量参数化，可改变其大小，仿真不同精度机床的轨迹插补，以形成对比。经典理论中的脉冲当量为l【7】，本仿真系统中脉冲当量设为变量(参数化)，要求修正各种插补算法的经典理论。以第l 象限逐点比较法直线2 D 插补为例，修正前后的插补轨迹控制公式见表I。表1 插补轨迹控制公式修正前后对照表修正前修正后(6 为脉冲当量)F Oo“l=x I+1，OX i+I2 z 坩坐标进给坐标进给，0Y i+I2 以+1，O，“I=y i+占，OF+I=，。儿F OF i+l=F 硝扎偏差计算偏差计算F 0F i+l=，I+x。F

16、 OF+I=F i+缸。终点判断n=I z。I+I 儿I终点判断n=(I x。I+l Y e I)8(4)图形显示失真处理插补轨迹图形用P i c t u r e B o x 控件显示，因为它与I m a g e 控件相比，能用L i n e 和c i r c l e 等方法绘图，也能用p r i n t 方法接受文本旧J。插补图形显示屏幕的x 轴与y 轴坐标刻度单位应该相等，否则插补轨迹图形将变形。如图5 a 所示，插补出的圆弧变形为椭圆弧，并且插补出的轨迹图形与理论轮廓圆弧不相吻合。这是由于P i c t u r e B o x 的W i d t h 和H e i g h t 的比值与S

17、c a l e W i d t h 和S c a l e H e i g h t 的比值不相等的缘故；V i s u a lB a s i c 的坐标系变换后，c i r c l e 只有圆心使用S c a l e，半径使用S c a l e W i g t h，而L i n e 使用S c a l e。图5 b 是P i c t u r e B o x 的W i d t h 和H e i g h t 的比值与S c a l e W i d t h和S c a l e H e i g h t 的比值相等时插补轨迹图形。另外，插补轨迹图形在放大、缩小时，为保证图形比例协调不失真，也应使P i c

18、 t u r e B o x 的W i d t h 和H e i g h t 的比值与S c a l e W i d t h 和S c a l e H e i g h t 的比值相等。(1 0)3 结语真实机床的脉冲当量是确定值，标志其加工精度。6 8(a)图5 图形显示失真阀题(b)基于上述理论开发的虚拟数控轨迹仿真系统M D I界面见图6。系统提供创新插补功能，可作为软机床脚訾U 茎耋等一u j 十_ _ m5 毒吨OCSR 冠一+矗矗石y=I I晚髫y，f1L万方数据代替真实机床对创新插补算法进行调试，缩短数控系统软件的开发周期，节省开发成本；插补仿真功能以直观形式虚拟再现真实机床插补机

19、理，可分析评价5 种插补性能，达到真实硬件设备无法做到的事情，具有先进性、直观性、交互性、安全性、开放性等优点，为现代数控科研和教研提供了一种富有价值的辅助工具。经实际使用，该系统使用方便、稳定可靠、实用程度高，必将在系统开发、人员培训等数控领域产生深远影响，具有不可估量的经济效益和社会效益。图6 虚拟数控轨迹仿真系统M D I 界面D e s i g na n d 隐肭设计与研究参考文献1 赵国勇，徐志祥赵福令高速高精度数控加工中N U R B S 曲线插补的研究中国机械工程，2 0 0 6，1 7(3)：2 9 1 2 9 42 黄雪梅。赵明扬，王启义虚拟数控车削物理仿真系统的研究与开发中

20、国机械工程，2 0 0 2，1 3(1 5)：1 3 3 6 1 3 3 83S K O n g M A M a n 啪V i r t u a lr e a l i t ys i m u l a t i o n sa n da n i m a t i o n si naw e b-b a s e di n t e r a c t i v em a n u f a c t u r i n ge n g i n e e r i n gm o d u l e C o m p u t e r sE d u c a t i o n。2 0 0 4，4 3(4)：3 6 1-3 8 24E r d o s

21、G，M u l l e rM。P a u lX P a r a m e t r i ct o o lC O I T e C t i o na l g o r i t h mf o r5一a x i sm a c h i n i n g A d v a n c e si nE n g i n e e r i n gS o f t w a r e，2 0 0 5，3 6：6 5 4 6 6 35H UJ u n，X I A OL i n g j i a n，W A N GY a h a n，e ta 1 A no p t i 舳l 向，d 功i em o d-e la n ds o l u t i

22、 o na l g o r i t h mf o rah i g h-s p e e d m a e h i n eo fs m a l ll i n eb l o c k sw i t hl o o k a h e a d I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo fA d v a n c e dM a n u f a c t u r i n gT e c h n o l o g y，2 0 0 6，2 8(9)：9 3 0-9 3 56 邹湘军虚拟现实技术的演变发展与展望系统仿真学报，2 0 0 4，1 6(9)：1 9 0 5 1 9 0 97 何雪

23、明数控技术武汉：华中科技大学出版社，2 0 0 6 8 田原V B N E T 绘图功能研究软件导刊，2 0 0 5(2 2)：2 l 一2 3第一作者：刘有余，男，1 9 7 6 年生，讲师；研究方向为数控技术及应用、机械设计及制造。(编辑李静)(收稿日期：2 0 0 8 0 9 1 0)文章编号：9 5 2 4如果您慧发表对本文的看法。请将文章编号填入读者意见调查表中的相应位置。(上接第6 5 页)业提供了发展空间。企业应认真研究用户需求，有针对性地开发制造高精、高速、大型的高附加值产品，逐步替代进口，实现中国装备装备中国。为缓解因发达国家经济不振带来的出口损失，行业企业应努力开拓多元化新

24、市场，多多关注东欧、中东、北非、南美等地区，挖掘有潜力的市场，同时大力发展与我国已签订自由贸易协定国家的贸易和合作。据巴西外贸秘书处统计，2 0 0 8 年中国是巴西第二大进口来源地和第三大出口目的地，双边贸易增长迅速，均在5 0 以上。但是，新兴市场发展快，随之而来的风险也大。从长远来看，危机之波不可避免地会影响到这部分市场。据俄罗斯2 0 0 9 年1 月进出1 2 1 数据显示，其进口增长已出现大幅下降。因此，企业要提高规避风险的能力，采取多种方式扩大出口。进一步开展国际化经营，看准时机收购并购国外知名企业，获得先进制造技术，拓宽销售渠道。3 3 调整出口产品结构，实现出口持续增长近十年

25、来，我国机床工具行业出口一直保持快速增长。2 0 0 3 年我国金属加工机床出口金额仅有3 8脚訾豁簪，v u j 十_ j _亿美元，2 0 0 8 年增加到2 1 1 亿美元，增加了4 倍多，年均增长速度达到3 7 4，出口数控机床金额占比逐年增加，出口产品结构逐步优化。2 0 0 8 年受国际金融危机影响，普通机床出口增速有所回落，但是数控机床出口继续保持4 0 以上的高速增长。在我国出口的机床中，目前仍以中低档机床产品为主，产品性价比具有一定的优势，国际上有一定的竞争力，对这类产品应不断提高产品质量，巩固和扩大国际市场份额。但是，需要引起高度重视的是，在我国出口产品中，低档磨料、低值工具，以及低值机床仍占一定的比例，尽管现在具有低成本优势，但随着时间的推移，以及国家相关政策和环境等因素影响，这些产品的生存空间必将愈来愈小，甚至失去市场。为此需要不断优化出口产品结构，加大对高技术含量，高附加值产品的开发研制力度，发展具有自主知识产权的产品，努力向国际标准或国际先进技术标准靠拢和转化，提高国际竞争力，变中国制造为中国创造。(编辑汪艺)(收稿日期：2 0 0 9 0 3 2 0)文章编号：9 5 2 3如粜您想发表对本文的看法。请将文章编号填入读者童见调查表中的相应位置。6 9万方数据