数控机床作为数控加工中重要的一种精密设备,
在以往数控机床实操培训中,由于硬件和管理的限制, 不便于长期使用设备,因此实际训练不便于实施,特别是针对高职院校学生而言更是如此[1]。为了更好地 培训数控机床的操作人员,避免培训过程中造成设备损坏、降低训练成本,有效解决精密设备的培训问题。国内外的高校和相关研究机构做了大量研究: 文献
[2]中提出了基于物理引擎软件和渲染硬件,优化虚拟场景的渲染,增加虚拟效果;文献[3]中开发了通过圆台离散法提供待加工零件模型并配合相应的算法实现虚拟车削仿真系统; 文献[4]中采用 MVC ( Model View Controller) 设计模式的总体框架设计理论以及功能模块化的设计思想设计开发了虚拟冲床仿真系统。目前,大多数的虚拟实训系统集中在单纯演示系
统运动的方面,并没有结合数控机床的控制器和实际的加工环境。因此,本文针对四轴加工中心提出了一种融合半物理仿真思想[5]的虚拟实训系统架构,即采用物理引擎软件模拟四轴加工中心的实际运动,采用真实的机床控制器控制虚拟模型的运动,并且通过数据采集系统[6]采集传感器信号获取真实的加工环境信息的低成本高效率的虚拟实训系统。最后,以具体的 4060 型雕刻机( X / Y / Z 线性位移轴 + 绕 X 的旋转轴) 为原型,设计了一款面向四轴加工中心的半物理仿真虚拟实训系统。
1 总体架构
虚拟实训系统主要由控制器系统、软件系统和通 信模块组成。半物理仿真虚拟实训系统架构如图 1 所 示。本系统将数控机床中成本较低且具有核心技术的 机床控制器作为实物引入仿真回路,将生产成本较高 且体积较大的数控机床本体用物理引擎软件的虚拟模 型代替。同时,为了提高实训过程的全面性和真实性, 系统引入了 G 代码输入区进行 G 代码的编写[7]。同时,加入数据采集系统实时采集加工环境的信息。为 了增加用户的交互体验感,我们将虚拟模型的运行界 面嵌入到人机交互界面中。其中,人机交互界面和机 床控制器之间采用以太网通信,机床控制器和数据采 集系统之间采用 SPI 通信,人机交互界面和物理引擎软件之间采用 SOCKET 通信。
虚拟实训系统流程为用户在人机交互界面的 G代码输入区中编写 G 代码以及设定相应的参数值或者直接导入 G 代码,设置完成后,数据通过以太网通信传输给机床控制器。同时,用户返回到人机交互界面的虚拟实训区设置相应的参数,并且给机床控制器发指令调用程序。机床控制器得到响应后,将控制信号通过以太网通信回传给人机交互界面。人机交互界 面调用算法和相应程序将信息进行处理后,通过
SOCKET 通信给物理引擎软件发送命令,物理引擎软件中的虚拟模型即可完成相应的加工动作。同时,数据采集系统通过传感器组实时采集加工环境的信息, 数据经过处理后反馈到人机交互界面中,实时的显示给用户。用户在人机交互界面上可以进行系统设置, 并实时观看虚拟加工场景和被控数控机床的加工 过程。
2 控制器系统设计
系统的控制器系统设计主要包括机床控制器和数 据采集系统的设计。
2. 1 机床控制器的设计
机床控制器的主要功能是输出控制物理引擎软件中虚拟模型的数字信号和接收并处理实际加工环境的信息。控制器系统的原理框图如图 2 所示,系统的控制器系统采用一个主处理器,多个从处理器的模式[8]。各个从处理器之间通过通信建立连接,再由主处理器统一调度,协调处理各自的任务。主处理器采用 STM32F429IGT6 芯片,它是基于 ARM Cortex - M4 内核的 CPU,含有丰富的接口和外设,除了基本的电源、时钟之外还有通用和复用功能 I / O 口、DMA 通道、JTAG 接口、CAN 总线、I2C 总线、SPI 总线和 USB 总线等。通信从处理器采用 STM32F103ZET6 芯片,它通过SPI 总线分别和 W5500 芯片、数据采集系统和运动从处理器之间建立通信。其中,W5500 芯片建立了机床控制器和人机交互界面之间的以太网通信。算法从处 理器的主要功能是分析和处理数据。
宇匠数控 备注:为保证文章的完整度,本文核心内容由PDF格式显示,如未有显示请刷新或转换浏览器尝试,手机浏览可能无法正常使用!
本文提出了半物理仿真技术结合机床控制器的虚拟实训系统架构。本架构融合了半物理仿真的思想, 具有开发成本低和逼真程度高的特点。基于本系统架构,我们具体实现了四轴加工中心的虚拟实训系统,该系统实现了实时演示、多角度观察的功能,提高了用户学习的乐趣和积极性,为四轴加工中心的实训做了很好的铺垫,达到理论教学和实际操作过渡结合的效果。
2024-11
机床整机性能测试与评估主要包括以下几个方面: (1)精度测试:包括直线轴、旋转轴的定位精度、重复定位精度、主轴端面跳动、径向跳动等指标测试,用激光干涉仪来检验机床精度是否达到设计要求。 (2)刚度测试:分为机床结构刚度和加工刚度两种,前者测试机床的整体刚度,后者测试机床在加工… [了解更多]
2024-11
数控机床的动力学特性是影响机床加工精度和效率的重要因素,结合面刚度变化及机床加工空间位置变化等因素会导致机床的动力学参数发生改变,影响机床的加工性能。为了探究五轴加工中心和五轴钻攻中心的动态特性及其影响因素,本文围绕转台轴承结合面刚度和加工空间位姿对双转台五轴机床的工作台回转系统… [了解更多]
2024-11
本文提出一种基于差分演化算法且无需简化机床旋转轴几何误差模型的旋转轴PIGEs辨 识方 法。首 先 基 于 经 典 的 球 杆 仪 轴 向、径 向 测 量 模式 辨 识 旋 转 轴 的PIGEs,获 得PIGEs初 始 解,然后利用差分演化算法整体优化求解旋转轴PIG-Es,获 … [了解更多]
2024-11
本文综合考虑铣削载荷、加工位置、机床姿态和结合部接触特性,建立了一种具有低自由度的双转台五轴加工中心动力学模型。并设计实际铣削工况时双转台五轴加工中心动力学特性实验,将实验得到的数据进行处理并与模型计算的结果进行对比,验证多体动力学模型的准确性。在此基础上,设计均匀设计试验分析不… [了解更多]
2024-11
影响木工五轴加工中心实木家具加工质量的因素很多,要提高加工质量和生产效率,可以从操作人员、五轴加工中心、器具、加工现场、工艺等五个方面入手,建立落实完善各种标准制度。另外,企业还要重视人员的培训和数据库的建立,才能提高加工质量,逐步实现实木家具生产数字化转型升级。… [了解更多]