常 鹏， 王国庆， 卢化龙， 王 鹏

(长安大学 工程机械学院,西安 710064)

0 引 言

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。

图1 系统架构图

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。

图2 控制器系统的原理框图

2.2 数据采集系统的设计

为了提高采集系统的快速性、准确性和稳定性，本系统采用ADAS3023模数转换器[9]。ADAS3023是一款完整的16位逐次逼近型模数转换器数据采集系统，非常适用于多通道数据采集和系统监控，是一个系统级的工业数据采集解决方案。该产品可以以125KSPS的速率同时对八通道进行采样，满足系统的快速性和实时性。使用±15 V电源时，ADAS3023能解析的差分输入范围高达±20.48 V。本系统采用ADP1613为ADAS3023提供片内输入多路复用器所需的±15 V高压电源，这样就满足了系统的准确性和稳定性。

3 软件系统设计

软件系统主要由人机交互界面和物理引擎软件的运动仿真模块组成。其中，物理引擎软件中的运动仿真模块是本系统的核心内容，它和人机交互界面嵌套，提高了系统的实时性和逼真度。

3.1 人机交互界面的构建

人机交互界面的建立采用具有Windows风格的人机交互仿真平台。通过点击按钮可以很好地实现操作员对仿真模型的运动控制，并且模型的运动状态信息会实时显示在操作界面上，这样就可以增加操作的临境感[10-11]。人机交互界面如图3所示。

图3 人机交互界面

3.2 运动仿真模块的实现

本系统采用物理引擎软件实现运动仿真的效果。运动仿真的效果如图4所示。在物理引擎软件中实现运动仿真的基本过程为应用三维建模软件建立四轴加工中心虚拟样机几何模型[12]。再将其零部件经格式转换后导入到物理引擎软件中。同时，根据实际四轴加工中心刀具的运动过程，设计刀具运动轨迹并应用面向对象的编程语言开发控制脚本。最后，通过控制信号的传入实现运动控制器对虚拟样机的运动控制，完成机械零部件的虚拟加工。这时，人机交互界面还要调用程序驱动数据采集系统采集真实加工环境的信息，实时显示在界面上。若遇到温度过高等紧急情况，在界面上显示报警信息。

图4 运动仿真效果图

4 通信模块

为了实时观看虚拟加工过程，在人机交互界面中嵌入了运动仿真模块的运行界面，具体实现办法是把运动仿真模块生成的.exe程序嵌入到人机交互界面程序[13-14]。嵌入后系统效果如图5所示。其中，关键技术就是SOCKET通信[15]。本系统的SOCKET通信采用C/S(客户端/服务器)的架构[16]。以人机交互界面为服务器，运动仿真模块中的虚拟样机为客户端，通过SOCKET网络编程实现四轴加工中心的运动控制。具体的实现过程是运动显示界面中的程序实例化一个ServerThread类，有一个独立的线程来运行。同时，建立一个监听端口等待客户端的连接。运动仿真模块连接服务器时，要定义接口IP地址和端口号。这样就形成了实时显示的效果，增加了系统的视觉体验感。

图5 系统效果图

5 四轴加工中心虚拟实训系统

基于上述的半物理仿真虚拟实训系统架构，我们设计了一款4060型雕刻机的虚拟实训系统。虚拟实训系统考虑了四轴加工中心本身的差异性，使本系统最大范围的适用于不同类型的四轴加工中心训练操作。

虚拟实训系统的运动仿真主要在物理引擎软件中实现，其控制信号来自机床控制器。虚拟加工不仅仅是模拟刀具按程序运动的过程，还要模拟切削过程，即在刀具运动过程中，与刀具刀尖重合的工件部分别切削掉。切削的过程可在物理引擎软件中工件的变形过程来模拟。本系统设计过程中采用destroy指令模拟切削过程，即将毛坯看成工件与切削层装配而成的装配体，当刀具运动到与切削层位置重合时，实时销毁切削层，内部的工件将实时体现出来。虚拟加工过程的效果如图6所示。

图6 加工过程效果

四轴加工中心在模拟加工过程中，实验环境中加装温度传感器、湿度和光照等传感器来模拟真实的加工车间环境，这些传感器采集的模拟信号经驱动信号驱动后实时的传输到人机交互界面中去，并通过机床警报设置模块分析加工过程的安全性。在机床控制器、数据采集系统和运动仿真模块的协调配合下，才完成一次加工。加工完成效果如图7所示。

图7 加工完成效果图

6 结 语

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。