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1、!#嵌入式数控系统加工仿真功能的研究与开发!肖苏华!#李#迪（!广州城市职业学院信息与汽车工程学院，广东 广州$%&$；华南理工大学机械与汽车工程学院，广东 广州$%&%）摘!要：研究了嵌入式数控系统仿真模块开发的技术路线，采用#$%$&()算法开发数控代码的二维刀路轨迹，应用几何特征识别及*+#$,-./*接口开发零件的三维效果，使用多线程技术开发数控加工在线实时仿真。结果表明多层次、类型的仿真功能可有效检验数控代码、保证加工效果、提高加工效率。关键词：仿真!数控系统!嵌入式系统!几何特征识别中图分类号：01/23!文献标识码：4!#$%&$()*+,-./(0-1 2/3)454 6$&7
2、(7(8 97/:,$07-()*+,-.-/!，0)12（!,3.445 46)76489/:247/7;*-:4947?27=827?，-/7?A.4-B2:C D45C:=3.723，-/7?A.4-$%&$，BEF；,3.445 46 G=3./723/5/7;*-:494:2H=7?27=827?，,4-:.B.27/I72H=8J2:C 46 K=3.7454?C，-/7?A.4-$%&%，BEF）45%-#(,-：K.2J L/L=8 J:-;2=J:.=;=H=54L9=7:=3.723/5 84-:=46 J29-5/:247 94;-5=M IJ27?N8=J=7./9/5
3、?482:.9 648J29-5/:247 46:O4 P;29=7J247/5:445 L/:.FB 34;=，/7;-J27?=49=:823 6=/:-8=8=34?72:247/7;12Q8=3:RS1 27:=86/3=:4;=H=54L:.8=P;29=7J247/5 J29-5/:247/7;-J27?9-5:2 P:.8=/;:=3.7454?C:4;=H=5Q4L BFB 9/3.2727?8=/5:29=J29-5/:247M K.=8=J-5:J J.4O:./:.=9-5:2 P 5=H=5，9-5:2 P 6-73:247 J29-5/Q:247 3/7=66=3:2
4、H=5C:=J:.=FB 34;=，=7J-8=:.=L843=JJ 29L/3:，29L84H=L843=JJ27?=66232=73CM6$789#:%：,29-5/:247；BFB；9 开发嵌入式数控系统的数控代码仿真功能模块，通过分析 W27;4OJ B 系统特点，开发了数控车床系统的二维刀路仿真、三维零件效果仿真及在线实时仿真功能。3!技术路线W27;4OJ B 并不是 W27;4OJ 桌面操作系统的缩减版本，是微软全新设计的针对嵌入式系统市场的部分源代码开放的、模块化的、抢先式多任务 SV 位嵌入式操作系统。相对于 1+,，W27;4OJ B 是运行于保护模式的多线程操作系统，其内
5、存保护功能满足了数控系统的稳定性，相对于 W27;4OJ 桌面操作系统 W27Q;4OJ B 是嵌入式实时操作系统，能够快速响应和调!国家自然基金资助项目（$U$U$），广州城市职业学院人才引进专项资助（V%V%）!#度外部中断，可以满足数控系统的弱实时任务以及非实时任务。基于$%&()*+,在实时性上的特点，本文采用$%&()*+,开发嵌入式数控车床系统。$%&()*+,在图形系统方面，相对于其他嵌入式操作系统，更具备资源丰富、学习简单的优势。$%&()*+,支持-+机上通行的./0&12 及 3%40567 接口，为数控代码仿真提供了较好的基础。3%4056893 是:%54(*(;6 公
6、司为其在$%&()*系统上运行交互式三维图形程序而开发的一组编程接口，其每个部件都是用户可调用的 40*0&?A 算法仿真二维的刀路轨迹，应用几何特征识别及 3%4056893 开发三维零件效果，使用多线程开发数控加工在线实时仿真。!基于#$%&%()*算法的二维刀路仿真40*0&?A 算法是计算机图形学领域使用最广泛的直线扫描转换方法。通过各行、各列像素中心构造一组虚拟网格线，按直线从起点到终点的顺序计算直线各垂直网格线的交点，然后确定该列像素中与此交点最近的像素。将数控代码中零件的尺寸之间的距离认同为算法中的像素差值，即可将该算法改进实施在二维的数控代码仿真中。在二轴数控车削机床中，只有圆
7、弧插补、直线插补和快速运动这三种运动方式，复合循环、固定循环等复杂指令最终都要转化为这三种运动方式来实现。直线插补、快速运动和 40*0&?A 直线生成算法一致，顺圆弧插补、逆圆弧插补和 40*0&?A 圆弧生成算法一致。因此二维刀路轨迹仿真的实现以 40*0&?A 算法为核心，步骤如下：（）毛坯尺寸设定；（B）读取代码并处理数据，如代码指令为直线插补、圆弧插补及快速运动，则保存在相应缓冲区；（9）逐个取出指令数据缓冲区中的数据，并判断指令类型。属于圆弧插补（1CB、1C9）、直线插补（1C）和快速运动（1CC）则将加工数据进行坐标转换等处理，否则直接分析下一个数据；（D）采用$%&()*+,
8、系统的定时器模拟数控系统的脉冲发送，动态显示车床刀尖点的走刀顺序及切削路径。切削轨迹用 40E*0&?A 算法动态生成。（F）判断加工代码数据是否已经分析完毕，如果分析完毕，则整个二维仿真结束，否则转到步骤（B）。图 给出了二维仿真的运行示例。其中的白色线条为切削轨迹。+基于几何特征识别的三维效果仿真数控加工仿真一般分为几何仿真和物理仿真。任何零件都具备相应的形状，几何特征是其必有的属性。数控车床加工的对象主要是内外圆柱面、圆锥面、球面、螺纹等，车削加工的零件比较单一，多数为回转体。数控代码中的直线插补、圆弧插补分别对应相应的几何特征。如使用 1C 指令车削一个圆柱体工件，得到零件的特征可能是
9、圆柱体或者圆锥面，因此可通过提取加工指令来识别加工零件的特征。表 列出了加工指令和所得到的零件特征的关系。表,车削指令及其对应的零件特征指令零件特征1C圆柱面，圆锥面1CB球面1C9球面以上是基本插补算法和几何特征的对应关系，车床数控系统中常用的复合循环及固定循环加工指令，如端面粗车循环 1GB、外圆粗车循环 1G、外圆切削循环 1HC 等，这些指令加工过程比较复杂，但其加工过程都是通过分解成 1C、1CB 等单一插补指令来实现的，因此可用同样的方法进行特征识别和构建。零件的基本形状特征可以采用布尔求交运算获得，实现过程为：（）先定义刀尖点切削区域和毛坯；（B）切削区域与毛坯求交；（9）保存这
10、求交后二个基本形状特征的信息；（D）判断加工是否结束，如未结束，则把该工件的的二个形状特征分别与切削区域求交，把得到的不同形状特征信息保存下来；反复执行切削区域与刀具的!#求交布尔运算，直到所有指令执行完毕为止。结合几何特征识别理论及$%&()*+$图形库进行三维仿真的开发。在三维仿真前，先把编译后没有错误的数控代码保存在一个特定的数据结构中，再根据数控代码提取出的零件图形信息建立零件的几何模型，通过世界变换、视角变换和投影变换等矩阵运算来完成实体建模，对实体添加灯光、颜色、表面纹理等效果，整个流程如图 所示。图+为零件尺寸图，图,为加工效果仿真图。针对图+零件的加工工艺和参数设计如下：（-）
11、工艺路线：先用复合循环./-指令粗车零件，再用./0 精车指令精加工零件。（）刀具选择：选择刀具，-号刀粗车零件外轮廓，号刀精车零件外轮廓。（+）切削参数：粗车时主轴转速为+00&1 2%3，进给速度为-00 221 2%3，加工余量为!方向-22，方向 22；精加工时主轴转速为!00&1 2%3，进给速度为-00 221 2%3。（,）确定原点，工件原点设在工件右端而与轴线的交点处，根据零件结构图和以上的分析，编制出数控加工程序（直径指定，公制输入）。在数控系统中编辑好加工代码后，点击程序仿真按钮进入到程序仿真模式，然后根据零件的大小设定毛坯尺寸然后按“+$仿真”按钮，系统即在窗口中绘制出零
12、件加工完成之后的最终效果图，如图,。三维效果仿真功能也实现了图形的移动、旋转、缩放模块，以供用户更好的观察对比零件加工效果。通过对比看出，零件加工效果图能在数控系统上较好地在实际加工前检验将要加工的数控代码的正确性。!基于多线程技术的在线实时仿真4%35678 9:是有优先级的多任务操作系统，它允许重功能、进程在相同时间的系统中运行，4%356789:支持最大的+位同步进程。一个进程包括一个或多个线程，每个线程代表进程的一个独立部分，而一个线程被指定为进程的基本线程。4%35678 9:以抢先方式来调度线程。线程以“时间片”为单位来运行。基于 4%35678 9:的数控系统一旦启动，即为一个进
13、程，该进程包括加工线程、仿真线程、;9 机上的软件模拟，经济型和普及型数控系统的仿真以二维仿真为主。嵌入式数控系统已成为数控系统的发展趋势，基于嵌入式系统的加工仿真功能是数控系统的重要模块。其中二维离线仿真能查看刀路轨迹，三维零件加工效果仿真能观察数控代码最终加工效果，在线实时仿真能方便用户观察加工情况。实验结果表明，采取多类型、多层次的仿真能在加工前、实际加工中满足实际需要，提高加工效率，保证加工效果。参考文献-?%6 AB;，C%$B，C%DB EB，)FB G3 HI3 G&(J%)()K&LK2&%(F963)&6F AM8)2 N85 63 4%35678 9:9 B 00/=:=3
14、)&3)%63F963O&3(63 963)&6F 35 GK)62)%63B.K3PQJ6K，00/（R）B!#基于有限元的双滚珠丝杠同步驱动轴动力学建模与分析!何王勇!#唐小琦!#李勇波（!华中科技大学国家数控系统工程技术研究中心，湖北 武汉$%&$；中国地质大学（武汉）机械与电子信息学院，湖北 武汉$%&$）摘!要：以双滚珠丝杠同步驱动轴为研究对象，在详细分析同步轴间负载耦合关系及丝杠与螺母的轴向、扭转耦合关系基础上，利用有限元结合集中参数法，从拉格朗日方程中导出双滚珠丝杠同步驱动轴动力学模型。通过模态分析，揭示了双滚珠丝杠同步驱动轴的动力学特性，为双轴同步控制提供了参考。最后在样机实测
15、上通过系统辨识，验证了所建模型的准确性。关键词：动力学模型!同步驱动轴!有限元!耦合!拉格朗日方程分类号：#$%&()!文献标识码：*!#$%&()*+,-&#.$#+/#$-(&(*0$)*1&*#/2&(!3&4,#5$6#73*#*8(!8$-9$-63,:9$(,+*#;/()*+,-.+,!，/012 34*.54!，67 8.+,9.（!1*:4.+*;1?4*;A.+:?.;B-C:=(+,4+?4+,DC*?E A+:?，?C4:-.I B4+*+J/E+.;.,-，)E*+$%&$，A1；K*E*+4*;M(;:?.+4 7+I.?=*:4.+，AE4+*G+4H?C4:-.
16、I2.C4+C（)E*+），)J-+*=4C=.J;.I*=.:4.+*N4C J?4H+9-*C-+E?.+.C JO 4C?P.?:J 4+:E4C P*P?QR*CJ.+*J:*4;J*+*;-C4C.I:E.J 4+?:4*?;*:4.+CE4P 9:O+:E JO，*+J:E.J*N4*;*+J:.?C4.+*;H49?*:4.+?;*:4.+CE4P 9:O+9*;C?O*+J+:，C4+,;J P*?*=:?C=:E.JC*+J I4+4:;=+:=:E.J，4:J?4HC:E J-+*=4=.J;.I:E C-+E?.+.C(5=.J*;*+*;-C4C?H*;C:E J-+*
17、=4 E*?*:?4C:4C*+J P?.H4JC?I?+I.?C-+E?.+.*=.J;E*C 9+H?4I4J 9-:E C-C:=4J+:4I4*S:4.+4+:E P?.:.:-P:C:Q12345.6,：T-+*=4C L.J;；B-+E?.+.(;=+:；A.C(5*:4.+采用双滚珠丝杠同步驱动一个数控机床轴的控制方式，在现代大型设备中得到广泛应用。目前国内对这种驱动形式的动力学特性研究还相对不足，限制了双轴同步控制性能的提高U。高速运动中的双轴驱动机床，除丝杠本身的轴向、扭转振动耦合外，还存在丝杠间的耦合。这不仅会导致各伺服控制环定位精度变差，影响加工质量；而且还进一步加大了轴间不同步因素，限制了伺服系统的带宽，#导致高速下伺服系统的V 何峰，蒋新华Q 64+N 下数控代码的轨迹仿真Q 机床与液压，V%W，&（X）：U&YU&!Q第一作者：肖苏华，男，UW&Z 年生，博士，讲师，主要研究方向：计算机数控、A0T A0L、机电控制，已发表论文 U%余篇，获得国家发明专利 项。（编辑#李#静）#（收稿日期：V%U%Y%&Y%V）#文章编号：U%UVV如果您想发表对本文的看法，请将文章编号填入读者意见调查表中的相应位置。!国家自然科学基金（X%!&X%WW）