专利名称：基于htm40100车铣复合加工中心三维在线防碰撞方法
技术领域：
本发明属于机床技术领域，具体涉及一种基于HTM40100车铣复合加工中心三维在线防碰撞方法。
背景技术：
传统的三维防碰撞系统是相对封闭的系统，系统不能上网，所以要实现远程状态检测和故障诊断较为困难，因此在加工过程中不能实时预警并消除加工中出现的工件、刀具、工装及机床运动部件间的碰撞，并防止碰撞引起的损失，同时延长了准备和切削时间，减小了机床的有效工时。同时鉴于各数控机床控制系统生产商(如日本Okuma、德国Heidenhain)都考虑或已经准备在高端的数控控制系统中集成防碰撞系统，但还没有一种解决方案适合全面的开发目标。研究三维防碰撞技术并在车铣复合加工中心应用，可以缩短与国际同类产品的差距，还可以扩展应用到其他系列高档加工中心，从而提高我国高档数控装备的国际竞争力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于HTM40100车统复合加工中心三维在线防碰撞方法，当判断可能发生碰撞或干涉时，能实时地做出相应处理，如停机并给出预警提示，以避免碰撞事故的发生，保证加工的安全。本发明提出的基于HTM40100车铣复合加工中心三维在线防碰撞方法，由HTM40100车铣复合加工中心的三维防碰撞系统与西门子SINUMERIK 840D系统组成，HTM40100车铣复合加工中心的三维防碰撞系统，包括输入模块1、运行模块2、输出模块3和响应模块4。( I)输入模块
所述输入模块I包括机床信息输入模块5、毛还信息输入模块6、刀具信息输入模块7和加工程序段输入模块8，输入模块I是防碰撞监测系统的初始化部分，负责将用户输入的各项机床设备信息读入三维防碰撞监测系统中，供三维防碰撞监测系统几何建模使用；
(1. O机床信息输入模块由于加工中心的结构复杂，米用三维实体建模技术构造模型，利用ProE和Solidworks三维造型软件建立加工中心三维模型，并在三维防碰撞系统启动前利用机床信息输入模块将模型导入三维防碰撞系统中；
(1. 2)毛坯信息输入模块通过选择所需加工的毛坯编号，加载相应的毛坯文件及信
息；
(1. 3)刀具信息输入模块通过与外部的刀具识别系统进行数据交换，将刀库中的各种加工信息读入三维防碰撞系统，以对刀具进行几何造型；
(1. 4)加工程序段输入模块对各个加工程序段进行文件管理，并且将当前运行程序段读入至三维防碰撞系统中，供后续的碰撞报警提示模块调用。(2)运行模块 运行模块包括程序监控模块9、加工信息监控模块10和加工仿真模块11，它是三维防碰撞系统的核心模块，所有的数据信息在这里得到处理并输出返回值供后续的模块使用；(2.1)程序监控模块当监控到监控数控系统操作面板上的NC START按键信号被启动，则三维防碰撞系统也即时启动，开始进行运动仿真和碰撞检测运算。(2. 2)加工信息监控监控数控系统中各个轴的位置信息，当前加工程序段的运行信息以及当前刀具的各种参数信息，通过监控这些信息，便可以获得虚拟加工中心的仿真数据。(2. 3)加工仿真加工仿真模块分为加工几何建模模块17、加工运动仿真模块18和碰撞干涉检测模块19，加工几何建模模块17通过输入模块中各零部件的参数在仿真环境中建立整个加工中心的零部件几何模型，加工运动仿真模块18通过读取从数控系统中采集到的轴信息的轴半径和长度相关加工数据，驱动几何模型进行仿真运动；而碰撞干涉检测模块则根据输入的机床、刀具和工件信息，实时计算碰撞检测结果并输出检测信号。(3)输出模块
输出模块3将运行模块2中的加工运动仿真模块18以动画的形式展示给机床操作人员，输出碰撞检测结果至CNC系统中供PLC调用，同时将报警信息输出至数控系统操作面板上提示操作人员进行处理。包括碰撞检测信号输出模块12、碰撞报警提示模块13和加工过程显示模块14 ；
(3.1)加工过程显示模块以动画的形式实时显示加工运行状态，方便机床操作人员观察工件加工情况，有效防止操作人员在对刀时刮伤工件。(3. 2)碰撞检测信号输出模块循环读取运行模块中碰撞干涉检测的检测值，将该值写入到数控系统中的R参数中，供PLC读取并响应。(3. 3)碰撞报警提示模块以报警文件的形式在数控系统中给出报警，自动显示NC代码中出错的位置，提示操作人员修改NC代码。(4)响应模块
响应模块4依据输出模块3中给出的碰撞检测信号，控制PLC的启停，以达到实时响应规避碰撞的基本要求，包括机床停机模块15和断点保护模块16。(4.1)机床停机模块控制PLC循环读取CNC数控系统中存放碰撞检测结果的值，即R参数，一旦检测到有碰撞发生，整个机床停止运动，包括主轴和进给轴。(4. 2)断点保护模块在程序终止的位置保存断点信息，以便在恢复运行时从该位置继续执行，缩短加工时间，尽可能提高加工效率。HTM40100车铣复合加工中心的三维防碰撞系统建立后，然后利用SINUMERIK840D系统中的OEM软件开发包提供的标准编程语言，首先将OEM软件包安装在个人PC机上，然后利用VB编程语言进行人机界面的开发，利用VC++创建语言动态链接库实现软键文本的调用，最终将防碰撞系统嵌入了数控系统中，实现HTM40100车铣复合加工中心的三维在线防碰撞系统的开发。本发明开发了三维在线防碰撞系统，使防碰撞系统集成在高端的数控控制系统中，当工件之间可能发生碰撞或干涉时，能实时地做出相应处理，如停机并给出预警提示，以避免碰撞事故的发生，保证加工的安全。同时，可以缩短与国际同类产品的差距，还可以扩展应用到其他系列高档加工中心，从而提高我国高档数控装备的国际竞争力。
图1系统功能模块 图2系统流程 图3虚拟加工中心建模；
图4运动仿真动画流程 图5防碰撞系统主界面；
图中标号1为输入模块，2为运行模块，为输出模块，4为响应模块，5为机床信息输入模块，6为毛还信息输入模块,7为刀具信息输入模块,8为加工程序段输入模块，9为程序监控模块，10为加工信息监控模块，11为加工仿真模块，12为碰撞检测信号输出模块，13为碰撞检测信号输出模块，14为加工过程显示模块，15为机床停机模块，16为断点保护模块，17为加工几何建模模块，18为加工运动仿真模块，19为碰撞干涉检测模块。
具体实施例方式下面结合本发明的内容和附图对本发明做进一步说明。实施例1 :
如图1所不，所述三维防碰撞系统，包括输入模块1、运行模块2、输出模块3和响应模块4。(I)输入模块
所述输入模块I包括机床信息输入模块5、毛还信息输入模块6、刀具信息输入模块7和加工程序段输入模块8 ；
运行模块2包括程序监控模块9、加工信息监控模块10和加工仿真模块11，它是三维防碰撞系统的核心模块；
输出模块3包括碰撞检测信号输出模块12、碰撞报警提示模块13和加工过程显示模块
14 ；
响应模块4包括机床停机模块15和断点保护模块16。图2为系统的流程图。具体步骤如下
(1)输入机床信息输入模块、刀具信息输入模块和毛还信息输入模块；利用三维造型软件建立加工中心模型，利用Solidworks绘制的加工中心三维简化模型；将模型文件保存为STL格式文件，在Solidworks中建立好加工中心的几何模型后，需要将该模型输出为STL格式的文件供OpenGL调用，STL文件是表面三角化数据格式文件的简称，它将所建模型的表面离散成大量的三角形面片，利用这些三角形面片来逼近真实的三维实体模型；将STL文件导入OpenGL中重构并显示。完成以上操作后，最后需要在OpenGL中读入以上保存好的STL文件。至此，基于OpenGL的加工中心几何建模便已经全部完成，
(2)通过齐次坐标变换建立用来描述机床上各部件相对运动关系的数学模型，即系统虚拟加工中心的运动建模，也就是加工的几何建模。(3)在机床各部件运动时，首先进行加工设备信息的输入，即把机床、刀具以及工件的几何信息输入至系统中，基于VB编程语言下，通过SINUMERIK 840D数控系统中的NCDDE服务器可以访问上述数据，然后设置一个计时器实现轴数据的循环监控，包括加工过程中各轴坐标数据、主轴转速、进给速度等。然后将各个坐标值的变化量作为每次动画刷新的偏移量，接着调用OpenGL双缓存技术进行动画仿真，经过这样的循环往复，完成整个加工运动的显示。(4)在系统进行运动仿真过程中，同时碰撞检测部分对机床的运动进行检测。检测分为两部分一是，刀具与机床部件的碰撞检测；二是，刀具与工件的碰撞检测。当两部分都没有产生碰撞或碰撞趋势，仿真终止。否则，通过加工过程显示部分，以动画的形式传给操作人员，同时报警模块调取加工程序模块以报警文件的形式在数控系统中给出报警并自动显示NC代码中出错的位置提示操作人员修改NC代码。另一方面，在系统运动仿真检测到将要发生碰撞时，循环读取运行模块中碰撞干涉检测的检测值，写入到数控系统的R参数中，共PLC读取并响应。(5) PLC读取CNC数控系统中存放碰撞检测结果的值，即R参数，整个机床停止运动，包括主轴和进给轴。在程序终止位置保存断点信息，以便在恢复运行时从该位置继续执行。
权利要求
1.一种基于HTM40100车铣复合加工中心三维在线防碰撞方法，其特征在于由HTM40100车铣复合加工中心的三维防碰撞系统与西门子SINUMERIK 840D系统组成，HTM40100车统复合加工中心的三维防碰撞系统,包括输入模块(1)、运行模块(2)、输出模块⑶和响应模块⑷； (1)输入模块 所述输入模块(1)包括机床信息输入模块(5)、毛还信息输入模块(6)、刀具信息输入模块(7)和加工程序段输入模块(8)，输入模块(1)是防碰撞监测系统的初始化部分，负责将用户输入的各项机床设备信息读入三维防碰撞监测系统中，供三维防碰撞监测系统几何建模使用； (1.1)机床信息输入模块:由于加工中心的结构复杂，米用三维实体建模技术构造模型，利用ProE和Solidworks三维造型软件建立加工中心三维模型，并在三维防碰撞系统启动前利用机床信息输入模块将模型导入三维防碰撞系统中； (1.2)毛坯信息输入模块:通过选择所需加工的毛坯编号，加载相应的毛坯文件及信息； (1.3)刀具信息输入模块:通过与外部的刀具识别系统进行数据交换，将刀库中的各种加工信息读入三维防碰撞系统，以对刀具进行几何造型； (1.4)加工程序段输入模块:对各个加工程序段进行文件管理，并且将当前运行程序段读入至三维防碰撞系统中，供后续的碰撞报警提示模块调用； (2)运行模块 运行模块包括程序监控模块(9)、加工信息监控模块(10)和加工仿真模块(11)，它是三维防碰撞系统的核心模块，所有的数据信息在这里得到处理并输出返回值供后续的模块使用； (2.1)程序监控模块:当监控到监控数控系统操作面板上的NC START按键信号被启动，则三维防碰撞系统也即时启动，开始进行运动仿真和碰撞检测运算； (2.2)加工信息监控:监控数控系统中各个轴的位置信息，当前加工程序段的运行信息以及当前刀具的各种参数信息，通过监控这些信息，便可以获得虚拟加工中心的仿真数据； (2.3)加工仿真:加工仿真模块分为加工几何建模模块(17)、加工运动仿真模块(18)和碰撞干涉检测模块(19)，加工几何建模模块(17)通过输入模块中各零部件的参数在仿真环境中建立整个加工中心的零部件几何模型，加工运动仿真模块(18)通过读取从数控系统中采集到的轴信息的轴半径和长度相关加工数据，驱动几何模型进行仿真运动；而碰撞干涉检测模块则根据输入的机床、刀具和工件信息，实时计算碰撞检测结果并输出检测信号； (3)输出模块 输出模块(3)将运行模块(2)中的加工运动仿真模块(18)以动画的形式展示给机床操作人员，输出碰撞检测结果至CNC系统中供PLC调用，同时将报警信息输出至数控系统操作面板上提示操作人员进行处理；包括碰撞检测信号输出模块(12)、碰撞报警提示模块(13)和加工过程显示模块(14)； (3.1)加工过程显示模块:以动画的形式实时显示加工运行状态，方便机床操作人员观察工件加工情况，有效防止操作人员在对刀时刮伤工件； (3.2)碰撞检测信号输出模块:循环读取运行模块中碰撞干涉检测的检测值，将该值写入到数控系统中的R参数中，供PLC读取并响应； (3.3)碰撞报警提示模块:以报警文件的形式在数控系统中给出报警，自动显示NC代码中出错的位置，提示操作人员修改NC代码； (4)响应模块 响应模块(4)依据输出模块(3)中给出的碰撞检测信号，控制PLC的启停，以达到实时响应规避碰撞的基本要求，包括机床停机模块(15)和断点保护模块(16)； (4.1)机床停机模块:控制PLC循环读取CNC数控系统中存放碰撞检测结果的值，即R参数，一旦检测到有碰撞发生，整个机床停止运动，包括主轴和进给轴； (4.2)断点保护模块:在 程序终止的位置保存断点信息，以便在恢复运行时从该位置继续执行，缩短加工时间，尽可能提高加工效率； 具体步骤如下: (1)输入机床信息输入模块、刀具信息输入模块和毛还信息输入模块；利用三维造型软件建立加工中心模型，利用Solidworks绘制的加工中心三维简化模型；将模型文件保存为STL格式文件，在Solidworks中建立好加工中心的几何模型后，需要将该模型输出为STL格式的文件供OpenGL调用，STL文件是表面三角化数据格式文件的简称，它将所建模型的表面离散成大量的三角形面片，利用这些三角形面片来逼近真实的三维实体模型^fSTL文件导入OpenGL中重构并显示；完成以上操作后，最后需要在OpenGL中读入以上保存好的STL文件；至此，基于OpenGL的加工中心几何建模便已经全部完成， (2)通过齐次坐标变换建立用来描述机床上各部件相对运动关系的数学模型，即系统虚拟加工中心的运动建模，也就是加工的几何建模； (3)在机床各部件运动时，首先进行加工设备信息的输入，即把机床、刀具以及工件的几何信息输入至系统中，基于VB编程语言下，通过SINUMERIK 840D数控系统中的NCDDE服务器可以访问上述数据，然后设置一个计时器实现轴数据的循环监控，包括加工过程中各轴坐标数据、主轴转速、进给速度等；然后将各个坐标值的变化量作为每次动画刷新的偏移量，接着调用OpenGL双缓存技术进行动画仿真，经过这样的循环往复,完成整个加工运动的显示； (4)在系统进行运动仿真过程中，同时碰撞检测部分对机床的运动进行检测；检测分为两部分:一是，刀具与机床部件的碰撞检测；二是，刀具与工件的碰撞检测；当两部分都没有产生碰撞或碰撞趋势，仿真终止；否则，通过加工过程显示部分，以动画的形式传给操作人员，同时报警模块调取加工程序模块以报警文件的形式在数控系统中给出报警并自动显示NC代码中出错的位置提示操作人员修改NC代码；另一方面，在系统运动仿真检测到将要发生碰撞时，循环读取运行模块中碰撞干涉检测的检测值，写入到数控系统的R参数中，共PLC读取并响应； (5)PLC读取CNC数控系统中存放碰撞检测结果的值，即R参数，整个机床停止运动，包括主轴和进给轴；在程序终止位置保存断点信息，以便在恢复运行时从该位置继续执行。
全文摘要
本发明属机床技术领域，具体涉及一种基于HTM40100车铣复合加工中心三位在线防碰撞方法，实现卧式车铣复合加工中心的在线防碰撞检测。本发明选用SINUMERIK840D系统作为开发平台，以HTM40100卧式车铣复合加工中心为研究对象，在西门子的标准界面下，利用西门子OEM软件开发包提供的标准编程语言，将自行开发的三维防碰撞系统集成于数控系统中。本发明开发了三维在线防碰撞系统，使防碰撞系统集成在高端的数控控制系统中，当工件之间可能发生碰撞或干涉时，能实时地做出相应处理，如停机并给出预警提示，以避免碰撞事故的发生，保证加工的安全。同时，可以缩短与国际同类产品的差距，还可以扩展应用到其他系列高档加工中心，从而提高我国高档数控装备的国际竞争力。
文档编号G05B19/4061GK103076762SQ20131003805
公开日2013年5月1日 申请日期2013年1月31日 优先权日2013年1月31日
发明者李鹏忠, 张为民, 李扬, 程猛 申请人:同济大学