一种数控机床实时防碰撞方法与流程

本发明涉及装备制造业中的数控机床领域，更具体的，本发明涉及数控机床在工作过程中的仿真加工，通过虚拟机床模拟工作过程并与数控系统进行双向通信实现对数控机床的保障和防护。

背景技术：

随着数控加工技术的不断发展以及日益增加的复杂曲面结构的加工需求，多轴数控加工方案如多轴联动加工、车铣复合等得到越来越广泛的应用。然而，复杂的加工对象对于加工刀具路径的规划、优化以及操作人员的工艺水平都提出了更高的要求。尽管目前很多商用CAM软件都具有一些通用性的加工刀具路径NC代码生成功能，但是这些刀具路径缺乏针对具体机床运动链结构的考虑。因此，可能导致加工中刀具与机床部件(夹具、工件)之间的碰撞，并引起机床进给轴加速度的急剧变化，从而带来冲击。多轴加工机床的加工精度高，成本昂贵，一旦发生剧烈冲击或者碰撞，轻则破坏机床精度，重则直接损坏工件和机床。尤其工业生产中，数控机床加工过程中一旦发生碰撞，往往会造成生产计划延迟，给企业和个人造成经济损失，有时还会对机床操作人员的人身安全带来威胁。因此，数控加工中碰撞的检测及必要防护具有重要意义。目前，主要采用离线的虚拟加工仿真(如Vericut等)来进行加工刀具路径的验证。当虚拟加工与真实环境设置不一致时，验证结果可信度大大降低。尤其在手工操作模式下，对数控机床操作人员的直接操作和手动输入修改数控程序无法进行模拟，离线仿真验证无能为力。一些基于物理传感器的方法直接面向真实机床工作，摄像头和激光传感器可以对加工空间进行监控，但是受制于它们的有效工作范围；基于主轴电流功率检测方法存在滞后性，无法保证碰撞的回避。

加工过程中的碰撞自动识别与保护是机床智能化的一个发展趋势，目前世界上一些机床厂商已经推出该种功能。譬如OKUMA开发的与OSP数控系统集成的Collision Avoidance System能够实现手动与自动模式下加工过程的仿真及碰撞检测，并应用到车削中心和车铣复合加工中心等；Mazak开发的PC与CNC硬件集成的Intelligent safety shield系统实现了手动和自动模式下的加工过程仿真及碰撞保护，能够应用到复合加工中心、车削中心和五轴加工中心等；德玛吉森精机推出的MfgSuite数控仿真软件已经应用于NMV、DuraTurn/DuraVertical等系列机床，能够实现加工过程仿真及自动加工过程的碰撞检测。这些软件都和机床数控系统紧密的集成，从而实现在线实时碰撞检测及防护。国内绝大多数机床生产商使用的数控系统都是进口外部系统，由于国外高端数控系统的封闭性，要想完全掌握数控系统的逻辑关系，运行机制，困难很大，所以很难实现数控系统和三维虚拟机床的通信，技术难度较大。

技术实现要素：

本发明的目的在于为实现机床的智能化碰撞防护，提出了一种数控机床实时防碰撞方法，开发了数控机床三维实时加工仿真及防碰撞系统。通过与数控系统通信采集必要信号，驱动虚拟机床进行同步仿真，对于零部件间的碰撞及刀具和工件间的干涉进行预测，并将碰撞信号返回数控系统执行停机保护。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种数控机床实时防碰撞方法，采用外挂主机安装的数控机床三维实时加工仿真及防碰撞系统的与数控系统进行双向通信的方式进行碰撞防护，数控机床准备，连接数控系统PCU工厂以太网接口和外挂主机接口；运行数控机床三维实时加工仿真及防碰撞系统，开始数控系统和数控机床三维实时加工仿真及防碰撞系统的通信并仿真；数控机床正常运行，正常切削，数控机床三维实时加工仿真及防碰撞系统采集数控系统信号后驱动虚拟机床进行运动仿真和切削仿真；仿真过程中进行碰撞检测，如检测出碰撞，系统高亮显示发生干涉的部件，并在外挂主机屏幕提示碰撞信息，同时通过数控系统通信模块返回碰撞信号给数控系统，数控系统停机保护；重新调整机床至安全状态后操作机床安全运行。

数控机床三维实时加工仿真及防碰撞系统包括六个功能模块，分别为人机交互模块，机床模型数据模块，三维渲染环境模块，实时碰撞检测模块，机床工件实时仿真切削模块，数控系统通信模块。数控系统通信模块采集数控系统信号驱动机床模型进行运动仿真，经过三维渲染环境渲染后在终端显示，在对机床进行驱动时经过实时碰撞检测模块进行碰撞检测，通过工件实时仿真切削模块进行工件切削仿真。

所述的人机交互模块，由基于消息机制的MFC的Ribbon样式创建界面；界面的毛坯导入和最终工件导入菜单用来加载毛坯模型和最终工件，并通过后台实时碰撞检测模块完成工件碰撞模型的加载，同时由机床实时切削模块完成对毛坯件的预处理并通过三维环境渲染模块对工件进行渲染，由通信连接对话框完成数控系统和数控系统通信模块的连接。

所述的机床模型数据模块，虚拟机床采用与实物1:1的三角形面片模型，然后通过3ds Max进行1:1装配，导出.x格式文件供DirectX 9.0的API接口读取调用；通过三维渲染环境模块完成对虚拟机床的渲染显示，在渲染的同时调用机床模型数据模块的运动层次结构算法，完成机床部件运动树的建立，以供后续实时仿真时通过数控系统通信模块采集的信号进行驱动之用。

所述的三维渲染环境模块，基于DirectX 9.0三维图形开发包进行构建；虚拟机床视点角度的变化，发生碰撞时部件的高亮，工件切削过程中工件的实时变化，都是基于三维渲染环境模块的渲染方法完成。

所述的实时碰撞检测模块，碰撞检测算法是基于改进的OBB空间层次包围盒算法；数控系统通信模块采集的位置信号通过基于虚拟机床位置的预估插值算法，在预估运动姿态下，机床零部件和夹具或工件间的干涉检测采用高效的碰撞检测算法完成，并将碰撞信号通过通信模块返回数控系统。本系统针对工件的碰撞设定了两种类型：毛坯件和最终件的碰撞。毛坯件涉及的碰撞有毛坯和刀具、刀柄、主轴及机床部件的碰撞。最终件主要涉及刀具对最终工件过切发生的非法碰撞。

所述的机床工件实时仿真切削模块，采用dexel结构进行预处理，切削过程通过工件模型与刀具几何体之间的实时布尔切削运算完成；对于过切状态做出报警处理，并通过数控系统通信模块完成过切信号返回并执行保护。

所述的数控系统通信模块，采用基于OPC UA规范的数控系统通信方法，建立机床数控系统服务器端和客户端，通过客户端的操作实现对感兴趣参数的读取与写入，进而通过位置预判插值算法实现对虚拟仿真机床的驱动和发生碰撞后对数控系统的写入保护。

本发明应用于数控机床领域，机床数控系统通过连接数控机床三维实时加工仿真及防碰撞系统实现机床加工操作过程中的防碰撞功能。通过此发明，机床操作人员可以更专注地进行加工，节约了数控加工准备时间。对于数控机床智能化的避障功能是一种有效探索和尝试。

附图说明

图1是数控机床三维实时加工仿真及防碰撞系统的功能模块组成图；

图2是一种数控机床实时防碰撞方法的工作运行流程图；

图3是机床模型数据模块加载的模型简图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，本发明是虚拟数控机床基于OPC UA框架规范与数控系统进行双向通信经过对输入信号的预估算法处理进而驱动虚拟机床三维仿真并对加工过程中出现的非法碰撞和干涉实现报警最终实现对真实数控机床进行保障和防护。

实施例

1.图1是数控机床三维实时加工仿真及防碰撞系统的功能模块组成图。

在本实施例中，如图1所示，数控机床三维实时加工仿真及防碰撞系统包括人机交互模块，三维渲染环境模块，机床模型数据模块，实时碰撞检测模块，工件实时切削模块和数控系统通信模块。该系统通过采集数控系统必要信号，通过位置预判插值算法驱动虚拟机床进行仿真，对于零部件间的碰撞及刀具和工件间的干涉进行预测，并将碰撞信号返回数控系统执行停机保护。

人机交互模块，数控机床三维实时加工仿真及防碰撞系统的仿真环境可以实现用户对加载机床模型的移动、放大、缩小、旋转等交互控制；可以实现离线状态下对虚拟机床运动部件动画演示，刀库动作动画演示，演示实时切削功能，防碰撞功能；可以支持毛坯工件和最终工件的导入；可以动态更改刀库刀具种类，型号尺寸；支持和数控系统进行通信人机交互设置。仿真环境要求渲染过程消耗资源少，用户交互控制方便简洁，保证仿真的实时性。

机床模型数据模块，数控机床三维实时加工仿真及防碰撞系统为保证与真实机床加工过程的一致性，并考虑到渲染和目前成熟的高效碰撞检测算法的计算速度，机床(刀具库，夹具，工件)都采用与实物1:1的三角形面片模型；数控机床的各运动部件的运动类型一般只有两类，直线运动和旋转运动，因此虚拟数控机床的运动学建模要建立机床各运动部件的相对运动关系，建立运动副(移动副或转动副)；建立机床各相对运动的层次关系，保证运动从父节点到子节点的单向传递；构建表征运动关系和层次关系的矩阵，在虚拟环境中以对矩阵的操作实现机床部件运动的仿真，结构树模型便于通过递归完成整机模型的数据驱动，机床零部件之间的运动附属关系通过树结构来表达。

三维渲染环境模块，数控机床三维实时加工仿真及防碰撞系统渲染环境基于DirectX 9.0三维图形开发包进行构建，可以设置机床环境的光照、材质、摄像机等信息，进而实现虚拟机床从视觉角度的优化，发生碰撞时部件的高亮化，实现工件切削过程中工件的实时变化，可以通过重载响应事件实现摄像机角度的变换，从而对虚拟机床实现从视觉上的全方位观察。

实时碰撞检测模块，数控机床三维实时加工仿真及防碰撞系统的碰撞检测模块使用基于刚体的OBB空间层次包围盒算法，可以实现虚拟机床碰撞检测。由于从数控系统采集信号及传输过程中产生的延迟，本发明使用基于虚拟机床位置的预估插值算法，在预估运动姿态下，机床零部件和夹具或工件间的干涉检测可以采用高效的碰撞检测算法完成；并将碰撞信号通过通信模块返回数控系统。本系统针对工件的碰撞设定了两种类型：毛坯件和最终件的碰撞。毛坯件涉及的碰撞有毛坯和刀具、刀柄、主轴及机床部件的碰撞。最终件主要涉及刀具对最终工件过切发生的非法碰撞。其他非法碰撞种类为刀具和夹具或机床部件的碰撞，主轴和工件、夹具或机床部件的碰撞，刀柄和工件、夹具或机床部件的碰撞。

机床工件实时仿真切削模块，数控机床三维实时加工仿真及防碰撞系统的工件实时切削仿真采用dexel结构进行预处理；完成工件模型与刀具几何体之间的实时布尔切削运算；切削仿真模块首次实现刀具非切削段与工件之间干涉的检测，并做出报警处理。对于最终工件的保护，本发明通过导入最终模型来防止工件过切，实现对最终工件的保护。

数控系统通信模块，数控机床三维实时加工仿真及防碰撞系统与机床数控系统的通信采用基于OPC UA规范的数控系统通信方法，建立机床数控系统服务器端和客户端，通过客户端的操作实现对感兴趣参数的读取与写入(客户端程序编写流程见图2)，进而通过位置预判插值算法实现对虚拟仿真机床的驱动和发生碰撞后的写入保护。

2.下面对预判插值算法做简要说明：通信模块以周期T_o在t_i-1时刻对机床运动位置信息进行采集，该信息经过碰撞检测和工件实时切削计算，获取的碰撞信号在下一次通信事件时才能传递到数控系统，且需要机床经历T_p实现停机保护。因此，从信号输入到执行停机保护的周期为T_e＝T_o+T_p。这就是碰撞防护系统相对真实加工中碰撞发生需要停机响应的滞后时间。因此，碰撞防护系统在t_i采样，需要使用T_e时刻后的机床运动位置进行碰撞检测，才能够保证碰撞信息在机床端得到响应。T_e时刻后预测的机床运动位置P_pre,i可以通过t_i-2,t_i-1和t_i时刻的采集位置P_i-2,P_i-1和P_i差分近似得到。

P_pre,i＝P_i+V_iT_e+0.5a_iT_e²

其中

$V_i=min\{\frac{P_i-P_{i-1}}{T_o},V_{MAX}\}$

$a_i=min\{\frac{P_i-2P_{i-1}+P_{i-2}}{T_o},a_{MAX}\}$

V_MAX和a_MAX分别为各个进给轴的最大速度和最大加速度。

3.图2是本实施例的工作流程图，图3是本实施例进行仿真的数控机床的简化图。结合图2及图3对本实施例的工作流程进行详细说明。

本实施例的仿真对象为卧式四轴数控加工中心，如图3所示，1表示托架，2表示支架，3表示工作台，4表示刀柄，5是换刀臂，6是刀库，7是主轴，8是主轴箱，9是立柱，10是床身。X、Y、Z轴及旋转B轴运动方向如箭头所示，链式刀库，刀具40把，采用数控系统为SINUMERIK 840D sl。通过三维建模软件(proe或SolidWorks等)1:1建模机床模型，通过3ds Max装配模型，导出.X文件，然后通过directX 9.0的API调用该文件。刀具建模过程亦同机床模型建模配置过程。通过配置文件配置机床信息，包括机床行程参数，刀库换刀速度，主轴加载默认刀具参数等。通过刀具配置文件配置刀库对应刀号刀具信息，支持刀具类型，刀具参数等。本实施例碰撞检测针对工件和刀具的碰撞提出了两种碰撞状态，工件毛坯对于主轴未开启时的碰撞，最终工件对于刀具过切的非法碰撞；其他非法碰撞种类为刀具和夹具或机床部件的碰撞，主轴和工件、夹具或机床部件的碰撞，刀柄和工件、夹具或机床部件的碰撞。

通过网线连接数控系统PCU的工厂以太网接口，配置IP，运行数控机床三维实时仿真及防碰撞系统。

3.1离线演示：单击Ribbon界面的操作设置按钮，弹出非模态演示对话框，该对话框支持对机床的动画演示，演示包括X、Y、Z、B轴正反向运动操作，主轴正反向转动，主轴停止，手动换刀，自动换刀过程，工作台交换过程等。在机床部件运动过程中，实时碰撞检测模块会实时检测碰撞状态，发生碰撞时会提示碰撞信息并高亮显示发生碰撞的工作件。当演示切削时，刀具切削工件，工件会根据刀具与工件的切削状态实时显示工件的变化过程，在此过程中并实时碰撞检测。

3.2在线运行：单击Ribbon界面的通信设置按钮，弹出非模态通信对话框，选择数控系统版本，输入PCU的IP地址，单击连接。通过OPC UA规范，通信模块采集数控系统信号，本发明采集X、Y、Z、B轴位置信息以及主轴转速和当前刀具号信息，支持机床换刀并通过本系统进行动画演示。本系统通过采集的信号信息经过位置预判插值算法驱动相应机床部件运动并动画呈现，同时碰撞检测对预判后的位置进行碰撞检测，如果出现碰撞，本系统高亮显示碰撞工作件并提示碰撞信息，同时改变碰撞相关状态变量状态，通过OPC UA规范写入数控系统，数控系统进行停机保护。如果是在数控程序自动加工过程中出现碰撞，则机床操作人员调整数控程序至安全状态；如果是手工操作加工则此时操作人员改变原来操作方案，防止出现非法碰撞。如果没有出现碰撞则虚拟机床根据数控系统采集信息和预判算法对机床位置循环检测保证机床正常工作。如果刀具和工件发生切削，则通过工件实时切削模块显示工件切削后的形状并进行动画仿真，同时进行循环碰撞检测，碰撞检测如出现碰撞则与上述碰撞出现后的响应状态一致，进行机床运行状态调整，否则一直进行循环检测。对于机床运行过程中的换刀状态，本系统通过OPC UA规范读取刀具号，并根据机床刀库换刀动作进行实时动画仿真，保证加工刀具的准确性。