基於htm40100車銑複合加工中心三維在線防碰撞方法
2023-06-12 04:28:51 1
專利名稱：基於htm40100車銑複合加工中心三維在線防碰撞方法
技術領域：
本發明屬於工具機技術領域，具體涉及一種基於HTM40100車銑複合加工中心三維在線防碰撞方法。
背景技術：
傳統的三維防碰撞系統是相對封閉的系統，系統不能上網，所以要實現遠程狀態檢測和故障診斷較為困難，因此在加工過程中不能實時預警並消除加工中出現的工件、刀具、工裝及工具機運動部件間的碰撞，並防止碰撞引起的損失，同時延長了準備和切削時間，減小了工具機的有效工時。同時鑑於各數控工具機控制系統生產商(如日本Okuma、德國Heidenhain)都考慮或已經準備在高端的數控控制系統中集成防碰撞系統，但還沒有一種解決方案適合全面的開發目標。研究三維防碰撞技術並在車銑複合加工中心應用，可以縮短與國際同類產品的差距，還可以擴展應用到其他系列高檔加工中心，從而提高我國高檔數控裝備的國際競爭力。
發明內容
本發明的目的在於提供一種基於HTM40100車統複合加工中心三維在線防碰撞方法，當判斷可能發生碰撞或幹涉時，能實時地做出相應處理，如停機並給出預警提示，以避免碰撞事故的發生，保證加工的安全。本發明提出的基於HTM40100車銑複合加工中心三維在線防碰撞方法，由HTM40100車銑複合加工中心的三維防碰撞系統與西門子SINUMERIK 840D系統組成，HTM40100車銑複合加工中心的三維防碰撞系統，包括輸入模塊1、運行模塊2、輸出模塊3和響應模塊4。( I)輸入模塊
所述輸入模塊I包括工具機信息輸入模塊5、毛還信息輸入模塊6、刀具信息輸入模塊7和加工程序段輸入模塊8，輸入模塊I是防碰撞監測系統的初始化部分，負責將用戶輸入的各項工具機設備信息讀入三維防碰撞監測系統中，供三維防碰撞監測系統幾何建模使用；
(1. O工具機信息輸入模塊由於加工中心的結構複雜，米用三維實體建模技術構造模型，利用ProE和Solidworks三維造型軟體建立加工中心三維模型，並在三維防碰撞系統啟動前利用工具機信息輸入模塊將模型導入三維防碰撞系統中；
(1. 2)毛坯信息輸入模塊通過選擇所需加工的毛坯編號，加載相應的毛坯文件及信
息；
(1. 3)刀具信息輸入模塊通過與外部的刀具識別系統進行數據交換，將刀庫中的各種加工信息讀入三維防碰撞系統，以對刀具進行幾何造型；
(1. 4)加工程序段輸入模塊對各個加工程序段進行文件管理，並且將當前運行程序段讀入至三維防碰撞系統中，供後續的碰撞報警提示模塊調用。(2)運行模塊 運行模塊包括程序監控模塊9、加工信息監控模塊10和加工仿真模塊11，它是三維防碰撞系統的核心模塊，所有的數據信息在這裡得到處理並輸出返回值供後續的模塊使用；(2.1)程序監控模塊當監控到監控數控系統操作面板上的NC START按鍵信號被啟動，則三維防碰撞系統也即時啟動，開始進行運動仿真和碰撞檢測運算。(2. 2)加工信息監控監控數控系統中各個軸的位置信息，當前加工程序段的運行信息以及當前刀具的各種參數信息，通過監控這些信息，便可以獲得虛擬加工中心的仿真數據。(2. 3)加工仿真加工仿真模塊分為加工幾何建模模塊17、加工運動仿真模塊18和碰撞幹涉檢測模塊19，加工幾何建模模塊17通過輸入模塊中各零部件的參數在仿真環境中建立整個加工中心的零部件幾何模型，加工運動仿真模塊18通過讀取從數控系統中採集到的軸信息的軸半徑和長度相關加工數據，驅動幾何模型進行仿真運動；而碰撞幹涉檢測模塊則根據輸入的工具機、刀具和工件信息，實時計算碰撞檢測結果並輸出檢測信號。(3)輸出模塊
輸出模塊3將運行模塊2中的加工運動仿真模塊18以動畫的形式展示給工具機操作人員，輸出碰撞檢測結果至CNC系統中供PLC調用，同時將報警信息輸出至數控系統操作面板上提示操作人員進行處理。包括碰撞檢測信號輸出模塊12、碰撞報警提示模塊13和加工過程顯示模塊14 ；
(3.1)加工過程顯示模塊以動畫的形式實時顯示加工運行狀態，方便工具機操作人員觀察工件加工情況，有效防止操作人員在對刀時刮傷工件。(3. 2)碰撞檢測信號輸出模塊循環讀取運行模塊中碰撞幹涉檢測的檢測值，將該值寫入到數控系統中的R參數中，供PLC讀取並響應。(3. 3)碰撞報警提示模塊以報警文件的形式在數控系統中給出報警，自動顯示NC代碼中出錯的位置，提示操作人員修改NC代碼。(4)響應模塊
響應模塊4依據輸出模塊3中給出的碰撞檢測信號，控制PLC的啟停，以達到實時響應規避碰撞的基本要求，包括工具機停機模塊15和斷點保護模塊16。(4.1)工具機停機模塊控制PLC循環讀取CNC數控系統中存放碰撞檢測結果的值，即R參數，一旦檢測到有碰撞發生，整個工具機停止運動，包括主軸和進給軸。(4. 2)斷點保護模塊在程序終止的位置保存斷點信息，以便在恢復運行時從該位置繼續執行，縮短加工時間，儘可能提高加工效率。HTM40100車銑複合加工中心的三維防碰撞系統建立後，然後利用SINUMERIK840D系統中的OEM軟體開發包提供的標準程式語言，首先將OEM軟體包安裝在個人PC機上，然後利用VB程式語言進行人機界面的開發，利用VC++創建語言動態連結庫實現軟鍵文本的調用，最終將防碰撞系統嵌入了數控系統中，實現HTM40100車銑複合加工中心的三維在線防碰撞系統的開發。本發明開發了三維在線防碰撞系統，使防碰撞系統集成在高端的數控控制系統中，當工件之間可能發生碰撞或幹涉時，能實時地做出相應處理，如停機並給出預警提示，以避免碰撞事故的發生，保證加工的安全。同時，可以縮短與國際同類產品的差距，還可以擴展應用到其他系列高檔加工中心，從而提高我國高檔數控裝備的國際競爭力。
圖1系統功能模塊 圖2系統流程 圖3虛擬加工中心建模；
圖4運動仿真動畫流程 圖5防碰撞系統主界面；
圖中標號1為輸入模塊，2為運行模塊，為輸出模塊，4為響應模塊，5為工具機信息輸入模塊，6為毛還信息輸入模塊,7為刀具信息輸入模塊,8為加工程序段輸入模塊，9為程序監控模塊，10為加工信息監控模塊，11為加工仿真模塊，12為碰撞檢測信號輸出模塊，13為碰撞檢測信號輸出模塊，14為加工過程顯示模塊，15為工具機停機模塊，16為斷點保護模塊，17為加工幾何建模模塊，18為加工運動仿真模塊，19為碰撞幹涉檢測模塊。
具體實施例方式下面結合本發明的內容和附圖對本發明做進一步說明。實施例1 :
如圖1所不，所述三維防碰撞系統，包括輸入模塊1、運行模塊2、輸出模塊3和響應模塊4。(I)輸入模塊
所述輸入模塊I包括工具機信息輸入模塊5、毛還信息輸入模塊6、刀具信息輸入模塊7和加工程序段輸入模塊8 ；
運行模塊2包括程序監控模塊9、加工信息監控模塊10和加工仿真模塊11，它是三維防碰撞系統的核心模塊；
輸出模塊3包括碰撞檢測信號輸出模塊12、碰撞報警提示模塊13和加工過程顯示模塊
14 ；
響應模塊4包括工具機停機模塊15和斷點保護模塊16。圖2為系統的流程圖。具體步驟如下
(1)輸入工具機信息輸入模塊、刀具信息輸入模塊和毛還信息輸入模塊；利用三維造型軟體建立加工中心模型，利用Solidworks繪製的加工中心三維簡化模型；將模型文件保存為STL格式文件，在Solidworks中建立好加工中心的幾何模型後，需要將該模型輸出為STL格式的文件供OpenGL調用，STL文件是表面三角化數據格式文件的簡稱，它將所建模型的表面離散成大量的三角形面片，利用這些三角形面片來逼近真實的三維實體模型；將STL文件導入OpenGL中重構並顯示。完成以上操作後，最後需要在OpenGL中讀入以上保存好的STL文件。至此，基於OpenGL的加工中心幾何建模便已經全部完成，
(2)通過齊次坐標變換建立用來描述工具機上各部件相對運動關係的數學模型，即系統虛擬加工中心的運動建模，也就是加工的幾何建模。(3)在工具機各部件運動時，首先進行加工設備信息的輸入，即把工具機、刀具以及工件的幾何信息輸入至系統中，基於VB程式語言下，通過SINUMERIK 840D數控系統中的NCDDE伺服器可以訪問上述數據，然後設置一個計時器實現軸數據的循環監控，包括加工過程中各軸坐標數據、主軸轉速、進給速度等。然後將各個坐標值的變化量作為每次動畫刷新的偏移量，接著調用OpenGL雙緩存技術進行動畫仿真，經過這樣的循環往復，完成整個加工運動的顯示。(4)在系統進行運動仿真過程中，同時碰撞檢測部分對工具機的運動進行檢測。檢測分為兩部分一是，刀具與工具機部件的碰撞檢測；二是，刀具與工件的碰撞檢測。當兩部分都沒有產生碰撞或碰撞趨勢，仿真終止。否則，通過加工過程顯示部分，以動畫的形式傳給操作人員，同時報警模塊調取加工程序模塊以報警文件的形式在數控系統中給出報警並自動顯示NC代碼中出錯的位置提示操作人員修改NC代碼。另一方面，在系統運動仿真檢測到將要發生碰撞時，循環讀取運行模塊中碰撞幹涉檢測的檢測值，寫入到數控系統的R參數中，共PLC讀取並響應。(5) PLC讀取CNC數控系統中存放碰撞檢測結果的值，即R參數，整個工具機停止運動，包括主軸和進給軸。在程序終止位置保存斷點信息，以便在恢復運行時從該位置繼續執行。
權利要求
1.一種基於HTM40100車銑複合加工中心三維在線防碰撞方法，其特徵在於由HTM40100車銑複合加工中心的三維防碰撞系統與西門子SINUMERIK 840D系統組成，HTM40100車統複合加工中心的三維防碰撞系統,包括輸入模塊(1)、運行模塊(2)、輸出模塊⑶和響應模塊⑷； (1)輸入模塊 所述輸入模塊(1)包括工具機信息輸入模塊(5)、毛還信息輸入模塊(6)、刀具信息輸入模塊(7)和加工程序段輸入模塊(8)，輸入模塊(1)是防碰撞監測系統的初始化部分，負責將用戶輸入的各項工具機設備信息讀入三維防碰撞監測系統中，供三維防碰撞監測系統幾何建模使用； (1.1)工具機信息輸入模塊:由於加工中心的結構複雜，米用三維實體建模技術構造模型，利用ProE和Solidworks三維造型軟體建立加工中心三維模型，並在三維防碰撞系統啟動前利用工具機信息輸入模塊將模型導入三維防碰撞系統中； (1.2)毛坯信息輸入模塊:通過選擇所需加工的毛坯編號，加載相應的毛坯文件及信息； (1.3)刀具信息輸入模塊:通過與外部的刀具識別系統進行數據交換，將刀庫中的各種加工信息讀入三維防碰撞系統，以對刀具進行幾何造型； (1.4)加工程序段輸入模塊:對各個加工程序段進行文件管理，並且將當前運行程序段讀入至三維防碰撞系統中，供後續的碰撞報警提示模塊調用； (2)運行模塊 運行模塊包括程序監控模塊(9)、加工信息監控模塊(10)和加工仿真模塊(11)，它是三維防碰撞系統的核心模塊，所有的數據信息在這裡得到處理並輸出返回值供後續的模塊使用； (2.1)程序監控模塊:當監控到監控數控系統操作面板上的NC START按鍵信號被啟動，則三維防碰撞系統也即時啟動，開始進行運動仿真和碰撞檢測運算； (2.2)加工信息監控:監控數控系統中各個軸的位置信息，當前加工程序段的運行信息以及當前刀具的各種參數信息，通過監控這些信息，便可以獲得虛擬加工中心的仿真數據； (2.3)加工仿真:加工仿真模塊分為加工幾何建模模塊(17)、加工運動仿真模塊(18)和碰撞幹涉檢測模塊(19)，加工幾何建模模塊(17)通過輸入模塊中各零部件的參數在仿真環境中建立整個加工中心的零部件幾何模型，加工運動仿真模塊(18)通過讀取從數控系統中採集到的軸信息的軸半徑和長度相關加工數據，驅動幾何模型進行仿真運動；而碰撞幹涉檢測模塊則根據輸入的工具機、刀具和工件信息，實時計算碰撞檢測結果並輸出檢測信號； (3)輸出模塊 輸出模塊(3)將運行模塊(2)中的加工運動仿真模塊(18)以動畫的形式展示給工具機操作人員，輸出碰撞檢測結果至CNC系統中供PLC調用，同時將報警信息輸出至數控系統操作面板上提示操作人員進行處理；包括碰撞檢測信號輸出模塊(12)、碰撞報警提示模塊(13)和加工過程顯示模塊(14)； (3.1)加工過程顯示模塊:以動畫的形式實時顯示加工運行狀態，方便工具機操作人員觀察工件加工情況，有效防止操作人員在對刀時刮傷工件； (3.2)碰撞檢測信號輸出模塊:循環讀取運行模塊中碰撞幹涉檢測的檢測值，將該值寫入到數控系統中的R參數中，供PLC讀取並響應； (3.3)碰撞報警提示模塊:以報警文件的形式在數控系統中給出報警，自動顯示NC代碼中出錯的位置，提示操作人員修改NC代碼； (4)響應模塊 響應模塊(4)依據輸出模塊(3)中給出的碰撞檢測信號，控制PLC的啟停，以達到實時響應規避碰撞的基本要求，包括工具機停機模塊(15)和斷點保護模塊(16)； (4.1)工具機停機模塊:控制PLC循環讀取CNC數控系統中存放碰撞檢測結果的值，即R參數，一旦檢測到有碰撞發生，整個工具機停止運動，包括主軸和進給軸； (4.2)斷點保護模塊:在 程序終止的位置保存斷點信息，以便在恢復運行時從該位置繼續執行，縮短加工時間，儘可能提高加工效率； 具體步驟如下: (1)輸入工具機信息輸入模塊、刀具信息輸入模塊和毛還信息輸入模塊；利用三維造型軟體建立加工中心模型，利用Solidworks繪製的加工中心三維簡化模型；將模型文件保存為STL格式文件，在Solidworks中建立好加工中心的幾何模型後，需要將該模型輸出為STL格式的文件供OpenGL調用，STL文件是表面三角化數據格式文件的簡稱，它將所建模型的表面離散成大量的三角形面片，利用這些三角形面片來逼近真實的三維實體模型^fSTL文件導入OpenGL中重構並顯示；完成以上操作後，最後需要在OpenGL中讀入以上保存好的STL文件；至此，基於OpenGL的加工中心幾何建模便已經全部完成， (2)通過齊次坐標變換建立用來描述工具機上各部件相對運動關係的數學模型，即系統虛擬加工中心的運動建模，也就是加工的幾何建模； (3)在工具機各部件運動時，首先進行加工設備信息的輸入，即把工具機、刀具以及工件的幾何信息輸入至系統中，基於VB程式語言下，通過SINUMERIK 840D數控系統中的NCDDE伺服器可以訪問上述數據，然後設置一個計時器實現軸數據的循環監控，包括加工過程中各軸坐標數據、主軸轉速、進給速度等；然後將各個坐標值的變化量作為每次動畫刷新的偏移量，接著調用OpenGL雙緩存技術進行動畫仿真，經過這樣的循環往復,完成整個加工運動的顯示； (4)在系統進行運動仿真過程中，同時碰撞檢測部分對工具機的運動進行檢測；檢測分為兩部分:一是，刀具與工具機部件的碰撞檢測；二是，刀具與工件的碰撞檢測；當兩部分都沒有產生碰撞或碰撞趨勢，仿真終止；否則，通過加工過程顯示部分，以動畫的形式傳給操作人員，同時報警模塊調取加工程序模塊以報警文件的形式在數控系統中給出報警並自動顯示NC代碼中出錯的位置提示操作人員修改NC代碼；另一方面，在系統運動仿真檢測到將要發生碰撞時，循環讀取運行模塊中碰撞幹涉檢測的檢測值，寫入到數控系統的R參數中，共PLC讀取並響應； (5)PLC讀取CNC數控系統中存放碰撞檢測結果的值，即R參數，整個工具機停止運動，包括主軸和進給軸；在程序終止位置保存斷點信息，以便在恢復運行時從該位置繼續執行。
全文摘要
本發明屬工具機技術領域，具體涉及一種基於HTM40100車銑複合加工中心三位在線防碰撞方法，實現臥式車銑複合加工中心的在線防碰撞檢測。本發明選用SINUMERIK840D系統作為開發平臺，以HTM40100臥式車銑複合加工中心為研究對象，在西門子的標準界面下，利用西門子OEM軟體開發包提供的標準程式語言，將自行開發的三維防碰撞系統集成於數控系統中。本發明開發了三維在線防碰撞系統，使防碰撞系統集成在高端的數控控制系統中，當工件之間可能發生碰撞或幹涉時，能實時地做出相應處理，如停機並給出預警提示，以避免碰撞事故的發生，保證加工的安全。同時，可以縮短與國際同類產品的差距，還可以擴展應用到其他系列高檔加工中心，從而提高我國高檔數控裝備的國際競爭力。
文檔編號G05B19/4061GK103076762SQ20131003805
公開日2013年5月1日 申請日期2013年1月31日 優先權日2013年1月31日
發明者李鵬忠, 張為民, 李揚, 程猛 申請人:同濟大學