一种数控机床实时防碰撞方法技术

本发明专利技术公开并实现了一种与数控系统弱相关的数控机床实时防碰撞方法，通过数控机床三维实时加工仿真及防碰撞系统采集数控系统感兴趣信号并经过软件系统内预估算法处理感兴趣信号后驱动虚拟数控机床进行仿真，对于操作人员操作数控机床或者加工过程中出现的非法碰撞或干涉进行预估仿真并进行报警提示，返回数控系统停机信号并进行机床保护。

Real time anti-collision method for numerical control machine tool

The present invention discloses and implements a weak correlation with CNC system of CNC machine tool for real-time collision avoidance method, through real-time 3D NC machining simulation system of NC system and anti collision acquisition signal of interest and through the software system in processing the signal of interest prediction algorithm to drive the virtual NC machine tools simulation for illegal Collision Operator CNC machine tools or machining process or interference prediction simulation and alarm, stop signal and return CNC machine tool protection.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及装备制造业中的数控机床领域，更具体的，本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。通过此专利技术，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专利技术的具体实施方式进行描述，本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种数控机床实时防碰撞方法，其特征在于，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。

【技术特征摘要】
1.一种数控机床实时防碰撞方法，其特征在于，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。2.根据权利要求1所述的一种数控机床实时防碰撞方法，其特征在于，所述的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。3.根据权利要求2所述的一种数控机床实时防碰撞方法，其特征在于，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。4.根据权利要求2所述的一种数控机床实时防碰撞方法，其特征在于，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：洪军，贾康，荆冲，张程，王江威，王堃，万少可，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61