基于Matlab与WinCC的数控机床仿真平台开发.pdf

2 0 1 0年 1 0月 第 3 8卷 第 2 0期 机床与液压 MACHI NE T00L HYDRAUL I CS Oc t ． 2 0 1 0 Vo 1 ． 3 8 No ． 2 0 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 2 0 ． 0 1 0 基于 M a t l a b与 Wi n C C的数控机床仿真平台开发 梁艳 。 ，宋振 国 1 ．上海工程技术大学工程实训 中心，上海 2 0 1 6 2 0 ；2 ．北京化工大学 自动化研 究所 ，北京 1 0 0 0 2 9 摘要基于Ma t l a b与Wi n C C开发数控机床仿真平台。该平台可实现多种数控机床的加工过程模拟 ，可实现从编程到切 削加工整个加工过程的动态仿真，并具有操作评价系统。介绍该仿真平台的开发思路，以伺服系统为例介绍其组态和仿 真；分析该平台存在的不足主要是系统资源占有率过高，据此提出相应的解决措施。 关键词 数控机床；仿真平台；Wi n C C；Ma t l a b 中图分类号T P 1 文献标识码B 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 2 0 0 2 6 4 De v e l o p me n t o f S i mu l a t i o n PI a t f o r m f o r Nume r i c a l Co n t r o l M a c hi n e To o l s Ba s e d o n M a t l a b a n d W i nCC L I ANG Ya n ． S ONG Z he n g u o 1 ． E n g i n e e r i n g T r a i n i n g C e n t e r ，S h a n g h a i U n i v e r s i t y o f E n g i n e e r i n g S c i e n c e ，S h a n g h a i 2 0 1 6 2 0，C h i n a ； 2 ． A u t o m a t i o n R e s e a r c h I n s t i t u t e ，B e i j i n g U n i v e r s i t y o f C h e m i c a l T e c h n o l o g y ，B e i j i n g 1 0 0 0 2 9，C h i n a Ab s t r a c t A s i mu l a t i o n p l a t f o r m b a s e d o n Ma t l a b a n d W i n C C w a s d e v e l o p e d ． T h e s i mu l a t i o n s o f ma n u f a c t u ri n g p r o c e s s e s o f s e v e r a l k i n d s o f C N C m a c h i n e t o o l s w e r e r e a l i z e d i n t h i s p l a t f o rm ，a n d t h e d y n a mi c s i m u l a t i o n o f e n t i r e p r o c e s s f r o m N C p r o g r a m m i n g t o c u t t i n g c o u l d b e r e a l i z e d ．A n o p e r a t i o n e v a l u a t i o n s y s t e m w a s i n c l u d e d i n t h i s p l a t f o r m．T h e d e s i g n o f t h e s i m u l a t i o n p l a t f o rm w a s p r e s e n t e d a n d a n e x a mp l e o f s e r v o s y s t e m wa s g i v e n t o s h o w t h e c o n f i g u r a t i o n a n d s i mu l a t i o n ． I t s ma i n d i s a d v a n t a g e wa s h i g h s y s t e m r es o ur c e oc c up a t i o n r a t e a n d a p p r o p ria t e s o l u t i o n s we r e p r o p o s e d． Ke y wo r d s NC ma c h i n e t o o l ； S i mu l a t i o n p l a t f o r m ； Wi n C C； Ma t l a b 随着我 国逐渐成为世界制造 中心 ，我 国数控机床 的数量不断增加，已经成为全球最大的数控机床进口 国和消费 国。在制造设备 大规模数控化 的情况下 ，就 急需一批能够熟练应用数 控技术 ，对数控设备进行编 程 、操作 、调试及维护 的机 电复合型人材 。但 目前这 种人材稀缺 ，许 多数 控用人 企业找 不到合适 的人才 ， 制约企业发展乃至整个产业的效率。因此如何经济高 效地培养高能力 的数控机床操作人员 已经成为一个急 需重视的问题 。 数控操作人员技能水平的提高，离不开上机实 训 ，然而 ，由于数控设备价格昂贵且 品种繁多 ，一般 院校很难大批购进。因此传统的数控教学一般都局限 于课堂书本讲解、幻灯片演示、多媒体等 ，学员上机 实践的机会相对不足。为了提高教学质量，降低教学 成本 ，有学者开发出硬件软件混合仿真平台⋯，很大 程度上降低了数控设备的培训成本 ，但是这种仿真平 台仍旧需要硬件及场地的支持 ，灵活度仍不够高。 另一方面，目前绝大部分高等工科院校计算机都 比较普及，一般都有相应的计算机实验室，因此开发 一 套不需要数控机床支持的软件教学仿真平台不仅可 以更好地利用现有的计算机资源 ，也可以充分发挥计 算机教学的长处。 作者利用 M a t l a b和 Wi n C C搭 建 了数 控机 床全 软 件教学仿 真平台。该平 台实现在多种数控设备上的仿 真模 拟 ，可 以实现从 N C编程至切削加工 的整个加工 流程。该仿真平台还包括操作评价系统，可对学员操 作效 果进行评价 。 1 仿真平台结构 1 ． 1 仿真平 台构成 该仿真培训平 台主要有三大部分构成 。 第一大部分是各数控设备的仿真模型。采用几何 仿真的方法 ，分别建立 了机床 、刀具 、工件的几何模 型，并由Ma t l a b 编程实现。此外， N C程序的翻译也 由此模块实现。 第二 大部 分是 由 Wi n C C实 现 的人 机交 互 界 面。 其功能是接收用户指令，并将动作传至模型，再接收 由模 型处理 的数据 ，将主要数据显示在用户界面上并 收稿 日期 2 0 1 0一 O 5 2 8 基金项目上海工程技术大学校发展基金资助项 目 2 0 0 8 x y 5 8 作者简介梁艳 1 9 7 6 一 ，女 ，硕士研究生，讲师，主要从事智能控制的理论、方法及应用方面的研究。Em a i l l i a n g y a n 2 0 02 1 63 1 6 3．c o rn。 第2 0期 梁艳 等 基于 M a t l a b与 Wi n C C的数控机床仿真平台开发 2 7 显示 虚拟加工过程 。 第三大部分为基于 ． N E T的操作评价系统及通信 模块 。此部分可对学员编程质量 、操 作流程进行分项 评价 ，并可扩展成考核鉴定平 台。 三大部分之间通过不同的方法实现通信 。教师 站 与学员站之间通 过 S o c k e t 连接 ，学员站 、人机交互界 面及动态模型之间通过 D D E连接 。其总体框架 图 l所示 。 豳 豳 图 1 仿真平台总体框架 1 ． 2 人机 交互界 面 人机交互界面主要 实现两 方 面的功 能 1 实 现仿真动画表现； 2 实现操作信息的收集 ，并发 送给仿 真模 型处理。 仿真动画的实现是数控加工仿真技术 的关键 ， 其实质是以计算机模拟实际的加工过程然后 以动画 形式加以表现，在计算机上反映机床 的外形、控制 面板 、操 作 方 法 、运 动 方 式 、工 件 的运 动 与 装 夹 、 刀具 的运动轨迹 等 。逼 真 的动 画表 现可 以使 学员 对 数控机床的工作原理及切 削过程有更加深入 的认 识 ，并且可以作为验证数控加工程序可靠性的有力 工具。同时，仿真动画可以预测整个切削过程 ，可 以提前找出生产过程的不足 ，减少试切 ，提高生产 效率 。 该仿真平台动画依靠工业组态软件 Wi n C C实现。 S I M A T I C Wi n C C是西 门子公 司开发 的过程监 视 系统 ， 具有 良好的开放性和灵活性，内置完备的操作和管理 功能 ，可简单 、有效地进行组态 ；可用 选件 和附加件 比较丰 富 ，易于扩展 ，目前 已经广泛应 用于化 工 、能 源、制造等行业 。该平台依靠 Wi n C C良好 的可扩 展性 ，将 C A D与 3 D M a x模 型导人 Wi n C C中，并 由 Ma t l a b仿真模型控制其动态效果 。 同时 ，由 Wi n C C组态 的模拟 键 盘与操 作 面板 实 现用户指令的收集 ，然后通过 D D E通信将信息交 由 模型处理。 据此人机交互界面应该有以下几个功能 1 模拟键盘及仿真面板 ，实现人机界面的交 互 2 动画仿真界面。依据所选模型和学员程序 实现较为准确的动画实现 ，表示 整个切 削过程 ； 3 信息显示与操作提示。显示仿真模型的反 馈信息及来自操作评价系统的评价信息等； 4 元件库。用来存储加工元件供用户选择。 人机交互界 面的功能示意 图如 图 2 所示 。 一 。 -氟 - 轰 i ⋯⋯ 图 2 人 机交互界 面的功能示 意图 1 ． 3 仿真模型的实现 数控机床的仿真方法按 目的和对象可以分为两 类 几何仿真和物理仿真。物理仿真用于在实际加 工之前分析及预测工艺过程各参数的变化以及相关干 扰因素对加工过程的影响。这种方法来源于加工过程 的实质分析，可用于分析工件加工质量、辅助在线检 测、进行工艺规程优化等。但这种方法需要建立大量 的机理模型，建模相对复杂，一般不用在数控培训领 域。而几何仿真的重点在如何用虚拟现实的方法实现 机床的执行加工过程 ，其中主要是机床 一 刀具 一工件 三切 削过程 中的视觉表现 。这种方法只需考虑工件及 刀具等在切削过程中的位置及几何变化，模型建立相 对简单 ，被普遍应用于 N C程序 的验证及仿 真培训平 台的开发 。 该平台采用几何仿真方法分别建立了几种不同种 类机床的相应模型。每个机床模型下又含有毛坯、刀 具、夹具的几何模型，其中包括运动位置、速度及变 形程度等重要参数的变化。 仿真模型运行前应首 先对用户编写的 N C程序 进行译码 ，产生加工 动画 的驱动指令。N C程序的 译码 分 为两 部 分 1 对伺服机构控制方法及参 数的确定； 2 依 照学 员选择 的坐标 系 及 刀具 、 转速等信息来确定刀补及 轨迹 。译码所得的参数 发往仿真模型计算后输出 至人机 界面显示动态效 果。N C译码器 的工作原 理 如 图 3所示 。 读 取 N C 程 序 I 词法、 语法检验 -- 三三j三三 匾 仿真模型计算、输出 图3 N C程序译码 器工作原理 仿真模型运行时根据 N C译码器的输出和人机交 互发来的用户指令，首先确定机床类型，然后再计算 车床、夹具 、毛坯 、刀具等主要器件的实时参数并发 送至人机交互界面实现动态显示。其工作原理如图4 所示 。 一 仿真 模 型 ～ 日 2 8 机床与液压 第 3 8卷 人机 交互 指 令信 息 N C译码器 输 出 I I 崮豳 J 1 l I I 车 床模 型 夹具 模 型 毛 坯模 型 刀具模 型 圈圉 国 国 圈 囡 国 囡 f 发 送 至 人 机 交 互 显 示 I 图4 仿真模型运行流程 仿真模型在 M a t l a b中实现。Ma t l a b作为第五代 编程语言 ，其 编程方 法简 单 ，内部集 成有 大量 工具 箱供 直 接 调 用 ，并 有 丰 富 的扩 展 接 口 。另 一 方 面 ，M a t l a b可 以 很 方 便 地 实 现 多 种 功 能 的 编 程 要 求。比如可以通过定义父变量作为全局变量 ，其余 与模型相关的变量可以通过继承父变量的方式来实 现繁多的变量在不同子函数 中的传递。变量除了能 继承外 ，M a t l a b另一 强大 功能 就 是数 组 ，在变 量 继 承 的同时还能直 接利 用 数据 ，表 明程序不 仅 具有 良 好 的可读 性 ，而且具 有 良好 的可 扩展 ，方便用 户进 一 步开发新 的功 能模块 。Ma t l a b的 M文件 可 以直接 编译生成 ． E X E可执行文件 或 ． D L L动态链 接库 ， 便与集成与发布。 1 ． 4 操作评价 系统及通信功能实现 为 了满足实际教学 中 ，检验教学质量 、对 员工 的 操作水平进行测试 的需要，该仿 真平 台中，采用 ．N E T技术开发了操 作评价 系统。该 系统 可安装 于独 立主机 ，作 为教师站软件使用。相应 的 ，在学员机运 行的人机界 面和仿真模型通过 ． N E T技术连接 为学 员 站。教师站与学员站之间采用典 型的服务器 一 客户端 模式工作 ，教师站可以通过 S o c k e t 联接和 T C P ／ I P协 议向学员 站发送 相关 指 令 ，包 括为学 员 指定机 种模 型、培训项 目及查看学员操作信息 。 教师站实现的功能有 1 学员 总览。包括 学 员名 、学 员 编号 及学 员 所在组的设置，及当前在线学员的基本信息 ，包括学 员、培训题 目、所在机位 I P等； 2 配分设置。修改 、建立项 目配分表。 3 成绩查询及成绩统计。成绩统计可查看指 定学员在某项 目的成绩详情。成绩查询可查询指定时 间段 内所有学员各项 目成绩 ； 4 历 史数 据查 询。查 看某 学员 当前 培训 项 目 的重要变量曲线； 5 启动装置。为某学员指定培训项 目并为其 远程激活 学生 站除 了实 现人 机界 面与 仿真 模 型的 初始 化 及通信 功能外 ，还具有 接 收并处 理 教师 站发 来 的信 息 、向教 师站 发送 学 员 操 作 记 录 和 历 史 数 据 的功 能 。 2 通用模块组态及仿真演示 数控机床用途最广泛的是伺服系统，作者开发的 伺服系统仿真教学平台如图5所示。其他的数控器件 如铣床 、刨床等也可通过重新组态后加入图 5 所示 的 教学仿 真平 台的人机交互界 面中。 图5 横向伺服给进系统 在图5的伺服系统中，图中毛坯位置由直流伺服 电机控制，该伺服机构～般用统一的模型表述为 L G s 了 _ 丁 1 t 1 _O5十“ 对伺服机构的控制要求一般是尽快到达指定位置 并保持稳定 位置跟踪控 制 。由吴宏鑫 院士 给 出 的特征建模理论，伺服机构的特征模型可用一个二阶 慢时变差分方程来描述 y k 1 k Y k k y k 一1 十 g 。 k k g 。 k H k 一1 2 具体的建模算法可参考相关文献。 图6给出了特征 P I D控制算法与模型预测算法的 跟踪仿真结果比较。可以看出，模型预测控制进入稳 态速度快 ，但超 调量大 ；而 特征 P I D进入稳 态稍慢 ， 但超调小。这些算法都能通过开放接口连接到仿真平 台上。图7显示了控制算法在仿真平台上的实际运行 效果 t i s t | s a 模型预测控制 b 特征P I D 图6 伺服机构不同控制算法仿真比较 第 2 0期 梁艳 等 基于 M a t l a b与 Wi n C C的数控机床仿真平台开发 2 9 图7 横向伺服给进系统运动演示 3 存在问题 该仿真平台在实际应用时，可以较好地表现数控 机床的相关加工过程。机床 一刀具 一工件三者的位 置、速度等在几何模型的控制下 ，配合较好 ，表现的 切削过程也较准确。但是 ，在仿真过程运行时 ，计算 机的资源占用率较高，有 时可达 8 0 ％。分析原因， 除了计算机配置水平方面的问题外，仿真系统本身有 以下两个原 因 1 后台模型和人机交互之间的通信量大且通 信频繁 。为 了更好地实 现动态效 果及实 时人机 交互 ， 计算机要花费大量的资源来处理两者之间的通信 ，且 D D E机制本身 的效率也较低 。 2 动画显示消耗系统资源。使用 O p e n G L时， 没有对相关纹理及算法进行优化 。 相应地 ，为了解决占用系统资源过高的问题，可 以从 以下几点人手 1 寻找更具效率的通信方法。如可采用 O P C 等方法 ； 2 通过压缩变量的方法减少数据通信量。如 某些变量实 时性 要求 不 强 ，可 以隔几 个周 期传 递一 次 ； 3 利用 Wi n C C内部编程，减少实时读取的变 量 的数量 ； 4 优化相关图形动画算法。在保证画面辨识 度的情况下，适当降低图形精度。 4总结 通过实际应用，该教学仿真平台具有友善的用户 界面、可选择的运行模式 、逼真的动态效果。虽然在 资源占用率方面有待改进 ，但可以为数控机床教学仿 真平台的搭建提供新的思路。 参考文献 【 1 】 严军建 ， 严迎建． 数控机床教学培训平台构建[ J ] ． 机械 工程 与 自动化 ， 2 0 0 8 1 2 1 7 71 7 8 ， 1 8 1 ． 【 2 】 王克平 ， 王宪． 基于 D D E技术的 M A T L A B与 Wi n C C通 信设计[ J ] ． 自动化仪表， 2 0 0 6 ， 2 7 4 2 3 2 6 ． 【 3 】 西门子 中国 有限公司 自动化与驱动集 团． 深入浅出 西门子 Wi n C C V 6 [ M] ． 2版． 北京 北京航空航天大学， 2 0 04． 【 4 】毕海霞． 数字化机床建模及其切削仿真技术研究[ D ] ． 天津 河北工业大学 ， 2 0 0 7 ． 【 5 】余啸海． M a fl a b 接口技术与应用[ M ] ． 北京 国防工业出 版社 ， 2 0 0 4 ． 【 6 】 吴宏鑫， 胡军， 解永春． 基于特征模型的智能自 适应控制 [ M] ． 北京 中国科学技术出版社， 2 0 0 9 ． 奥微电子推出 I 2 C接 口的线性霍尔传感器 I C 奥地利微电子公司推出 A S 5 5 1 0线性霍尔传感器 I c ，具有业 内尺寸最小的 1 0 位数字输出分辨率 。A S 5 5 1 0采 用微小的 1 ． 4 6 1 ． 1 m m芯片规模封装 ，包括一个 I 2 C 2 线串行接 口，以便在 4种不同灵敏度范围内切换 ，并实现 到微控制器的简单的数据传输。 A S 5 5 1 0 专为消费类应用设计，其线性磁编码器的大小、功能和性能适用于变焦及 自动对焦相机系统等空间有 限的闭环位置控制系统中进行非接触式线性位置传感。它可以测量一个典型横向行程 0 ． 5～ 2 m m、有 1 ． 0 m m空气 间隙的简单 2 极磁铁的绝对位置。更加强大的磁铁可以实现更高的横向行程和空气间隙。 为将功率损耗降到最小 ，A S 5 5 1 0 可以切换到 2 5 A电流消耗的省 电模式。其 I 2 C接 口使微控制器 的连接更 加方便快捷 ，无需对数字转换进行额外模拟。尽可能小的系统尺寸、精度和非接触式传感和最低的电流消耗的结 合使 A S 5 5 1 0 更加适合于无线电子解决方案。 奥地利微电子人机界面 H M I 市场经理 A l f r e d B i n d e r 表示 “ 其他同类产品的尺寸较大，且仅提供模拟输 出，因此需要在闭环电路中加入外部 A D C 。A S 5 5 1 0 带有片上 A D C和 I 2 C接 口，能够轻松接人系统微控制器，还 简化了传感器编程。除此之外 ，A S 5 5 1 0的高度集成简化 了系统设计 的复杂性 ，消除了与噪声、增益和参考 电压 相关的问题 。 ” A S 5 5 1 0线性霍尔传感器 I c的工作温度为 一3 O。 c至 8 5。 C，采用 6引脚 WL C S P封装 ，工作电压为 2 ． 5～ 3 ． 6 V。 据机电商情 网报道