[01744200]基于远程设计与监控的开放式自由曲面加工插补运算系统

系统的主要技术原理包括：改变常规数控系统封闭的体系结构,采用了开放式的架构;插补算法采用了基于非均匀有理B样条（NURBS, NON-Uniform Rational B-Spline）的整个曲面直接插补算法;在系统中引入网络技术和并行计算技术,实现曲面的远程设计和加工过程的远程仿真。 控制器是数控系统的核心部件,用来完成插补运算与刀位控制。传统的插补系统是一个封闭的专用的系统,这样的结构虽然可以保证系统的稳定性和可靠性,但降低了数控系统的可配置性和二次开发的能力,不利于其它技术在数控系统上的应用,在一定程度上阻碍了数控系统发展。 基于上述原因,该项目采用了开放式的系统架构。系统的架构由PC机和通用ARM芯片的形式构成,它们之间通过网络进行通信,PC机和ARM芯片各自承担不同的任务,在一定程度上实现任务的并行,共同完成数控系统中需要完成的任务。PC机完成曲面设计、接收通过网络传输过来的加工数据进行加工过程三维动态仿真等任务。ARM芯片通过网络接收要加工曲面的参数,进行插补运算,计算刀位数据,同时将加工数据通过网络传输给PC机。 整个系统由运行于PC机上的加工曲面设计软件、加工过程三维动态仿真软件以及一个硬件插补运算平台构成。PC机上的曲面设计软件采用NURBS技术进行自由曲面描述和设计,采用VC和MATLAB混合编程实现。该软件能够实现控制顶点、权因子等参数的输入或者载入,根据这些参数进行曲面的设计,调用MATLAB进行曲面三维的显示。可以通过调整控制顶点、权因子或者节点来调节曲面的形状直至满足设计要求。保存设计好的曲面的参数供插补运算使用。 硬件插补运算平台的核心部件包括一个ARM芯片和一个以太网控制芯片。ARM芯片采用意法半导体公司的一款STM32系列的芯片,用来实现加工的插补运算。以太网控制芯片采用三星的W5100芯片,用来实现PC机和ARM芯片的网络 通信。硬件插补运算平台接收到PC机传输过来的加工曲面的参数后开始进行插补运算,同时通过以太网将加工数据传递给PC机对加工数据进行加工过程的三维动态仿真。 加工过程三维动态仿真软件采用OpenGL技术实现。该软件在接收到硬件插补运算平台传输过来的插补数据后,一方面对数据以列表的形式显示,另一方面启动一个新的进程,调用OpenGL技术动态的仿真出加工过程刀具走刀的情况,使加工过程直观的展现在人们眼前。 和国内外类似系统的比较 相比国内外类似的系统,该系统采用了PC机和ARM芯片的结构,其架构更加开放,配置更加灵活。相比传统的直线和圆弧式的插补算法,该系统采用的基于NURBS曲面的整个曲面直接插补算法具有理论加工精度更高、传输数据更少、运算更加可靠等优点。虽然国外的高端数控系统也引入了NURBS插补算法,但只是对直线和圆弧插补算法的改进和补充,没有从实质上改变其插补系统。国内外关于NURBS技术的插补研究也多数是基于这种思想。该系统对于自由曲面的加工采用了一种彻底的NURBS曲面插补方法。由于曲面的设计和插补全部采用NURBS描述,因而一致性更好,设计和加工两个环节结合更加简单,加工误差更小。 除上述特点之外,系统还可以实现远程的设计以及加工过程远程动态仿真。远程设计符合当今社会全球制造一体化、敏捷制造等发展趋势。加工过程动态仿真丰富了数控系统的功能,使之更加人性化。同时对接收的加工数据进行分析可以对加工过程进行评价,也可以进行故障分析以及故障预先判断。 系统的创新点和先进性 项目的创新点和先进性在于采用了先进的曲面描述技术—NURBS描述方法,并在系统中采用了一种整个曲面插补方法。这种插补方法只需要向插补系统传输有限个曲面控制参数,解决了传统数控系统进行复杂曲面加工时数据传输量大的问题。曲面设计和曲面插补均采用了NURBS描述,其一致性和加工精度会更好,便于设计和加工的集成。 性能指标 系统所能达到的指标： （1） 实现曲面的设计。能够完成常用的3次固定控制点个数的NURBS曲面的设计。 （2） 插补运算实现了3次固定控制点个数的曲面插补运算。 （3） 插补运算能稳定运行,插补速度满足要求。 （4） 系统是开放的,允许改进、升级、二次开发,易于和其它技术或者装置集成。 （5） 三维动态仿真效果逼真。