虚拟数控机床及开放式数控系统的研究
数控车床仿真教学系统的研究与开发
图 ２ 译 码流 程
三 、数 控仿 真 显 示
数控加工实 际是刀具相对于 毛坯 的运行过程 ，刀具运动 的 精确性影 响着生产的结果 。数控 仿真 的意义就 在于把刀具相 对 于零件 毛坯 的运 动轨迹 通过计 算机 的图形处 理功 能显示 出来 ，
肪 真显示Ｉ
Ｉ．．．．．．．．． ．．．．．．．．．． ． ． ． ． ＿＿Ｊ
程序 由若干 Ｎ Ｃ代码构成的程序段组成。因此 ，在仿真 系统 中 ， 对Ｎ Ｃ代 码的编译 是实现数控仿 真的关键 。Ｎ Ｃ代 码的编译 根据 数控机床执 行数控 加工程 序的一般 原则 ，自上 而下进行 编译 。
Ｎ Ｃ代码的编译主要包括 以下 内容 ： （ ） Ｎ 一 对 Ｃ程序的语法进行检 查。对 Ｎ Ｃ程序的语 法进 行检 查 ，主要是对准备功能 Ｇ代码 、辅助功能 Ｍ代码 以及其他功能
的终点 ，同时也是下一次刀具轨迹 的起 点 ，因此 ，数 据具有连 续性 、有序性 ，在数据 的处理上采用 动态 的数据链表 。 （ ） 三 译码。 译码 主要是把各个程序段 中的信息提取 出来 ， 并
数进行环境的建模 。Ｏ ｅＧ ｐ ｎ Ｌ的工作流程如 图 １ 所示 。利用对话
框来实 现对 毛坯 形状 、尺寸 、材 料 的设 置 以及对 刀具 的选 择 。 数控车 床模 型则 根据动 、静部件拆分后 完成 ，拆分后数控 车床 就有数控车 床床 身 、主轴 、刀架 、尾架 。各 运动部件 的坐标均 符合 右手笛卡尔坐标系 。
但 是 ，通 过一 些 转换 程 序 ，可 以很 方 便 地将 Ａｔ Ａ ｕｏ Ｄ、 Ｃ ３ Ｓ３ Ｓ Ａ Ｄ ／Ｄ Ｍ Ｘ等 ３ Ｄ图形 设计软件制作 的 Ｄ Ｆ和 ３ Ｓ模 型文件 Ｘ Ｄ 转 换成 Ｏ ｅＧ ｐｎ Ｌ的顶点 数组 ，以它 为基础开发 的应用程序 可以
虚拟数控车床切削仿真研究
方向位移 ， 刀具 方 向位移 Ｚ 辅助指令 ｍ。在这些参数之中 ， ，
会产生错误 ， 这样不仅导致加工 出来 的产品为废 品 ， 也可能导致 除刀具进给速度用于工程分析外 ， 其余都 被用 于切削仿真 ； 主轴 刀具与机床工作 台 、 与夹具等之间 的于涉碰撞 ， 刀具 这是十分危 转速 Ｓ 决定虚拟车床主轴旋转 的方 ｉ ｔａｎ
中 图分 类号 ：ＨＩ ，Ｇ １． 文献 标识 码 ： Ｔ ６Ｔ ５９１ Ａ
数控加工由于生产效率高 、 加工精度高 、 于加工 曲面等显 １ 刀具运动仿真 便 ． １ 著特点在机械加工领域 日益得到广泛的应用。但是 ， 在加工过程 中使用 的 Ｎ Ｃ程序代码 ， 主要依靠技术人员编写 ， 这不可避免的
【 摘
要】 针对数控车床加工切削仿真 系统的开发， 将几何仿真和物理仿真相结合， 了刀具运动 实现
仿真、 工件几何体形变仿真以及刀具温度分析、 应力应变分析和工件受力变形分析的仿真 ， 仿真结果显示
出了仿真算法效 率高、 仿真结果合理 、 效果逼 真 ， 于对数控代码 的验证和对操作者培训。 适合 关 键词 ： 削仿真 ； 仿真 ； 理仿真 ； 切 几何 物 温度场 ； 力 ； 应 应变
包括几何仿真和物理仿真。
ｍ指令启动或停止相应的切削仿真线程。
在切削仿真线程的每一个时间点上 ， 首先执行的机床运动仿
真： 根据缓冲区中主轴转速将机床主轴转过一个角度 ； 根据 位 移 位移的数值让中托板和刀具一刀架移动到相应的位置。
１ ． ２工件几何体形变仿真
如图２ 所示 ， 工件形变仿真。其思路是将圆柱形 的工件沿轴
【 ｂｔａｔ Ｂ ｓ ｏ ｅ ｅｅ ｐ ｅｔ ｓ ｕ ｉ 厂 ｉｕｌ Ｃｌｈ ａｈ ｉ ｐｏｅｓ ｎ ｅ ｎ Ａ ｓ ｃ】 ａｅ ｎ ｈ ｖｌ ｍ ｎ ｒ ｔ ｄ ｏ ｉ ｌ ｏ Ｑ ｖ ｔ ｔ ｍ ｃ ｉ ｎ ｒ ｓ ａｄｔ — ｍ ￣ ｎ ｒａＮ ａ ｅ ｎｇ ｃ ｈｉ
开放式数控系统软件平台的研究
文章 编 号 ： ０ １ ２ ７ ２ ０ ） ２ ０ ５ ３ １ ０ —２ ５ （ ０ ２ ０ —０ ３ 一Ｏ
Ａｂ ｔａｃ Ｔｈ ｒ ｉｌ ｒｅ ｌ ｎｔｏｄｕ ｅ ｔ ｕｒ ｓ ｒ ｔ： ｅ ａ ｔｃｅ ｂ ｉｆｙ ｉ ｒ ｃ ｈｅ ｃ — ｒ ｎｔｃ ｎｄ ｔｏ ｆ ＮＣ ｅ ｈｎｏ ｏｇ ｉ ｅ ｎａ ｉ ａ ｄ ｅ ｏ ｉｉ ｎ ｏ ｔｃ ｌ ｙ，ｎｔ ｒ ｔｏｎ ｌａｎ ｄｏ ｓ ｉ ｅ ｄｅ ｃ Ａ ｎ ｌ ｅ ｃ ａ ａ ｔ ｒｓ ｉ ｓ ｏｆｏｐ ｎ ｍｅ ｔｃ ｔ ｎ ｎ ｅ． ａ ｙｚ ｈ ｒ ｃ ｅ ｉｔｃ ｅ
所存 在 的 问题 ， 年来 ， 方 一 些发 达 国家相 继 提 出 近 西 开放 式 体 系结 构数 控 系统 的开 发 ， 括美 国 的 ＮＧ 包 Ｃ
关 键 词 ： 放 式 数 控 系 统 ； ｎ ｏ Ｅ； 件 开 Ｗｉｄ ｗｓＣ 软 平 台 ； 动程 序 ； 时性 驱 实 中 图分 类号 ： ＴＨ１ ２ ２
文献 标 识码 ： Ａ
和 ０ＭＡＣ 计 划 、 共 体 的 Ｏ ＡＣ 计 划 和 日本 的 欧 Ｓ Ａ ＯＳ Ｃ 计 划 等 。我 国数 控 系 统 的 开 发 与生 产 ， 过 Ｅ 通
“ 五 ” 进 、 化 、 收 ，八 五 ” 关 和 “ 五 ” 业 七 引 消 吸 “ 攻 九 产 化 ， 得 了很 大 的进展 ， 有 自主版 权 的数 控 系统 产 取 具 业开始形成 ， 而且 在 发 展过 程 中 ， 整 到 以 Ｐ 调 Ｃ机 为 硬件 平 台 的发 展路 线上 ， 以此形 成 了 Ｄ ｓ和 Ｗ ｉ— 并 ｏ ｎ ｄ ｗｓ 种 软件 平 台 ， ｏ 两 开发 出了若 干 个 基本 系统 。然
（ ． ｎ ｔｔ ｅ ｏｆＣＩ Ｓ， ｅ ｅ ｎ ｖ ｓｔ ｆ Ｔｅ ｈｏｎ ｏｇ ， ｅ ｅ ２ ００９， １ Ｉ ｓ ｉｕｌ Ｍ Ｈ ｆ ｉＵ ｉ ｅｒ ｉｙ ｏ ｃ ｏｌ ｙ Ｈ ｆ ｉ ３０ Ｃｈｉ ｎａ； Ｈ ｅ ｅ ｉｅ Ｓｃ ２． ｆ ｉＰｒｃ ｈｏｏ ， ｌ Ｈ ｅ ｅ ２ ０００ Ｃｈｉ ｒｉ ３ ９， ｎａ）
全软件型开放式数控系统的研究
操作系统
能都是 固定 的， 以灵活性 比较差 ， 所 如果用户需要在系统 中添
加一些特殊的功能 ， 就必须求助于生产厂 家， 这给用户 的技术
管理软件
控 制软件
保 密带来很大困难 。由于通用化 Ｐ ｃ的迅 速发展 ， 并且在世界
范围内得到 了普及应用 ， 从而产生 了基 于 Ｐ Ｃ的数控系统 。由 于Ｐ ｃ具有丰富的硬件 和软件 资源 ， 这使得 Ｐ ｃ数 控系统具有 无可 比拟的技术经济优势 而且 Ｐ Ｃ数控系统的硬件平 台和软 件平台是完全通用的 ， 这似 的整 个系统具有很好 的开放性 ， 移 植 性和可重构性 ， 为用户添加特殊功能提供 了方便 。 目前 Ｐ Ｃ
摘要 ： 通过对数控 系统的分析 ， 论述 了一种基于 Ｐ ＋／ 结构 的全软件化 Ｃ Ｃ 系统， 这种体 系结构 中， Ｃ Ｉ Ｏ Ｎ 在 所有的数控功 能都由软件来
实现 ， 根据面 向对 象的程序设计 方法， 引入软 件芯 片的设计思想 ， 对整 个数控 系统的各种功能进行详细的 划分， 把每种数控 功能都 用 软件芯片来封装 ， 通过基 于多线程设计的 ＮＣ控制调度 内核按 照任 务要 求调 用相应的功能软件芯片。
Ｅ ｕｐ ｎ ｎ ｆｃｒｎ ｅ ｈ ｏ ｏ ｙＮｏ １ ２ ０ ｑ ｉ ｍｅ ｔ Ｍａ ｕ ａ ｔ ｇ Ｔ ｃ ｎ ｌ ｇ ． ０， ０ ８ ｉ
全 软 件 型 开放 式 数 控 系统 的研 究
苏远 平 ’ 邹华 兵 。
（． １ 江西理工大学 ， 江西 南 昌 ３ ０ １ ；． ３０ ３ ２ 东华理工大学， 江西 南 昌 ３ ０ １ ） ３０ ３
控制 ， 一般情况下这种输入输 出接 口要专 门设计。 从整个系统 来说 ，全软件型的数控系统 ，实 际上是一个 Ｐ ＋／＋机床系 ＣＩ Ｏ
基于Trio运动控制器的开放式数控系统研究
中 图分 类 号 ：Ｈ１６２ Ｔ ３．
文 献 标 识 码： Ａ
文 章 编 号 ：０ ０ ４９ ￣０ ２０ — ０ ２ ０ １０ — ９ ８ １）３ ０ ２— ３
目前 广 泛 应 用 的 数 控 系 统 主 要 用 于 机 床 几 何 运
系统 软 件 平 台各 模 块 的 功 能和 实现 ， 述 了 开放 式 数 控 系统设 计 中的 关键 技 术 ， 且 基 于 Ｔ ｉ ｕ ｏ ０ 论 并 ｒ Ｅ ｒ２ ９运 动 控 制 器 的 独 有 ｏ
功 能 ， 加 了切 削 力 等模 拟 量 信 号 的检 测和 运 动 合 成 等 一 些特 殊 功 能 ， 同类 应 用研 究提 供 了有 效 途 径 。 增 为
构 ． 其 独 特 的 应 用 特 点 和 开 发 灵 活 性 ． 为 新 型 以 成
数 控 系 统 的 主 体 。 为 了满 足 教 学 和 科 研 的需 要 ， 笔 者 在 一 台 数 控 车 床 基 础 上 ， 用 体 系 结 构 为 “ Ｃ＂ 采 Ｐ ４ － 运 动 控 制 器 ” 开 放 式 数 控 系 统 取 代 原 车 床 配 置 的 的 Ｓｅ ｎ ８ ２系 统 ，保 留 了 原 系 统 的 大 部 分 功 能 ， ｉｍｅ ｓ￥ ０ 增 加 了 切 削 力 检 测 、 于 切 削 力 加 工 误 差 补 偿 等 一 基 些 特 殊 功 能 ．提 高 了 机 床 的 使 用 安 全 性 和 加 工 精
度 。￣３ ４绍该 系统 的设计 。 ｃ＂ ｒ
１ 系统 硬 件 设 计
Ｔｉ ｒ ｏ公 司 的 Ｅ ｒ２ ９ 是 一 款 性 价 比 极 高 的 多 轴 运 ｕｏ ０ 动 控 制 卡 ， 提 供 多 达 ９轴 的 精 密 步 进 或 伺 服 控 制 ， 可 并 且 集 成 了 数 字 及 模 拟 Ｉ 、 讯 接 口 、 展 轴 接 口 。 基 ／ 通 ０ 扩 于 Ｔｉ ｒ ｏ运 动 控 制 器 的 开 放 式 数 控 系 统 硬 件 构 成 如 图 １ 所 示 ， 控 器 由 Ｐ 机 和 运 动 控 制 器 组 成 。其 中 ， Ｃ起 数 Ｃ Ｐ 到 主 机 和 人 机 界 面 的 作 用 ， 现 数 控 编 程 、 Ｅｕ ｏ ０ 实 向 ｒ２ ９ 发 出 运 动 控 制 指 令 、监 控 运 动 控 制 器 及 机 床 的 状 态 和
开放式数控系统的现状与趋势
疑 问 ，开 放式控 制 系统是 机床控 制技 术 的发展方 向，将
硬件 和 软件 的 。对于现 代数控 机床 的控 制来说 ，需 要一 种 完全 以微机 为 基础 的 、和谐 的 、标 准化 的软件 环 境 ，
从 而能够 根据 用户 需要 实现 复杂 的控 制功 能 ，在缩 短 加 工 时间的同时 ，提 高加工质量 和柔性 ，如 图ｌ 所示 。
（ ） 可协 同性 。不 同应 用 模 块 能 够 协 同工 作 ，并 ３
以确定 方 式交换 数据 。
（ ）规 模 可 变 。应 用 模 块 的功 能 和性 能 以及 硬 件 ４
的规 模可 按照需 要 调整 。 实 践证 明 ，控 制 系统 的开 放程 度 将涉 及 人 机 界面 、 控 制核心 和整 个 系统 ： （ ）开 放 的人 机 界 面 。 “ 放 ” 仅 限 于 控 制 系 统 １ 开
（ ）可 移植 性 。系统 的应用 模块 无需 经过 任何改 变 １
Ｗ Ｍ ＥＭ １ ２ ０ 期 ０ ７年 ２月
维普资讯
数 控与 软件
Ｃ Ｃ ＆ Ｓ ｆ ａｅ Ｎ ｏ ｗ ｒ ｔ
就 可 以用 于 另一平 台 ，仍 然 保持 其原 有性能 。 （ ）可 扩 展 性 。不 同应 用 模 块 可 在 同一 平 台上 运 ２
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基于PMAC的开放式数控系统的研究与应用
ｏ ｗ ｓ ｅ ｄｗｉ —ｕｔ ｇｅｅ ｔ ｃ ｌ ｉｃ ａｇ ｃ ｉｅＬ Ｗ Ｅ ｆａｌ ｐ ｅ ｒ ｃ ｔ ｎ ｌｃｒ ａ ｄｓｈ ｒ ｅｍａ ｈｎ （ Ｓ ｏ ｅ ｉ ｉ ＤＭ ） ｔ ｎｏ ｅ ｔ ｃｕｅｉ ａｓ ｎｒｄ ｃ ｄ Ｔ ｅ ｗｉ ａ ｐ ｎｓｒ ｔｒ ｓ ｌｏｉｔ ｕ ｅ ． ｈ ｈ ｕ ｏ
ｈ ｒ ｗａ ｅ ａ ｄ ｓ ｆｗａ ｅ ｏ ｈ ｙｓ ｔ ｍ ｒ ｕ ｌ ｅ ａ ｄ ｒ ｎ ｏ ｔ ｒ ｆｔ ｅ ｓ ｙ ｅ ａ ｅ ｏ ｔｉ ｄ． ｎ
Ｋｅ ｒ ｓ ｙ ｗｏ ｄ ：ｍｏ ｉ ｎ ｃ ｎ ｒ ｌ ｒ ＮＣ ｏ ｅ ｙｓｅ ； Ｍ ＡＣ； Ｗ ＥＤＭ ｔ ｏ ｔｏ ｌ ； ｏ ｅ ｐ ｎ ｓ ｔｍ Ｐ ＬＳ
摘 要 ： 文阐述 了数控 系统 的发展概况 ， 本 针对开放 式数控系统 ， 列举了 目前 已经 出现的 几种模式。并通过 实例 对基于 Ｐ Ｐ Ｃ￣ ＭＡＣ的 开放式数控 系统模式进行 了进 一步的分析研究 ， 介绍ＴＰ ＭＡＣ ＿ ￣ 动控制器 的性能 ， 对实例应用 一 慢 走丝线切割机床开放式 数控系统的硬件结构和软件设计进行 了分析 ， 为同类应 用研究提供了有效的途径。
经 验 交 流
Ｔｅ ｈｎ ｃ ＩＣｏ ｍｕｎ ｃ ｔｏ ｓ ｃ ｉ ａ ｍ ｉａ ｉｎ
《 自动 化 技 术 与 应 用 》２ ０ ０ ８年第 ２ ７卷第 １ １期
基于 ＰＭＡＣ 的开放 式数控 系统 的研 究 与应 用
李 淑萍 ，张筱 云
（ 苏州工业 园区职业技术学 院 ， 苏 苏 州 ２ ５ ２ ） 江 １ ０ １
本 文较 系统 地综 述 了国 内外 数控 系 统 的研究 现状
并结合所研究 的基 于 Ｐ ＭＡ Ｃ的慢 走丝线切割 机床 的开 放 式数控 系统实 例 ， 细地分析 了开放 式数控系统 的构 详 建 及其 软硬 件组成 。
浅谈开放式数控系统的现状和发展趋势
目前 ，国际上 与开放 式数 控研 究 相关 的报导 不 少 ，最 有代表性 的仍是美国的 Ｎ Ｃ和 Ｏ Ｃ计划 、欧 Ｇ ＭＡ
盟 的 Ｏ Ａ Ａ计 划以及 日本的 Ｏ Ｅ ＳＣ Ｓ Ｃ计 划 这三个计划
数控 系统提 出 的挑 战。
１． 放 式数 控系统 的 概念 和 特 点 开
和系统平 台 ．控 制软件包 括所 有对 系统专 用 的功能 ． 数 控 系统 研究 的 日益 深入 ．我 国 的相 关研 究也 越来
独立 的应用模块使用 ＯＳ Ａ界面 ，并且可 以运行在 越受到重视 。经过 多年 的技 术攻关 ．已经 有一批产 品 ＡＣ
和 Ｏ Ａ Ａ兼容 的系统平 台之 上。 日本的 Ｏ Ｅ ＳＣ Ｓ Ｃ计划是 和成果涌现 出来 。在这些产 品中 ．有些是将原 有的系
碡豹辟Ｉ珲蟪 Ｉ Ｉ
翻埯轼僻 粥＃遇垃Ｉ．糊鬃，孰健徽撬 ＝ ＿ ｜ ： 嘻 蟪ｔ
块 化组织结 构 ，允许 用户 根据需要进 行选配 和继 承 、 更 改或 扩展 系统 的功 能 ，以便 迅速适 应不 同 的应 用 需 求。因此 ｌ Ｅ Ｅ 标准定义开放式数控系统能够在多种 Ｅ 平 台上运 行 ，可 以和其他 系统 相互操 作 ，并能给用户
２ 一 Ｏ 。随着制造商对产 品复杂程度和精度要求 的 Ｏ ３％ 提 高 以及 对 产 品生产 成本 的降 低 对 数控 机床提 出 了更高 的要 求 ，而这 种不 断增 高 的要 求主要 不是 针 对 机械 系统 的要 求 ，而 是对数 控机 床 的内外 发展 现状 开
阳计 算所 的蓝 天 系列 等 。 武汉 华 中数 控股份 有限公
建立的开放 式数控委员会 （ ｐｎ Ｎ Ｓ ｏ ｅ ａｄ Ｄ － 司推 出的华 中 Ｉ Ｏ ｅ Ｃ ｃ ｐ ｎ ｉ 型数 控系统 ．是利 用 Ｐ 平 台通过 串 ｃ
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虚拟数控机床及开放式数控系统的研究
随着虚拟现实技术在虚拟制造系统中应用的推广，对虚拟数控机床的研究也
越来越多，虚拟数控机床可以提供关键的数据到产品设计的制造性分析过程中。
传统的数控机床系统虽然已经可以具备相当的精度，但其实现过程对用户是封闭
的，不利于扩展；开放式数控系统应运而生，能够方便扩展数控系统的功能。
标签：虚拟数控；数控机床；开放式数控
1 虚拟数控机床及其关键技术
虚拟数控加工过程可以为产品设计提供重要的数据支持，在节省资源的同时
又避免风险。虚拟数控机床技术是虚拟数控加工过程的关键步骤，具有如下特点：
（1）良好的结构。虚拟数控机床和现实生活中的机床结构类似，因此在仿真机
床的各项功能时不会产生结构或信息的失真。另外，虚拟机床各个模块是隔离的，
可以独立地开发和工作。（2）完善的图形和数据接口。图形接口使用户体验虚拟
现实的感觉，以图像形式展现机床的各种状态和参数；数据接口提供了和其他软
件的交互接口。
虚拟数控机床和客户端组成了服务器/客户端网络结构，作为服务器的虚拟
数控机床在接收到客户端的请求后，会调度知识库中的元知识，将客户端的请求
分解为一系列的子任务，然后把每个子任务分发给相应的子模块。一般而言，虚
拟数控机床系统包括四个子模块：计算模块、拓扑机构、解释器以及几何实体。
计算模块完成齐次变换等计算任务，是虚拟制造过程中不可或缺的组成部分；解
释器将数控代码翻译为制定机床部件等相关信息，并计算数控机床的响应；几何
实体的作用是描述各机械实体的相关信息，从而方便快速建立数控机床几何模
型；拓扑结构描述了各几何实体间的关系。
在虚拟数控机床的应用中，其关键技术主要包括机床环境构建、数控加工的
建模以及与虚拟对象的拟实工具等。虚拟数控机床技术利用计算机等硬件和相关
软件构建虚拟数据加工环境，此环境的组成部分可以囊括：（1）硬件及驱动层。
立体眼镜以及实景头盔等是实现虚拟现实技术的硬件支持，为驱动这些硬件设备
还需要相应的程序驱动模块，以获取和硬件设备相关的位置、姿势等视觉参数。
（2）虚拟数控机床的管理层。此部分主要用于管理虚拟数控机床加工过程中的
各种事件，并描述机械物体的形状及特性，一般包括特征数据库和规则库两部分。
（3）工具和应用层。提供和CAD/CAM等的接口，并为用户提供人机交互接口
和仿真界面。数控加工过程中涉及到的建模一般包括加工条件模型和加工过程两
种。
2 虚拟数控机床系统的几何模型
虚拟数控机床的几何模型实质上是装配单元组成的装配体，也就是一个装配
模型，一般包括总体结构、装配模型等方面。
虚拟数控机床的总体结构可以用相关的数据结构来描述，由于数控机床的几
何模型本质上就是一个装配体，所以其数据结构可以对应分为两部分：第一部分
存储备机床零部件几何模型相关的信息，第二部分用于存储机床零部件几何模型
间的装配关系，装配关系反应了零部件间的位置和约束关系。
装配模型可以使用层次树和图两种形式表示：层次树在表示装配体的组成关
系时比较清晰，并且方便装配求解装配序列规划，但是在表达零部件的配合关系
上有所欠缺。与之相反，图结构易于表达零部件的配合关系，并且可以迅速地从
一个零件找到另外一个零件，适于分析运动链，但难以表示层次组成关系。装配
关系描述了各个零部件的配合关系描述以及约束关系：几何关系、排斥关系以及
运动关系。几何关系说明了零部件间的对齐、偏置以及配合等相互关系；运动关
系说明了零部件之间的诸如直线运动、旋转运动等关系；排斥关系阐述某零部件
是否可以和其他部件并存于一个机床中。
在基于二叉树结构的装配模型中，单独的一个装配体被表示为一颗二叉树，
根节点表示的是最终要使用的装配体，中间节点表示子装配部件，叶子节点表示
零件。其中非叶子节点的左子节点一般作为基体存在，不能变换它的位置，而只
能将变换矩阵作用于非叶子节点的右子节点。约束关系上，同一层次的装配单元
间只存在位置约束关系，从属关系存在于不同层次的装配单元间。
3 开放式数控系统
与传统的虚拟数控系统不同，开放式数控系统不再是包含很多插件版的专用
系统，而是采用模块化结构，可以灵活地配置软件和硬件，并允许集成第三方插
件，所以说是能够满足可扩展性、可移植性的数控系统。
开放式数控系统具有传统的数控系统不具备的一些特点：（1）模块化及可扩
展性。开放式数控系统应该可以实现功能的模块化和体系结构的模块化，用户使
用时可以根据模块的功能进行调整，以此实现二次开发。（2）平台无关性。开放
式数控系统不应该依赖于具体的操作系统平台，当平台和控制器间的接口明确
时，只要使用相应操作系统平台的API接口，就应该可以实现平台移植。（3）
标准化和网络化。开放式数控系统要在一定的标准规范下进行，以提供给用户一
个标准开发平台，用户只要使用简单的步骤就可以实现添加硬件、改变软件结构
等操作，从而简化系统的模块。另外，开放式数控系统还应该融合网络技术，以
实现网络化。
基于PC的开放式数控系统可以存在多种形式：PC连接NC型、NC嵌入PC
型以及PC嵌入NC型等。PC连接NC型开放式数控系统利用串行线连接PC和
NC，在实现上比较简单，并且再重复利用时几乎不加修改就可使用；但是这种
数控系统的响应速度较慢，而且原有的NC系统无法实现开放化。PC嵌入NC
型开放式数控系统将PC嵌入到NC内部，二者使用专用的总线连接，虽然响应
速度比较快，但这种开放式数控系统无法直接利用PC，不能充分发挥PC丰富
的功能；虽然此类数控系统已经具备一定的开放性，但其体系结构还不是完全开
放的。
作为数控系统的重要功能，自动换刀功能目的是降低数控加工过程中的非切
削时间，以此提高数控机床的生产效率。在实现时，自动换刀功能需要数控系统
多模块的密切配合，现有的自动换刀功能主要是采用PLC实现的，一定程度上
增加了数控系统的硬件成本。开放式数控系统可以使用全软件化方式控制数控机
床系统和刀库，以降低自动换刀的生产成本。
现有的数控机床多采用集中工序的原则，多种工序的加工需要多种刀具，这
就要求有自动换刀的装置。刀库式换刀装置按照刀库容量可以分为盘式刀库以及
链式刀库，盘式刀库正反两个方向都可以转动，但为节省换刀时间，一般采用最
短路径的旋转方法，基本原理是当旋转刀库时，先比较期望刀号和当前刀号的差
值，然后决定刀库的旋转方向，这样可以保证刀库总是按照最短的旋转路径进行
旋转，最终节省选刀时间。
4 结束语
文章首先介绍了虚拟数控机床及其关键技术，并深入分析了虚拟数控机床的
几何模型，最后研究了开放式数控系统，并深入研究其自动换刀功能，对提高数
控生产效率具有重要的现实意义。
参考文献
[1]秦承刚.开放式数控系统的实时操作系统优化技术研究与应用[D].中国科
学院研究生院，2012.
[2]谷岩.数控系统软件可靠性设计与故障分析技术[D].吉林大学，2014.
[3]王程鹏.开放式数控系统的现状与发展趋势[J].科技传播，2013.
[4]任晚娜.开放式数控系统平台架构及其应用研究[D].长安大学，2012.
作者简介：李芳（1982，6-），女，籍贯：江苏省扬州市，学历：在职硕士
在读，研究方向：机械电子工程。