数控机床作为数控加工中重要的一种精密设备，
在以往数控机床实操培训中，由于硬件和管理的限制， 不便于长期使用设备，因此实际训练不便于实施，特别是针对高职院校学生而言更是如此［1］。为了更好地 培训数控机床的操作人员，避免培训过程中造成设备损坏、降低训练成本，有效解决精密设备的培训问题。国内外的高校和相关研究机构做了大量研究: 文献
［2］中提出了基于物理引擎软件和渲染硬件，优化虚拟场景的渲染，增加虚拟效果;文献［3］中开发了通过圆台离散法提供待加工零件模型并配合相应的算法实现虚拟车削仿真系统; 文献［4］中采用 mvc ( model view controller) 设计模式的总体框架设计理论以及功能模块化的设计思想设计开发了虚拟冲床仿真系统。目前，大多数的虚拟实训系统集中在单纯演示系
统运动的方面，并没有结合数控机床的控制器和实际的加工环境。因此，本文针对四轴加工中心提出了一种融合半物理仿真思想［5］的虚拟实训系统架构，即采用物理引擎软件模拟四轴加工中心的实际运动，采用真实的机床控制器控制虚拟模型的运动，并且通过数据采集系统［6］采集传感器信号获取真实的加工环境信息的低成本高效率的虚拟实训系统。后，以具体的 4060 型雕刻机( x / y / z 线性位移轴 + 绕 x 的旋转轴) 为原型，设计了一款面向四轴加工中心的半物理仿真虚拟实训系统。
1 总体架构
虚拟实训系统主要由控制器系统、软件系统和通 信模块组成。半物理仿真虚拟实训系统架构如图 1 所 示。本系统将数控机床中成本较低且具有核心技术的 机床控制器作为实物引入仿真回路，将生产成本较高 且体积较大的数控机床本体用物理引擎软件的虚拟模 型代替。同时，为了提高实训过程的全面性和真实性， 系统引入了 g 代码输入区进行 g 代码的编写［7］。同时，加入数据采集系统实时采集加工环境的信息。为 了增加用户的交互体验感，我们将虚拟模型的运行界 面嵌入到人机交互界面中。其中，人机交互界面和机 床控制器之间采用以太网通信，机床控制器和数据采 集系统之间采用 spi 通信，人机交互界面和物理引擎软件之间采用 socket 通信。
虚拟实训系统流程为用户在人机交互界面的 g代码输入区中编写 g 代码以及设定相应的参数值或者直接导入 g 代码，设置完成后，数据通过以太网通信传输给机床控制器。同时，用户返回到人机交互界面的虚拟实训区设置相应的参数，并且给机床控制器发指令调用程序。机床控制器得到响应后，将控制信号通过以太网通信回传给人机交互界面。人机交互界 面调用算法和相应程序将信息进行处理后，通过
socket 通信给物理引擎软件发送命令，物理引擎软件中的虚拟模型即可完成相应的加工动作。同时，数据采集系统通过传感器组实时采集加工环境的信息， 数据经过处理后反馈到人机交互界面中，实时的显示给用户。用户在人机交互界面上可以进行系统设置， 并实时观看虚拟加工场景和被控数控机床的加工 过程。
2 控制器系统设计
系统的控制器系统设计主要包括机床控制器和数 据采集系统的设计。
2． 1 机床控制器的设计
机床控制器的主要功能是输出控制物理引擎软件中虚拟模型的数字信号和接收并处理实际加工环境的信息。控制器系统的原理框图如图 2 所示，系统的控制器系统采用一个主处理器，多个从处理器的模式［8］。各个从处理器之间通过通信建立连接，再由主处理器统一调度，协调处理各自的任务。主处理器采用 stm32f429igt6 芯片，它是基于 aｒm cortex － m4 内核的 cpu，含有丰富的接口和外设，除了基本的电源、时钟之外还有通用和复用功能 i / o 口、dma 通道、jtag 接口、can 总线、i2c 总线、spi 总线和 usb 总线等。通信从处理器采用 stm32f103zet6 芯片，它通过spi 总线分别和 w5500 芯片、数据采集系统和运动从处理器之间建立通信。其中，w5500 芯片建立了机床控制器和人机交互界面之间的以太网通信。算法从处 理器的主要功能是分析和处理数据。