数控车削加工教学实验仿真-教学仿真系统设计论文

数控车削加工教学实验仿真 教学仿真系统设计 摘 要 基于 建模技术，分析虚拟机床的整个建模过程。以数控车削机床作为实例，应用了 e 软件的三维实体建模和典型零件的图形编程，在 台上实现数控车削模拟仿真加工。 本文提出的 数控车削加工教学实验仿真，对 数控加工仿真的若干关键技术进行了研究，以此为基础建立了数控加工仿真系统并应用到教学中。学生利用此系统可以在计算机上模拟加工环境和数控加工的过程 ，校验整个机床加工过程和加工程序的准确性，来帮助学生清除编程错误和优化切削参数，从而提 高加工效率。 关键词 ： e，数控 加工 仿真 s of to as an of ro/e C In of a of As a of C to be on NC of To to e， 录 摘 要 I 一章 绪论 1 控机床的产生与发展 1 1 算机仿真技术 1 控仿真技术的国内外研究现状 2 控仿真系统发展趋势 8 3 课题的研究内容及方法 4 第二章 数控车床选择及其建模 5 择数控车床 5 2 用三维建模软件 6 型三维建模软件简介 6 用 e 对数 控车床建模 7 第三章 真软件与其它仿真软件的比较 8 件在加工仿真方面的特点 8 能 8 数控机床加工过程的应用 8 它数控仿真软件的特点 10 第四章 在 的切削仿真 11 建一个车削项目 11 载车床整体模型 11 载车床控制系统 23 建车刀 24 加毛坯 26 择加工程序 27 加一个刀具库 27 加工程序零点创建一个坐标系 28 削仿真 28 柱毛坯在 削仿真 28 现并检查错误 30 第五章 真软件在教学上的应用 33 5 1 真软件在教学上的应用 33 图形界面的构建 33 涉分析 34 化刀具轨迹控制 35 第六章 结论 36 参考文献 37 附录 1 部分数控程序 39 附 录 2 三维建模图 43 致 谢 45 第一章 绪论 控机床的产生与发展 1 微电子技术，自动信息处理，数据处理以及电子计算机的发展，给自动化 带来了新的概念，推动了机械制造自动化的发展。 采用数字控制技术进行机械加工的思想，最早在 20 世纪 40 年代提出的，当时美国的一个小型飞机工业承包商帕森公司在麻省理工学院伺服机构试验室的协助下，经过三年时间的研究，于 1952 年试制成功世界第一台数控机床试验性样机。这是一台采用脉冲乘法器原理的直线插补三坐标连续控制铣床，这便是数控机床的第一代。在早先的数控机床都采用专用控制计算机的硬逻辑数控系统，装有这类数控系统的机床为普通数控机床 (简称 床 )。随着计算机技术的发展，小型计算机的价格急剧下降。小型计算机开始取 代专用数控计算机，数控的许多功能由软件程序实现。这样的数控系统称为计算机数控系统 (简称 近 20 年来，微处理机数控系统的数控机床得到了飞速发展和广泛应用。 算机仿真技术 随着社会的发展和技术的进步，当今制造业正朝着自动化、柔性化、集成化和智能化的方向发展，由此诞生了许多先进制造技术和先进制造模式。虚拟制造 (利用信息技术、仿真技术、计算机技术等对真实产品的制造进行动态模拟，使产品的生产过程、工艺计划、调度计划、后勤供应以及财会、采购和管理等一种集成的、综合的制造环境，在真实产品的制造活动之前，就能预测产品的功能以及制造系统状态，从而可以做出前瞻性的决策和优化实施方案 2。虚拟制造是应市场竞争需求，在强调柔性和快速的前提下，由美国在 80年代后期提出并得到迅速发展的一个新思想。虚拟制造技术涉及面很广，诸如环境构成技术、过程特征抽取、元模型、集成基础结构的体系结构、制造特征数据集成、多学科交驻功能、决策支持工具、接口技术、虚拟现实技术、建模与仿真技术等。仿真技术是虚拟制造的核心技术之一，是应用计算机对复杂的现实系统经过抽象和简化形成系统模型，然后在 分析的基础上运行此模型，从而得到系统一系列的统计性能。由于仿真是以系统模型为对象的研究方法，而不干扰实际生产系统，同时仿真可以利用计算机的快速运算能力，用很短时间模拟实际生产中需要很长时间的生产周期，因此可以缩短决策时间，避免资金、人力和时间的浪费。计算机还可以重复仿真，优化实施方案。目前仿真技术应用的范围很广，如医学领域、生物领域、机械制造等领域，都得到了相当广泛的研究、开发和应用。在机械制造领域，可以虚拟零件的加工过程，来检验零件设计的合理性和经济性，可以建立零件和产品的虚拟样机，来检验整个产品设计的可 视化模型。仿真的基本步骤为：研究系统 收集数据 建立系统模型 确定仿真算法 建立仿真模型 运行仿真模型 输出结果并分析 3。数控加工仿真是先进机械制造技术的重要组成部分。数控加工仿真涉及到计算机图形学、数据库、机械加工、数学、力学、材料学等学科，是 过计算机模拟加工过程，从而避免实物试切；找出加工过程的缺陷，以便设计人员优化零件的设计，从而缩短零件合理设计的时间，提高零件设计成品的效率。数控加工仿真技术为验证数控程序的可靠性及预测切削过程提供强有力的工具 ，目前正朝着模型的精确化，仿真计算实时性和图形显示的真实感方向发展。 控仿真技术的国内外研究现状 国外在数控加工过程仿真方面作了许多工作 4美 为该计划的一部分，美国 国 建立出二维车床模型，模拟车床操作，用于培训学生 国 够实现数控加工的几何仿真并配有声音信息，并进 行干涉、碰撞检查。意大利 样条曲面建立端铣刀与工作台模型，采用真实感图形显示铣床精加工过程 7。日本 点显示三维刀具轨迹与零件模型。由于数控加工在机械制造业中发挥着日益重要的作用，因此以其为背景出现了一批优秀的应用软件，这些软件基于已被生产实践检验的实体造型核心系统 (如 具有先进的管理基础、强大的工程背景、完善的操作功能和专业化的技术服务，能够显着地提高制造业的整体经济效益，因此很快便赢得了广大 内在这方面的研究工作始于 20世纪 80年代末，现在有了很大的进步。如华中理工大学和清华大学合作研制的加工过程仿真器哈尔滨工业大学在国防科工委“八五”科研项目柔性制造系统 连理工大学开发的C 及合肥工业大学开发的 以上所开发的系统精度检验的能力较低，且皆以工作站为硬件基础。这种功能上的局限性和运行软件所需要的昂贵硬件投资限制了软件系统的推广应用。为此，哈尔滨 工业大学刘华明教授开发了一套基于微机的复杂曲面数控加工仿真验证软件包，该系统是在自己独有的复杂曲面离散技术的基础上构建的。这种技术极大地降低了仿真验证系统对硬件的要求，即使在户也可以随意选择任意角度观察加工过程，使加工精度验证能够以一种更加简单的方法得以实现。另外该系统的开发是以 统的各项功能皆以组件 (形式存在，使系统更便于维护和升级换代。 控仿真系统发展趋势 8 数控仿真提供了一种快速验证数控程序的方法 ， 是 一项 重要技术之一 ， 现在国内外绝大多数已开发研制出的数控仿真系统都是几何仿真系统。在现代加工生产中 ， 为提高生产效率 ， 获得较高的加工精度 ， 决定性的一步是 ， 在加工之前能够给出加工参数的合理评判及对产品质量的合理预测。如果我们能够建立起一个基于产品质量预测与分析的数控仿真系统 ， 一方面它既可以对工件及刀具作出精确的几何描述 ， 对数控程序进行验证 ； 另一方面又可以对加工过程中任意时刻的几何信息进行提取 (如切屑厚度 ， 切屑几何形状 ， 刀刃与工件啮合部分 ) ， 根据数控加工过程的动力学模型 ， 对影响加工质量的因素进行科学的预测 ， 来获得优化 的加工过程参数 (如合适的刀具 ， 进给率等 ) 。通过建立一个这样的仿真系统 ， 在实际加工之前不仅可以获得优化的切削加工参数 ， 避免了传统的加工参数依照手册或经验的保守选择 ， 充分发挥了机床的潜能 ，大大提高了生产效率 ， 而且可以对加工产品的精度进行预测 ， 给出满足加工要求的误差补偿方法 ， 设计出合理的切削工艺方案。只有这样 ， 数控仿真系统才会发挥更大的作用 ，才能成为完善的、真正意义上的仿真系统。 课题的研究内容及方法 基于 建模技术 9，分析虚拟机床的整个建模过程。以数控车削机床作为实例，应用了 e 软件 10的三维实体建模和典型零件的图形编程，在 台上实现数控车削模拟仿真加工。 本文提出的数控车削加工教学实验仿真，对 数控加工仿真的若干关键技术进行了研究，以此为基础建立了数控加工仿真系统并应用到教学中。学生利用此系统可以在计算机上模拟加工环境和数控加工的过程 ，校验整个机床加工过程和加工程序的准确性，来帮助学生清除编程错误和优化切削参数，从而提高加工效率。 第二章 数控车床选择及其建模 择数控车床 本文选用浙江凯达机床有限公司生产的 用 ： 1的测绘。凯达 2 图 2床规格参数表 2 用三维建模软件 型三维建模软件简介 下面来简单介绍下目前社会上最流行的 几 款建模软件 1 生信国际有限公司推出的基于 机械设计软件。生信公司是一家专业化 信息高速技术服务公司，在信息和技术方面一直保持与国际 公司提倡的 “ 基于 1桌面集成系统 ” 是以平台，以 核心的各种应用的集成，包括结构分析、运动分析、工程数据管理和数控加工等 12，为中国企业提供了梦寐以求的解决方案。 微机版参数化特征造型软件的新秀 13，该软件旨在以工作站版的相应软件价格的 1/4 1/5 向广大机械设计人员提供用户界面更友好，运行环境更大众化的实体造型实用功能。 基于 台的全参数化特征造型软件，它可以十分方便地实现复杂的三维零件实体造型、复杂装配和生 成工程图。图形界面友好，用户上手快。该软件可以应用于以规则几何形体为主的机械产品设计及生产准备工作中，其价位适中。 2 G) 司的拳头产品。该公司首次突破传统 式，为用户提供一个全面的产品建模系统。在 ，优越的参数化和变量化技术与传统的实体、线框和表面功能结合在一起，这一结合被实践证明是强有力的，并被大多数件厂商所采用。 早应用于美国麦道飞机公司。它是从二维绘图、数控加工编程、曲面造型等功能发展起来的软件。 90 年代初，美国通用汽车公司选中 为全公司的 导系统，这进一步推动了 发展。 1997 年 10 月 司签约，合并了后者的机械 品，将微机版的 件统一到 台上。由此形成了一个从低端到高端，兼有 作站版和 14的较完善的企业级 成系统。 3 统是美国参数技术公司 (称 产品。 司提出的单一数据库、参数化、基于特征、全相关的概念改变了机械传统观念，这种全新的概念已成为当今世界机械 域的新标准。利用该概念开发出来的第三代机械 品 件能将设计至生产全过程集成到一起，让所有的用户能够同时进行同一产品的设计制造工作，即实现所谓的并行工程。 统主要 功能如下 : (1)真正的全相关性，任何地方的修改都会自动反映到所有相关地方。 (2)具有真正管理并发进程、实现并行工程的能力。 (3)具有强大的装配功能，能够始终保持设计者的设计意图。 (4)容易使用，可以极大地提高设计效率。 统用户界面简洁，概念清晰，符合工程人员的设计思想与习惯。整个系统建立在统一的数据库上，具有完整而统一的模型。 立在工作站上，系统独立于硬件，便于移植。 用 e 对数控车床建模 这些三维软件的建模技术 都是非常好用的，鉴于作者对 e 了解更多，故数控车床的建模均采用此软件。 第三章 真软件与其它仿真软件的比较 件在加工仿真方面的特点 大特点是可仿真各种 统，既能仿真刀位文件，又能仿真置处理的 序 15，其整个仿真过程包含程序验证 、 分析、机床仿真、优化和模型输出等 。 能 件是美国 司 16开发的数控加工仿真系统，由 序验证模块、机床运动仿真模块、优化路径模块、多轴模块、高级机床特征模块、实体比较模块和 口等模块组成，可仿真数控车床、铣床、加工中心、线切割机床和多轴机床等多种加工设备的数控加工过程，也能进行 序优化，缩短加工时问、延长刀具寿命、改进表面质量，检查过切、欠切，防止机床碰撞、超行程等错误 ； 具有真实的三维实体显示效果，可以对切削模型进行尺寸测量，并能保存切削模型供检验、后续工序切削加工 ； 具有 口， 能实现与 软件的嵌套运行。 件目前已广泛应用于航空航天、汽车、模具制造等行业，其最大特点是可仿真各种 统，既能仿真刀位文件，又能仿真 置处理 17的 序，其整个仿真过程包含程序验证、分析、机床仿真、优化和模型输出等 。 数控机床加工过程的应用 一款专为制造业设计的 控机床加工仿真和优化软件。取代了传统的切削实验部件方式， 过模拟整个机床加工过程和校验加工程序的准确性 ，来帮助您清除编程错误和改进切削效率。 块介绍： * 真、验证和分析三轴铣削、钻削、车削、车铣复合和线切割刀路 * 立并仿真 床及各种控制系统，检验机床乾涉与碰撞 * 过修改切削速度，优化刀路，实现高效切削 * 仿真后的模型以 式输出 * 真与验证四轴与五轴铣削、钻削、车削和车铣复合加工 * 强 真高级加工功能的能力 * s 强 真复杂机床的功能 * 拟机床探测头操作，减少潜在错误，节省购买探测设备的成本 * 速准确地为用户提供零件加工过程中的各部位尺寸，并以 格式输出，供各个部门引用 * 拟验证电火花加工，支持多电极加工 * 过比较设计模型与 出模型，进行过切检查 * 证多轴磨削 * 拟多轴磨削，检验机床碰撞 * 件与 接口 * 具行业专用模块 18。该模块集中了模具行 业常用的 三轴加工、线切割、电火花加工 、 能、优化功能 )，节约用户在软件上的投资 。 它数控仿真软件的特点 代表性的产品有宇航，宇龙，斯沃等数控仿真系统 19，一些数控系统生产商也可能推出自己的仿真软件 。 这些 数控仿真 系统 就是模拟真实数控机床的操作 ， 学习数控技术、演示讲解数控操作编程、工程技术人员检验数控数序防止碰刀提高效益的工具软件。 通过在 上操作该软件，能在很短时间内掌握各种系统数控车、数控铣及加工中心的操作。 软件本身操作简明，不学即会，无须使用者 浪费精力去学软件本身；使用软件时只须结合各厂家的机床操作说明书和机床编程说明书使用。 数控车 有 指令的模拟 20。 但是对一些复杂指令往往不能操作，比如宏程序等，适用比较简单的教学零件加工仿真。 第四章 在 的切削仿真 本章采用软件是 版本，单位采用 ， 目录设置在的 D:/2下来所提到的文件都在该目录里 (本章涉及的 由 e 建模保存副本后的文件 ) 建一个车削项目 载车床整体模型 开始一个新的项目文件。 运行 用程序。 选择 单命令。 选择工具条上 按钮设定你的工作路径。 在工具条上单击 图标，显示项目树窗口。 在 目树 )中，右击 1，从系统弹出快捷菜单中选择 项，如图 4示。 图 4目树 外壳 (1)在菜单栏单击 菜单命令， 弹出 如图 4示 的 件树 )。 图 4件树 (2)接下来为系统添加车床的三维模型， 在 件树 )里 右击 弹出型 )对话框后，单击 单弹出如图 4示，开。 图 4型设置对话框 (3)按 击 床外壳添加成功，如图 4示。 图 4床外壳 向导轨 (1)单击 菜单命令，右击 弹出 对话框后，单击 选 出如图 4示 Z(0， 0， 0)。 图 4件树 (2)右击 Z(0， 0， 0)图标，弹出对话框后，单击 单弹出如图4示，选择文件 开并设置其他选项如 4示。 图 43)按 击 床 Z 向导轨添加成功 ，如图 4示。 (坐标 系 在 里已经设置好，假如没有，在图 4 项进行设置 )。 图 4 向导轨到 Z 向导轨 (1)单击 菜单命令，右 击 弹出对话框后，单击 选 出如图 4示 X(0， 0， 0)。 图 42)右击 X(0， 0， 0)图标，弹出对话框后，单击 单弹出如图4示，选择文件 开并设置其他选项如图 4示。 图 43)按 击 床 X 向导轨添加成功 ，如图 4示。 (坐标在 里已经设置好，假如没有设置，在图 4项进行设置 )。 (1)单击 菜单命令，右击 弹出对话框后，单击 选 B 轴上的一个旋转机构 )弹出如图 4示 (0， 0， 0)。 图 42)右击 (0， 0， 0)图标，弹出对话框后，单击 单弹出如图 4示，选择文件 开并设置其他选项如图 4示，然后单击 图 43)如图 4示 项进行设置， 00， 0， 0)和 0， 0， 0)。 图 44)单击 床 添加，如图 4示。 图 45)右击 图 4置 ， 0， 90， 0， 0)。 图 46)单击 功加载 四 刀架 转位 模型，如图 4示。 图 4(1)单击 菜单命令，右击 后弹出对话框后，单击 选 出如图 4示。 图 42)右击 置如图 4 4示 图 4图 4 43)同理，设置其余刀具，四把刀具加载完成，如图 4 图 44)完成的效果，如图 4 图 4(1)为系统添加车床主轴系统的三维模型，右击 弹出对话框后，单击 图 4示。 图 42)右击 ，再单击 出对话框，设置其他选项如图 4示。 图 43)按 击 功加载主轴三维模型，如图 4示。 图 4床模型组件 7 件，保存项目名为 载车床控制系统 制系统。 在 目树 )中，右击 系统弹出的下拉菜单中选择 菜单命令。 在 项组的下拉列表框中选择 件。 在 项组的 下拉列表中选择饭 件 （ 件本身自带的有上百种控制系统，也可以自己去设置 ） ，如图 4示。 图 4床控制系统加载 K 按钮。 建车刀 1打开项目文件“ 运行 用程序。 选择 单命令，系统弹出 话框。 在 拉列表框中选择 项 选择文件 单击 钮确 认打开文件。 选择工具条上 按钮设定你的工作路径。 显示项目树 2创建刀具 #1， 80 刚石刀片 在 目树 )中，右击 ，从系统弹出的快捷菜单中选择 单命令。 在 目树 )中，右击 系统弹出快捷菜单中选择 菜单命令。 在 面中，选择主菜单 单选项，系统弹出 D 窗口。 在 拉列表框中选择 项。 在 项组中，输入： 13 5 8 5 在 拉列表框中选择 6： 项。 单击 钮如 图 4示。 图 4意：同样的在视图中旋转命令可以在刀具管理器中使用。 3 添加一个已经通过扫掠生成的刀杆。 在 项卡左上方 拉列表框中选择 项。 选择 钮。 在 项组中，选择 按钮。 在 拉列表框中，选择 项。 在 本列表框中选择 单击 钮。 单击 钮。 单击 签。 单击 签。 在 本框中输入 90，然后单击右侧 图 4示。 图 4具旋转设置对话框 4完成刀具创建，图 4示。 图 4保存为 出。 加毛坯 这一 小 节开始添加毛坯， 图 4 件树 )中右击 图 4 2 右击 系统弹出下拉菜单中选择 单命令，设置参数见图 4 图 4 置为 (0， 0， 4 完成毛坯的创建。 择加工程序 在 目树 )中，双击 项，系统弹出 口。 在 面中，单击 按钮。 选择 D:/2 单击 钮。 单击 钮关闭 口。 加一个刀具库 在 目树 )中，右击 系统弹出的下拉菜单 中选择 单命令。 选择 D:/2击 钮。 加工程序零点创建一个坐标系 件树 )中右击 单击 成 ， 0，0)。该点也就是坐标点，也即圆柱毛坯的端面圆心。 削仿真 柱毛坯在 削仿真 打开 数控车床的系统仿真建模工作 前面小节 已经做好 ， 接下来 机床复位后，处于如图 4示的待加工状态。此时通过系统界面右下角的仿真控制工具栏（如图 4示）即可开始进行各种仿真操作。 图 4真控制工具栏 其中各工具按钮的名称功能如下： ：播放键，单击可以开始进行刀具轨迹仿真运行。 ：单步播放，点击一次仅处理一行程序，便于用户手动观察程序的运行过程。 ：停止键，暂停当前轨迹的运行，点击播放键可继续运行程序。 ：返回键，返回程序开头。 ：复位键，用于复位机床或准备重新开始刀具轨迹的仿真。 当 统正在处理任务或进行刀具轨迹优化时， “ “示灯会变亮，表示系统正在工作。此外，通过拖动滑动条可以实时控制仿真显示的速率快慢，在仿真进度栏里会显示当前的加工进度。从该图可以看到， 统在进行仿真加工时的界面分为 两个视图，左侧视图用来显示刀具和零件的切削部分，可以更清楚表现 毛坯材料的去除细节。右侧视图显示的是机床整体运动情况，可以方便的观察出刀具是否与夹具或机床部件间发生碰撞，还可以观察机床各轴的运动情况。这样既有加工细节又有整体效果的显示方式体现了 统在加工显示上的优越性。 图 4件仿真加工前 零 件仿真加工后如图 4示。 图 4件仿真加工后 该软件支持多视图仿真画面，最多可以同时提供四个视图，包括 种方式，能更直观明了的看到整个加工过程，如图 4 图 4视图仿真画面 现并检查错误 统仿真 在 目树 )中，右击 中选择“ 令，弹出 话框，如 图 4示。 图 4动设置对话框 在该对话框中可以随意设置加工仿真的过程控制，也包括刀具的显示状态，还可以优化刀具长度来提高切削刚度等等功能。 拖动 方信息提示栏右侧滚动条，全部的错误信息被临时记录。你能向上拖动滚动条检查全部的错误， 如图 4示。 图 4息浏览对话框 在主窗口右下角单击 统仿真复位。从系统弹出的对话框中选择 如图 4 图 4位对话框 再 主窗口右下角 单击 钮 。 第 五章 真软件在教学上的应用 5 1 真软件在教学上的应用 近几年，为了支持国家 3 年培养 50 万新技师计划，各学校用在教学一线的数控机床数量有明显的增长，但与实际的教学需求还是有很大的差距。数控设备价格昂贵，操作当中稍有疏忽都可能导致安全事故，且在实际操作中消耗大量的刀具、钢材。为了解决这些矛盾，仿真软件被大量应用到数控专业的教学中，并且发挥了很大的作用。其中司的 件是仿真技术比较成功的软件之一，在通用机械， 特别是军工、航天等领域已经广泛应用，在机械加工仿真软件中处于绝对领先地位。经过 尝试，我 把 真软件应用于数控教学过程中，使其在高技能人才的培养方面开始崭露头角，今后也必将成为培养数控高技能人才的重要工具。 目前我国紧缺的不是数控机床操作工，而是具有较高工艺能力的技师和高级技师。传统的仿真软件是基于机床 面板操作 的仿真软件，其适用对象为数控机床操作中级工或高级工。而 基于 工艺过程 21的仿真软件，可以还原真实的车间加工过程，及时发现工序划分、工件定位、装夹中存在的工艺漏洞或隐患，是面 向 中等职业学校学生和 技师或高级技师的仿真软件。 占用机床机器时间，教学效率高。此方式基于完整的加工工艺系统环境进行 一些 观，更接近实际加工情况，仿真后的 决了数控教学中的设备不足困难，收到了良好的教学效果 。 图形界面的构建 1、机床模型：内置机床模型，涵盖了国际知名的数控机床，并且支持用户自定义机床模型。多轴机床是一个国家数控技术 应用水平的体现， 持 4 轴、 5 轴加工中心以及车铣中心机床的建模。通过定义和教学用数控机床一模一样的模型，在课堂上完成学生与实际机床的零距离接触，使学生可以在计算机上直观的看到车间机床的加工情况。 2、刀具模型：通过内置刀具管理系统对刀具、刀柄系统进行建模，包括车刀、镗刀、球刀、成型刀、等常见刀具，及钻夹头、弹簧夹套、强力铣、热膨胀等各类刀柄。对于比较特殊的刀具 (例如：自制刀具等 )、刀柄还可以通过外部 件进行建模。 3、夹具系统 22建模：对于虎钳、压板等简单的夹具可以直接造型。对于各类组 合夹具、专用工装等比较复杂的装夹系统 23，同样通过外部 件进行建模。 4、毛坯、零件的建模：支持任意形状的毛坯。对于方块、圆柱或