（机械制造及其自动化专业论文）动车轮辐板孔数控加工编程技术研究.pdf

合肥工业大学 l l u ll l li ii iii ii i ii iii ii y 18 8 6 4 19 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大 学硕士学位论文质量要求。 答辩委员会签名：( 工作单位、职称) 主席：勰匆白日纺蝣搠复 委员： 昝缀乏乙伽力芝彬 声黜 导师： 牡亳墨 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得 金月墨王些太堂 或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：工匆、芋、签字日期：湘研年红月砑日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金胆王些盔堂有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借 阅。本人授权 金星墨三些太堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：上啕东 签字日期a 刃j 年夸月蚜日 学位论文作者毕业后去向： 导师签名：牲凄哆 签字日期：勿们年争月；移日 电话：心h 2 昂7 6 通讯地址饿彰甲样龇蝴踟护 邀矾逯j 动车轮辐板孔数控加工编程技术研究 摘要 随着高铁技术的发展和应用，动车轮的需求量快速增加。动车轮结构复杂、 加工精度要求高，采用数控加工技术加工是首选。本论文的任务是研究和开发 动车轮数控加工程序的自动编制系统，对提高编程质量和编程效率，最终提高 动车轮的加工精度和加工效率有重要的理论意义和应用价值。本文的主要研究 内容如下： 1 综述了数控技术的现状及发展趋势，研究了开发数控编程系统的关键技 术。 2 以a u t o c a d 作为开发平台，应用二次开发工具0 b j e c t a r x 和v c + + n e t 自主开发动车轮辐板孔数控加工编程系统。 3 在分析动车轮辐板孔加工工艺特点和信息需求的基础上，设计了合理的 人机交互界面，方便数据信息的采集和存储，自动生成了c a p p 数据文件。 4 开发了刀位文件( c l d ) 的自动生成模块和后置处理模块，将刀位文件 转换为f a n u c 数控系统的n c 代码程序。采用固定循环指令格式编程，n c 代 码程序简短、高效。 5 研究了图形模拟的相关技术，包括词法、语法和语义分析，坐标的换算 和刀具图形的建立、调用、移动，对n c 代码程序进行了形象而直观的校验。 关键词：数控技术；数控编程技术；加工工艺；图形模拟；动车轮 ar e s e a r c ho fn c p r o g r a m m i n gt e c h n o l o g yf o r h i g h - p r e c i s i o nw h e e lw e b h o l e a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fh i g h - s p e e dr a i lt e c h n o l o g y , d e m a n d s o fh i g h - - p r e c i s i o nw h e e l si n c r e a s er a p i d ly d u et oh i g h - p r e c i s i o nw h e e l sh a v e c o m p l e x s t r u c t u r ea n d r e q u i r eh i g hm a c h i n i n ga c c u r a c y c n cm a c h i n i n g t e c h n i q u e sb e c o m ep r e f e r r e d t h et a s ko ft h i sp a p e ri st os t u d ya n dd e v e l o pa a u t o m a t i cp r o g r a m m i n gs y s t e mo fh i g h p r e c i s i o nw h e e l sc n cm a c h i n i n g ，w h i c h h a s i m p o r t a n t t h e o r e t i c a l s i g n i f i c a n c e a n d a p p l i c a t i o n v a l u et o i m p r o v e p r o g r a m m i n gq u a l i t ya n de f f i c i e n c yf o ri m p r o v i n gt h ep r e c i s i o na n dp r o c e s s i n g e f f i c i e n c yu l t i m a t e l y t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： 1 t h i sp a p e rr e v i e w st h es t a t u sa n dd e v e l o p i n gt r e n do fn ct e c h n o l o g y , a n d s t u d i e st h ek e yt e c h n o l o g i e so fn cp r o g r a m m i n gs y s t e m 2 t h en cp r o g r a m m i n gs y s t e mo fh i g h p r e c i s i o nw h e e li s i n d e p e n d e n t l y d e v e l o p e d i na u t o c a db yu s i n gv c + + n e ta n da r xa st h e s e c o n d a r y d e v e l o p m e n tt o o l s 3 b a s e do na n a l y z i n gp r o c e s s i n gf e a t u r e sa n di n f o r m a t i o nd e m a n d so fh i g h - p r e c i s i o nw e bh o l e ，t h er a t i o n a li n t e r a c t i v ei n t e r f a c ei sd e s i g n e dt of a c i l i t a t ed a t a c o l l e c t i o n ，s t o r a g e ，a n dg e n e r a t ec a p p d a t ef i l e sa u t o m a t i c a l l y 4 a u t o g e n e r a t i o nm o d u l ea n dp o s t p r o c e s s i n gm o d u l eo fc u t t e rl o c a t i o nf i l e ( c l d ) i sd e v e l o p e d ，w h i c hc a nt r a n s f o r mt h ec u t t e rl o c a t i o nf i l e si n t on cc o d e p r o g r a mo ff a n u cs y s t e m t h en cc o d ep r o g r a mb e c o m e sb r i e fa n de f f i c i e n td u e t of i x e dc y c l ei n s t r u c t i o nf o r m a tp r o g r a m m i n gi sa d o p t e d 5 t h i sp a p e rs t u d i e st h er e l a t e dt e c h n o l o g i e so fg r a p h i cs i m u l a t i o n ，i n c l u d i n g l e x i c a l ，s y n t a xa n ds e m a n t i ca n a l y s i s ，c o o r d i n a t ec o n v e r s i o na n dt h ee s t a b l i s h m e n t ， c a l l ，m o v e m e n to ft o o l s g r a p h i c s ，f u r t h e r m o r ec h e c k st h en cc o d ep r o c e d u r e s v i v i d l ya n di n t u i t i v e l y k e y w o r d s ：n ct e c h n o l o g y ；n cp r o g r a m m i n gt e c h n o l o g y ；p r o c e s s i n gt e c h n o l o g y ； g r a p h i cs i m u l a t i o n ；h i g h - p r e c i s i o nw h e e l 致谢 两年多的研究生生活即将结束，在毕业论文成稿之际，谨在此向两年多来 关心、支持和帮助过我的人表示真诚的谢意。 本论文是在导师桂贵生教授的悉心指导下完成的。我攻读硕士学位期间， 在生活上和学习上都得到了桂老师的关怀和帮助，为我提供了良好的学习机会， 并指导我参与了马钢动车轮自动化加工过程的研究，使我在学习之余积累了更 多项目运作经验。 在学习上，桂老师从我培养计划的拟定、研究课题的落实、开题报告的选 定及毕业论文的撰写、定稿等各个环节给予了悉心的指导和教诲。桂老师渊博 的学识，开阔的视野、严谨的治学态度，将使我终身受益，并激励我在以后的 工作中和学习中严格要求自己，不断开拓迸取。可以说，在这两年中，我所取 得的所有成绩和进步都包含有桂老师的心血，在此向桂老师表示崇高的敬意和 由衷的感谢。 衷心的感谢课题合作单位提供的各种技术资料，感谢高雷师兄在课题研究 过程中给予的无私帮助。感谢我的同窗路坦硕士、王月娥硕士、孙自强硕士、 程剑锋硕士等人三年来在生活和学习上对我的支持和帮助，在和他们的交流中， 使我得到了不断的进步和提高，同时感谢杜家胜硕士、刘开红硕士、钱正旺硕 士、张漾硕士等对我的帮助。 感谢我的室友余亮浩硕士和江俊硕士，感谢他们三年来在生活上给予我的 帮助和鼓励! 感谢我的家人给予我的支持，正是他们的默默支持给我了强大的 精神动力，使我顺利的完成学业。 最后，向百忙之中抽出时间对本文进行评审并提出宝贵意见的各位专家表 示衷心的感谢! 作者：王向东 2 0 1 1 年3 月1 5 日 目录 第一章绪论 1 1 1 引言1 1 2 数控技术及其发展l 1 2 1 数控技术的国内外现状1 1 2 2 数控技术的发展趋势2 1 2 3 数控编程技术3 1 2 ；4 数控仿真技术4 1 3 本论文的课题来源、意义和研究内容：4 1 3 1 课题来源4 1 3 2 研究意义5 1 3 3 本文研究的主要内容5 1 4 加工中心自动编程关键技术分析5 1 5 本章小结7 第二章数控自动编程系统的开发平台和工具8 2 1a u t o c a d 简介8 2 2a u t o c a d 二次开发工具8 2 2 1o b j e c t a r x 简介9 2 2 2o b j e c t a r x 的类库及应用程序功能9 2 2 3a u t o c a d 数据库9 2 2 4 利用o b j e c t a r x 创建对象1 0 2 2 5o b j e c t a r x 的拖动技术1 3 2 3 面向对象的编程技术1 4 2 4v c + + n e t 简介1 5 2 5 本章小结1 6 第三章数据信息的采集与处理。1 7 3 1 动车轮辐板孔的加工工艺1 7 3 1 1 动车轮辐板孔的工艺要求1 7 3 1 2 工序规划1 8 3 2 对话框及其选用19 3 2 1 常用控件的介绍1 9 3 2 2 对话框的种类2 0 3 3 数据信息的采集2 1 3 3 1 用户登录界面2 1 3 3 2 工步规划的实现2 4 3 3 3 工步调整：2 7 3 4 数据信息的处理2 8 3 4 1 数据信息的存储k 2 8 3 4 2 干涉校验31 3 5 本章小结3 2 第四章刀位文件与n c 代码的生成3 3 4 1 刀位文件的生成3 3 4 2 后置处理。3 5 4 2 1 后置处理的功能3 5 4 2 2 后置处理的流程。：3 5 4 2 3n c 代码的生成3 5 4 4 本章小结：4 1 第五章轨迹模拟4 2 5 1 轨迹模拟中的相关技术分析。4 2 5 1 1 词法、语法、语义分析4 2 5 1 2 刀位轨迹的换算4 3 5 1 3 刀具图形块的调用一4 3 5 1 4 刀具图形块的移动4 4 5 2 轨迹模拟的实现一4 4 5 3 本章小结4 5 第六章总结与展望 4 6 6 1 本文结论4 6 6 2 今后工作及展望4 6 参考文献4 7 攻读硕士学位期间发表的论文4 9 插图清单 图1 1 工艺规划过程6 图2 1a u t o c a d 数据库1 0 图2 2 把一条直线添加到模型空间记录中1 0 图2 3 拖动循环流程图1 4 图3 1 动车轮辐板孔1 7 图3 4 典型孔加工工步序列1 9 图3 2 用户登录界面2 1 图3 3 提示对话框2 4 图3 5 工步规划2 5 图3 - 6 加工暂停时间2 5 图3 7 已规划工步一2 6 图3 8 未添加数据时的警告2 7 图3 - 9 工步调整2 8 图3 1 0 干涉校验3 2 图4 1 后置处理流程图：3 5 图4 2 子程序的格式3 6 图4 3 子程序调用过程3 6 图4 4 孔加工固定循环过程3 8 图4 5g 9 8 与g 9 9 退刀方式3 9 图4 6g 7 3 和g 8 3 固定循环动作3 9 图4 7n c 代码生成过程4 0 图5 1 图形校验4 5 表格清单 表3 1 常用控件及对应的控件类2 0 表4 1 固定循环指令3 7 第一章绪论 1 1 引言 制造业是国民经济的支柱产业，人们应用先进的科学技术和装备制造产品、 创造物质财富，同时也为国民经济各部门和科学技术的发展提供先进的技术手 段和装备。数控技术的应用给传统制造业带来了革命性的变化，逐步实现了工 业化。当今世界各国制造业广泛采用数控技术，进一步提高制造的能力和水平， 以增强对未来市场的适应力和竞争力；此外，世界上有些工业发达国家采取重 大措施来发展自己的数控技术及相关产业，并在“高、精、尖 关键技术方面 对我国实行技术封锁和限制政策。总之，大力发展以数控技术为核心的先进制 造技术，已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重 要途径【1 1 。 1 2 数控技术及其发展 1 2 1 数控技术的国内外现状 数控技术n c ( n u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) 是指用数字、文字和符号组成的数字指 令来实现对一台或多台机械设备的工作过程进行控制的技术。它所控制的通常 是位置、速度、加速度等数字量和与机械能量流向有关的开关量。现代数控技 术也叫计算机数控技术c n c ( c o m p u t e r i z e dn u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) ，即用计算机 实现数字程序控制的技术，这种技术利用计算机存储的程序来执行对设备的控 制功能。 在现代制造系统中，数控技术是关键技术，它集微电子、计算机、信息处 理、自动检测、自动控制等高新技术于一体，具有高精度、高效率、柔性自动 化等特点，实现了自动化、集成化和智能化的制造过程。目前，数控技术有了 新的发展，在将p c 机引入数控系统后，数控技术开始由专用型开环控制模式 向通用型全闭环控制模式结构转变；在集成化基础上，数控系统实现了超薄化、 超小型化；在智能化基础上，综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等 多学科技术，数控系统实现了高速、高精、高效控制，加工过程中可以自动修 正、调节与补偿各项参数，实现了在线诊断和智能化故障处理；在网络化基础 上，c a d c a m 与数控系统集成为一体，机床联网，实现了分布式控制的群控 加工d n c ( d i s t r i b u t e dn u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) t 2 1 。目前，我国已基本掌握数控系统及 配套的相关技术，其中部分技术已经进入了商品化开发阶段，在此基础上建立 了诸如华中数控、航天数控等研究数控系统的生产厂，这些厂基本上形成了我 国主要的数控产业基地，并培养了一大批从事数控研究、开发和管理的人才队 伍。虽然我国在数控系统开发和研究上取得了长足的进步，但还必须要清醒的 认识到我国在高端数控技术上的研发，尤其是关系到产业化技术层面上与现实 的需求还有很大的差距，特别是在高、精、尖技术方面，与国外相比而言，某 些方面不仅有技术上的差距，在发展速度和规模上也有较大的差距。为了缩小 我国数控技术与发达国家的差距，尽快形成具有一定规模和效益的数控产业， 数控技术的提升势在必行。 1 2 2 数控技术的发展趋势 目前，从世界上对数控技术的研究及数控装备的发展来看，数控技术突显 出以下几个方面的发展趋势。 ( 1 ) 高速、高精加工 数控加工的控制信息主要是刀具的运动轨迹和刀具相对于工件的运动速度 信息，这些信息都以程序的形式输入到数控系统中，数控系统根据程序发出控 制机床动作的信号。如果发现信号在传递的过程中出现受阻、失真、延时等情 况，就不可能使信息准确的输入，因此机床加工的精度和速度就不能得到保证。 对高精度、高速加工而言，所有信息都必须及时正确的转化成刀具或工作台运 动，才能加工出高精度的零件。对于数控机床而言，加工过程由计算机进行控 制，在信息的处理过程中难免会出现失真、延时等情况，因此在高速加工时， 要采取必要的措施来保证信息的准确。对于高速、高精度加工，除了机床性能 满足要求外，对c n c 系统的要求主要是占用内存小，处理速度快，控制精度高 等。为了防止扰动，采用数字滤波器技术，消除机械谐波，提高伺服系统的位 置增益和采用前馈控制，补偿因伺服系统滞后所产生的误差。“前瞻”控制是 在程序执行之前对运动数据进行估算、处理和多段缓冲，从而使刀具按照预定 的速度运动，减小冲击。通过改善进给和主轴伺服系统性能，提高编码器的分 辨率以及主轴电机采用同步电机等方式来提高加工精度。例如，f a n u c 伺服 电机的设计，采用高增益控制，伺服电机是无齿槽效应的电机，带有分辨率为 1 6 x1 0 7 脉冲转的编码器，系统在检测分辨率为l g m 时，插补分辨率可以提高 到l n m ，有效的降低加工零件的粗糙度，提高加工精度。 ( 2 ) 五轴联动和复合加工 采用五轴联动加工三维复杂曲面零件时，利用刀具的最佳几何形状进行切 削，不仅能够满足零件表面粗糙度的要求，而且使加工效率得以提高。复杂的 五轴联动加工，除了移动轴的位移、速度信息外还包括回转轴的转角和速度信 息，使得待处理信息量大大增加。五轴联动加工的机械装置有刀具旋转式、工 件旋转式和这两种方式的结合等类型。 一般情况下，一台五轴联动机床的效率相当于两台三轴联动机床，特别是 使用一些超硬材料刀具进行高速铣削零件时，五轴联动能发挥更高的效益p j 。 对于高速和高精加工的复杂零件，为满足加工表面要求，c n c 必须保证机床无 冲击的平滑运动，通过监测零件加工部位的形状变化来控制其加工速度和加速 o 2 度，使加工状况总是保持在最佳状态。 在零件的加工过程中，尽可能在一台机床上完成一个复杂的零件从毛坯至 成品的全部加工，实现数控加工的复合化。复合加工在保证零件加工精度的同 时，可以减少因不同数控机床间工序的转换产生的待工时间及多次上下料等时 间，提高了加工效率，缩短产品的生产周期，从而赢得市场。 ( 3 ) 智能化、开放化和网络化 为了满足制造业生产柔性化以及自动化的发展需求，数控机床用户希望n c 系统能够部分代替工艺师和操作师的大脑，具有一定的智能，能把特殊的加工 工艺、管理经验和操作技能固化于n c 系统中，同时也希望数控系统能够通过 对影响加工精度和效率的因素进行自动检测、比较、补偿，准确快速的做出决 策，使产品的加工处于最佳状态。 为解决传统数控系统的封闭性和数控应用软件产业化存在的问题，于是便 开始了数控系统的开放性研究。1 9 8 7 年美国空军在里根政府支持下，发表了著 名的“n g c ( 下一代控制器) 的计划，首先提出了开放体系结构的控制器概 念。数控系统的开放化已经成为数控系统发展的未来之路。所谓开放式数控系 统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向机床厂家和最终用户， 通过改变、增加或修剪结构对象，形成系列化，并可方便的将用户的特殊应用 和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系 统，形成鲜明的品牌产品；目前开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、 配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等成为 当前研究的核心1 4 j 。 实现数控系统的网络化，进行远程控制和无人化操作，通过数控机床的联 网，可在任何一台机床上对其他机床进行编程、设定和操作，数控机床的网络 化将能极大的满足生产和制造信息化的需要，从而降低成本、提高生产的效率。 1 2 3 数控编程技术 数控编程是数控加工准备阶段的主要内容，通常包括分析待加工零件的图 样，确定加工工艺方案、选择相应的刀具、确定走刀轨迹路线和切削参数、生 成刀位文件，按数控系统所规定的代码和程序格式生成零件加工程序，对生成 的加工程序进行模拟和校验，然后将正确的数控程序输入数控机床的数控装置 中，控制数控机床加工出零件。总之，数控编程就是从零件图样到获得数控加 工程序的全过程。数控编程技术在数控技术应用中占有重要地位，它在实现设 计加工自动化、提高加工精度和加工质量以及缩短产品研制周期等方面发挥重 要作用。 数控编程方法可分为手工编程和自动编程【5 】。 ( 1 ) 手工编程 手工编程是指人工完成数控程序编制的全部工作，包括分析零件图样、确 3 定工艺路线、选择加工方式、进行数值计算、编写加工程序单等。 手工编程要求编程人员不仅熟悉所用数控机床的数控指令及编程规则，而 且还要具备一定的数控加工工艺知识和数值分析的能力。一般而言，对于形状 简单的零件，计算量小、程序短，用手工编程快捷、简便，因而手工编程广泛 用于点位加工或由直线与圆弧组成的平面轮廓加工中，对于结构复杂的零件， 手工编程将显得较为繁琐。 ( 2 ) 自动编程 自动编程是指利用计算机及相应的编程软件( 如c a d c a m 软件) 编制数 控程序的过程。自动编程主要有语言编程、图形交互式编程和语音编程等方法。 编程人员只需要根据零件图样及工艺要求，在人机交互的方式下，对加工 过程添加必要的信息，编程系统将自动计算出刀具运动的轨迹，并输出零件的 数控加工程序。例如使用c a d c a m 软件自动编程时，先利用c a d 模块对图 形数据进行处理，然后根据c a m 模块规划刀具路径，生成刀位文件，再经后 置处理程序生成数控加工程序。自动编程与手工编程相比，具有编程时间短， 出错率低，效率高等优点，同时能够实现复杂形状或由空间曲面组成的零件的 编程。 1 2 4 数控仿真技术 通常数控加工仿真是指利用计算机来模拟数控加工的过程，进而检验n c 代码程序的正确性、合理性与可靠性，减少工件的试切过程，提高生产效率。 无论是手工编程还是通过自动编程系统生成的n c 代码程序都不可避免的 有些错误，为防止在零件的加工过程中出现刀具与工件或机床的干涉和碰撞， 常采用实物试切的方法，然而这种方法费时费料，增加产品的生产成本和生产 周期。为此，人们一直在研究代替试切过程的计算机仿真技术，并在图形模拟 方面取得了一定的成果。 目前，数控加工仿真分为几何仿真和物理仿真两个方面。几何仿真是不考 虑切削参数等因素的影响，只根据加工零件的几何形状模拟刀具的走刀过程， 以验证n c 代码程序的正确性。它可以有效的避免因程序代码错误而导致加工 机床的损坏或零件的报废，缩短产品的制造周期，降低制造成本。物理仿真是 通过建立实体模型，模拟切削参数的变化对切削力、刀具磨损和加工精度的影 响，并通过控制切削参数优化切削效果【6 。7 】。 1 3 本论文的课题来源、意义和研究内容 1 3 1 课题来源 本课题的研究内容是产学研项目“高精度车轮精密加工和测量技术研究开 发 的组成部分。 4 1 3 2 研究意义 动车轮的结构形状复杂，加工精度要求高，尺寸精度、形状精度、位置精 度和表面粗糙度都比普通车轮高1 2 级。通过对普通车轮的生产工艺和相关资 料( 产品的技术资料、图纸等) 的分析，研究动车轮的加工工艺，制定动车轮 加工工艺方案，开发动车轮数控加工编程系统，利用计算机生成动车轮辐板孔 数控加工程序，对提高车轮的加工精度和加工效率有重要的理论意义和应用价 值。 1 3 3 本文研究的主要内容 本论文的主要研究内容如下： ( 1 ) 简要阐述了数控技术和数控编程技术的发展及数控技术的国内外发展 现状，分析了现阶段存在的问题，并指出了数控技术的发展趋势；研究了数控 编程的一般方法及注意事项；论述了本论文的研究内容及意义。 ( 2 ) 研究了a u t o c a d 二次开发软件o b j e c t a r x 和v c + + n e t 开发工具及 其应用； ( 3 ) 通过研究动车轮的加工工艺方案，开发了加工中心自动编程系统，该 系统实现了动车轮辐板孔加工程序的自动编制，包括工艺交互的实现和数据信 息的存储。 ( 4 ) 由生成的工艺文件 c a p p 生成刀位文件奉o l d ，最后经后置处理生成 f a n u c 数控系统n c 代码程序。 ( 5 ) 研究了图形模拟校验n c 代码程序的相关技术。 1 4 加工中心自动编程关键技术分析 动车轮辐板孔系加工自动编程过程涉及工艺规划、工步调整、刀位文件生 成、n c 代码程序生成和程序校验等内容。 ( 1 ) 工艺规划 在保证加工精度要求的前提下，可采用不同的孔或孔系加工工艺方案，并 对工艺方案进行分析，进而获取最佳的工艺方案。加工方案和加工参数的合理 化选择将直接影响到数控加工的效率和质量，因此，刀具要素、走刀路线的选 择成为研究的重点。力求在满足加工精度和刀具寿命的前提下，尽可能的缩短 辅助时间，提高加工效率。 工艺规划是在人机交互的前提下完成的。工艺规划以工步为基本单元，每 个工步的信息都是由几何信息和工艺信息两部分组成。工艺规划过程中，键盘 和鼠标为人机交互的工具，通过在c a d 与工艺规划信息窗口之间的切换获取 工步信息，如图1 1 所示。对于几何参数，通过键盘和鼠标的相互作用实现信 息的输入。工艺规划的目的是输出c a p p 文件，为生成刀位文件做准备。 图l - l 工艺规划过程 ( 2 ) 刀具轨迹的生成 刀具轨迹规划对零件的加工非常重要，加工轨迹是否合理关系到加工的可 行性。生成刀具轨迹的目标就是在无干涉、碰撞的前提下，力求轨迹结构简单、 数据信息量小、路径短、编程方便。 干涉校验也是当前的研究热点，无干涉、碰撞是刀具轨迹生成的前提条件。 在孔加工过程中，可能会因为刀具在换位的过程中，与孔系间障碍元素发生干 涉、碰撞，在孔规划过程中需要注意到这一点，对产生干涉现象应予以报警， 并采取措施排除干涉。 ( 3 ) 前置处理 前置处理是数控编程中的重要环节之一。前置处理的主要任务就是实现坐 标的变换。由c a p p 给出的进退刀点坐标，是世界坐标系下的坐标，而非编程 坐标系下的坐标。因此在前置处理中，就需要将他们转换为编程坐标系下的坐 标，这就是坐标变换。其间要考虑是否超出行程，是否需要重新选择或对编程 工艺进行修改。 ( 4 ) 后置处理和程序校验 后置处理主要是在前置处理的基础上，根据数控系统指定的指令格式，将 刀位文件转换成n c 代码。 采用图形校验的方法验证n c 代码程序，实现加工过程的可视化。对加工 过程进行图形模拟，首先对n c 代码进行词法分析和语法分析，纠正语法和拼 写错误，采用“主俯”视图模拟的方法，实现立式加工中心上孔加工的模 6 拟，在主视图上显示刀具的加工轨迹，在俯视图上显示工件的换位移动轨迹。 通过图形模拟过程能够发现程序中的错误，避免产品的报废和事故的发生。 1 5 本章小结 本章综述了数控技术的国内外发展现状及趋势，阐述了数控编程技术的发 展以及数控编程过程中的关键技术，介绍了本研究课题的来源、研究意义及研 究的主要内容，分析了开发孔加工自动编程系统的关键技术，最后阐述了进行 图形校验的方法、目的和意义。 7 第二章数控自动编程系统的开发平台和工具 2 1a u t o c a d 简介 c a d ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 是计算机技术的一个重要的应用领域。 a u t o c a d 具有良好的用户交互界面，用户通过交互菜单或命令行方式可以进行 各种操作。a u t o c a d 具有多文档设计环境，即使非计算机专业人员也能够迅速 学会使用，用户在不断使用过程中可以更好的掌握它的各种应用特点和开发技 巧，从而使工作效率得到不断提高；另外，a u t o c a d 的适应能力强，可以在不 同操作系统的微型计算机和工作站上运行，这也为a u t o c a d 的普及创造了有 利条件。 虽然a u t o c a d 的功能和通用性强，能满足众多领域的设计需求，却不能 满足某些专业领域的特殊要求，例如在c a d 的基础上扩展c a m 功能，实现 c a d c a m 的集成。由a u t o c a d 系统提供的二次开发工具，用户或第三方可以 用二次开发工具开发专用系统。本文正是研究在a u t o c a d 2 0 0 4 平台上应用开 发工具o b j e e t a r x 开发立式加工中心孔加工自动编程系统的关键技术，以实现 c a d 和c a m 的衔接。 2 2a u t o c a d 二次开发工具 a u t o c a d 开发系统也称为a u t o c a da p i ( 应用程序接口) ，它是将a u t o c a d 环境客户化的基本手段。a u t o c a d 有多种编程接口，a u t o l i s p 是它的一种解 释型的应用程序接口，它提供了一个简单的扩充a u t o c a d 命令的机制。在 a u t o c a dr 1 0 中增加了成为a d s 的c 语言编程环境，一个a d s 程序实际上是 由一组外部函数组成，它们通过a u t o l i s p 解释器来加载调用，a d s 程序本身 并不能直接和a u t o c a d 进行通信。然后，在r 1 3 中又增添了a r x ( a u t o c a d 运行扩展) 编程接口，它是新一代的面向对象的c + + 的应用程序接口，可以为 应用程序扩展a u t o c a d 提供前所未有的功能。随着技术的发展，在r 1 4 中， a r x 在原有的基础上，将a d s 库里面的函数加载到a r x 库中，从而形成了 a d s r x 。由于a d s r x 是在a r x 基础上产生的，因此它和其他的a r x 一样可 以共享a u t o c a d 的地址空间，该开发环境利用v i s u a lc + + 编译器生成d l l 文 件。 a r x 程序在很多方面和a d s 程序、a u t o l i s p 程序不同，最重要的一点是， a r x 实质上是一个动态链接库( d l l ) ，共享a u t o c a d 的地址空间并且通过 调用函数直接和a u t o c a d 进行通信。对于那些频繁和a u t o c a d 通信的应用程 序而言，a r x 程序运行环境比a d s 环境优越的多。除了速度上的提高外，a r x 程序还可以创建新的类，这些类可以被其他程序共享，从而充分利用面向对象 编程的优点。 2 2 1o b j e c t a r x 简介 o b j e c t a r x 中的a r x 表示a u t o c a d 运行时扩展( a u t o c a dr u n t i m e e x t e n s i o n ) ，是在a d s 的基础上发展起来的一种面向对象的c + + 编程环境。 a r x 的最大特点就是引入了面向对象的编程方式。o b j e e t a r x 应用程序通过 a e e d g e g c m d s 0 宏注册的外部命令与a u t o c a d 自身固有命令一样，由a u t o c a d 本身执行，享受a u t o c a d 固有命令之特权【引。 2 2 2o b j e c t a r x 的类库及应用程序功能 o b j e e t a r x 环境主要包括a c r x 、a e d b 、a c e d 、a c g i 和a c g e 五个类库， 以及一个与原来的a d s 兼容的函数库，其核心是由两组关键的a p i ( 即a e e d 和a c d b 类库) 组成。 利用o b j e e t a r x 开发面向对象的a u t o c a d 2 0 0 4 应用程序，其主要功能表 现为以下几点： ( 1 ) 对a u t o c a d 数据库的访问。a u t o c a d 图形实际上是保存在图形数据 库中对象的集合，包括点、线、面等实体以及图层、线型等非实体对象。 o b j e e t a r x 提供相应的函数可以访问这些对象，并允许再创建各类数据库对象。 ( 2 ) 与a u t o c a d 编辑器的交互。o b j e e t a r x 提供了与a u t o c a d 编辑器通 讯的类和成员函数，用户可以向a u t o c a d 注册自定义命令，生成的应用程序 可以接收和回应在a u t o c a d 中发生的各种事件。 ( 3 ) 使用m f c 创建用户界面。在编译o b j e e t a r x 应用程序时，可以与m f c 动态链接库相连，从而在a u t o c a d 界面创建标准w i n d o w s 风格的用户界面【9 】。 ( 4 ) 与其它编程环境进行交互。o b j e e t a r x 应用程序可与其它编程工具( 如 v i s u a ll i s p ) 进行交互，还可以通过网络技术与其它对象进行通信。 2 2 3a u t o c a d 数据库 a u t o c a d 数据库按照一定的结构形式存储了a u t o c a d 图形的全部对象和 实体，利用有名对象字典和符号表对数据库对象进行管理和组织。其中数据库 的基本对象包括实体、符号表和字典等。实体是具有图形表示的数据库对象， 例如直线、圆等。符号表和字典是存储数据的容器对象，它们可以将一个符号 名称映射到另一个数据库对象上；字典提供了一个比符号表更加通用的容器来 存储对象，当创建新的数据库元素时，用户可以在命名对象字典内创建新字典 并将新的数据库元素添加在这个字典中，数据库的运作具有唯一性的特点，即 在数据库中的每一条记录都是唯一的 10 1 。图2 1 显示了a u t o c a d 数据库结构。 9 图2 - 1a u t o c a d 数据库 2 2 4 利用o b j e c t a r x 创建对象 从编程的角度来看，利用o b j e c t a r x 创建对象和在a d s 或a u t o l i s p 中创 建对象是完全不相同的。在a d s 中，可以使用a c e d c o m m a n d 0 、a c e d c m d 0 等 函数和结果缓冲区来创建a u t o c a d 实体。在a u t o l i s p 中，使用( c o m m a n d ) 函数来创建a u t o c a d 实体，和a u t o c a d 一样，重要的是要构造结果缓冲区链 表；而在o b j e c t a r x 中，主要处理的是类和类的层次。首先介绍一下在a u t o c a d 中如何创建实体、图层以及打开和关闭o b j e c t a r x 对象。 a u t o c a d 中所有的实体都是放在块表之中，实体既可以在模型空间中创建 也可以在图纸空间中创建。块表中包含两个特殊的记录：* m o d e ls p a c e ( 模 型空间) 和* p a p e rs p a c e ( 图纸空间) 。实体可以添加到模型空间记录或是图 纸空间记录中，但不能直接添加到块表中；如果在c a d 中画一条直线，假定 现在处于模型空间，c a d 做的第一件事就是打开块表，寻找* m o d e l s p a c e 记录，当找到* m o d e ls p a c e 记录之后，把l i n e 实体添加到* m o d e l 中，如图2 2 所示【1 1 】。 _ s p a c e 图纸空间 ( 1 ) 创建对象 图2 - 2 把一条直线