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双刀车削数控代码可视化校验系统关键技术研究 摘要 双刀数控车削加工是一种高效的加工方式，机床左右刀架的加工程序以子 程序的形式各自独立，但相互之间有匹配和协调，数控系统通道之间有信息通 信。程序复杂，出错率较高，程序校验困难，调试周期长。在n c 代码投入加 工之前，通过计算机仿真可以有效地检查程序中的显式和隐式错误，包括加工 过程中是否存在刀具干涉或者产生过切，左右刀架匹配是否合理等，这对缩短 试切时间、提高机床的利用率和产品质量都有着非常重要的意义。本文的研究 内容如下： 1 综述了数控机床技术与数控编程技术的发展趋势，研究了数控加工仿真 的国内外发展现状，指出了双刀车削数控代码可视化校验系统的结构功能和关 键技术。 2 根据双刀车削数控加工的原理分析了其数控代码的结构和特点，结合编 译原理介绍了代码翻译模块的实现方法。 3 研究了代码翻译器的各个组成部分的实现方法，并给出译码输出数据的 存储格式。 4 研究了c 刀补的轨迹转接问题，讨论了过切的常见形式和判别原理，并 在a u t o c a d 平台上实现了轨迹模拟的方法和技术，成功开发出双刀车削数控 代码校验系统。 关键词：双刀车削；n c 代码；c 刀补；o b j e c l a r x ：轨迹模拟 r e s e a r c ho nk e yt e c h n o l o g yo fv i s u a l i z a t i o n c h e c k s y s t e mf o rt w i n - - c u t t e rt u r n i n gn cc o d e a b s t r a c t t h et w i n c u t t e rt u r n i n gi sa ne f f i c i e n tp r o c e s s i n gm e t h o d t h ep r o c e s s i n g p r o g r a m sf o rl a t h e sl e f ta n dr i g h tt o o lp o s t sa r es e p a r a t e di nt h ef o r m o f s u b r o u t i n e s ，w h i l et h e y a r em a t c h e da n dc o o r d i n a t e dw i t he a c h o t h e r i n f o r m a t i o n e x c h a n g i n ge x i s t sb e t w e e nt h ec h a n n e l so fc n cs y s t e m t h ep r o g r a m s a r es oc o m p li c a t e dt h a tt h ee r r o r sa r ed i 筒c u l tt of i n do u t a n di ti sh a r dt oe n s u r e t h e i rc o r r e c t n e s s b e f o r et h en cc o d ei sp u ti n t oo p e r a t i o n ，t h ee x p l i c i ta n di m p l i c i t e r r o r s ，i n c l u d i n gc u t t e ri n t e r f e r e n c eo ro v e r c u t t i n g ，a n dw h e t h e rt h el e f ta n d r i g h tt o o lp o s t s a r em a t c h e d ，c a nb ec h e c k e dv i a c o m p u t e rs i m u l a t i o n i t s s i g n i f i c a n tt os h o r t e hm a n - h o u ra n di m p r o v et h eu t i l i z a t i o nr a t i oo fm a c h i n et o o l a n dt h ep r o d u c t s q u a l i t 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 ed e v e l o p m e n tt r e n do fn cm a c h i n et o o l t e c h n o l o g y a n dn c p r o g r a m m i n gt e c h n o l o g yi sd i s c u s s e d a no v e r v i e wo nc u r r e n ts i t u a t i o no fn c m a c h i n i n g s i m u l a t i o ni s p r e s e n t e d t h e f u n c t i o n s t r u c t u r ea n ds o m e k e y t e c h n o l o g i e so fv i s u a l i z a t i o nc h e c ks y s t e mf o rt w i n c u t t e rt u r n i n gn cc o d ea r e a n a l y z e d 2 t h es t r u c t u r ea n df e a t u r eo fn cc o d ei ss t u d i e db a s e do nt h em a c h i n i n g p r i n c i p l eo ft w i n c u t t e rt u r n i n g t h em e t h o do ft r a n s l a t i n gn cc o d ei si n t r o d u c e d a c c o r d i n gt oc o m p i l e rp r i n c i p l e ， 3 t h ei m p l e m e n t a t i o nm e t h o df o rc o m p o n e n t so fn cc o d et r a n s l a t o ri s d i s c u s s e di nd e t a i l ，a n dt h es t o r a g ef o r m a to ft r a n s l a t e dd a t ai sd e f i n e d 4 t r a c k c o n n e c t i n gt e c h n o l o g yb a s e do nc c u t t e rr a d i u sc o m p e n s a t i o ni s r e s e a r c h e d t h ec a u s eo fp r o d u c i n go v e r c u t t i n gp h e n o m e n ai sa n a l y z e d ，a n dt h e m e a s u r e st oe l i m i n a t ei ta r ep r o v i d e d t h em e t h o da n dt e c h n o l o g yo ft r a c k s i m u l a t i o ni s i m p l e m e n t e d o na u t o c a d ，a n dc h e c ks y s t e mf o rn cc o d ei s d e v e l o p e d 。 k e yw o r d s ：t w i n - - c u t t e rt u r n i n g ；n cc o d e ； c - c u t t e rr a d i u s c o m p e n s a t i o n ； o b j e c t a r x ；t r a c ks i m u l a t i o n 插图清单 图1 1双刀车削数控代码校验系统结构图8 图2 1左右刀架同步控制原理1 3 图2 2编译程序的工作流程2 0 图2 3代码翻译器功能结构图2 2 图3 1d f a 举例2 6 图3 2词法分析程序流程图2 7 图3 3识别用户自定义变量的d f a 2 8 图3 4识别正整数的d f a 一2 8 图3 5识别整数的d f a 2 8 图3 - 6识别无符号浮点数的d f a 2 8 图3 7识别浮点数的d f a 2 8 图3 8语法分析程序流程图3 0 图3 - 9加工工步语法分析程序示意图3 1 图3 1 0 算符优先分析算法3 3 图3 1 1 符号表的形式3 4 图3 1 2 表达式计算程序流程图3 8 图3 1 3 双向链表结构4 0 图3 1 4 结点结构4 0 图4 1c 刀补方法原理框图4 2 图4 2矢量夹角的定义4 3 图4 3直线与直线转接时刀具中心轨迹过渡方式4 3 图4 - 4转接交点矢量4 5 图4 。5数控加工中的过切削4 7 图4 - 6刀补建立和刀补撤销时的过切削4 8 图4 7刀补建立和刀补撤销时过切削处理4 8 图4 8加工直线时的过切削4 9 图4 - 9加工直线时过切削处理4 9 图4 1 0 加工直线时过切削处理方法扩展4 9 图4 1l 加工圆弧时的过切削5 0 图4 1 2 直线插补5 1 图4 13 圆弧插补5 2 图5 1单步模拟程序使用界面5 8 图5 2连续模拟使用界面5 8 图5 3轨迹模拟图5 8 表格清单 表2 1e b n f 描述符17 表3 - 1双刀车削数控代码中的常见错误3 5 表3 2运算符优先关系表3 7 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， 也不包含为获得金妲玉些太堂 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：套逮磊签字日期：乃哆年乒月旷日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解佥胆- i 些叁堂有关保留、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b 巴王些太 兰l 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：季p 芝磊导师签名：幸薹兹遵 签字日期：俨弦争月咖 ( 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 签翱期：矸月咖 电话： 邮编： 致谢 本论文是在导师桂贵生教授的悉心指导下完成的，在此向导师表示最衷心 的感谢! 在我攻读硕士学位期间，在生活和学习上都得到了桂老师热心的关 怀。桂老师渊博的学识，开阔的思维，使我受益良多，尤其是他严谨的治学精 神和一丝不苟的工作态度，对我产生了深刻的影响，在以后的工作和学习中严 格要求自己，不断开拓进取。 衷心感谢我的师兄高雷博士和张大勇硕士在课题研究过程中给予的无私帮 助。感谢课题合作单位马钢车轮公司的刘敏高级工程师、王志刚工程师、张志 平工程师等提供的各种资料和设备。 感谢我的同窗路广硕士、滕二硕士、康家乐硕士、张春伟硕士、吕游硕士 等人三年来在学习和生活上给予的支持和帮助，与他们的交流中，我得到不断 的进步和提高。感谢张艳硕士、邱优锋硕士、张烨硕士、路坦硕士、王向东硕 士、时晓蕾硕士、王月娥硕士等对我的帮助。 感谢我的室友雷明准硕士和仰荣德硕士，感谢他们三年在生活上给予的帮 助和激励! 感谢研究生0 6 级2 班一起生活和学习过的所有同学。 感谢我的父母、弟弟，感谢他们给予了我物质上的支持和精神上的鼓励， 使我能够最终完成学业。 李晓磊 2 0 0 9 年3 月l5 日 第一章绪论 1 1 引言 制造业在国民经济建设、社会进步、科技发展和国家安全中占有重要战略 地位，制造业的技术水平，是衡量国家竞争力的重要标志，是决定我国在经济 全球化进程中国际分工地位的关键因素。现代制造业呈现出以下特征：需求多 样化，产品升级换代周期越来越短，市场竞争日趋激烈、走向国际化等，因此 世界各发达国家都把先进制造技术列为国家中、长期发展的重大关键技术i l 。2 】。 所谓“先进制造技术”，是制造业不断吸收机械、电子、信息( 计算机与通信、 控制理论、人工智能等) 、能源及现代系统管理等方面的成果，并将其综合应 用于产品设计、制造、检测、管理、销售、使用、服务乃至回收的全过程，以 实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产，提高对动态多变的产品市场的适应 能力和竞争能力的制造技术的总称【3 j 。数控加工技术作为先进制造技术的一个 重要分支，它集传统的机械制造技术与计算机技术、现代控制、传感检测、信 息处理、网络通讯、液压气动等技术于一体，是机械制造业的共性和基础技术。 数控机床作为数控技术的典型产品，能适应不同零件的自动加工，生产效率高、 加工精度高、加工质量稳定，能高效优质的完成复杂型面零件的加工，在机械 制造业中得到日益广泛的应用。 1 2 数控技术及其发展 1 2 1 数控机床技术的发展 自第一台数控机床问世和2 0 世纪7 0 年代计算机数控( c n c ) 技术出现以来， 数控技术日趋成熟。随着科学技术的发展、制造技术的进步，产品质量和品种 多样化的要求日益提高，中小批量生产的比重明显增加，促使数控机床不断向 着高效率、高质量、高柔性和低成本的方向发展。从以下几个方面说明数控机 床技术当前的发展状况及其发展趋势1 4 书j ： 1 智能化 随着人工智能技术的发展，为了满足制造业生产柔性化、制造自动化的发 展需求，数控机床的智能化程度在不断提高，使用更加安全、舒适、可靠，人 性化考虑也多起来。例如，目前世界各大厂商生产的机床均具备防碰撞功能， m a z a k 在2 0 0 7 年的e m oh a n n o v e r 展会上推出了具有消振、防碰撞、温度补 偿、语音导航、全面监控主轴的智能主轴、能感知和分析处理不平衡量的智能 平衡分析器，以及智能的维护保养支持系统等7 项智能功能的机床。f a n u c 的工业机器人都配有视觉、触觉和力觉传感器，而且在内装式同步伺服电机中 配备了交互补偿功能，智能化程度较高。 数控系统作为数控机床的核心，其先进性和发展趋势首先集中体现在智能 化方面。采用智能技术来实现多信息融合下的重构优化的智能决策、过程适应 控制、误差补偿智能控制、故障自诊断控制和智能维护等功能，将大大提高成 形和加工精度、提高制造效率。阿亨大学的机床实验室正在研究自主式机床( t h e a u t o n o m o u sm a c h i n et 0 0 1 ) ，分成智能元部件、工艺过程和控制三个组在研究， 已经取得了不少进展。 2 开放化 2 0 世纪8 0 年代末、9 0 年代初出现了c n c 系统的开放式体系结构，其硬件、 软件和总线规范均是对外开放的。由于有充足的软、硬件资源可供利用，不仅 使数控系统制造商和用户的系统集成得到有力的支持，而且也为用户的二次开 发带来了极大的方便，促进了数控系统多档次、多品种的开发和广泛应用，因 而开放式数控系统具有高的性价比，更好的通用性、灵活性、可扩展性，可以 方便的进行集成和重构。现在世界上许多国家和地区出台众多战略发展计划， 如欧共体的o s a c a ( o p e ns y s t e ma r c h i t e c t u r ef o rc o n t r o lw i t h i na u t o m a t i o n s y s t e m ) ，日本的0 s e c ( o p e ns y s t e me n v i r o n m e n tf o rc o n t r o l l e ra r c h i t e c t u r e ) 、 美国的n g c ( n e x tg e n e r a t i o nc o n t r o l l e r ) 等计划，它们基本上代表了开放式数控 系统的发展现状。开放式数控系统已经成为数控技术发展的主要方向之一。 3 高速高精化 速度和精度是数控机床的两个重要指标，它直接关系到加工效率和产品质 量。高速数控机床广泛采用内装式电主轴电机，它将机床主轴部件做在电机转 子上，其结构紧凑、重量轻、惯性小、动态特性好，从而大大提高了主轴转速 和减少机械传动，主轴转速最高可达6 0 0 0 0 - - 1 0 0 0 0 0 r m i n ，加速度提高到2 9 。 由于高速插补技术的不断进步，c n c 系统的控制精度越来越高；位置检测装置 的不断改进，大大提高了位置控制的精度，通过进给伺服系统实现丝杠精度螺 距误差补偿外，热变形误差补偿、空间误差补偿技术的研究也取得了显著的效 果，综合误差补偿技术的应用将加工误差减少6 0 左右。目前，精密级数控机 床的加工精度已经从3 5l am 提高到1 1 5l am ，超精密级机床的加工精度已 开始进入微纳米级( 0 0 1um ) 。 4 复合化和柔性化 复合机床已经成为数控机床发展的重要发展方向。采用复合机床进行加工， 减少了装卸工件、更换和调整刀具的辅助时间以及中间过程产生的误差，提高 了零件加工精度，缩短了产品制造周期，提高了生产效率。复合机床的发展使 一台机床的功能更强大，工序集成度高，用1 台机床，最多2 3 台机床，就可 以完成一个工件的全部加工。因此过去需要多台不同数控机床组成的柔性生产 线，现在只要1 台机床，最多2 3 台数控机床就行了，生产线大大缩短。工件 的上、下和机床间的运送都用机器入完成，基本实现了无人化生产。 2 1 2 2 数控编程技术的发展【4 ，9 。 数控编程是指将零件的加工工艺顺序、运动轨迹与方向、位移量、工艺参 数( 主轴转速、进给量、切深) 以及辅助动作( 换刀、变速、冷却液开停等) ，按动 作顺序，用数控机床的数控系统所规定的代码和程序格式，编制成加工程序单 的过程。将数控程序输入到数控机床的数控装置中，从而控制机床加工零件。 数控编程技术是数控技术应用的关键环节之一，是c a d c a p p c a m 系统中最 能发挥效益的环节之一，它在实现加工自动化、提高加工精度和加工质量、缩 短产品开发周期等方面发挥着重要的作用。 数控机床刚投入使用时，由于受当时的软硬件条件的限制，采用人工编程 方法，即按照机床的程序格式，逐行写出刀具每一运动行程。对于点位加工和 几何形状不太复杂的零件，数据计算相对简单，程序段不多，手工编程能够胜 任。但对于复杂轮廓形状的零件，特别是空间复杂曲面零件，以及几何形状虽 不复杂，但程序量很大的零件，编程过程相当繁琐，工作量大，而且易出错， 校对困难，手工编程难以胜任。 为了解决数控加工中的程序编制问题，2 0 世纪5 0 年代m i t 设计了一种专 门用于机械零件数控编程的语言，称为a p t ( a u t o m a t i c a l l yp r o g r a m m e dt 0 0 1 ) 。 采用a p t 语言编制数控程序具有程序简练、走刀控制灵活等优点，使数控编程 从面向机床指令的“汇编语言级上升到面向几何元素的高级语言。但a p t 仍 有许多不便之处：采用语言定义零件几何形状、难以描述复杂的几何形状，缺 乏几何直观性；缺少对零件形状、刀具运动轨迹的直观显示和刀具轨迹的验证 手段：难以和c a d 数据库有效联接；不容易做到高度的自动化和集成化。 针对a p t 语言的缺点，1 9 7 8 年，法国d a s s a u l t 飞机公司开发了集三维设 计、分析、n c 加工一体化的系统c a t i a ，随后很快出现了e u c l i d 、u n i g r a p h i c s 、 p r o e n g i n e e r 、m a s t e r c a m 等系统，这些系统都有效地解决了几何造型、零件 几何形状的显示，工艺交互设计、修改和刀具轨迹生成，走刀过程的仿真显示、 验证等问题，推动了c a d c a m 向一体化方向发展。 数控编程技术发展很快，发展趋势如下： ( 1 ) 发展c n c 控制和编程一体化系统，实行前台加工和后台运算编程的并 行工作模式，或者称为在线编程。在数控系统的键盘上输入编程指令并进行会 话式操作，不输出中间结果，直接形成数控加工程序。 ( 2 ) 在微机平台上发展模块化的多功能编程系统，不仅具有词汇式语言输 入、图形式输入、还有人机对话式输入。不仅可以处理几何信息，还可以处理 工艺信息，数控装置内设有与该机床加工工艺相关的小型工艺数据库或专家系 统，可以自动选择最佳的工艺参数。 ( 3 ) 数字化编程和语言编程技术的发展使编程手段增加。对无尺寸的图形 或实物模型，用坐标测量机获得几何数据，经过处理后形成数控加工指令或形 成加工程序，这就是数字化编程技术。随着语言识别技术的发展和应用，出现 了语音编程技术，编程人员只需通过话筒将规定的语音指令输入到编程计算机， 经过处理后便可获得所需的数控加工程序。 1 3 数控加工仿真技术及其发展 1 3 1 概述 随着c a d c a m 技术的发展和数控机床性能、零件复杂度的不断提高，n c 程序变得越来越长和复杂，数控编程的难度日益增大，n c 代码的故障率也日 益增高。由于n c 程序的质量直接影响着零件的加工质量和加工成本，因此在 n c 程序输入机床正式加工之前要进行正确性检验。 对n c 代码的传统检验方法有两种：一种是试切法，即用泡沫塑料、蜡模、 铝模等材料代替真实材料在数控机床上加工，根据试切结果来修改轨迹直至达 到满意为止。这种方法要占用数控机床和加工现场，费工费料，代价昂贵，使 生产成本增加。另一种是轨迹显示法，即以划针或笔代替刀具，以着色板或纸 代替工件来仿真刀具运动轨迹。这种方法由于其运动形式只限于二维平面，具 有很大的局限性。对于现代产品而言，要求加工效率和加工质量高、生产成本 低、产品更新换代快，这使传统的n c 代码检验方法越来越不能适应现代数控 加工的要求，迫切需要新的手段来进行n c 代码的校验。 数控加工仿真技术是随着计算机技术、c a d c a m 技术、计算机图形学和 系统仿真学等学科的发展而发展起来的，是各门学科综合在数控加工领域的具 体应用。利用计算机仿真对n c 程序进行图形仿真、检查刀具路径、动态模拟 数控加工的全过程，以此检验加工方法和程序的正确性，可以节约大量的财力 和时间，提高生产效率，从而获得较好的经济效益。计算机仿真正在数控加工 方面发挥着越来越重要的作用。 目前，数控加工仿真包括几何仿真和物理仿真两个方面。几何仿真不考虑 切削参数、切削力及其他因素对切削加工的影响，只是对数控程序进行翻译， 产生刀具运动位置数据，并以此数据驱动机床运动部件和刀架运动，检查切削 过程中是否存在碰撞、干涉。物理仿真是将整个工艺系统视为弹塑性实体，对 被控对象的一个或多个物理特性及其变化特征进行模拟，其内容主要包括预测 切削力，研究切削参数对零件加工过程的影响，预测工艺系统热变形对零件加 工精度的影响，预测刀具切削性能等。 1 3 2 数控加工仿真国内外研究现状 国内外对数控加工几何仿真进行了深入的研究。国外已经研制出几种有使 用价值的仿真软件或仿真模块，当前众多的c a d c a m 软件如p r o e ，u g 、 c a t i a 、m a s t e r c a m 等，均集成了数控加工仿真功能。数控加工仿真专用软件 首推美国c g t e c h 公司的v e r i c u t 系统。v e t i c u t 采用先进的三维显示及 虚拟现实技术，对数控加工过程的模拟达到了极其逼真的程度。不仅能用彩色 的三维图像显示刀具切削毛坯形成零件的全过程，而且能图形模拟机床的运行 过程和虚拟的工厂环境：在刀具运动过程中进行过切和干涉检查，一旦出现过 切或干涉会用醒目的颜色表示出来，其效果如同是在屏幕上观看数控机床加工 零件时的录像【l2 | 。国内对数控加工几何仿真也开展了诸多研究工作，并取得了 显著的成果。如清华大学开发了通用数控加工仿真系统g m p s ，可以全面、逼 真地反映现实的加工环境和加工过程，对加工中出现的碰撞、干涉提供报警信 息，并能对产品的加工精度进行评估和预测。华中理工大学开发的n c p v s s 系 统，具有数控铣削加工仿真功能，通过生成刀具轨迹，由三维动画显示数控加 工过程。合肥工业大学研制的双刀架数控车床加工过程模拟软件已经在马钢车 轮公司应用，大大缩短了程序现场调试时间并保证一次试切成功。南京航空航 天大学开发的超人2 0 0 0 c a d c a m 系统中也集成了数控加工仿真模块【1 3 。1 引。国 内对数控加工仿真的研究基本上处于跟踪、消化阶段，所开发的仿真系统无论 是仿真效果还是应用范围均有较大差距。 目前国内外在几何仿真的研究方面主要集中在几何仿真方法上，基本形成 了基于实体的仿真和离散仿真两种。基于实体的仿真是一种精确的仿真方法， 用解析法表示实体，提供三维形体完整的几何信息和拓扑信息。基于实体的造 型方法支持正则布尔运算，因此仿真过程中刀具每切削一次，从工件上减去一 次刀具扫描体，把这些过程集成起来，就形成了动态加工仿真。这种方法能够 准确地描述加工过程，但是当零件比较复杂、程序量很大时，其计算量大、相 当耗时，难以满足实时仿真的需要【ll ，1 5 】。离散仿真法利用扩展的z 缓存数据结 构来完成实时数控加工仿真，其基本思想是将工件像素化，在仿真过程中先找 到刀具运动时的像素点，然后对像素点做布尔运算。这种方法简单、效率高， 是目前研究的热点l l 6 。1 8 j 。 数控加工物理仿真直接影响切削加工的经济性，因此日益受到有关研究人 员的关注。19 9 5 年，美国的伊利诺伊大学、西北大学、普渡大学等8 所大学在 美国国家自然科学基金的资助下开展了物理仿真的研究，主要研究虚拟机床中 车、铣、钻等加工中误差的建模问题和切削力、已加工表面质量、刀具切削性 能、切屑形成、工艺系统的热变形对加工精度影响以及切削振动等物理仿真问 题。国内对数控加工物理仿真也给予了足够的重视，东北大学研究开发了虚拟 数控车削物理仿真系统，构造了车削仿真中的切削力模型、工件粗糙度模型、 工件的微观硬度模型，可以对切削力作出初步预测1 1 引。哈尔滨工业大学对物理 仿真中的加工质量分析与预测进行了研究【20 。2 1 】。南京航天航天大学研究了铣削 力模型、刀具磨损模型、基于仿真的参数优化等物理仿真技术【z2 1 。总的来说， 物理仿真的研究尚处于起步阶段，目前大多从某一方面对其物理性质进行研究， 与生产应用还有一定距离。 1 3 3 目前存在问题与研究展望 现阶段几何仿真的研究主要集中在提高仿真速度和效果上。而物理仿真由 于几乎涉及工艺系统的每一个环节，要完整描述切削加工中整个工艺系统的物 理性质是非常困难的。目前的研究成果中，大多有大量的假设条件，目的是减 低模型的复杂性，但同时削弱了仿真模型与实际的符合程度。因此在建模时如 何处理这些参数和干扰因素，使实际加工过程模型一方面j f 确反映切削实际， 另一方面又能方便分析各种参数和干扰因素对切削过程的影响是物理仿真的关 键。目前很多研究将几何仿真和物理仿真完全分离，在切削过程力学仿真中， 由于无法获得各时刻精确的加工状态，很难获得准确的切削动态力，因此如何 将几何仿真与物理仿真有机结合起来进行关系到物理仿真的成败。另外，工艺 参数的优化需要建立各种数据库，例如材料性能库、机床库、刀具库、粗糙度 和加工精度库等。这些数据库可以为用户选择设备、刀具、切削参数等提供参 考，但是建立数据库需要高校、企业和科研单位密切合作，难度非常大。但物 理仿真是未来数控加工仿真的主要发展方向。 另一方面，网络技术的发展为实现异地协同设计与网络化制造奠定了基础， 同时也对制造过程仿真提出了更高的要求，因此基于网络的加工仿真技术已经 成为数控加工仿真的重要发展方向 2 3 - 2 5 。 市场竞争的日益激烈，对产品的质量、成本、交货期等都提出了更高的要 求，切削加工不断向高精度、高效率、自动化方向发展，切削加工仿真的重要 性日益加强。随着对切削加工机理研究的不断深入和仿真技术的不断发展，数 控加工仿真将在缩短产品开发周期、提高产品质量、降低生产成本方面发挥越 来越重要的作用。 1 4 本论文课题来源、意义和研究内容 1 4 1 课题来源 本课题来源于马钢车轮公司委托合肥工业大学开发的“采用c a d c a m 技 术，开发车轮加工自动编程系统 项目。 1 4 2 研究意义 双刀架数控车床采用两把刀具同时对零件进行加工，可以缩短工时，显著 提高生产效率，在大型回转体零件加工中广泛使用。左右刀架的加工程序以子 程序形式各自独立，但相互之间有匹配和协调，其程序复杂，编制容易出错， 程序校验困难，调试周期长。 目前的数控加工仿真软件中，很少有双刀车削仿真功能，而且随着数控系 6 统功能的不断增强和数控编程技术的发展，编程方法越来越灵活，数控程序具 有很多高级语言的特点，数控程序的结构也变得越来越复杂，这使得双刀车削 数控代码的校验变得困难。数控代码校验系统，即在n c 代码投入加工之前， 通过计算机仿真的方式对数控代码进行校验，可以快速、安全、有效地检查程 序中的显式和隐式错误，包括加工过程中是否存在刀具干涉或者产生过切，左 右刀架匹配是否合理等，并根据仿真结果对数控程序进行修改完善，从而避免 反复的试切过程，缩短程序的校验时间，这对降低材料能源消耗和生产成本， 提高生产效率和产品质量都有非常重要的意义。 1 4 3 本文的主要研究内容 本论文的主要研究内容如下： ( 1 ) 综述数控机床技术和数控编程技术及其发展，研究数控加工仿真的国 内外研究现状、分析现阶段存在的问题并指出其发展趋势；论述本论文的研究 内容及意义，指出双刀车削数控代码校验系统的结构功能，并分析实现该系统 的关键技术。 ( 2 ) 根据双刀车削加工的特点，分析其数控程序的结构特点，进行文法分 析，最后结合编译原理介绍数控代码翻译器的实现原理。 ( 3 ) 以西门子8 4 0 d 系统为研究对象，重点介绍双刀车削数控代码编译器各 个模块的实现方法，包括词法分析、语法分析、语义分析、错误处理以及代码 翻译过程中的数据处理等，最后给出译码输出数据的存储结构。 ( 4 ) 研究c 刀补时程序段之间的转接问题和刀具中心轨迹的计算方法，讨 论加工过程中常见的过切形式及其判别原理。 ( 5 ) 模拟数控机床插补功能，图形模拟刀具运动过程，重点研究动画的实 现技术和如何改善动画效果。 1 5 双刀车削数控代码可视化校验系统关键技术分析 1 5 1 双刀车削数控代码可视化校验系统【2 n 2 。7 1 双刀车削数控代码可视化校验系统主要包括几何造型模块、程序读取模 块、代码翻译模块、轨迹模拟模块和加工分析模块，其结构如图1 1 所示。 几何造型模块几何造型模块的主要功能是完成零件、毛坯、刀具、 夹具图形的绘制，由a u t o c a d 本身的几何造型功能来实现，并建立刀具图形 库和夹具图形库，在轨迹模拟时直接调入系统中。 程序读取模块程序读取模块的主要功能是分别读取左、右刀架数控 代码，检查n c 代码与刀架是否对应，并按照一定的格式存放到计算机内存 中。 代码翻译模块仿真系统的输入信息是n c 代码，因此需要将数控代码 翻译成校验系统可识别的形式，译码过程中校验n c 代码程序格式，并将数控 代码转换成格式化的刀位数据c l d a t a 。 轨迹模拟模块轨迹模拟模块读取刀具信息和零点信息，用刀位数据 c l d a t a 驱动刀具块在屏幕上运动，产生切削加工的动画效果，并留下刀具 中心轨迹和刀触点轨迹，检验是否存在刀具干涉或者产生过切，最后生成仿真 结果报告。 图1 1 双刀车削数控代码校验系统结构图 加工分析模块加工分析模块对代码翻译模块产生的刀位数据 c l d a t a 中的信息进行统计分析，计算刀具切肖4 时间，等待时间、换刀时间 以及空程时间，生成左右刀架加工时序图。 1 5 2 关键技术分析 ( 1 ) 数控代码编译方法的特点是执行效率高、运行速度快，可以有效的检查 出程序中存在的错误，但实现方法比较复杂。双刀车削数控代码的特点是：以 工步为基本单位，程序内部有子程序调用、工步之间相互跳转；一个工步的程 序段之间有跳转、循环等结构，具有计算机高级编程语言的特性；一个程序段 中存在r 参数和表达式计算等，而且左右刀架的程序之间存在信息协调。因此， 数控代码翻译器应能有效地检查出程序中存在的语法和词法错误，从而对为数 控代码的修改提供参考信息。 数控代码编译器的输入是n c 代码，输出的是刀具运动位置数据，此数据 是进行轨迹模拟的依据，因此编译模块应该能够对数控代码进行正确有效的语 义分析，进行数据计算，为刀具运动提供有效的数据。 ( 2 ) 随着数控技术的不断进步，现在的数控机床的智能化程度越来越高， 很多数控机床都具备了防碰撞功能，在避免过切方面也有了很大改进，如果发 现程序中存在过切，机床会给出提示信息，并自动调整刀具运动轨迹避免过切 的发生。轨迹模拟时要利用c 刀补的方法处理程序程序段之间的转接问题，每 次读取三段轨迹信息，判断程序段间的转接类型，并调用相应的刀具轨迹计算 函数，如果非加工侧夹角小于9 0 。，则刀具中心轨迹需要插入三段直线。在某 些情况下，由于工艺规划不合理导致数控程序中存在某些无法加工的区域，刀 具轨迹也要根据机床设置变量进行计算。 ( 3 ) 轨迹模拟在a u t o c a d 2 0 0 4 平台上进行，用刀具中心轨迹数据驱动刀具 块以动画的形式进行。双刀车削数控代码中信息量大，刀具中心轨迹数据计算 复杂，同时模拟的过程中要求可以调整视口的大小，以方便对零件局部加工过 程进行观察，这就要求轨迹模拟时刀具运动无跳动，少闪烁，速度可调，以获 得良好的动画效果。 1 6 小结 本章综述了数控机床技术和数控编程技术的发展，介绍了数控加工仿真技 术的研究内容，分析了数控加工仿真的研究现状，指出目前存在的问题及其发 展趋势。介绍了本论文的课题来源、意义以及主要研究内容，指出双刀车削数 控代码可视化校验系统的结构功能，并分析了实现该系统的关键技术。 第二章双刀车削数控代码及其编译原理 2 1 数控程序的代码 2 1 1 数控代码格式 在数控程序中，用各种准备功能g 指令和辅助功能m 指令来描述工艺过 程的各种操作和运动特征。g 指令和m 指令是程序的基础。由于很多资料对数 控代码都有详细的描述，这里只作简单介绍。 ( 1 ) 准备功能g 指令准备功能g 指令用来规定刀具和工件的相对运动轨 迹( 即规定插补功能) 、机床坐标系、坐标平面、刀具补偿、坐标偏置等多种加 工操作。g 代码由地址g 加数字组成。g 代码分为模态代码和非模态代码，模 态代码表示一经被应用，直到出现同组的其他任一g 代码时才失效，否则继续 有效，而且可以省略不写；非模态代码只在本程序段有效，下一程序段必须重 写。需要指出的是同一程序段中出现非同组的几个模态代码时，并不影响g 代 码的续效。 ( 2 ) 辅助功能m 指令辅助功能指令用于控制机床开关功能，如主轴的开、 停，冷却液的开、关，运动部件的加紧与松开等辅助动作。常用的包括：m o o 表示程序停止，m 0 l 表示计划( 任选) 停止，m 0 2 表示程序结束，m 0 7m 0 8 冷却 液开，m 0 9 冷却液停，m 3 0 程序结束。 ( 3 ) f 、s 、t 指令f 指令为进给速度指令，也是续效代码，后跟数字表示 进给速度的大小。s 是主轴转速指令，也是续效指令，用来指定主轴的转速。t 表示刀具号指令，在自动换刀的数控机床中，该指令用以选择所需的刀具，指 令以t 为首，其后跟两位数字，代表刀具的编号。 这里需要指出的是，尽管i s o 已经制定了数控程序代码的国际标准i s o 1 0 5 6 1 9 7 5 e ，我国也根据i s o 标准制定了j b 3 2 0 8 8 3 数控机床穿孔带程序段 格式中的准备功能g 和辅助功能m 的代码标准，但几乎每个数控机床厂家 都有自己的一套数控代码系统，与国际标准有或多或少的差异，甚至有矛盾的 地方。例如国际标准g 指令后跟数字为0 - - - 9 9 ，而西门子8 4 0 d 系统的g 指令 后跟的数字可以为o 9 9 9 ，而且支持符号语言，允许使用变量以及很多代数 和三角函数运算。 2 1 2 数控程序的结构和格式 1 程序的组成 一个完整的数控加工程序，由若干程序段组成；一个程序段由若干个代码 字组成；每个代码字则由字地址符和数字( 有些数字还带有符号) 组成。字母、 数字、符号称为字符。例如： nt r 9 2 0 aslm p f ：程序名 i o n 1 0 0i fnk a n a l l n 1 5 0e n d i f n 1 6 0i fnl a d e r = = 2 n 3 0 0e n d i f n 31 0m 3 3m 1o n 32 0p a r a m e t e r n 3 3 0m 9 3 n 3 4 0w a i t m ( 1 ，l ，2 ) n 3 5 0g 5 8z = 0x = 0 n 3 6 0g 5 9z = 0x = o n 5 5 0t r 。9 2 0 ac 1s l n 5 6 0s t o p r e n 6 3 0t r 9 2 0 ac 2s l n 6 4 0s t o p r e n 6 5 0s e r p i e c e ( 1 ) n 8 6 0m 1l ；通道设置检查 ；3 2 件类型检查 ；卡盘监控，切屑输送带起动 ；装载“参数说明子程序” ；主轴位置和切削位嚣生效 ；等待 ；撤消可编程原点 ；调用子程序t r 9 2 0 a c 1 一s 1 ；调用子程序t r 9 2 0 a c 2 一s 1 ；设置刀具寿命 ；切屑输送带停 ；加工结束，若无下一个工件，调用“一n n g r s t - 1 一m p f ” n 8 7 0c a l l “nw k sd i r nng r s ts p d nng r s t1m p f ” n 8 8 0m 6 6 n 8 9 0m 6 2 n 9 0 0w a i t m ( 6 0 ，1 ，2 ) n 9 1 0m 3 0 ；主轴停 j t r 9 2 0 a c 1 一s 1 一s p f ；子程序t r 9 2 0 a c 1 一s 1 n 2 0 0 0i fm gw h e e l c o d e t r 9 2 0 a；确认零件编码 n 2 0 5 0e n d i f n 9 9c u ts t a r t ： n 1c u th 2 ： n 1 0 0c a s e m g c h l 一r i g h t o flg o t o fn 1 2 01 0 1g o t o fn i1 09 0 1g o t o fn 18 0 r 5 3 0 = 0 0 0 0 r 5 6 2r 5 31 = 1 0 0 0 r 5 6 2 g 1g 4 1g 9 5x = 5 0 1 4 8 + r 5 3 0z = 1 3 4 9 9 9 + r 5 31f = im = r 5 3 6 g 1x = 4 7 0 5 2 + r 5 3 0z = 1 3 4 9 9 9 + r 5 3 1 n 9 0 0 0c u t e n d ： n 9 0 9 0m 1 7；子程序结束，返回主程序 2 程序段格式 所谓程序段格式，即一个程序段中代码字的组成、书写方式和排列顺序。 不同的数控系统往往有不同的程序段格式，格式不符合规定，数控系统便不能 接受，在机床运行时会报警出错。 程序段格式分为固定格式和自由格式，固定格式要求所有字的地址用分隔 符“h t 表示，但各字的顺序固定，不可打乱，不需要或与上一程序段相同的 续效字可以省略，但必须补上分隔符。自由格式，如前面例子所示，程序段中 的每个字都以地址符开始，其后再跟符号和数字，代码字的排列顺序没有严格 的要求，不需要的代码字以及与上段相同的续效字可以不