（机械电子工程专业论文）虚拟数控铣削加工系统研究与实现.pdf

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明，本程序具有图形显示质量高、仿真效果真实和人机交互界面简洁等显著优点，不 仅会给数控加工的教学培训带来方便，也将可以运用于生产实践，具有很好的应用前 景。 关键词：虚拟现实 代码翻译 o p e n g l 仿真 数控铣削数控指令 作者：吕立立 指导教师：倪俊芳 a b s t r a c t r e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no fv i r t u a lc h i cm i l l i n gs y s t e m a b s t r a c t v i r t u a lm a c h i n i n g t e c h n o l o g y i sat e c h n o l o g yw h i c hc a ni m p l e m e n tt h ec u t t i n g p r o c e s s e so nt h ec o m p u t e r v m u a lr e a l i t yu s e d t oa c h i e v et h ed y n a m i cs i m u l a t i o no f c u t t i n gp r o c e s s e s v i r t u a lm a c h i n i n gt e c h n o l o g yh a sb e e nr a p i dd e v e l o p m e n ta s c n c m a c h i n et o o l sa r ew i d e l yu s e di ni n a n u f a c t u d n g t h ec n cv e r t i c a lm i l l i n gm a c h i n ex k 5 0 3 2i st h es i m u l a t i o no b j e c ti nt h i sp a p e r t h e f u n c t i o nm o d e la n dp o p u l a t i o ns t r u c t u r eo ft h i sv i r t u a lm i l l i n gs y s t e ma r ea n a l y z e d t h e m e t h o d so fc n cm i l l i n gs i m u l a t i o ni n2 da n d3 da r ed i s c u s s e d ap r i m a r yv i r t u a lc n c m i l l i n gs y s t e m h a sb e e nd e v e l o p e do nt h ep l a t f o r mo fw i n d o w s 2 0 0 0 x pa n dv c + + 6 0 t h i sp r o j e c th a sb e e na c c o m p l i s h e da sf o l l o w s ： 1 t h es t r u c t u r ea n df u n c t i o no fv i r t u a lc n cm i l l i n gs y s t e mi sa n a l y z e da n dd e s i g n e db y u s i n gm o d e r ns o f t w a r ee n g i n e e r i n g ，s u c c i n c ta n df r i e n d l ys y s t e mi n t e r f a c ei sd e v e l o p e d 2 e s t a b l i s hb a s i cm o d e lo fw o r k p i e c e 、t o n g sa n dt 0 0 1 t h es i z ea n ds h a p eo ft h em o d e l c a nb ec h a n g e db yt h es e t t i n g 3 c n cc o d es t r u c t u r ei sa n a l y z e da n da l lk i n d so fe l r o r si np r o g r a m m i n gc a nb e c h e c k e db yu s i n gl e x i c a la n a l y s i s ，s y n t a xa n a l y s i sa n ds e m a n t i ca n a l y s i s 4 t h es i m u l a t i o nm o d u l ew h i c hu s e dm u l t i t h r e a d i n gt e c h n o l o g yi sd e v e l o p e d b yu s i n g t h ec o d ed r i v i n gm e t h o d ，t h ep r o c e s s e so fc n cm i l l i n gc a l lb es i m u l a t e d 4 t h eo u t p u to ft h es i m u l a t i o na n i m a t i o n t h e2 dp r o c e s si si m p l e m e n t e di nt h e m e t h o d so fx o ra n dd r a w e r a s e t h e3 ds i m u l a t i o ni sb a s e do no p e n g la n d i m p l e m e n t e db yd o u b l eb u f f e rt e c h n o l o g y t h i sn cm a c h i n i n gs i m u l a t i o nr e s e a r c hi su s e di nav i r t u a lc n cm i l l i n gs y s t e m w i t h i t ss u c c e s s f u ls i m u l a t i o n ，i n t e r f a c ea n dc o m m u n i c a t i o nf u n c t i o n s ，t h i ss y s t e mw i l lb r i n g g r e a tc o n v e n i e n c e n o to n l yi nc n c t e a c h i n gb u ta l s oi np r a c t i c eu s e k e y w o r d s ：v i r t u a lr e a l i t yc o d et r a n s l a t i o n o p e n g l s i m u l a t i o n c n c c u t t i n g c n ci n s t r u c t i o nc o d e w r i t t e nb yl vl i l i s u p e r v i s e db yn ij u n f a n g 目录 第一章绪论1 1 1 数控加工仿真技术概述1 1 2 虚拟数控技术国内外研究现状及发展趋势3 1 3 本课题的研究内容及研究意义7 第二章数控加工仿真系统总体框架9 2 1 虚拟数控加工仿真系统功能分析9 2 1 1 使用方面的基本要求9 2 1 2 能够实现的基本功能“9 2 2 数控加工仿真系统总体设计”1 0 2 3 数控铣床仿真系统界面设计1 1 2 4 数控铣床仿真系统各功能模块“1 2 2 4 1 几何建模模块1 2 2 4 2n c 代码处理模块1 2 2 4 3 刀具应用模块1 3 2 4 4 加工仿真模块1 3 2 5 开发方案分析1 3 2 5 1 开发平台的比较1 4 2 ，5 2 开发方案的选用1 4 2 5 3 在m f c 模式下o p e n g l 编程关键技术1 5 2 6 本章小结1 6 第三章数控代码分析1 7 3 1 数控语言结构及其特点“1 7 3 1 i 数控程序程序段格式”1 7 3 1 2 数控代码功能字18 3 2 数控程序翻译器的设计一1 9 3 2 1 词法分析2 0 3 2 2 语法分析2 1 3 2 3 语义分析2 6 3 。2 4 执行翻译2 7 3 3 实验验证2 9 3 4 本章小结3 l 第四章几何建模及仿真3 2 4 1 系统的几何建模3 2 4 1 1 常用的几何建模方法3 2 4 1 。2 系统几何模型的建立3 4 4 2 插补算法3 5 4 2 1 逐点比较直线插补3 5 4 2 2 逐点比较圆弧插补3 7 4 3 二维仿真3 9 4 3 1m f c 图形编程方法3 9 4 3 2 二维动画仿真方法4 1 4 4 三维仿真4 4 4 4 1 建模方法4 4 4 4 2 双缓存动画技术4 8 4 4 3 三维仿真算法4 9 4 5 加工实例及效果分析。5 0 4 6 本章小结5 3 第5 章总结与展望5 4 5 1 全文总结5 4 5 2 展望5 5 参考文献5 6 攻读硕士学位期间本人发表的论文6 0 致 射6 1 虚拟数控铣削加工系统研究与实现第一章绪论 第一章绪论 1 1 数控加工仿真技术概述 1 1 1 虚拟制造及虚拟制造技术 虚拟制造是采用计算机仿真技术与虚拟现实技术，在当前高性能计算机及高速网 络的支持下，实现实际制造过程在计算机上的映射。在计算机上群组协同工作的前提 下，实现了产品设计、工艺规划、加- r n 造、性能分析、品质检验，以及企业各级过 程的管理与控制等产品制造的本质过程，以增强制造过程中各级的决策与控制能力， 以实现产品制造全过程的优化【l 】。 可以看出，“虚拟制造”与实际制造相比有以下两个主要特点 2 1 ： 1 产品和制造环境均是虚拟模型，因此可以在计算机上对虚拟模型进行产品设 计、制造、测试。在这个虚拟模型中，设计人员和用户可检验产品的设计、加工和装 配等操作，而不需要依赖于传统的原型样机反复修改：同时还可以将以前开发的产品 或部件的相关具体信息存放在计算机里，不但能够根据市场变化或用户需求快速改变 设计，快速投入生产，从而大大减少了新产品的开发时间，提高产品质量，降低成本， 更能够大大节省仓储及物流等的费用。 2 不同的工作人员可以同时在一个产品模型上工作，信息共享，相互交流，减 少大量的文档生成及传递的时间和错误，使产品的开发提供了快捷、高品质、低能耗 的响应市场。 虚拟制造技术通过利用计算机虚拟仿真技术，从根本上改变了对制造资源的依赖 性，同时允许修改和快速重置虚拟模型，利用虚拟环境技术提供了一个包括环境、信 息、合作机制、通信及知识等三维可视化及交互式的操作环境。根据机械工业发达国 家提供的经验，发展先进制造技术，必须发展数控技术，随着制造业与数控技术结合 的日益紧密，机械制造设备的数控化率己成为衡量一个国家制造技术水平的一个重要 标志。 我国虚拟制造技术的研究刚刚起步，基于我国国情，多数是在仿真技术的基础上 进行的，进行产品的三维虚拟设计、加工过程仿真和产品装配仿真，系统的、全面的 虚拟制造技术的研究缺乏实用性的成果，目前仍停留在国外理论的消化与国内环境的 结合上。 第章绪论虚拟数控铣削加工系统研究与实现 1 1 2 数控技术及虚拟数控技术 数控加工仿真是真实数控加工过程在虚拟制造中的数学模型，它是虚拟制造的重 要组成部分。数控技术是指用数字信号对一台或一台以上的机械设备的运行及其加工 过程进行控制的一门自动化技术，简称n c ( n u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) 。数控技术的问世已 有多年的历史，它是由多门基础学科发展起来的一门综合性的新兴学科。数控技术集 传统的机械制造技术、计算机技术与现代控制技术、传感检测技术、信息处理技术、 网络通信技术、液压气动技术、光电技术于一体，是现代先进制造技术的基础和核心。 数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象 征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，对国计民生的一些重要行业， 如：n 、汽车、轻工、医疗等的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需设备 的数字化发展已是现代发展的大趋势。 虚拟数控技术是指数控机床在虚拟环境中的映射，它集制造技术、机床数控理论、 计算机辅助设计( c a d ) 、计算机辅助制造( c a m ) 和计算机建模与仿真技术于一体，人 能够直接感知到计算机产生的三维仿真模型以及虚拟环境，在新方案设计或原有方案 更改时，在真实的数控机床制造活动之前，能够在虚拟环境中进行零件的数控加工， 另外能够检验数控程序的格式及语法错误，检查数控加工过程中有可能出现的碰撞、 干涉危险，分析零件的可加工性和工序的合理性。 虚拟数控技术按仿真对象考察方式的不同一般可分为两种方式：纯几何仿真 ( p u r e l yg e o m e t r i cs i m u l a t i o n ) 和物理仿真( p h y s i c a ls i m u l a t i o n ) 。 纯几何仿真，不考虑切削参数、切削力及其它物理因素的影响，只仿真刀具 工件几何体的运动，以验证n c 程序的正确性，几何仿真根据检验目的的不同分为两 种【3 1 ： ( 1 ) 刀具中心的运动轨迹仿真 这种仿真可在后置处理前进行，主要用于检查工艺过程中加工顺序的合理安排、 刀具形成路径的优化、刀具与被加工工件轮廓的干涉，例如铣削时，刀具半径应小于 被切轮廓的最大曲率半径等。若在后置处理后进行，则除了上述作用外，还可以检查 数控编程的正确性，模拟加工过程，使操作者方便地了解和监视, n - r 状况，这在有冷 却系统的封闭, n - r 过程中是十分必要的。这种仿真一般采用三维动画显示的方法，该 方法比较成熟有效，应用普遍。 ( 2 ) 刀具、夹具、机床、工件间的运动干涉( 碰撞) 仿真 2 虚拟数控铣削加工系统研究与实现第一章绪论 工艺系统由刀具、机床、工件和夹具组成。在加工中心上加工，有换刀和转位等 运动，因此在加工时，应检查它们之间的干涉( 碰撞) 。由于加工是个动态过程，刀具 与工件、夹具、机床之间的相对位置是变化的。工件从毛坯开始经过若干工序的加工， 在形状和尺寸上均有变化，因此要进行动态仿真。这种仿真多采用三维实体几何模型 仿真，并且要在各工艺系统各组成部分均已确定的情况下进行，难度较大。 几何仿真中刀具运动的驱动数据一般也可分为：c l ( c u t t e rl o c a t i o n ) 数据即刀位 点数据和n c 代码驱动两种。基于c l 数据的仿真只仿真刀具的运动，不考虑切削参 数、切削力等加工条件，主要是为了检验刀位轨迹的正确性，保证零件的加工质量。 基于n c 数据驱动的仿真量大，难度也大于前者。 1 2 虚拟数控技术国内外研究现状及发展趋势 1 2 1 虚拟数控技术的国内外研究现状 建模是仿真过程中的关键技术，国内外众多学者对此展开了研究。在过去的二十 多年，众多科研机构的研究人员提出了很多数控加工仿真的建模方法，可以将这些方 法分为三大类：基于离散模型的仿真方法、基于实体建模的仿真方法和二者混合的仿 真方法( 混合法) 。 s q l i u 提出了一种应用在三轴铣削加工仿真中的自适应规则三角面片优化方 法，该方法对图形的快速渲染进行了优化，且能够检查出工件是否发生过切、欠切等 现象，能够对模型进行误差评估，在铣削的过程中，可以对工件进行平移、旋转、放 大缩小及测量等操作【4 】。s t e p h e nm a n n 提出了一种用于五轴数控加工仿真中刀具运动 的判断方法，该方法能够准确计算出刀具的运动方向【5 】。k l a u sw e i n e r t 提出了一种基 于n c 路径优化的仿真算法，该算法能够提高五轴数控铣削加工的仿真精度，并给出 了一种用于刀具扫描体建模的新方法，该方法在包络理论的基础上用n u r b s 曲面表 达刀具扫描体，实验表明，该方法的运算结果可以同时应用于基于布尔运算和离散方 法的材料移除仿真【6 】。s a n g k y ul e e 开发了一种采用改进的z - m a p 算法的铣削仿真系 统，可用于验证和分析n c 程序，这种改进的z - m a p 算法最大的特点是它在不改变传 统z - m a p 模型数据结构的前提下改善了运算的精度和可靠性，在材料移除仿真的过 程中，该方法的运算速度是传统z - m a p 算法的2 3 倍【7 】。b k f u s s e l h 用基于扩展的 z b u f f e r 模型表示了工件模型，并将铣削刀具沿轴向离散，在仿真的过程中将刀具包 络体和工件模型进行求交运算，该方法在图形表达和运算速度上取得了很好的效果 3 第一章绪论 虚拟数控铣削加工系统研究与实现 【8 】。赵红显所开发的系统中分别采用了构造实体法和离散矢量模型法建立了虚拟机床 和工件，这种做法充分结合了构造实体法和离散矢量法的特点，在进行材料移除的过 程中运用了一种离散矢量模型的改进方案，使得仿真的实时性大大提高【9 】。周静以实 体几何法( c s 6 法) 建模的基本思想，在所开发的数控仿真系统中采用了三角网格的离 散模型，成功地解决了毛坯的变形和走样等显示问题，达到了动态仿真的目的，该系 统能够实现车削加工仿真和铣削加工仿真，真实感强，且实时性好【l o 】。王鹏远等在改 进了传统的z - m a p 建模方法后，采用了一种新的建模方法一一改进的z - m a p 算法， 主要针对数控仿真加工过程中的几何建模和图形显示技术进行了研究，很好地完成了 图形仿真的目标【1 1 1 。孙殿柱提出了一种三轴实时数控铣削的仿真方法，该方法基于三 角网格索引模型，将工件的上表面划分为网格，然后用r 宰_ 树( 一种动态平衡树) 建立 节点的索引结构，利用该索引结构可以快速定位切削区域，依据刀具扫描体底面的特 点，计算切削区域中网格节点的z 坐标值并判断更新需要变化的节点【1 2 】，在图形显 示平台方面该方法基于三维图形渲染库v t k 实现了三轴数控铣削加工仿真，实验证 明，该方法的渲染效率和仿真精度高。邢吉利也开发了三轴数控铣削仿真系统，该系 统采用了三角面片离散的方法，充分利用三维空间的图形显示技术，实现了数控切削 加工过程的实时动态仿真，且整个图形显示具有很强的真实感【1 3 1 。彭健钧对实时加工 仿真系统进行了整体设计，提出了一种基于v o x e l 栅格的实体建模方法和刀具扫掠体 的生成算法，完成了数控加工过程的动态仿真，建立了数控加工仿真系统，能够在切 削加工开始之前验证加工程序，并且能够在加工的同时对刀具的路径和工件的切削情 况进行监控【1 4 1 。刘一丹采用基于d e x e l 的建模方法对毛坯进行构造，在加工的过程 中可以变换视角来观察任息角度的切削情况，该方法在刀具扫描体的生成算法上也不 同于一般的包络法，已采用一种简化的计算方法生成刀具扫描体，避免了复杂的求交 运算，并且在求交的过程中采用计算有效包围盒的方法减少了d e x e l 扫描线与刀具 包络体的求交次数，提高了仿真速度【1 5 1 。王晶晶推导出了五轴数控加工仿真中刀具扫 描面的显式表达，采用一种快速求交的生成算法得到了刀具扫描体的d e x e l 模型，根 据d e x e l 模型的特点确定工件上需要更新的d e x e l 链，然后通过d e x e l 模型的一维布 尔运算方法对工件模型进行更新，有效地提高了系统的仿真速度【1 州。 除此之外，国内外许多科研机构在n c 加工过程仿真方面做了大量的研究工作， 且各有侧重。 国外方面，早期日本索尼公司( s o n yc o o p e r a t i o n ) 研制的f r e d a m 系统可以对 4 虚拟数控铣削加工系统研究与实现第一章绪论 球头铣刀切削自由曲面进行三维仿真，重点显示三维刀具轨迹与零件模型，以避免精 加工时的刀具碰撞；美国n a t i o n a li n s t i t u t eo fs t a n d a r d sa n dt e c h n o l o g y 提出了腔铣削 加工中生成三维零件的加工轨迹算法，检查刀具接触角，并在加工过程中将刀具轨迹 显示出来；意大利b o l o g n a 大学用b 样条曲面建立端铣刀与工件模型，采用真实图形 显示三轴铣床粗铣加工的过程【1 7 1 。在集成了可视交互建模v i m 和可视交互仿真v i s 技术的基础上，日本的h i r o s h i m ad e n k i 工学院引入了面向对象数据结构、可视化设 计和智能管理概念并开发了一种v m s s 系统，它可有效地进行f m s 建模，降低f m s 开发费用【l 钔。德国提出的采用c o s i m a 图形仿真系统，能够识别程序中的大部分错误， 从而改善n c 编程质量，大大缩短机床上的装机调试时间，并可以模拟加工中心的实 体模型加工过程，既适用于通常的n c 加工，也适于柔性制造系统的仿真州。经过多 年发展，国外的数控仿真技术已形成了商品化软件，如美国的c g t e c h 公司在实体布 尔集合运算的基础上推出了商品化的仿真软件v e r i c u t , 不仅实现多轴仿真，还增强 切削状态分析功能；英国d e l c a m 公司的p o w e rm i l l 不仅提供五轴联动的实体切削 仿真过程，而且提供五轴加工机床动作仿真过程，动态仿真五轴加工过程机床各轴各 机构运动关系，仿真软件支持摆刀轴、双旋转工作台、摆刀轴与旋转工作台的组合； 法国d e l m i a 公司的v n c ，c i m c o 公司的c i m c oe d i t 等其他数控仿真软件 2 0 - 2 2 】。 国内数控加工过程仿真的研究起步较晚，国内的研究过程基本与国外相似，经历 了从二维图形仿真、线框模型仿真到三维实体模型仿真的阶段，现在已有了很大的进 步和发展。合肥工业大学开发了数控车削自动编程系统h f a p t z ，实现仿真显示刀具 运动轨迹、毛坯和零件的实体形状、机床的状态，并对刀具作干涉检验【2 3 j ；清华大学 开发了三维数控加工仿真系统n c m s s ，它能在任选的视图上直观地显示刀具加工轨 迹和工件轮廓，并提供了n c 代码调试、编程、跟踪、执行等功能【冽；大连理工大学 开发了曲而加工微机仿真器，它主要是对齿轮、空间凸轮、多边形而等复杂切削加工 进行仿真，可实现对各种曲而加工过程的模拟并进行加工误差分析，以改进工艺参数， 提高加工精度和效益；清华大学与华中科技大学c a d 中心共同研究开发了数控加工 仿真系统m p ，加工过程由n c 代码直接驱动，可对编程系统、半手工及手工编制的 n c 代码进行正确性检验，能提供建立机床加工模型的功能，能在精确形体表示下， 实现快速三维图形显示n i z - t 程动画1 2 引。 国内对于仿真系统的开发主要用于数控加工的图形验证和教学两个方面。在用于 图形验证的系统开发方面，华中科技大学开发的n c p r o o f 系统，通过生成刀具轨迹 5 第一章绪论 虚拟数控铣削加工系统研究与实现 采用二维动画作为图形显示的方式，直观地模拟出了数控加工的过程，而且能够对 n c 代码的语法错误进行检查。上海宇龙软件工程有限公司所研发的数控加工仿真系 统能够对数控机床完整的操作过程进行仿真，能够实现三维切削加工过程和刀具轨迹 的实时显示，具有坐标系设置和刀具补偿功能，可以对碰撞干涉进行实时检测。南京 纳可科技有限公司研发的数控仿真系统所具有的操作界面与实际数控机床的操作界 面完全相同，而且该系统还具备了完整的错误检测功能，能够对刀具的外观进行自主 设计。 在用于教学的系统开发方面南京宇航自动化科技研究所研发了一套用于教学的 数控车削、铣削仿真软件，能够在读入n c 代码文件的同时自动对程序进行错误检查， 能用三维动画对机床运动进行真实的仿真，而且该教学软件的图形交互功能强大，用 户可以根据需要自行定义和设置刀具，在对加工过程进行仿真的过程中，能够提供加 工出错报警，将刀具补偿路径显示出来，并且实现自动换刀等功能，在仿真结束后可 以对工件的坐标和各种尺寸进行检验。北京联高软件开发有限公司推出了一种叫做 v n u c 的远程教学数控仿真系统，该系统能够对数控加工过程进行仿真。 计算机技术和设备的迅速发展，促进了虚拟数控技术的迅速发展。随着计算机硬 件技术的飞速发展，c p u 的运算速度迅速提高到以前的几十万倍，并由原来的一个 核心变成现在的多个核心同时工作；显卡、主板等其他硬件的性能也得到了极快的发 展；操作系统的功能、稳定性及操作便利性都有了很大的提高；计算机图形学、人工 智能、并行工程、网络技术、多媒体技术和虚拟现实技术等软件技术也都得到了很大 的发展。 1 2 2 虚拟数控技术发展趋势 目前虚拟数控技术具有以下特点和趋势： 1 虚拟数控技术应用范围和对象有了较大扩展 最早的虚拟数控技术的应用目的是检查n c 代码的正确性。但由于计算机硬件的 限制，刚开始，仿真的对象仅仅是刀具和工件的加工过程。随着计算机硬件计算速度 的提升，仿真对象已经扩大到整个数控机床，包括机床床身、刀具、夹具、控制面板 等。同时，仿真的机床对象也扩大了，以前大都集中在数控车床和数控铣床，现在几 乎所有的数控机床都可以虚拟化了。同时，只要是采用数控技术的设备都可以应用虚 拟数控技术。 2 虚拟的真实感要求越来越高 6 虚拟数控铣削加工系统研究与实现 第一章绪论 以前的计算机图形学还不成熟，人们对如何在计算机上表示具有高度真实感的图 形还不清楚，早期的虚拟数控系统的模型都很粗糙。但随着计算机图形学的不断深入 研究，人们发现了很多描述三维实体的方法，并通过增加光照等方法，大大提高了虚 拟数控系统的真实感。 3 图形数据的交换越来越容易 在c a d 的数据交换文件被规范前，各个虚拟系统只能使用自己的数据文件，这 就大大削弱了虚拟系统的功能，同时增加了虚拟系统的难度。以前，虚拟系统必须自 己开发三维图形系统，用来制作机床模型、刀具模型、夹具模型等，这个三维图形系 统的开发是相当困难的。现在，则可以利用成熟的三维造型软件( 如p r o e ，u g 等) 制 作数控机床床身、刀具、夹具等，只需要一个可以读懂数据交换文件的程序即可，这 就大大降低了开发的难度。同时也使开发的虚拟系统具有更高的性能。 4 由几何仿真向物理仿真方向发展 现在的虚拟系统都属于几何仿真的范畴，即不考虑切削参数、切削力及其它物理 因素的影响，只仿真刀具工件几何体的运动。而物理仿真由于涉及对刀具切削过 程物理规律的研究，费用高且难于研究，目前还没有对刀具切削过程物理规律有很好 的认识，所有目前的虚拟系统还无法完全地虚拟真实的加工情况。世界各国有许多实 验室都在对加工过程中的物理规律进行研究，同时进行比较简单的物理仿真。物理仿 真是未来虚拟数控技术的主要发展方向。 1 3 本课题的研究内容及研究意义 1 3 1 课题来源 本课题来源于苏州市科技局项目“五轴联动数控系统理论研究与开发”，项目号为 s y g 2 0 1 0 3 9 ( 2 0 1 0 0 7 2 0 1 3 0 6 ) ，虚拟加工系统的研制是该项目的重要组成部分。 1 3 2 本课题的研究内容 本课题研究的机床本体是x k 5 0 3 2 数控铣床。这是三轴联动立式数控铣床，它可 以完成一般的铣削加工，也可以进行钻孔、镗孔、扩孔、绞孔等加工。适用于机械、 汽车、轻工电子以及纺织行业的各种中、小型复杂零件的加工。机床具有占地面积小， 行程范围宽等特点。 本课题将对x k 5 0 3 2 数控铣床进行以下的虚拟仿真： 1 运用现代软件工程设计方法完成对虚拟数控铣削加工系统的功能分析和框架 7 第一章绪论虚拟数控铣削加工系统研究与实现 设计，开发简洁、友好的用户界面，实现用户与系统的交互。 2 工件、夹具和刀具的建模：先建立基本模型，然后根据用户在系统中的设定， 夹具和刀具的形状。利用o p e n g l ，参数化地动态改变工件夹具和刀具的形状。 3 分析数控语言结构，借鉴一般计算机高级语言编译技术，对数控语言进行词 法分析、语法分析、语义分析，系统完成对n c 代码错误的检验。将用户输入或是从 外部导入的n c 标准代码，并转换成机床的实际运动。 4 数控铣削加工过程仿真：分别对加工过程进行二维仿真及三维仿真。模拟三 轴数控铣床实体切削加工时，将被加工的毛坯三角面片离散化，并将离散矢量与刀具 扫描体做几何求交算法，通过不断的更新毛坯数据信息来模拟刀具切削过程，实现材 料切除过程的仿真。 5 仿真动画与铣削加工实例的输出。利用o p e n g l 动画技术，实现铣削加工仿 真动画的显示。 1 3 3 本课题的研究意义 虚拟数控系统对企业、学校都具有十分重要的实际意义，它不但能够降低企业的 生产成本、学校的办学成本，还能提高企业的生产效率和学校的教学效果。但如果直 接向软件公司购买相关软件，势必带来购买成本高、后续服务难以得到保证，而且商 业软件不会提供开放的接口，用户无法根据自己的实际情况添加模块，无法实现系统 的本地化与特色化。特别对学校来说，在教学时需要大量学生同时使用软件，所需购 买的软件价格更高。以目前国内较知名的两款商业虚拟数控系统来说，北京斐克公司 开发的v n u c 数控仿真系统的网络版的售价为1 0 0 0 元席点左右，上海宇龙公司开发 的数控n - r 仿真系统网络版的售价为1 3 0 0 元节点左右，为了保证教学效果，如果学 校有两个数控专业班级需要同时上机进行试验，那么需要购买1 0 0 个节点的软件，软 件的购买价格在1 0 万至1 3 万之间，这将会给学校带来较大的经济负担。如果企业或 学校能够自主开发虚拟数控系统，将可以根据自身的实际情况和发展要求，开发出经 济、适用的系统，并且可以根据需求及时调整功能模块，跟上发展的需求。从而避免 购买商业软件带来的诸多问题。如数控设备升级后，购买的软件中没有提供相应的数 控系统；无法进行二次开发，无法实现虚拟数控系统的本地化、特色化等。 课题研究旨在探索一种相对简单、经济实用的虚拟数控系统开发方法，以满足用 户自主开发的需要。课题研究成果对自主开发虚拟数控系统具有重要的参考应用价 值。 8 虚拟数控铣削加工系统研究与实现 第二章数控加工仿真系统总体框架 第二章数控加工仿真系统总体框架 2 1 虚拟数控加工仿真系统功能分析 2 1 1 使用方面的基本要求 本系统是一个真实的数控机床的数控加工过程仿真。在这个加工环境中，需要模 拟建立数控机床的模型和加工过程的模型。机床模型是整个加工过程的物理环境，选 用x k 5 0 3 2 数控铣床作为真实的机床模型，将其在计算机中以二维和三维画面的形式 展现；加工过程模型是动画过程，模拟了真实加工过程中的机床、刀具、切削等相对 运动状态。 仿真系统应满足的要求2 6 】： 1 系统的环境和真实的机床环境尽量相同； 2 能够根据n c 代码的格式及规律，对n c 代码进行检测，即具备机床的n c 程序编译功能，能发现n c 程序的错误，并生成目标文件； 3 能够显示刀具轨迹及切削过程，具有与真实数控机床运动相同的三维加工仿 真功能，并快速完成仿真过程，仿真加工过程需要的时间可以根据用户的要求来进行 调节； 4 能调整、修改机床状态参数。实时监控机床的运动状态； 5 有友好的类似于机床的人机界面，操作流程与真实机床相同，能方便用户操 作。 2 1 2 能够实现的基本功能 根据要求，本虚拟数控仿真系统应实现的基本功能如下： 1 提供逻辑清晰、友好的用户操作界面，使用户能够方便输入仿真所需要的参 数。这些参数主要包括：数控程序，刀具库信息，工件材料库信息。 2 提供与真实加工环境相同的虚拟加工环境，主要包括工件、刀具、夹具等。 3 对输入的数控程序进行语法及词法的分析、识别、编译。 4 根据编译结果，对该程序所控制的加工过程在屏幕上进行二维及三维动态仿 真。 5 能够对仿真加工过程进行开始、暂停、继续、停止等操作。 6 能够对加工仿真过程根据需要调节加工速度与精度。 9 第二章数控加工仿真系统总体框架虚拟数控铣削加工系统研究与实现 7 对视图进行各种移动、旋转、放大、缩小等操作，可以选择背景的颜色。 8 提供对数控程序进行在线编辑的功能，以便用户根据演示结果随时对数控程 序进行修改和保存。 2 2 数控加工仿真系统总体设计 仿真系统的操作流程既要符合真实机床的操作流程，又要能满足软件开发的需 求。因此，首先应具有一个数控加工仿真环境。在这个环境中，有特定的数控系统、 数控机床、仿真操作面板、刀具库等；用户可以通过虚拟操作面板进行各种操作，从 而完成加工仿真任务。加工时，先选择要加工仿真的程序代码，程序代码可由本系统 编辑或外部n c 程序文件导入，然后定义毛坯，可调节机床工作台进行对刀，在这里 可以改变主轴和切削进给的速度2 7 1 。 仿真加工过程为：从控制面板上调入n c 程序或编辑n c 程序，对此加工程序进 行检查、编译，轨迹仿真，确认正确后，准备加工。加工前可以对整个系统进行初始 化设置；进行加工时，显示机床运动动画及工件切削动画，对机床状态进行实时监测， 显示监测的信息，如果有非法操作等信息，发出相应的警报。因此，该系统是由n c 代码来驱动机床的运动，系统实现的主要流程如图2 - 1 所示。 图2 - 1 系统实现的主要流程 1 0 虚拟数控铣削加工系统研究与实现第二章数控加工仿真系统总体框架 针对以上要求，本课题在分析了生产中实际使用的数控铣床的操作方式和编程原 理的基础上，将数控铣床仿真系统分为两大模块：虚拟加工环境模块和虚拟加工过程 模块【2 8 】。虚拟加工环境包括用于显示虚拟刀具、工件、机床和夹具的几何建模模块， 和供人机交互的虚拟面板模块。虚拟加工过程包括对n c 代码进行识别、分析和编译 的n c 代码处理模块、实现刀具显示的刀具应用模块和模拟加工过程的二维和三维的 加工仿真模块，每个模块下面又包含了若干子模块，其系统模块框图如图2 2 所示。 刀 具 特 征 建 模 几 何 建 模 模 块 工 件 特 征 建 模 数控加工仿真系统 虚拟加工环境 夹 具 特 征 建 模 机 床 操 作 面 板 虚 拟 面 板 模 块 虚 拟 显 一 不 屏 n c 代 码 编 辑 虚拟加工过程 n c 代 码 处 理 n c 代 码 编 译 刀 具 应 用 模 块 刀 具 坐 径 补 偿 二 维 动 岫 仿 真 加 工 仿 真 模 块 三 维 动 i 圊 仿 真 材 料 切 除 仿 真 图2 2 系统功能模块框图 上述系统模块划分也仅是包括最基本的功能，一个完整的虚拟加工系统应该比上 面分析的要复杂得多，每个模块还要分为更小的模块。上述对虚拟加工系统的划分是 属于逻辑上的划分，想要实现该系统还涉及到一系列的操作系统、编程软件等工具和 技术。 2 3 数控铣床仿真系统界面设计 将真实的数控机床虚拟成计算机软件时，系统界面的设计必须考虑真实情况、软 件功能设计及用户习惯。该系统界面设计如图2 3 所示，界面由菜单栏、工具栏、状 态栏及显示区域组成。位于顶部的菜单栏和工具栏用于放置各种功能的菜单和常用的 工具按钮；位于底部的状态栏区域用于显示屏幕坐标、数控代码编译的结果、对刀时 第二章数控加工仿真系统总体框架虚拟数控铣削加工系统研究与实现 显示的各种状态信息等；显示区分为左右两个区域，考虑到便于用户操作和观察，将 右边划为虚拟加工显示区，用于显示虚拟机床及其加工过程，左边的代码显示区则用 于显示用户正在编译或仿真的代码。 图2 3 数控铣削仿真系统总体界面布局 2 4 数控铣床仿真系统各功能模块 2 4 1 几何建模模块 几何模型是为了表示物体在计算机中的表达形式而建立的模型，几何建模一直是 c a d c a m 系统发展的核心内容。几何建模模块主要包括机床的建模、刀具的建模和 零件的建模，本课题主要研究了刀具和零件的建模。刀具和零件属于单个模型，采用 参数化的建模系统，这样可以根据用户的需求进行变化，即根据用户的选择或输入参 数值后完成模型的建立。 2 4 2n c 代码处理模块 n c 代码处理模块具有代码编辑和代码编译两个功能。代码编辑功能模块的主要 功能：允许用户导入已经完成的n c 程序，或在系统中编写n c 程序，然后对n c 代 码进行编辑、修改，最后导出修改完成的代码。n c 代码翻译功能通过对n c 代码的 理解，检查代码语法语义的正确性，获取刀具加工位置和运动趋势信息，跳过和显示 辅助功能命令，生成刀具运动轨迹数据例。一个完整的数控加工程序由若干个数控加 工程序段组成，而程序段又是由代码字组成，代码字包含地址符和地址值两部分，不 同的数控系统选用的地址符和地址值的范围有所不同。在n c 程序编写中，不同地址 符代码字的编写格式可能相差较大，但对于具体某一地址符的代码字则较为固定，即 地址符和地址值的编写有固定的标准格式蚓。 分析函数顺序对标准代码字进行识别，分类成运算字、设置字和加工字。利用代 1 2 虚拟数控铣削加工系统研究与实现第二章数控加工