（机械设计及理论专业论文）基于vericut的多边形连续加工仿真系统的研究与开发.pdf

摘要 本文深入研究了基于v e r i c u t 的多边形零件连续加工仿真系统实现的原理、方法 及关键技术，开发了基于v e r i c u t 的多边形连续加工几何仿真系统。本文主要研究内 容包括： ( 1 ) 综述了c a d c a m 技术的发展概况、数控加工仿真技术的国内外研究现状及 发展趋势，论述了多边形零件加工的技术现状，阐述了课题的主要研究内容和意义。 ( 2 ) 提出了基于v e r i c u t 的多边形连续加工几何仿真系统的设计原则和设计目 标，构建了多边形连续切削几何仿真系统的框架，论述了各模块的功能及实现方法。 ( 3 ) 深入研究了摆线的定义与参数方程，提出了利用摆线原理加工多边形零件的 方法；研究了摆线参数对摆线形状的影响，基于m a t l a b 实现了多边形连续加工的误 差分析与计算，从理论上证明了利用摆线原理加工多边形零件的可行性。 ( 4 ) 研究了多边形连续加工的特点，分析了数控机床的运动关系，构建了数控机 床的总体结构；构建了机床、刀具、毛坯及夹具的三维实体模型，实现了模型的参数化。 ( 5 ) 研究了基于v e r i c u t 的数控仿真的方法，构建了基于v e r i c u t 的多边形连 续加工几何仿真系统，并将其应用到直槽与多边形的加工仿真中，通过对加工结果的误 差分析，进一步验证了利用摆线原理加工多边形的正确性。 最后，对全文的研究工作和取得的成果进行了总结，并提出了进一步研究的设想。 关键词：多边形数控加工仿真摆线v e r i c u t a b s t r a c t i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h et h e o r y , m e t h o d sa n dk e y t e c h n o l o g i e so ft h es i m u l a t i o ns y s t e mo f c o n t i n o u s l ym a c h i n i n gt h ep o l y g o nb a s e do nv e r i c u ta r es t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y t h e g e o m e t r i c a ls i m u l a t i o ns y s t e mo fc o n t i n o u s l ym a c h i n i n gt h ep o l y g o nb a s e do nv e r i c u ti s d e v e l o p e d t h em a i nc o n t e n t so ft h ed i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w i n g ： 。 ( 1 ) t h ep r e s e n ts t a t u sa n dt r e n d so ft h er e s e a r c ho nc a d c a m ，n cm a c h i n i n g s i m u l a t i o na n dt h em a c h i n i n gm e t h o da b o u tt h ep o l y g o n p a r t sa r er e v i e w e d t h ef u n c t i o no f m o d u l e sa n dt h ei m p l e m e n t a t i o nm e t h o da r ed i s c u s s e d ( 2 ) t h ed e s i g np r i n c i p l ea n dt h ed e s i g ng o a lo ft h eg e o m e t r i c a ls i m u l a t i o ns y s t e mo f c o n t i n o u s l ym a c h i n i n gt h ep o l y g o n b a s e do nv e r i c u ta r ep r e s e n t e d t h ef r a m eo fi ti sb u i l t , a n dt h er e l e v a n tf u n c t i o nm o d e l sa n dt h er e a l i z e dm e t h o d sa r ep u tf o r w a r d ( 3 ) t h ed e f i n a t i o na n dt h ep a r a m e t r i ce q u a t i o no fc y c o i da r er e s e a r c h e dd e e p l y t h e m e t h o do fm a c h i n i n gt h ep o l y g o np a r tu s i n gt h ep r i n c i p l eo fc y c o i di sp u tf o r w a r d t h e i n f l u e n c eo fc y c l o i dp a r a m e t e r si nt h ec y c l o i de q u a t i o no ni t ss h a p ei sr e s e a r c h e d , a n dt h e e r r o ra n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o na b o u tc o n t i n o u s l ym a c h i n i n gp o l y g o na r er e a l i z e db a s e do n v e r i c u t s ot h ef e a s i b i l i t yo fm a c h i n i n gt h ep o l y g o np a r tu s i n gt h ep r i n c i p l eo fc y c o i di s p r o v e di nt h e o r y ( 4 ) t h ec h a r a c t e r i s t i c so fc o n t i n o u s l ym a c h i n i n gp o l y g o na r er e s e a r c h e d t h em o t i o n r e l a t i o n so fn cm a c h i n ea r ea n a l y z e d ，a n dt h et o t a ls t r u c t u r eo ft h en cm a c h i n ei sb u i l t t h e t h r e e d i m e n s i o ns o l i dm o d e l so fm a c h i n e ，c u t t e r , r o u g ha n dc l a m p i n gf i x t u r ea r eb u i l t ，w h i c h a r ep a r a m e t e r i z e d ( 5 ) t h em e t h o do fn cs i m u l a t i o nb a s e do nv e r i c u ti ss t u d i e d t h eg e o m e t r i c a l s i m u l a t i o ns y s t e mo fc o n t i n o u s l ym a c h i n i n gt h ep o l y g o nb a s e do nv e r i c u ti sb u i l t ，w h i c h i sa p p l i e do nt h em a c h i n i n gs i m u l a t i o no ft h es t r a i g h ts l o ta n dt h ep o l y g o n b ya n a l y z i n gt h e e r r o ro ft h em a c h i n e dp a r t ，t h ec o r r e c t n e s so fm a c h i n i n gt h ep o l y g o nu s i n gt h ep r i n c i p l eo f c y c o i di sp r o v e dm o r e f i n a l l y , as u m m a r yo ft h er e s e a r c hw o r ka n dt h er e s u l t si sm a d ea n dp l a n sf o rf u t u r e r e s e a r c hi sp r e s e n t e d k e yw o r d s ：p o l y g o n n c m a c h i n i n gs i m u l a t i o nc y c o i dv e r i c u t h 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和取 得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，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 墨盗墨兰太堂 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了谢意。 学位论文作者签名：缮够签字日期： 7 肋多年f 月侈日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 墨盗墨兰盘堂有关保留、使用学位论文 的规定。特授权墨盗堡兰盘堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编， 以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子 文件。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：纭莅缶 导师签名：专黎狄 签字日期：劬吕年1 月侈日 签字日期：加落l ，年月侈日 第一章绪论 第一章绪论 1 1c a d c a m 技术的发展概况 随着计算机硬件、软件、图形及智能模拟等方面技术的巨大进步，计算机辅助设计 与制造( 即c a d c a m ) 技术发展极为迅速，已经广泛应用于机械、电子、汽车、船舶、 航天、航空及轻工等各个领域l l l ，其应用与发展对工业设计与制造技术领域以及产业结 构、产品结构、企业结构、生产方式以及人才知识结构等方面都带来深刻的影响。 唰c a m 技术的发展与应用水平已经成为衡量一个国家科技现代化和工业现代化水 平的重要标志之一1 2 】。 c a d j ，c a m 技术是计算机技术和制造技术二者相互结合的产物，它不仅从根本上改 变了过去手工绘图、发图，凭图纸组织整个生产过程的技术管理方式，而且对生产过程 的组织形式、管理方法、物流体系，产品的体系结构以及人才的知识构成等都产生了深 刻的影响。 c a d ( c o m p u t e r - a i d e dd e s i g n ) 即计算机辅助设计，是计算机技术与工程绘图相结 合发展产生的现代设计方法。随着三维计算机图形技术的发展，计算机辅助设计技术向 更高技术领域推进，逐渐向三维c a d 技术过渡和发展。三维本身的直观和信息较完备 等优点，使广大科研人员和软件公司对其宠爱有加，尤其是d a s s a u l ts y s t e m e s 公 司的c a t i a ，e d s 公司的u g ，p t c 公司的p r o e 等主流c a d 软件的深入研究、发展 和推广应用，使得三维c a d 逐渐扩大其市场份额。 国内随着清华英泰、北航c a x a 及武汉开目等商品化c a d 软件的出现，更刺激了 国内三维c a d 市场的竞争。如今的c a d 软件，功能更强，界面更友好，使用更方便， 技术更先进。c a d 发展至今逐步形成了一些较成熟的技术，其中包括参数化设计、变 量化设计、相关性设计、特征造型、支持产品配置的装配设计及零件建库等同。 c a m ( c o m p u t e r - a i d e dm a n u f a c t u r i n g ) 即计算机辅助制造，以数控加工编程为主。 c a m 技术产生于c a d 技术之后，随着数控机床的广泛使用而发展。c a m 从本质上讲， 就是计算机几何图形学( c a g d ，c o m p u t e r a i d e dg e o m e t r yd e s i g n ) 和机械加工工艺相 结合产生的现代机械自动化加工技术。 上世纪5 0 年代，美国麻省理工大学( m i t ) 设计了一种专门用于机械零件数控加 工程序编制的浯言，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 d t 0 0 1 ) 数控程序语言，解决 了数控加工中的程序编制问题。a p t 几经发展，形成了诸如a p t i i 、a p t i i i ( 立体切削 用) 、a p t ( 算法改进，增加多坐标曲面加工编程功能) 、a p t - a c ( a d v a n c e dc o n t o u r i n g ) ( 增加切削数据库管理系统) 和a p t s s ( s c u l p t u r e ds u r f a c e ) ( 增加雕塑曲面加工编程 功能) 等先进皈。c a d 几何建模技术的发展促进了c a m 技术的发展，c a m 从最初的 基于线架，经甚于曲面c a m ，到今天的基于实体和基于参数化特征的c a m ，在技术上 第一章绪论 取得了重大突破，逐渐形成了适合我困生产需要和生产模式的c a m 软件和模块，如北 航c a x a 的三维数控加工铣削和车削自动编程，南航基于a c i s 平台开发的 s u p e r m a n 2 0 0 0 c a d c a m 的铣削自动编程模块。 1 2 数控加工发展概况 数控加工是洲c a m 技术中最能明显发挥经济效益的生产环节之一，可以保证 产品达到极高的加工精度和获得稳定的加工质量，实现操作过程自动化，缩短生产准备 周期，适宜产品快速更新换代的需要。实践证明，生产对象的几何形状越复杂，加工精 度要求越高，生产批量越小，数控加工的优越性就越能得到充分发挥。 数控机床加工零件是靠数控指令程序控制完成的，当前数控编程技术在曲面建模、 轨迹规划及刀位计算等方面有了很大的进步，但仍不能确保n c 程序的完全正确可靠。 n c 程序的检验方法有多种，方法之一是在正式加工之前让机床空运行，空运行只能对 机床运动是否正确及有无干涉碰撞做粗略的估计；方法之二是试切法，即通过试切木质 或塑料工件检查其正确性，显然这一过程周期长、成本高、效率低；方法之三是轨迹显 示法，即以划针或笔代替刀具，以着色板或纸代替毛坯来仿真刀具运动轨迹的二维图形， 但是局限性很大。而数控加工仿真应运而生，它能快速、安全、有效地验证n c 程序正 确性。 1 2 i 数控加工仿真技术的概念 数控加工仿真就是利用计算机建立虚拟的加工环境( 如虚拟的机床、刀具、夹具及 工件等) ，在计算机中模拟实际的机械加工过程。数控加工仿真是c a m 的重要组成部分， 是从c a m 到实际数控加工的检查环节，它用来验证数控加工程序的可靠性、正确性， 预测切削过程，代替实际工件的试切，减少编程错误，从而提高生产效率1 4 】。 数控仿真长时间一直与c a d 、c a m 系统捆绑，没有独立发展空间。然而随着数控 加工仿真自身技术不断发展和完善，随着仿真技术逐渐为人们重视、发展、研究和使用， 随着计算机仿真学学科性不断增强，尤其是几何造型平台的出现，数控加工仿真技术具 有了独立发展空间，如c g t e c h 公司著名的v e r i c u t 仿真软件、仿真模块及仿真开发包。 数控加工仿真按仿真对象考察方式的不同一般可分为两种方式：纯几何仿真和物理 仿真1 5 j 。几何仿真的主要目的是验证刀具路径的正确性，验证加工代码是否可行，并为 物理仿真提供必要的切削几何信息，如材料去除体积、切削速度及轴向切削深度等。物 理仿真主要是力学仿真，它是虚拟数控加工过程仿真的核心部分，其内涵就是综合考虑 实际切削中的各种因素，建立与实际切削拟合程度高的数学模型，从真正意义上实现虚 拟加工与实际加工的“无缝连接”，满足虚拟数控加工的沉浸感和交互感。目前的仂真 系统大多只进行几何仿真，即对刀位轨迹、工件与刀具的干涉进行校验等，将几何仿真 与物理仿真相结合的仿真还比较少1 6 j 。 第一章绪论 1 2 2 数控加工仿真技术的国内外研究现况 从不同角度看国内外数控加工仿真技术发展现况如下： ( 1 ) 从研究开发力量角度看，国内外对数控加工仿真的研究都格外重视。 数控加工仿真一直是国外c a d c a m 技术的一个研究热点。在美国已形成了由政 府、产业界、大学组成的多层次、多方位的综合研究开发力量【6 。主要的研究机构有： 美国国家标准及技术局制造工程实验室、美国m a r y l a n d 大学系统研究学院c i m 实验室、 美国伊利诺斯大学芝加哥分校机械系工业虚拟现实研究所、加拿大w a t e r l o o 大学的 机械工程系和集成制造系统管理中心也有部分与数控仿真相关的研究项目。英国b a t h 大学机械工程系用o p e n l n v e n t o r 2 0 软件工具开发出了基于自己的s v l i s 几何造型工具的 仿真系统、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作台模型，采用真实感图 形显示铣床精加工过程1 8 j 。日韩也有许多高等院校和企业进行数控仿真的研究。目前国 内已有许多家科研机构、高等院校和企业正在开展这方面的研究。国家8 6 3 c i m s 主题 组、国家自然科学基金也有专门的研究课题。 ( 2 ) 从软件产品的市场与需求角度来看，国内外对仿真实用系统的研究方兴未艾。 目前，国外的数控代码检验系统已经发展到了实用化、商品化的阶段，有单独的数 控加工仿真软件包如p t c 公司的p r o e 软件、e d su n i g r a p h i c s 公司的u g 软件、g g t e c h 公司的v e r i c u t 软件包、c i m p l e x 公司的n c v 软件包、n c c s 公司的i p v 软件、s i l m a 公司的c i m s t a t i o n 软件及n cv e d f y 等，开发了以二维图形或三维图形为基础的图形数 控编程工具和刀具轨迹生成工具，具备零件加工过程的计算机仿真功能。例如u g 提供 了强大的刀具轨迹模拟功能，可检验走刀路径，发现加工中的不合理现象，如欠切和过 切等。p r 0 e 也提供了类似的数控加工仿真模块。m a s t e rc a m 8 0 具有很强的c a m 功 能，能以实体模型快速高效的仿真数控加工过程，应用非常方便。 国内在这一领域的研究工作开展的较晚，有华中理工大学开发的应用于c a d 曲面 造型系统中的数控铣削加工仿真系统，哈尔滨工业大学开发的三轴数控铣削仿真系统， 天津大学的回转类零件的删c a m 集成系统等。近年来，在数控加工仿真的研究中 有不少成果报道。文献表明，南京航空航天大学【9 。0 1 、天津大掣1 1 1 2 1 、大连交通大学【1 3 1 4 1 、浙江大学【1 5 l 、华中理工大掣1 剐、北京航空航天大学i 硎、清华大学【1 8 1 9 l 等高校都对 数控仿真技术进行了较深入的研究。为了提高数控加工过程仿真系统的性能，我国研究 人员在理论方法和相关技术上作了大量的研究，集中在如下几方面：仿真系统总体结构 设计、数控机床的运动学建模、刀具管理和规划、运动物体的碰撞干涉检验及数控程序 的分析处理等。国内在数控加工仿真教学培训平台的研究开发上也已取得较大进展，如 南京宇航、上海宇龙、广州红地及广州超软等数控机床仿真系统，在很多学校( 特别是 职业学校) 应用，对提高数控教学质量起到了一定的促进作用。 ( 3 ) 从数控加工仿真的3 d 建模方法来看，主要有直接实体构造法、离散矢量求交 法和空间分割表示法三种。 1 ) 直接实体构造法。该法一般应用于由体素构造法或边界表示法表示的实体造型 系统中。加工仿真过程通过一系列的布尔运算从毛坯中减去连续的刀具扫描体，所得到 的结果是加工明确的实体模型。基于实体模型的n c 仿真主要是研究各种刀具与毛坯 第一章绪论 进行布尔减的快速算法。v a nh o o k l 2 0 1 1 9 8 6 年提出了一种在专用硬件设备上快速观察切 削过程的方法，提出了一种局部布尔减算法。该算法由于考虑瞬时过程，增加了布尔运 算的次数，速度较慢，仿真时间较长。w a n gw p - 和w a n gk k 1 2 l j 开发的验证五轴切削的 系统采用了整体布尔减运算。这种方法考虑刀具运动形成的扫描整体而不是某个特定时 刻的瞬时情况。由于实体扫描可被分解为实体边界形成的扫描体的布尔并，因此，计算 扫描体的问题被转化为确定扫描体的边界及包络面，通过解析法或求解微分方程即可求 得。d b l a c k m o r e ，m c 1 e u 和l p w a n g 2 2 j 提出了一种扫描包络微分方程的算法，使布 尔运算计算的复杂性显著降低，并成功应用于数控加工验证中。 2 ) 离散矢量求交法。该法一般运用于基于曲面模型的数控仿真，一般是通过将曲 面离散，计算在一系列离散点上的曲面法矢和刀具模型的交点来进行的。j e r a r d l 2 五2 4 】等 人于1 9 8 9 年提出了一种基于曲面的仿真验证方法，该方法将曲面离散成一系列的网格 点，采用z b u f f e r 算法将网格点的z 坐标与刀具的z 深度比较，得到加工的误差。 c h a p p e l i 2 5 】提出用矢量求交来仿真材料去除过程，方法是用零件的曲面法矢和柱形刀具 模型在一系列离散位置上求交。o l i v e r 和g o o d m a n 2 6 j 开发了一个图像空问仿真验证系 统，算法分为三个模块：第一是离散模块，即把毛坯离散成足够密的网格法矢；第二模 块是定位模块，即对每次刀具移动抽取发生变化的离散点和法矢；第三模块是求交模块， 将离散的网格点上的法矢与刀具扫掠体求交，该方法具有数控仿真计算量小、速度快及 时间复杂性小等特点。 3 ) 空间分割表示法。该法是把实体分解成基本元素的集合从而把布尔运算简化。 该法可以克服直接实体构造法的不足。基本体形式的不同决定了实现方法上的不同 1 5 2 - 5 3 1 ：主要有v a nh o o k 的深度体素数据结构法，s a i t ot 和t a k a h a s h it 提出的 gb u f f e r 方法，n o n a k as 采用的八叉树数据结构法，r o b i n s o nd m 的光线投射表示法 等等。这些方法所使用的时间与刀具走刀次数成线性变化，可以处理复杂雕塑曲面的加 工仿真。另外h s up l 和y a n g w t 1 2 7 1 挺b 出了一种zm a p 数据结构的细分毛坯方法和 等角投影的显示方法。尽管仅仅可以处理三轴数控铣床而且不能变化视角显示，但是其 方法大大提高了图形显示的速度，使得n c 仿真可以在微机上进行。 。 ( 4 ) 从仿真图形的可视化角度来看，数控仿真的图形显示经历了线框显示发展到真 实感图形显示仿真的过程。 早期的数控加工编程系统中，将刀位数据的线框图形显示出来，判断刀位轨迹是否 连续，检查刀位计算是否正确；后来的数控加工仿真系统可以显示具有一定真实感的被 加工零件的图形，但刀具是用线框图形来显示的。早期除非在工作站级以上的计算机上 开发运行的数控加工仿真系统才具有真实感图形显示功能。进入二十世纪9 0 年代，随 着微机性能的提高，国外相继出现了微机版的数控仿真软件如v e r i c u t 和ns e e 2 0 0 0 等。其功能较全面，真实感图形显示的效果也较好，也可以显示快速移动的刀具的真实 感图形和清晰的切削残留刀痕。但其显示机理一直没有公开。国内关于真实感图形显示 的数控加工仿真系统的研究也比较多，南京航空航天大学的基于a c i s 几何引擎开发的 s u p e r m a nc a d c a m2 0 0 0 数控仿真系统是典型代表，报道了不少成果1 2 8 2 们。大连交通 大学在基于v r m l 的数控车削加工全景仿真技术的研究上报道了一批成果印j ，特别是 第一章绪论 其对加工切削的仿真，具有特色。 1 3 端面为多边形的零件7 j d - r 的技术现状 在工厂生产和日常生活中，常见端部为多边形的轴类零件。像这类零件的加工国内 外通常采用铣床、刨床等机床进行加工，首先加工多边形的一个面，然后工件旋转一定 的角度加工另一个面，加工工艺较复杂，而且加工过程中包含空行程和间歇分度等非连 续运动，难以提高生产效率和加工精度，而且工人劳动强度大，很难满足大批量生产的 要求【3 l l 。摆线是工厂中经常应用的曲线，通过变换，它有一些很有用的性质1 3 2 弱j ：一 方面，它可以用两个旋转运动实现连续轨迹，所需运动个数较少；另一方面，通过改变 参数可以获得不同的轨迹。如果能使刀尖点所形成的摆线轨迹接近直线，就可以实现用 类似车削的方法加工端面为直槽及多边形的零件，从而提高产品质量，减少废品量，在 赢得用户满意的同时，从而取得可喜的经济效益。国内外关于端面多边形零件的连续切 削加工方面的研究【弘3 5 旧前尚处于理论阶段，而利用数控仿真技术对多边形零件的连续 切削加工进行加工过程仿真目前尚未见文献报道。因此，本课题的研究不仅具有一定的 理论创新，而且具有一定的实际应用价值。 1 4 课题提出与研究的主要内容 1 4 1 课题的提出 我校与南昌大学科技学院和天津市并联精密机械有限公司合作，研制“旋飞加工几 何仿真系统”。结合该项目的研究内容，提出了“基于v e r i c u t 的多边形连续加工仿 真系统的研究与开发 的研究课题。该项目的研究，对于利用摆线原理加工多边形零件 的原理和方法以及仿真系统构建的机理、实施框架和实施策略等方面的研究具有一定的 学术价值：可从理论和实验两方面证明利用摆线原理加工端面为多边形零件的可行性， 以提高产品的加工效率，降低成本，缩短产品的研发周期，从而提高产品一次开发成功 和快速响应市场的能力；可寻求一个合作企业生产试制专用机床，从实际应用角度验证 多边形连续切削的可行性，同时也将为合作企业创造明显的经济效益和社会效益，促进 制造业的信息化进程。 1 4 2 课题研究的主要内容及全文章节安排 全文主要研究内容如下： ( 1 ) 构建多边形连续切削几何仿真系统的框架。采用面向对象的程序设计语言 v c + + ，建立多边形连续切削几何仿真系统的框架，实现仿真过程的参数输入及系统的 控制。 ( 2 ) 研究利用摆线原理加工多边形零件的原理及方法。通过对摆线方程的深入研究， 分析各个参数对摆线形状的影响，研究摆线逼近直线的逼近规律及其误差分命，从理论 第一章绪论 方面证明利用摆线原理加工端面为直槽及多边形零件的可行性。 ( 3 ) 基于m a t l a b 的误差分析与计算。借助m a t l a b 数学工具进行迭代运算，分别对 加工直槽类及多边形零件进行了计算分析，分别计算出满足加工精度所需的最小e 值和 在给定的最大回转半径下的误差值，从理论上证明了利用摆线原理加工多边形零件的可 行性。 ( 4 ) 建立仿真系统的三维实体模型。在深入研究利用摆线原理加工多边形零件的原 理及方法的基础上，建立了包括机床、毛坯夹具及刀具的仿真系统的三维模型，其中机 床、毛坯及夹具的三维模型采用p r o e 完成，并基于p r o t o o l k i t 实现了毛坯夹具的参数 化；刀具三维模型采用v e r i c u t 建立刀具库，并通过系统界面输入刀具参数，从刀具库 中获取刀具模型。 ( 5 ) 基于v e r i c u t 平台，实现多边形连续切削的加工过程仿真。将p r o e 中生成的 仿真模型以s t l 文件导入v e r i c u t 平台中进行编辑，创建加工仿真所必需的路径文件、 控制文件及刀具库文件等，设定坐标原点，实现多边形连续切削的加工过程仿真。 ( 6 ) 误差分析与测量。在实现多边形连续切削的加工过程仿真后，对加工后的零件 进行分析测量，将测量误差值与理论误差值进行比较，通过参数调整，进一步验证了利 用摆线原理加工多边形的正确性。全文章节安排如图1 1 所示。 1 5 本章小结 第一章绪论 之多 第二章多边形连续加工仿真系 统总体方案设计 之乡 第二蕈摆线加t 的原理及误爱 分析 之乡 第四章基于v e r i c u t 的仿真系 统设计 弋夕 i 第五章系统功能及运行实例 | l 弋夕 i第六章结论与展望 图1 - 1 全文章节安排 本章研究内容如下： ( 1 ) 概述了叫c a m 技术的发展概况； ( 2 ) 概述了目前数控加工及数控s h ：e 仿真国内外研究现状； ( 3 ) 概述了端面为多边形零件加工的技术现状； ( 4 ) 阐述了本课题研究的背景、意义及主要内容。 第二章多边形连续加工仿真系统总体方案设计 第二章多边形连续j j 口- r 仿真系统总体方案设计 本章在上一章介绍的基础上，对多边形连续加工仿真系统的总体方案进行了设计， 对仿真系统的开发环境、开发工具进行了简要介绍。分析了多边形连续加工仿真系统的 设计原则与设计目标，并在此基础上，构建了仿真系统的总体框架并对其功能模块进行 了具体描述。 2 1 仿真系统的开发环境， 2 i i 系统的硬件环境 ， 本系统的开发使用了多种软件，故为保证仿真系统的顺利运行，建议使用5 8 6 系列 及以上微机、处理器建议为p i i l 2 0 g 及以上，内存最小在5 1 2 m b 以上( 推荐使用1 5 g ) ， 硬盘在4 0 g 以上，为了保证显示效果，显卡建议使用2 5 6 m b ，另外还需要光驱，三键 鼠标等。 2 1 2 系统开发专用软件介绍 本系统采用w i n d o w sx p 作为系统软件，用v c + + 6 0 软件、p r o e 及其二次开发工 具p r o t o o l k i t 、m a t l a b 7 0 1 及v e r i c u t 5 4 对仿真系统进行开发。系统总体界面设计采用面 向对象程序设计语言v i s u a lc + + 6 0 软件完成；仿真模型采用大型q c a m 软件p r o e w i l d f i r e 3 0 软件完成，然后以s t l 的格式导入到加工仿真环境中；数控加工仿真采用 v e r i c u t5 4 软件完成，该软件可直接对p r o e 生成的三维模型进行编辑，真正做到无缝 集成；误差分析与计算采用m a t l a b7 0 1 软件完成。 1 v c + + 6 0 软件简介 v i s u a lc + + 6 0 是m i c r o s o f t 公司开发的面向对象的可视化的编程环境，是目前综合 性最高，最强大，也是最复杂的编程环境之一，它与操作系统更加紧密的结合及其良好 的集成开发环境，使得它己成为当今世界最流行的软件之一，此软件具有以下特剧刈： ( 1 ) 具有强大的类库功能和完善的类库框架。v c + + 所提供的基础类库，对w i n d o w s 9 5 n t 所用的w i n 3 2 应用程序接口进行了十分彻底的封装，它为编程者提供了一个应用 程序框架，这个应用程序框架为编程者完成了很多w i n d o w s 编程中的例行性工作，如 管理窗口、菜单和对话框，执行基本的输入和输出、使用集合类来保存数据对象等等， 这使得可以使用完全的面向对象的方法来进行w i n d o w s 9 5 n t 应用程序的开发，从而大 量的节省了应用程序的开发周期，降低了丌发成本，也使得程序员从大量的复杂劳动中 解救出来。用m f c 编写的程序也更加便于维护和扩充。 ( 2 ) 编译功能强大，优化编译效果好。m f c 类库应用程序几乎与w i n d o w ss d k 第二章多边形连续加工仿真系统总体方案设计 样短，运行速度有时比相应的w i n d o w ss d k 程序更快。 ( 3 ) 简便的消息处理机制和强大的在线帮助能力，给程序的开发带来了极大的方便， 使w i n d o w s 编程不再深奥和晦涩，而是一件有意义并且有趣的事情。 ( 4 ) 完善的向导功能。所提供的a p p w i z a r d 、c l a s s w i z a r d 及资源编辑器等极大减小 了编程的繁杂程度，提高了程序的设计效率。高度集成化的基于v i s u a l 的工作平台，如 属性页、打印和打印预览、浮动的和可以定制的工具条等，使编程变得更加的容易。同 时给程序设计、调试带来极大的方便。 ( 5 ) 对数据库访问技术的支持是最彻底的。 2 p m e 简介 三维设计软件p 阳e 是美国参数技术公司于1 9 8 8 年推出的一款c a d c a m 脚 一体化软件。作为三维实体设计体系的软件平台，可以在立体造型设计的基础上进行产 品的模拟装配、有限元分析计算、机构的运动仿真及计算机辅助制造等。p r o e 把设计、 分析及制造集于一体，可以在同一台计算机上全部完成。p r o e 自问世至今已经在电子、 机械、工业设计、汽车、自行车、航天、家电、玩具及模具等各个行业得到广泛应用。 p r o e 可谓是全方位的三维产品开发软件，集合了零件设计、产品装配、模具开发、钣 金件设计、铸造件设计、造型设计、逆向工程、自动测量、机构仿真、运动仿真、有限 元分析及产品数据管理等于一体。p 删宦能够满足设计制造、分析、仿真及优化等各种 功能，同时p f 0 e 提供了功能强大的二次开发接口，可以在其基础上直接进行二次开发 1 3 7 1 o p 嘞但是基于特征的参数化实体造型软件，它的应用涉及到三个基本概念：实体造 型、参数化、特征。p r o e 系统开发环境最突出的特点就在于它能够支持并行工程，通 过一系列足以表现外形、装配性能的全相关性解决方案，可以让用户同时在几个技术领 域处理同一个产品模型。这些能力包括造型设计、机械设计、功能设计、加工以及产品 信息管理等。p r o e 是一个强有力的3 d 实体模型设计软件，不仅c a d 功能超强，而 且同时具有c a e 和c a m 的功能。内容包括工业设计、大型装配件设计、数值模拟、制 造加工及产品数据管理。另一方面，支持同时针对一个产品的并行工程设计。其主要的 功能有：3 d 实体模型( s o l i dm o d e l ) 、单一数据库( s i n g l ed a t ab a s e ) 、全相关性( f u l l a s s o c i a t i v i t y ) 、基于特征的参数化造型( f e a t u r e - - b a s e dp a r a m e t r i cm o d e l i n g ) 、数据管 理( d a t am a n a g e m e n t ) 、易用性( e a s eo fu s e ) 及硬件独立性( h a r d w a r ei n d e p e n d e n c e ) 。 p r o e 可以在u n i x 和w i n d o w s 9 8 2 0 0 0 n t 等几乎所有的操作系统上运行，并在每个系 统中都维持相同的界面。用户可以根据自己的需求，选购硬件和模块f 3 9 1 。 3 p r o t o o l k i t 二次开发简介 p r o t o o l k i t 是p t c 公司为p r o e 软件提供的开发工具包，即应用程序接口( a p l ) ， 其主要目的是让用户或第三方通过c 程序代码扩充p r o e 系统的功能，了f ：发基于p r o e 系统的应用程序模块，从而满足用户的特殊要求。它提供了大量的c 语言库函数，能够 使外部应用程序( 客户应用程序) 安全有效地访问p r o e 的数据库和应用程序，通过它 第：三方能够在p r o e 系统中添加所需要的功能。不仅如此，还可以利用p r o t o o l k i t 提供 的u l 对话框、菜单以及v c 的可视化界面技术，设计出方便实用的人机界面，从而大 第二章多边形连续加工仿真系统总体方案设计 大提高系统的使用效率。p r o t o o l k i t 能实现与p r o e 的无缝集成，它以c 语言为依托， 封装了许多针对p r o e 底层资源调用的库函数和头文件。通过调用p r o t o o l k i t 中的库函 数，编写外部应用程序，可以方便、安全地访问p r o e 的数据库及其应用程序，进行二 次开发，扩展p r o e 功能1 3 。 p r o t o o l k i t 应用程序主要有两种模式：同步模式( s y n c h r o n o u sm o d e ) 和异步模式 ( a s y n c h r o n o u sm o d e ) 【3 射。同步模式下，p r o e 根据注册文件中的信息启动p r o t o o l k i t 应用程序，p r o t o o l k i t 应用程序和p r o e 产生各自的进程，程序的控制权在两个进程之 间切换，该应用程序不能够独立于p r o e 而运行；在异步模式下，p r o t o o l k i t 应用程序 和p r o e 能够进行各自的操作，在通信方面，异步模式使用远程调用( r e m o t ep r o c e d u r e c a l l s ，r p c ) 方式，p r o t o o l k i t 应用程序能独立于p r o e 启动运行。 4 m a t l a b 简介 m a t l a b 的名称源自m a t r i xl a b o r a t o r y ，它是一种科学计算软件，专门以矩阵的形式 处理数据。m a t l a b 将高性能的数值计算和可视化集成在一起，并提供了大量的内置函 数，从而被广泛地应用于科学计算、控制系统及信息处理等领域的分析、仿真及设计工 作，而且利用m a t l a b 产品的开放式结构，可以非常容易地对m a t l a b 的功能进行扩充， 从而在不断深化对问题认识的同时，不断完善m a t l a b 产品以提高产品自身的竞争能力 【4 0 j o 目前m a t l a b 产品族可以用来进行：数值分析、数值和符号计算、工程与科学绘图、 控制系统的设计与仿真、数字图像处理、数字信号处理及通讯系统设计与仿真。 m a t l a b 是m a t l a b 产品家族的基础，它提供了基本的数学算法，例如矩阵运算，数 值分析算法，m a t l a b 集成了2 d 和3 d 图形功能，以完成相应数值可视化的工作，并且 提供了一种交互式的高级编程语言m 语言，利用m 语言可以通过编写脚本或者函数文 件实现用户自己的算法。 m a t l a bc o m p i l e r 是一种编译工具，它能够将那些利用m a t l a b 提供的编程语言m 语 言编写的函数文件编译生成为函数库、可执行文件及c o m 组件等等。这样就可以扩展 m a t l a b 功能，使m a t l a b 能够同其他高级编程语言例如c c + 糟言进行混合应用，取长 补短，以提高程序的运行效率，丰富程序开发的手段。 5 v e r i c u t 简介 v e r i c u t 是美国c g t e c h 公司开发的一种运行于w i n d o w s 或u n i x 平台的先进专业数 控加工仿真软件，它能够真实地模拟在j j i - r 过程中刀具的切削、加工零件、夹具、工作 台及机床各轴的运动情况。利用v e r i c u t 可以仿真多种形式的数控加工程序文件，如g 代码。g 代码能够同时驱动刀具、机床各工作台及各轴的运动，可以用于机床仿真。v e r i c u t 数控加工仿真系统，具有较强的三维加工仿真、验证及优化等功能。它包括以下几个模 块【4 1 l ： ( 1 ) v e r i f i c a t i o n 模块三轴验证及分析，提前检测碰撞、干涉及过行程等错误，并 在日志文件中记录错误内容。 ( 2 ) m a c h i n es i m u l a t i o n 模块提供虚拟机床及其作用环境的建模功能；解读可识 别的数控代风 第二章多边形连续加工仿真系统总体方案设计 据。 ( 3 ) o p t i p a t h 模块修正进给率，使刀具路径更快、更有效。 ( 4 ) m o d e le x p o r t 模块从n c 刀具路径创建c a d 兼容模型。 ( 5 ) m u l t i a x i s 模块提供4 轴及5 轴验证。 ( 6 ) a u t o d i f f 模块实时擦伤检查和模型分析，并与c a d 设计模型相比较。 ( 7 ) m a c h i n ed e v e l o p c r sl ( i t 模块定制v e r i c u t 功能，用来解释复杂或不常用的数 ( 8 ) a d v a n c e dm a c h i n ef e a t u r e s 模块提高v e r i c u t 仿真复杂机床功能的能力。 ( 9 ) c a d c a mi n t e r f a c e s 模块从c a d c a m 系统内部无缝运行v e r i c u t 。 ( 1 0 ) v e r i c u tu t i l i t i e s 模块模型修复工具和转换器。 2 2 多边形连续加工仿真系统的设计原则和设计目标 2 2 1 系统的设计原则 系统总体设计时应遵循的原则如下