（机械制造及其自动化专业论文）图形仿真加工系统的研究与开发.pdf

图形仿真加工系统的研究与开发， 机械制造及其自动化专业 研究生郭成操指导教师刘荣忠 随着计算机技术的发展，计算机图形技术在机械制造领域得到了广泛的应 用，图形仿真加工技术就是其最重要的应用之一。所谓图形仿真加工，就是遵 循计算机图形学的基本原理，根据n c 代码，在计算机上模拟显示机械加工的 过程。图形仿真加工技术综合运用了计算机技术、图形图像技术、多媒体技术、 软件工程、信息处理、自动控制等多个技术领域的知识，是- - f l 新兴的高科技 技术。它在减少损失、节约经费、缩短开发周期、提高产品质量等方面发挥了 重大的作用。 在开发图形仿真系统的过程中，广泛使用s u a ic _ h 开发工具和o p e n g l 技术。作者在v i s u a lc h 中采用o p e n g l 三维实体建模技术，针对m n c _ 一 c x z 3 0 0 型多功能数控机床，兼顾其它数控系统，开发了三维数控动态仿真加 工系统。该系统能与制造学院c i m s ( 二) 研究室开发的g a p t 图形自动编程 系统相集成，实现了自动编程和加工仿真的一体化。该课题主要完成了以下内 容： ( 1 ) 深入研究了o p e n g l 图形图像编程技术，采用面向对象的编程方法设 计了o p e n g l 与v i s u a lc + + 间的通用接口类c g l 。 ( 2 ) 以v c 卜+ 为开发工具，设计了与g a p t 图形自动编程系统的接口和n c 代码编辑器，该编辑器可以对n c 代码进行编辑与修改。 ( 3 ) 深入研究了复杂曲面的仿真加工算法，设计出仿真加工模块，实现了 车、铣、钴加工过程的三维仿真。采用o p e n o l 视图变换技术，实现了对图像 的缩放、旋转和平移，以便对仿真过程进行仔细观察；采用o p e n g l 透明处理 技术，解决了仿真时观察孑l 径和孔深的问题。 ( 4 ) 设计帮助模块，方便用户使用。 该系统界面友好，使用方便，可移植性强，功能全，通用性好。可用于实 际生产和数控教学与培训| 。适合我国国情，符合数控技术的最新发展方向。 关键词：数控 o p e n g l图形仿真仿真加工 四川大学硕士学位论文 r e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t o f n cs i m u l a t i v em a n u f a c t u r i n g m a j o r ：m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n g & i t sa u t o m a t i o n p o s t g r a d u a t e g u o c h e n g c a o a d v i s o rl i u r o n g z h o n g w i t ht h ed e v e l o p m e n to f c o m p u t e r s ，t h eg r a p h i ct e c h n o l o g i e so fc o m p u t e r s h a v eb e e ng r e a t l yu s e di nm a c h i n em a n u f a c t u r i n g , a n dt h eg r a p h i cs i m u l a t i n g m a n u f a c t u r i n g h a sb e e no n eo ft h em o s ti m p o r t a n tu s e s t h eg r a p h i cs i m u l a t i n g m a n u f a c t u r i n g i st h e t e c h n o l o g y t h a ts h o w st h e p r o c e s s o fm a c h i n e m a n u f a c t u r i n ga c c o r d i n gt ot h en cp r o g r a mo n t h eb a s eo fb a s i cp r i n c i p l eo f c o m p u t e r sg m p h i c s t h et e c h n o l o g y o f g r a p h i cs i m u l a t i n gm a n u f a c t u r i n g s y n t h e t i c a l l y u s e s c o m p e e rt e c h n o l o g i e s ，鲋a p h i ct e c h n o l o g i e s ，m u l t i m e d i a t e c h n o l o g i e s ，s o f t w a r ee n g i n e e r i n g ，i n f o r m a t i o np r o c e s s i n gt e c h n o l o g i e s ，a n d a u t o m a t i c a l l yc o n t r o l l i n g ，i ti san e w a n d h i g ht e c h n o l o g y i th a sp l a y e dam o s t i m p o r t a n t r o l ei na b r i d g i n gt h et i m eo f d e v e l o p i n gp r o d u c t s ，d e p r e s s i n gt h ec o s t o fm a n u f a c t u r e ，a d v a n c i n gt h e q u a l i t y o fp r o d u c t sa n dt h e e f f i c i e n c y o f p r o d u c t i o n ，a n d s oo n i nt h ec o u r s eo f d e v e l o p i n gt h es y s t e mo f g r a p h i c s i m u l a t i n gm a n u f a c t u r i n g ， v i s u a lc + + i st h em o s tu s e dt o o la n dt h eo p e n g li st h em o s tu s e dt e c h n o l o g y a i m i n g a tt h em u l t i f u n c t i o n a ln cm a c h i n em n c c x z 3 0 0 a n da tt h es a m et i m e p r o p e r l yg i v i n ga t t e n t i o n s t oo t h e rn cm a c h i n e s ，ih a v ed e v e l o p e dt h i s3 d g r a p h i cs i m u l a t i n gm a n u f a c t u r i n gs y s t e m t h i ss y s t e m i si n t e g m t e dw i t ho a p t g r a p h i c a u t o m a t i c p r o g r a m m i n gs y s t e m ，w h i c h r e a l i z e st h ec o m b i n eo f a u t o m a t i c p r o g r a m m i n ga n d s i m u l a t i o no fp r o c e s s t h i st h e s i sh a sm a l n l y a c c o m p l i s h e dc o n t e n t sa sf o l l o w s ： ( 1 ) h a v i n gr e s e a r c h e dd e e p l yt h et e c h n o l o g yo fg r a p h i cp r o g r a m m i n gb y o p e n g l ，s e t t h e c o m m o nc l a s s o f c g l w i t h t h e t e c h n o l o g y o f t o e ( 2 ) h a v i n gd e s i g n e dt h en ce d i t o r a n dt h ei n t e r f a c ew i t ht h eg a p t s y s t e m t h e n ce d i t o ri su s e dt oe d i tn c p r o g r a m ( 3 ) h a v i n gd e e p l yr e s e a r c h e d t h es i m u l a t i n gm a n u f a c t u r i n gm e t h o d so f a b s t r a c t c o m p l i c a t e df a c e s h a v i n gd e s i g n e dt h es i m u l a t i n gm o d u l e ，w ec a nn s et h e s y s t e mt o n t a k e3 d s i m u l a t i n go ft u r n i n g ，m i l l i n g ，d r i l l i n gi n t oo n e h a v i n g i m p r o v e d t h e s i m u l a t i n gm e t h o d so ft u r n i n gt h r e a d ，d r i l l i n g h o l e s ，m i l l i n g e l l i p s e a n dm a n u f a c t u r i n gc i r c l e s t h e s i m u l a t i n gm a n u f a c t u r i n gs y s t e mc a n r o t a t e - e n l a r g e o rd e f l a t et h eg r a p h i c sf r e e l ys ot h a tw ec a r lc a r e f u l l yo b s e r v et h e s i m u l a t i n g ( 4 ) t h es y s t e mh e l pm o d u l eh a sb e e nd e s i g n e d u s e rc a l lc o n v e n i e n t l yu s e i t t h i s s y s t e m h a st h ec h a r a c t e r i s t i c so f f r i e n d l yi n t e r f a c e ，s i m p l e m a n i p u l a t i o n ，g o o dp o g a b i l i t y , a l l - r o u n df u n c t i o na n df i n e rv e r s a t i l i t y i tn o t o n l yc a nb eu s e di nw o r k ，b u ta l s oi nn ct r a i n i n g i tf i t st h en e e d so f o u rc o u n t r y a n da c c o r dw i t ht h en c t e c h n i q u e sl a t e s td e v e l o p m e n td i r e c t i o n k e y w o r d s ：n c ，o p e n g l ，g r a p h i cs i m u l a t i n g , s i m u l a t i n gm a n u f a c 衄d n g 1 1 1 第章绪论 第1 章绪论 1 1 从制造业的发展趋势看仿真技术在制造业中的作用 在工业发达国家，计算机仿真技术在制造业中的应用已有三十多年的历 史。随着计算机和数控机床的逐渐普及，c a d c a m 技术发展十分迅速，带来 了制造业的巨大革命。从设计到加工的整个过程，应用计算机进行信息处理， 使传统的彼此分离的设计与制造实现高度的一体化，使生产效率提高几倍甚至 几十倍，不仅缩短了产品开发周期，而且提高了产品质量。 然而，对于复杂产品的设计和制造，仅有c d 忙 m 是不够的，因为采用 c a d c a m 仍需依靠设计人员的经验来设计产品形状，靠工艺人员的经验来编 写加工工序，而不能分析产品的设计性能和加工性能，这样他们总是优先考虑 一些成熟的方案，也导致设计制造水平徘徊不蒯“。采用c a e 技术( 计算机仿 真) 以后设计人员能够通过计算机模拟产品的使用过程和加工过程，进行强 度校核缺陷预测，提出改进方案，再重新进行模拟，直至生成最佳的设计和 工艺方案。这就减少甚至避免了传统产品设计制造中，不断试验、修正、再试 验、再修正的实验调试过程大大缩短产品开发周期，提高产品质量，增加了 产品和企业的竞争能力。 1 1 1 制造业的发展趋势 ( 1 ) 自动化水平越来越高 提高生产率的核心是提高生产的自动化水平。近年来，n c 、d n c 、c n c 等技术的普遍应用，加速了生产自动化的发展，智能机器人的应用更使长期手 工操作的工序实现了自动化操作。 ( 2 ) 柔性化水平越来越高 为了快速响应市场要求，增强产品的竞争力，要求生产过程能及时更换产 品品种。统计资料表明，在欧、美和日本的制造业中中小批量生产的产品在 数量上约占8 5 ，在产值上约占6 0 7 0 。为使生产更具有柔性，继n c 技 术之后，f m s 、c i m s 应运而生吲。 ( 3 ) 追求生产系统的整体效益 随着制造业的发展，单机生产效率大大提高，主机生产效率远远超过物流 四川大学硕士学位论文 系统的效率。生产系统的整体效益因而受到影响，主机效率的发挥也受到牵制。 人们越来越认识到，要想缩短生产周期、降低生产成本、提高产品竞争力，必 须追求生产的整体效益，必须随时保持生产各环节的均衡与协调f m s 、c i i v l s 的出现就是这一目标的体现。 上述3 种发展趋势，使每个生产管理者面临的将是一个个结构复杂，工作 节奏快，灵活多样的生产系统。面临这样的系统，每一个生产管理决策，每一 个系统改进措施都需要谨慎考虑，否则将需付出巨大的代价。同时，由于系统 越来越复杂，节奏越来越快准确预测决策给系统带来的影响，已非人脑所能 胜任。 正是在这样的背景下诞生了仿真技术。 1 1 2 仿真技术的作用 仿真技术就象是望远镜、显微镜，可以将所关心的每个局部生产过程或系 统的整体生产过程呈现出来，供生产管理者分析、判断、评价。同时，仿真技 术又象会计师，可以快速地将所关心的生产过程的统计数据提交出来供生产 管理者参考。 传统的检验数控程序正确性的方法是用试切木模、蜡摸或塑料模的方法进 行检验。而在计算机环境下，利用数控仿真方法进行数控程序的正确性检验是 一种新的方法。通过对零件加工过程的仿真，可以检查数控代码的正确性，还 可以检查加工过程中刀具与工件、机床、夹具之间是否存在干涉( 包括碰撞和 过切) 。加工过程仿真可以比较真实地反映实际的切削加工过程，并且可以立 刻进行改正在仿真过程中发现的错误。这种不需要通过数控机床进行试切来检 验数控代码正确性的方法具有快速直观、省时方便的特点。它既节省了人力和 物力提高了生产效率，又保证了加工质量，适应现代市场对产品开发制造的 要求。 由此可见，现代制造业的发展离不开仿真技术。 1 2 仿真技术在制造业中的应用 仿真就是对复杂的显示系统经过一定的抽象和简化，形成系统的模型，然 后在分析的基础上运行此模型从而得到系统的一系列统计性能。仿真原理如 图1 1 所示。 2 第一章绪论 阿妻素畔鉴百亘r _ 坌1 4 运行砸 图1 1 仿真原理 广义而言，仿真可分为物理仿真( 即建立并运行系统的物理模型) 和数学 仿真( 即建立并运行系统的数学模型) 。由于仿真是以系统模型为对象的研究 方法，而不干扰实际的生产系统，且仿真可以利用计算机快速计算的能力用 极短的时间模拟实际中很长的生产周期，因此，仿真具有以下优点：避免资金、 人力、时间等的浪费：加快决策周期；可以多次重复仿真，寻求优化的方案等。 仿真技术在制造业中的应用，有以下几个方面： ( 1 ) 评价生产系统的规划设计 在新系统建立前，设计人员可以通过仿真，将系统的整体配置及运行过程 呈现在设计者面前，通过仿真分析，找到设计存在的问题，寻求优化的设计方 案，以减少风险投资。 ( 2 ) 控制物料 通过对库存的仿真，可以动态地掌握出库、入库情况，正确地掌握订货的 实际与尺度。 ( 3 ) 协调各工序的生产节奏 多工序组成的生产加工系统，各工序生产节奏一般是不协调的可通过对 生产过程仿真找到生产“瓶颈”所在，调整设备、调配人力，使系统发挥最大 的潜力，达到协调高效生产。 ( 4 ) 辅助生产调度 生产调度者在下达生产调度计划前，对该计划进行仿真，可以预测生产运 行结果，并根据调度者的目的修改计划，直到满意为止。也就是说，仿真能帮 助生产调度者选择一种较优的调度策略。 仿真技术在上述4 个方面的应用是最普遍的。除此之外，还可运用仿真技 术对生产系统进行可靠性分析；对生产过程的资金进行分析与预测：对产品经 常进行分析与预测等。 世界各国在制造业中应用仿真技术的经验表明用仿真技术来评价新系统 的规划设计，可使企业节约投资5 1 0 。在日常生产管理中运用仿真技术， 四川大学硕士学位论文 可提高生产率3 0 左右，并可大大降低废品率。 1 3 数控仿真的发展现状与存在的问题 1 3 1 数控仿真的发展现状 数控加工一般包括以下几个过程：( 1 ) 对图样进行分析，确定需要数控加 工的部位：( 2 ) 利用图形软件对需要数控加工的部分进行几何造型；( 3 ) 根据 加工条件，选择合适的加工参数，生成刀具轨迹；( 4 ) 仿真检验：( 5 ) 生成 n c 代码文件并传给机床。 由此可见，上述工作需要人与计算机相互配合、共同完成。其中需要大 量的计算和重复性的工作，如刀具轨迹计算、仿真检验、n c 代码生成等。基 本上可由计算机完成而人只需指定加工部位与工艺条件。优秀的计算机仿真 数控加工软件可以让用户方便地建立起工件的几何模型( 曲面与实体模型) ， 同时只要用户在系统的引导下输入少量数据( 工艺参数等) ，就可以迅速地完 成相关的加工编程工作，而且系统具有相当的柔性，可以适应不同类型的情况， 对切削加工过程进行仿真，快速检验n c 程序，避免发生碰撞和干涉。 目前，流行的计算机数控加工仿真系统主要有以下几种：u n i g r a p h i c s 是高 档c a m 软件的代表，其加工方式完备计算准确，实用性强，是航空、汽车、 造船行业的首选c a m 软件。c i m a t r o n 9 0 是中档c a m 软件的代表，该软件 产自以色列其实用性强，也是航空、汽车、电子、模具行业广泛应用的c a m 软件。m a s t c tc a m 是低档c a m 软件的代表，主要应用在中小企业的模具行业。 c a x a m e 是国内c a m 软件的代表，主要面向中小企业。由于市场的国际化， 全球竞争要求产品的制造过程具有高速度和低成本。产品更新的速度越来越 快市场需求朝着小批量、个性化方向发展。传统的小而全的企业模式已越来 越丧失竞争力，各种形式的合作开发、生产和销售方式应运而生。因此，异地 设计、异地编程、异地加工越来越被众多企业采用，虚拟制造技术也应运而生。 虚拟制造是应用计算机技术，对产品的设计、加工、装配等工序统一建模，形 成虚拟的的生产过程，从而产生了虚拟产品、虚拟企业。虚拟制造技术使厂家 可以在不同的城市甚至不同的国家通过i n t o m c v i n l r a n c t 进行设计、加工，共享 同产品模型从而大大提高效率，降低成本。虚拟制造技术实际上是一种软 技术，其中，产品建模、数据共享和加工过程仿真是虚拟制造技术的基础。 4 第一章绪论 数控加工仿真软件的主要特点是具有c a d c a m 的系统集成性，比较成熟 的c a m 系统主要以两种形式实现c a d c m 系统集成：一体化的c a d c a m 系统( 如：u g i i 、e u e l i d 、p r 矾烈g 脏腿等) 和相对独立的c a m 系统( 如： m a s t e r c a m 、s u r f c a m 等) 。前者以内部统一的数据格式直接从c a d 系统获取产 品几何模型，而后者主要通过中性文件从其它c a d 系统获取产品几何模型。 1 3 2 数控仿真存在的问题 目前进行的机械加工过程仿真，主要存在以下两种情况。一种是从研究金 属切削的角度出发，仿真某具体切削过程内部各因素的变化过程，即研究其切 削机理供生产实际与研究应用。另一种是将加工过程仿真作为系统的一部分， 重点在于构造完整的虚拟制造系统。但这两种方式的仿真方法是相同的。即对 机械加工工艺系统建立连续变化模型，然后用数学离散方法将连续模型离散为 断续点，通过分析这些离散点的物理因素变化情况来仿真加工过程。由于机械 加工过程仿真还处于起步阶段目前存在以下几方面的问题： ( 1 ) 仿真的加工形式少，研究范围窄p 1 。 在切削加工众多的种类与形式中，目前的仿真加工主要集中于车削、铣削 和磨削等。同时，这些加工方法的仿真也局限在很窄的范围内。如铣削仿真多 是仿真立铣刀与端铣刀，而这种仿真系统对其他种类的铣刀如加工成形表面用 的成形铣刀就无能为力。一方面是因为铣削加工种类繁多，存在着铣平面、铣 外圆、铣外形、铣型腔、铣螺旋槽、铣齿轮等多种铣削形式；另一方面是因为 铣削加工理论复杂，不同的加工方法、刀具形状的加工模型有较大差别。目前 的仿真系统大多数只能进行几何仿真，即刀位轨迹仿真、工件与刀具的干涉校 验等，有人称之为n c 校验。但在机械加工过程中，几何校验只是前提条件， 更为重要的是切削力、刀具振动及刀具磨损等在切削过程中起决定因素的各物 理量。 ( 2 ) 物理仿真考虑理想状态，与实际有较大差距。 在目前的仿真系统中预先设定了大量的假设因素，如设定工艺系统刚性满 足要求、无振动，加工材料结构统一、无硬点等缺陷，刀具无磨损切削要素 不发生变化等。这种假定的理想状态不能将切削过程中的随机干扰如工件硬点 造成的材质变化、振动造成的切深变化等因素考虑进去，使仿真系统不能真实 地反映实际切削过程。 s 四川大学硕士学位论文 ( 3 ) 仿真手段限制仿真系统的发展。 仿真技术的发展与计算机技术紧密相连。过去由于计算机软、硬件的限制， 造成仿真时间长，编码工作量大，程序可读性、维护性差等，这些都为仿真工 作带来许多困难。目前应用c + + 语言及面向对象的方法( o o p ) 开发仿真系统 已成为发展潮流。以上问题己引起研究人员的重视，今后的仿真制造系统将朝 着快速运行、面向多种加工方式，更加符合实际状况的方向发展。 1 3 3 数控加工过程仿真的研究目标及方法 数控车削加工和数控铣削加工是目前应用最广泛的数控加工方法，因此对 数控车削、铣削加工过程进行仿真具有重要的理论研究与实际应用价值。数控 车削加工仿真将对数控车削能够完成的各种工作如外圆、端面、倒角、螺纹、 曲线等加工形式中的几何及物理因素的变化情况进行模拟与预测，建立起面向 数控车削的仿真系统。数控铣削加工仿真将对数控铣削能够完成的各项工作如 铣平面、铣孔、铣外形、铣内腔等加工形式中的几何及物理因素的变化进行模 拟与预测，建立面向数控铣削的仿真系统。 因此，数控仿真系统应具有以下的功能： ( 1 ) 建立起面向数控机床的完善的数控仿真系统，为实际生产过程提供 可靠、优化的n c 代码，实现数控智能加工。 ( 2 ) 建立面向实际加工过程的仿真系统，综合考虑实际加工中的各种于 扰因素，使仿真过程高度真实地反映实际生产过程。 ( 3 )由于具有对n c 代码进行验证与优化的过程，仿真系统能够极大地 避免实际加工过程中可能出现的各种异常现象，简化了实际加工过程中检测与 诊断设备，提高了加工安全性与经济效益。同时仿真系统还能逼真地模拟数控 加工过程，可作为虚拟机床进行数控机床加工培训与维护等工作。 1 4 数控仿真系统的发展趋势 迄今为止，国内外已开发研制出的绝大多数数控仿真系统只能称为个几 何仿真系统。如清华大学与华中理工大学共同开发的加工过程仿真器h m p s 和 哈尔滨工业大学的数控加工过程3 维动态图形仿真器n c m p s ，它们较好地解 决了加工过程图形的描述及数控代码验证问题，但并没有模拟仿真出数控切削 6 第一章绪论 加工时机床、刀具、工件所实际表现出的物理特陛。近年来，质量系统已成为 各国热点，产品质量保证在c i m s 的重要性也越来越明显【4 】。 在现代加工生产中，为提高生产效率，获得较高的加工精度，关键的也可 以说是决定性的一步是，在加工之前能够给出加工参数( 如合理选择刀具、主 轴转速、进给速度等) 的合理评判以及对产品质量的合理预测。如果能够建立 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，对影响加工质量的刀具、夹具及工 件的弯曲、疲劳、振动及温升进行科学的预测，来获得优化的加工过程参数( 如 合适的刀具，迸给率等) 。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，避免了传统的查手册或按经验来确定加工参 数的保守状况，充分发挥了机床的潜能，大大提高了生产效率，而且可阻对加 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。 1 5 本课题研究的内容和意义 1 5 1 本课题研究的内容 目前，开放式的c n c 加工系统，尤其是三坐标多轴联动数控加工机床的 应用愈来愈广泛。过去，判别某一加工程序正确与否的方法是采用蜡模或木模 等按照加工程序进行试切，根据最后结果来判定程序的正确性。这样既浪费 时间，又浪费人力和物力。 因此，在柔性制造的大势所趋之下，研制开发一种适合于经济型数控加工 的功能全面的三维仿真软件，在加工之前，让设计人员在c r t 上看到将要加 工成型的实体造型，快速、直观、形象逼真地在毛坯实体模型上再现零件余量 被实时切除的过程，不断对所编的数控加工程序进行修改，保证工件形状正确， 防止加工中出现工件过切和刀具与机床发生碰撞、干涉的现象是具有现实意义 的。 本课题在大量研究的基础上，利用基于o p e n g l 的计算机仿真和动画技术， 7 四川大学硕士学位论文 在v i s u a lc + + 6 0 程序开发环境下在w i n d o w s 操作平台上，采用基于数控代 码的仿真方法，针对四j | i 大学制造学院c i m s ( 二) 研究室和工业培训中心联 合研制的m n c c x z 3 0 0 型多功能数控机床，研究与开发了数控加工过程的三 维动态几何仿真系统。该系统与g a p t ( 图形自动编程系统) 相集成，实现了 自动编程和加工仿真的一体化。该课题主要完成以下内容： ( 1 ) 对系统进行了总体规划和设计。 ( 2 ) 在对数控系统进行了深入研究的基础上，实现了刀具轨迹生成。 ( 3 ) 建立了轴类、盘套类车削零件和板料类铣削零件的毛坯库。 ( 4 ) 研究计算机仿真、建模方法。将面向对象技术引入数控加工仿真系 统的研究与开发中，提高数控j n t 过程仿真系统研究的质量。 ( 5 ) 设计了g a p t ( 图形自动编程) 软件和数控加工仿真软件的接口。 ( 6 ) 设计了友好的用户界面，便于用户方便灵活地进行仿真加工。 ( 7 ) 设计出n c 文件编辑器，可以对n c 文件进行编辑、修改。 ( 8 ) 设计出数控程序检查器、解释器很好地解决数控代码的计算机识 别与分析问题。 ( 9 ) 建立了刀具模型库，利用图形交互方式进行刀具的参数设置。 ( 1 0 ) 设计了o p e n g l 与v i s u a lc + + 6 o 间的接口软件，以便在v i s u a l c + + 6 0 开发环境中实现三维动画加工场景制作。 ( 11 ) 对车削仿真和铣削仿真的算法进行了深入的研究，设计出仿真加工 模块，实现车、铣、钻加工过程的三维仿真。迸一步完善车削仿真加工和对复 杂零件进行铣削的仿真。深入研究并实现了对螺纹、孔、椭圆曲线和圆弧曲面 等的加工仿真。在孔加工时，采用透明处理，能方便地观察到孔径和孔深。 ( 1 2 ) 设计联机帮助系统，便于用户使用。 1 5 2 本课题研究的意义 ( 1 ) 本系统通过对n c 程序的仿真，不仅可以清楚地表达加工刀具的位置 和进给的快慢及深度，而且也可以发现其它错误信息( 如过切或欠切、加工路 线不佳、刀具选择不当、刀具与夹具或非加工区的干涉等) 。从而只需人工少 量干预，即可十分方便地进行错误修改、n c 代码调试和检验等工作，直到获 得合格的数控加工程序。它集编辑、检验、仿真于一体，针对具体的n c 代码 进行比较全面的检验因而检验的结果更接近实际加工。它是编制零件数控加 r 第一章绪论 工程序方便、实用的调试工具。 ( 2 ) 本系统在科研生产和教学实践中具有很强的实用性。它既可用于制造 企业的实际生产，也可用于企业或教育部门的技能培训。 ( 3 ) 本系统集成了g a p t 图形自动编程模块，计算机对零件图进行必要的 数学处理后便可自动生成数控加工程序。同时，还可在计算机屏幕上动态地显 示刀具的加工轨迹。这种方法具有编程速度快、精度高、直观性好、使用方便、 便于检查等优点是目前国内外先进的c a d c a m 软件所普遍采用的数控编程 方法。在实现加工自动化、提高加工精度和加工质量、缩短产品研制周期等方 面具有重要作用。 ( 4 ) 本系统主要针对学校的m n c - - c x z 3 0 0 型多功能数控机床，但系统柔 性较大，对n c 代码经过少量修改，可以适应不同类型的数控系统，对切削加 工过程进行仿真。 ( 5 ) 相对于2 d 或3 d 线框性质的加工过程刀具轨迹模拟，本系统仿真加 工的真实感较强，根据n c 代码，能够在c r t 上真实她显示整个零件的加工过 程。 ( 6 ) 本课题的研究具有前沿性。加工过程仿真是虚拟制造技术的基础。虚 拟制造是应用计算机技术，对产品的设计、加工、装配等工序统一建模，形成 虚拟的的生产过程，从而产生了虚拟的产品、虚拟的企业。虚拟制造技术使厂 家可以在不同的城市甚至不同的国家通过i n t e m e t s n t r a n e t 进行设计、加工，共 享同一产品模型，从而大大提高生产效率，喇氐成本。虚拟制造的概念，集中 体现了仿真技术应用的分布、交互和集成化趋势，是计算机仿真在制造业中应 用的展望。本课题对计算机仿真的研究和加工过程仿真的实现，为本研究室进 一步作虚拟制造技术的研究作了有益的探索。 四川大学硕士学位论文 第2 章仿真系统的总体设计 由于计算机技术的不断改进和计算机图形学的飞速发展计算机仿真技术 在制造系统中得到了广泛的应用。如果采用仿真加工来代替或减少实际中的试 切工作，将对数控加工具有十分重要的作用。系统是以v i s u a lc + + 6 0 开发环境 为支撑，运用可视性和面向对象的编程( o o p ) 方法，采用o p e n g l 技术，开 发的具有w i n d o w s 界面支持的适用于数控车、铣、钻加工的三维图形仿真系统。 2 1 仿真系统的总体设计思想 仿真系统的使用对象主要是本校生产的m n c c x z 3 0 0 型多功能数控机 床，同时经过少量修改，也可以用于其他数控系统。要设计n c 代码仿真系统 主要解决的问题包括：n c 代码的识别问题，即将不同格式的n c 代码转化为 通用接口可以识别的指令；通用代码翻译系统和仿真系统的集成问题以及刀具 轨迹的生成和切削动态仿真问题。 2 1 1 数控加工的编程方法 数控机床常用的编程方法有两种，分为手工编程和自动编程。 ( 1 ) 手工编程 手工编程使用一般的计算工具，从写算式、填写程序单等都由人工完成， 因此，速度慢，很容易出错。但是这种方法比较简单，容易掌握，适应性较强， 适合于中等复杂程度以下、计算量不大的数控编程。l 嘲 ( 2 ) 自动编程 自动编程是用计算机把人们易懂的零件程序改写成数控机床能执行的数 控加工程序，编程的大部分工作由计算机完成。编程人员只根据零件图纸及工 艺要求，输入有关工艺参数、工件材料，计算机自动进行处理，计算出刀具中 心轨迹，输出零件数控加工程序。 虽然许多c a m 软件系统能自动完成数控加工的程序编制工作但对于技 术人员而言掌握手工编程技术对掌握c a m 软件的使用方法、正确使用数控 设备、理解自动编程系统的设计原理、自行设计特殊零件) j o t 的数控编程系统 等，具有重要的意义。 第二章仿真系统的总体设计 2 1 2 系统的设计原则 为了缩短零件从加工到设计的开发周期提高加工质量，减少制造费用， 本系统在设计仿真时遵守了以下原则： ( 1 ) 实用性：即设计的仿真系统应该具有实际的应用前景。 ( 2 ) 先进性：即设计的系统在主要技术上应具有一定的先进性。 ( 3 ) 可靠性：即系统能够准确地模拟数控加工过程仿真结果可靠 ( 4 ) 可移植性：为了使研究成果进一步推广应用，系统采用标准的编程语 言和图形软件进行编码实现，尽量减少对硬件的依赖性。 2 1 3 系统的设计目标 本仿真软件所要实现的功能目标为： ( 1 ) 对输入的数控程序进行分析、识别、编译。 ( 2 ) 提供用户操作界面，使用户能够输入仿真所需要的参数。这些参数 包括：数控程序被加工工件的图形，刀具库信息，工件材料库信息。 ( 3 ) 根据编译结果，对该程序所控制的加工过程在屏幕上进行动态仿真。 ( 4 ) 提供对数控程序进行编辑的功能，以便用户根据演示结果随时对数 控程序进行修改、保存。 ( 5 ) 能够选择仿真类型，是车削仿真还是铣削仿真等。 ( 6 ) 能够对仿真进行开始、暂停、继续、停止等操作。 ( 7 ) 对视图进行各种移动、旋转、放大、缩小、恢复等操作。 ( 8 ) 可以选择背景的颜色以及对孔加工时的透明处理。 2 1 4 系统结构 本系统包含6 个模块模块总体结构图如图2 1 所示。 ( 1 ) 刀具输入及显示模块 该模块由车削刀具模块和铣削刀具模块两个子模块组成。各子模块由刀具 文件支持。根据具体的加工情况，车削刀具文件中包括外圆车刀、端面车刀、 三角螺纹车刀、梯形螺纹车刀、切槽( 断) 刀、中心钻、麻花钻等刀具。铣削 刀具文件中包括立铣刀、端铣刀、麻花钻及中心钻等刀具。当输 或修改刀具 文件时，用户可按j 顶序依次输入刀具名称，参数及补偿量，在退出该模块以前， 所有新输入或修改后的信息将重新存入刀具文件。 1 】 四川大学硕士学位论文 ( 2 ) 毛坯输入及显示模块 该模块由车削毛坯模块和铣削毛坯模块两个子模块组成。各子模块由毛坯 文件支持。车削毛坯文件中的毛坯主要是棒料、盘套类零件毛坯，铣削毛坯文 件中的毛坯主要是板料。毛坯文件包含毛坯的几何尺寸和材料等。根据零件的 情况，毛坯的几何尺寸和坐标位置可由用户以人机对话方式输入。 眄磊蕊羽 ji _ 一一1 f 仿真结果ff 帮助f l 检验模块i 模块l 图2 1 系统摸块总体结构图 ( 3 ) 零件程序调用模块 零件程序一般可由手工编程或者由g a f f 图形自动编程得到，以文件形式 存入计算机磁盘中。同时在零件程序调用模块，能够对文件进行编辑，以便 用于不同的数控系统。 ( 4 ) 切削仿真模块 该模块是本系统的核心。首先打开工件程序文件、刀具文件和毛坯文件， 然后对工件程序逐行进行解释，对于不同功能的n c 代码，系统给以不同的处 理。根据处理结果对零件进行仿真加工。 ( 5 ) 仿真检验模块 。 系统可以对加工过程的刀具干涉情况和仿真结果进行检验，如果有干涉情 况产生或仿真结果不正确，则要修改n c 代码。通过这种方式来保证加工仿真 的可靠性。 ( 6 ) 帮助模块 帮助模块对数控的基本名词、术语等进行解释，并详细讲解本软件的使用 问题。 系统的仿真过程如图2 2 所示： 第二章仿真系统的总体设计 图2 2 仿翼加工过程图 2 2 n c 代码的处理 2 2 i 仿真接口设计和实现 通过对数控机床数控系统的分析可以发现，各种n c 代码指令不同的原因， 归根结底在于在现实加工生产环境中c n c 控制器的设计和实现的不同。而对 于数控机床来讲，c n c 控制器的设计必然要根据机床的硬件功能。对于同类机 床，比如车床、铣床等。它们的基本功能都大同小异。如无论哪个厂家生产的 数控车床，其车床主体功能必然支挣决速定位、直线插 、圆弧插补、螺纹加 工及换刀等。 同时，各种n c 代码指令集的不同点主要体现在以下两方面： ( 1 ) 由于c n c 生产厂家对其产品的改进，往往将几个基本功能指令集成 在一个指令当中，从而提出新的指令。如f a n u c 6 t 车床数控系统中的g 9 2 螺纹切削循环指令，就可以分解为三条有序的基本的机床指令：g 0 0 ( 快速定 位) 、g 3 2 ( 单行程螺纹切削) 、g 0 0 ( 快速返回) ，这几个指令的循环使用就完 成了g 9 2 指令的工作。 ( 2 ) 为了在编程时可以缩短程序段的长度，减少程序所占的内存，数控 系统指令集中又引进了一些精加工中使用的循环指令，而在实际解释和执行时 则是多条简单的基本指令的重复执行如f a n u c - - 6 t 车床数控系统，为了实 现精加工形状的信息，在粗加工中途可自动改变刀具轨迹的功能，引进了复合 l 四川大学硕士学位论文 型固定循环指令( g 7 l g 7 6 ) 。 为实现仿真系统的通用性，首先要解决n c 代码识别的通用性。通过以上 分析，需要设计一个基于基本功能的通用接口，即基于仿真的虚拟数控系统所 识别和处理的指令集，这个指令集是整个仿真系统设计的核心之一。由于采用 基于功能的抽象归纳，该指令集具有良好的扩展性。旦将来发现本仿真系统 支持的某种类型的c n c 系统的指令有所更改( 往往是由于相应的机床功能有 所增强和改进) 或要支持新的c n c 系统，只需对指令集进行必要的扩充，不 会对整个系统有根本性的改动。采取c 语言结构的方式，指令集表示如下： t y p e d e f s t r u c tt a g s y s f o r m a t i n tb ：当前n c 代码行号的信息 e l l u mg ；数控机床的基本加工功能 d o u b l ex ： d o u b l ez ； d o u b l ei ： d o u b l ek ： i n ty ；控制机床加工的几何信息 i n tt ；机床的换刀功能 i n tf ；机床的进给速度 堍s ；7 主轼转速 e n u mm ；主轴状态 e n u mc ；冷却液的开和关 ls y s f o r u 口： 在系统具体实现时，除t 代码外f 、s 、m 、g 代码的作用只是在n c 程 序仿真状态栏中显示相关信息，但这些代码后面加上必要的数字信息才能真正 体现n c 程序在实际加工中对机床的控制。 建立虚拟数控系统的接口指令集后，不同格式的n c 程序就可以根据所表 达的控制信息与仿真系统的接口指令集一一对应起来。通过代码翻译模块， 转化为虚拟数控系统能识别的通用指令格式文件。由于仿真系统的接口指令集 是最基本功能的集合因此，翻译后的通用指令格式文件比原n c 代码文件长。 1 4 第二章仿真系统的总体设计 2 2 2 代码翻译流程 系统给出的通用仿真接口是基于数控机床的功能和状态的。因此，在代码 翻译过程中，也存在着一个系统定义 的“虚拟机床”它和仿真系统中所 要模拟的虚拟数控系统有很大的相似 之处。根据n c 代码，将虚拟机床运 行一次，把基本功能的状态变化过程 记录下来，存储在系统定义的通用格 式文件中。经过转化而存储的虚拟机 床状态信息，指导虚拟数控系统控制 仿真系统模拟加工过程。翻译流程图 如图2 3 所示，整个翻译过程通过预 处理后有三遍扫描。采用类似的方法， 可以将不同格式的n c 代码文件( 即不 同型号的数控系统能够识别的n c 代 码) 转化为以统一的仿真接口指令为标 准的系统可识别的指令格式。 2 2 3n c 代码翻译与仿真系统的集成 翻译系统初始化 读入一杼n c 代码 预处理去除非几何信息和工艺信息 将n c 代码转换为字格式 第一遍扫描，取出状春信息 第二遍扫描，转为仿真系统指令集格式 第三遍扫描，对特殊指令的特殊处理 譬恒到 为了使系统能适应m n e _ c x z 3 0 0 型多功能数控机床n c 指令的翻译，需 要针对该机床数控系统的指令格式开发相应的翻译模块。仿真系统提供标准的 接口，对该机床的c n c 系统开发出翻译模块。为了使系统具有柔性，在翻译 模块中，设计出一个通用n c 指令翻译子模块，对通用的n c 指令进行了翻译， 如g 0 1 、g 0 2 、g 0 3 等；同时，针对m n c c x z 3 0 0 型多功能数控机床数控系 统的具体情况，设计出个专用翻译子模块，该模块用来翻译在m n c c x z 3 0 0 型多功能数控机床数控系