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双刀车削数控编程若干技术的研究 摘要 双刀车削加工采用两把刀同时加工零件，可以缩短工时，提高生产效率， 在批量生产中得到广泛应用，但是数控程序编制较困难。本文综合应用计算机 图形学、数控加工技术等学科知识，完成数控编程系统中的工艺交互界面的设 计和工艺信息的处理等任务。主要研究内容如下： 1 分析国内外数控技术发展现状。从数控机床的性能、功能、体系结构等 方面阐述了数控技术的发展趋势，介绍了利用p c 技术的最新成果促进国内数控 技术的发展。 2 阐述了数控编程中手工编程和自动编程方法的特点和适用范围。介绍了 开发软件v c n e t 和o b j e g t a r x 。 3 深入研究了a u t 0 c a d 的菜单扩展功能，包含菜单的编译、加载、卸载和 a u t o c a d 菜单的类型。实现人机工艺交互界面的设计。 4 研究左右刀架加工任务的分配原则，工步切入、切出段规划方法和切削 段规划方法，切削用量的确定。采用各个实体端点比较的方法来对零件轮廓几 何数据进行重新排序，并用链表对加工工艺信息进行存储和修改。 关键词：双刀加工数控编程数控车削v c n e to b j e c u r x r e s e a r c ho nt e c h n o l o g yo ft w i n c u t t e rn c t u r n i n g p r o g r a m m m i n g a b s t r a c t t h e r ea t w oc u t t e r si nt w i n c u t e rt u r n i n gp r o c e s s w h i c hi sa b l et os h o r t e n m a n - h o u ra n di m p r o v ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c y , a n di ti sw i d e l yu s e di nn 硅l s s p r o d u c t i o n b u t i ti sd i f f i c u l tt o d e s i g n i t sn c ( n u m e r i c a l c o n u o d p r o g r a m i n t e r a c t i v ei n t e r f a c e so fp r o c e s sa n dd e a l i n gw i t ht i n f o r m a t i o no fp r o c e s s h a sb e e nf i n i s h e d t h em a i nc o n t e n t sf i l ea sf o l l o w i n g ： 1 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 ct e c h n o l o g yi sd i s c u s s e d t h e i r f e a t u r e so fs t r u c t u r ea n df u n c t i o na r cd i s c u s s e d s p e e d i n gl l pt h ed o m e s t i cn u m e r i c a l c o n 行o ls y s t e mb yt h el a t e s tt e c h n o l o g yo f p ch a v eb e e np r o p o s e d 2 f e a t u r e sa n da p p l i c a t i o nf i e l do ft y p i c a lp r o g r a m m i n gm e t h o d , s u c ha s m a n u a lp r o g r a m m i n ga n da u t o m a t i c a l l yp r o g r a m m i n ga l ee x p o u n d e d v c n e ta n d o b j e c t a r xa r ed i s c u s s e d 3 d e v e l o p m e n to fa u t o c a dm e n uh a sb e e nl u c u b r a t e d ，i n c l u d e i n gt r a n s l a t i o n o fm e n u , l o a d i n go fm e n u , u n l o a d i n go fm e n ua n dt h et y p eo fm e n uf i l e t h e i n t e r a c t i v ei n t e r f a c e so f p r o c e s sh a sb e e nf i n i s h e d 4 a s s i g n i n gp r i n c i p l eo ft w ot u r r e t si sr e s e a r c h e d t h ep l a n n i n gm e t h o do f c u t - i ns e g m e n t ，c u t i n gs e g m e n t , c u t - o u ts e g m e n ta n dt h e i rc u r i n gp a r a m e t e r sa r e d i s s c a s s e d t h es c h e d u l i n gp r o b l e mo fg e o m e t r i c a li n f o r m a t i o ni sr e a l i z e db yt h e p o i n to fe n t i t yc o m p a r i s o nm e t h o d , w h i l et h el i n k e dl i s t - c l i s ti su s e dt os o l v et h e s t o r a g ea n dm o d i f i c a t i o no f t h em a c h i n i n gt e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r s k e yw o r d s ：t w i n - c u t e rt u r n i n g ；n cp r o g r a m m i n g ；n ct u r n i n g ； v c n e t ；o b j c c t a r x 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 - 6 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图4 1 图4 2 图4 - 3 图4 - 4 图4 5 图4 - 6 插图清单 手工编程 a f r r 语言编程 1 0 a d s 、a u t o l i s p 、0 b j b c t a p j ( 和a u t 0 ( c a d 闻的关系1 2 a u r o c a d 对象类层次结构示意图1 4 创建实体对氛1 5 扩展菜单2 6 版本信息框2 7 工步规划框2 8 创建a p j o v l f c p r o a e c r 3 1 o b j e c t a r x a p p l i c a t i o n 对话框。3 2 i n s e r tr e s o u r c e 对话框3 2 数据交换3 4 火车车抡图3 6 a u t o c a d 数据库3 8 旬柄、对象i d 和c + + 实例指针的关系3 9 实体的几何信息4 3 加工磁 径4 6 双向链表4 9 表3 表3 表3 - 表4 - 字符含义 菜单文件类型 表格清单 数据变量类型。 按不同方式打开对象 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注和致谢的地方外，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 金目墨王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一周工作的同志对本研究所傲的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文作者签名：卷粮烛 签字日期：u 刁| 年钿日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金l 王些太堂有关保留、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，允许论文被查阅和借阅。本人授权金 胆王些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，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) 学位论文作者躲朱狲战 签字日期：弘砷年月“ 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 孝至兹堕 撕期叩占月细 电话； 邮编： 致谢 本人在三年的硕士研究生课程学习和撰写学位论文的过程中，自始至终得 到了我的导师桂贵生教授的悉心指导，无论从课程学习、论文选题，还是到收 集资料、论文成稿，都倾注了桂老师的心血，由衷感谢桂贵生老师在学业指导 及各方面所给予我的关心以及从言传身教中学到的为人品质和道德情操，桂老 师广博的学识、严谨的治学作风、诲人不倦的教育情怀和对事业的忠诚，必将 使我终身受益，并激励我勇往直前。 衷心感谢柯尊忠老师、王健强老师、沈国新高工等对我的关心、指导和帮 助。 衷心感谢课题合作厂马钢车轮轮箍股份有限公司的刘敏高级工程师、孟兵 工程师等提供的各种资料和设备。 衷心感谢我的舍友张永斌博士、单成伟硕士，在与他们的交流中使我受益 非浅。同时感谢他们对我生活、学习方面的帮助。 衷心感谢仓公林博士、贾庭会硕士、赵汝海硕士、高雷博士、张大勇硕士、 张艳硕士、张萍硕士、滕二硕士、李小磊硕士、路广硕士、康家乐硕士等对我 的帮助。 衷心感谢机制实验室的同学们，你们给了我很大帮助。 感谢本科，硕士时期的同学们，与他们交流我得到不断提高。 感谢父母对我的养育之恩，感谢所有关心、支持、帮助过我的亲人和朋友 们。 作者：朱颖斌 2 0 0 7 年5 月2 6 日 1 1 概述 第一章绪论 数控技术是2 0 世纪7 0 年代发展起来的机床控制技术，它是综合了微电子技 术、计算机技术、现代控制术、传感检测技术、网络通讯技术、液气压传动技术、 机械制造技术等形成的一种高新技术。数控机床作为数控技术的典型产品，它是 柔性制造系统( f m s ) 、计算机集成制造系统( c i m s ) 和智能制造系统( 以s ) 的 重要组成部分。而数控加工程序的编制是数控机床实现零件加工的一项重要工 作。 1 2 数控技术的发展概况 1 2 1 数控技术的现状 数字控制( n u m e r i c a lc o n t r o l n c ) ，简称为数控，是一种自动控制技术， 它是用数字化信号对控制对象加以控制的一种方法。数字控制的对象是多种多样 的，但数控机床是最早应用数控技术的控制对象，也是最典型的数控化设备。数 控机床是一种装了数控系统的机床，最初的数控系统是由数字逻辑电路构成的专 用硬件数控系统，但随着计算机的快速发展，出现了计算机数控系统( c o m p u t e r n u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) 简称c n c 。c n c 系统是由计算机承担数控中的命令发生器和 控制器的数控系统，它只需改变系统软件，即可产生控制某种特定设备的功能， 因此具有更大的通用性和灵活性m ”j 。 纵观国内外数控系统，从结构上看大体有三种形式。第一种以日本f a n u c 公司为代表，由于大批量生产和技术保密的需要，采用专用集成a s i c 芯片，自 行设计基本硬件和软件，获得较好的技术和经济效益，并以此控制与其合资的公 司，使其在技术上永远处于从属地位。这种类型的数控装置大多用于中档数控机 床，量大面广，适合于组织大批量生产，在可靠性和经济性上有很大优势。目前 这种结构的c n c 装置已有逐步向经济型发展的趋势，如f j 心c 2 1 t ， f a g o r - 8 0 0 等装置。第二种是总体模块化结构的数控装置，其代表产品有 f a n u c 一1 5 ，s i m e n s 一8 8 0 ，f a g o r - 8 0 5 0 ，a d 8 5 0 0 及英国c o n t r o lt e c h n i q u e s 公 司的d i r e c t a x r - n c 等。这类产品在技术上已经成熟，用于多轴控制的高档数控机 床。在器件上多采用3 2 位r i s c 芯片，数学协处理器( m a t h e m a t i c a lc o m p r o c a s s o r ) 及动态存储器等新技术，进一步提高了系统的运行速度和精度。第三种以德国的 m h 公司、美国a i 公司、意大利f i d i a 公司为代表，由于批量小、资金不雄厚、 而采用通用计算机部件作为数控系统的基础。充分利用通用微机丰富的软件资源 和随通用计算机硬件升级的优势，也始终保持着在技术上的局部领先，占有一定 的市场份额。 我国的数控系统经过几个五年计划的努力，己经取得了很大的成绩。“六五” 期间的技术引进、散件组装。七五”期间的消化吸收、国产化。到“八五”期 间自行开发具有我国自己版权的中高档数控系统。我们己经培养了一支队伍、涌 现了一批企业，开发了我国数控机床发展所需要的各种档次的数控系统，如中华 i 型、华中i 型、航天i 型和蓝天i 型等。但国内市场有待于进一步开发，以中华、 航天、蓝天、华中为代表的国产高档数控系统售价仅为国外的二分之一至三分 之一，但销售量仅占国内总量的2 以下；普及型系统的销售量约占销售总量的 3 0 札3 3 ；经济型数控系统的市场销售量占销售总量的6 5 籼8 9 6 。我国曾经成功利 用经济型数控系统将约2 万台普通机床( 主要是车床) 改造为经济型数控机床、并 占领了这块市场【l ，5 j 。但在普及型和高档型系统上，还有很多工作要做。 1 2 2 数控技术的发展趋势 ( 1 ) 建立基于p c 机、具有开放式体系结构的数控系统i l 川 根据i e e e 定义、开放系统应该能够使符合系统规范的各种应用系统运行于 不同销售商的不同平台之上，可以与其他应用系统实现相互操作，并提供一致风 格的用户交互界面。一般认为，开放式体系结构应具备四个特点：相互操作性、 可移植性、可缩放性、可互换性。 ( 2 ) 高速化、高精度和高自动化 为了适应机床高速和高精度加工的需要，世界各国的数控设备生产商都致力 于提高系统的控制精度和加工速度。要求数控系统能够高速插补，计算出伺服电 机的位移量，伺服电机可以在极短的时间内达到指定的运行速度、并在高速运行 中保持高的定位精度。 ( 3 ) 智能化 数控技术的另一个发展趋势是加工过程的智能化。带有自适应控制功能的数 控技术的另一个发展趋势是加工过程的智能化。带有自适应控制功能的数控系统 可以在加工过程中根据切削力和切削温度等加工参数，自动优化加工过程，从而 达到提高生产率，增加刀具寿命并改善加工的表面质量等目的。刀具破损监控和 刀具智能管理功能可以智能地管理刀具，使刀具保持最佳工作状态。建立以工艺 参数数据库为支撑的、具有人工智能的专家系统指导加工。 ( 4 ) 网络化 为适应制造业的网络化和全球化发展趋势，数控系统的网络化功能也日趋重 2 要。在企业内部，具有网络功能的数控系统可以充分实现企业内部的资源和信息 共享，适应未来车间面向任务的订单的生产发展模式，使底层生产控制系统的集 成更加简便有效。在生产企业之间，数控系统的网络化功能可以更好地适应敏捷 制造( a m ) 等先进制造模式。同时，系统制造商也可以通过系统的网络功能进行 远程诊断服务。 ( 5 ) 提供数字伺服接口和更高的通讯功能 数字伺服系统具有高速、高精度和无漂移等特点，发展非常迅速，并已经在 数控机床上获得广泛应用。数控系统应该可以通过数字通讯接口和通讯协议来控 制伺服轴、主轴和p l c - i o 接口。 ( 6 ) 多功能化和小型化 一机多能的数控系统，可以最大限度地提高设备的利用率。数控加工中心便 是一种能实现多工序加工的数控机床。由于蓬勃发展的机电一体化设备，对c n c 系统提出了小型化，使体积小型化便于将机、电装置揉合为一体。 p c 机进入数控领域，极大地促进了数控技术的发展，也为我国数控技术赶 上世界先进水平创造了一个良好的机遇。我国的数控系统研究机构和制造商们要 紧紧抓住这一机遇。充分利用p c 机技术的最新成果、开发出具有开放式体系结 构、智能化程度高、支持网络功能、精度高、速度高的新一代数控系统来占领国 内、外市场【i 。 1 3 双刀车削数控编程技术研究现状 目前国内商品化的软件中，c a t i a 、d i b b s c a m 和i - d e a s 均具有双刀数控车 削的功能。但是他们针对双主轴双刀架车床开发的，由于c n c 的复杂性和机床结 构布局的差异性，他们编出的c n c 程序与实际生产尚有一定的距离。 合肥工业大学于1 9 9 5 年基于m i c r o s t a t i o n 习z 台研制出单刀数控车削自动编程 系统n c g a p t 2 ，1 9 9 8 年研制出双刀车削数控自动编程系统n c g a p t 4 。这两套系 统通过图形交互方式，可以完成复杂回转零件从模型建立到数控加工工步规划和 n c 代码生成等各项任务，2 0 0 2 年又完成了多制式数控自动编程和仿真系统的开 发，从而建立了完整的双刀车削数控自动编程体系【拍】 1 4 双刀车削数控编程关键技术分析 复杂回转体零件双刀车削加工编程涉及工艺规划、刀位数据生成、n c 代码 生成、加工仿真等内容。 1 4 1 加工方案与加工参数的合理选择 在保证技术要求的前提下，可以采用不同的工艺方案来完成车削加工。不同 工艺方案的效果不尽相同，应对工艺方案进行技术经济分析，以获得较优的工艺 方案。 不同的工艺方案通常在保证一定数量、质量和生产周期的前提下制定的，评 价不同工艺方案的技术经济效果，主要比较不同工艺方案的三个经济指标：成本 指标、投资指标和追加投资回收期睁i o 3 l4 6 l 。对于不同工艺方案也要进行其技术 经济分析，分析过程分为工艺成本计算、工艺成本比较和工艺路线优化三个步骤。 数控加工的效率和质量依赖于加工方案和加工参数的合理选择，刀具、走刀 路线和进给速度的自动化选择与自适应控制是近些年来研究的重点问题，目标是 在满足加工要求机床正常运行和一定刀具寿命的前提下具有尽可能高的加工效 率理论上，双刀加工的效率比单刀加工高一倍，但考虑到换刀、等待等各种因素， 实际加工效率大约可提高3 0 7 0 。这个浮动范围还是相当大的。 双刀同时加工除了加工效率以外，还有防止工艺干涉问题。例如工件以某一 转速回转时，处于不同切削位置上的刀具的切削速度是不同的，若切削速度差别 过大，则表面质量差别也较大。所以对于双刀数控车削来说，合理的加工方案和 加工参数选择更具有重要意义。 1 4 2 刀具轨迹的生成 刀具轨迹生成是复杂形状零件数控加工中最重要同时也是研究最为广泛深 入的内容，能否生成正确的刀具轨迹直接决定了加工的可能性、质量和效率。刀 具轨迹生成的目标是使生成的刀具轨迹满足无干涉，无碰撞、轨迹光滑、切削负 荷均衡等要求。刀具轨迹生成还应满足通用性好、稳定性好、编程效率高、代码 量小等条件 无干涉刀位轨迹的生成算法和干涉校验算法目前也是研究的一个熟点，因为 无干涉刀具轨迹是刀具轨迹生成的基本要求。双刀数控车削中，可能发生的干涉 有刀具与工件的干涉、刀具( 刀架) 间的碰撞、刀具与夹具的碰撞。其中以前两种 干涉最为多见。工步规划时应注意到这一点，最终还须通过加工过程仿真检验有 无干涉发生。 求出的刀位轨迹通常还要作适当的编辑。这是因为：刀具轨迹不只是零件 轮廓本身，往往需要对加工表面进行一定的延伸，并构造一些辅助线( 面) ，这时 生成的刀具轨迹一般都超出了加工表面范围，需要进行适当的裁剪和编辑：建 模时所使用的原始数据在不少情况下使生成的零件模型并不很光顺，这时生成的 刀具轨迹可能在某些刀位点处有异常现象，例如，刀具轨迹突然出现一个尖点或 4 不连续等现象。需要对个别刀位点进行修改。无论是上述何种情况，刀位轨迹编 辑均应使编辑后的刀位点严格控制在加工精度要求范围内。 1 4 3 后置处理 后置处理是数控编程的重要内容之一。它将通用前置模块生成的刀位数据转 换成适合于具体机床的n c 程序。有效的后置处理对于保证加工质量、效率与机床 可靠运行具有重要作用町，。 目前，国内外使用的c a m 系统很多，其输出的刀位文件格式不尽一致，而 且，数控机床和数控系统的功能、技术要求、数控程序结构与格式等存在很大差 异。为了适应多种刀位文件输入和多种数控程序输出的要求，通常定制开发针对 特定数控机床和特定数控系统的专用后置处理器，将刀位文件转换成为n c 代码。 这种后置处理方式需要编写数量众多的不同的专用后置处理程序，开发工作量很 大，在一定程度上影响了数控技术的推广应用。经过对各种数控系统的对比研究， 可以发现不同数控机床和数控系统的指令以及程序格式虽不尽相同，但仍有许多 共同点。例如，数控程序都是由程序段组成的，程序段由字代码组成，字代码由 地址符和数字组成，地址符意义基本相同等。这样，开发通用后置处理器就成为 可能 要使所生成的数控程序不经手工修改，直接应用于数控机床加工，则必须针 对每一台数控机床定制专用的后置处理器。这就要求开发人员熟悉所用的c a m 系统及所生成的刀具路径文件的格式，熟悉所用数控机床及其数控系统代码功能 及其表述格式。当面临的c a m 系统众多，机床及其数控系统众多的情况下，从 头开发专用后置处理器的工作就显得相当繁重。因此，近年来出现了以开发通用 后置处理器为基础，应用数控代码导向等相关技术定制数控机床专用后置处理器 的方法。实践表明，用通用后置处理器解决共性问题，用定制后置处理器解决个 性问题是一种有效的方法。后置处理器的定制是联结c a d c a m 软件与加工设备 的关键技术，它直接影响到c a d c a m 的集成，能够处理不同类型格式的刀具路 径文件，并做优化处理以适应不同类型的机床、不同类型的系统、不同的零件加 工需求，生成的n c 程序不需人工修改而直接应用于机床。这是后置处理技术的发 展方向。 1 4 4 数控加工过程仿真 数控机床g n n c 程序控制其加工过程，n c 程序是保证数控加工顺利进行的原 始数据，不正确的加工程序会导致生产事故，必须进行校验修改，直到试切成功。 由计算机生成的n c 程序直接送入机床加工仍较困难，原因如下：零件轮廓形状 的复杂多变，不一定能够完全正确地计算出刀位数据：加工工艺规划不合理可 5 能会导致干涉发生；切削参数选择不合理可能会引起机床过负荷等问题；由 刀位数据生h - e n c 代码时，可能有编码错误。n c 程序的错误后果是严重的，轻则 损坏刀具、报废工件，重则损坏机床乃至人身事故。因此，在；n c 程序生成后。 需要对其进行检验，并作必要的修改和完善睁1 1 1 n c 程序的检验方法常用如下几种 ( 1 ) 在正式加工之前在机床上空运行，这样只能对机床运动是否正确及有无 干涉碰撞做粗略的估计：若采用实物试切的方法，则可对加工过程及加工结果作 出较准确的判断。但试切是昂贵的。 ( 2 ) 在计算机上利用三维图形技术对数控加工过程进行模拟仿真，可以快 速、安全、有效地对n c 程序的正确性进行较准确的评估，并可根据仿真结果对 程序进行修改，从而避免反复的试切过程，降低了材料能源消耗和生产成本，提 高了生产效率。所以，数控加工过程仿真是n c 程序的经济，高效、安全、有效 的检验方法。 仿真能否达到预期效果，仿真模型是关键。换言之，仿真模型若不能真实 地描述实际系统，仿真结果的可信度就打了折扣。建立准确仿真模型是系统仿真 工作的基础。双刀加工中，每一个时刻每个刀架的位置( 以及相对位置) 由n c 程 序确定，因此仿真程序应能够使每个仿真单元在每一时刻尽可能地接近其指令位 置。这对计算机硬件有较高的要求，对于仿真程序设计中的时间分划算法也提出 了相应的要求。 1 4 5 加工分析 加工分析是根据n c 程序所包含的加工轨迹和工艺信息，生成零件加工轨迹 图和工艺参数表；对加工时间进行统计，生成双刀加工时间直方图。利用该图对 n c 程序所给出的加工过程、工艺数据和左右刀架的匹配关系，以及加工时间利 用率进行分析、评价和优化，力求无干涉时，单件工时最短。 1 5 本研究的课题来源、目标和内容 1 课题来源 本论文来源于马鞍山钢铁股份有限公司委托合肥工业大学开发的“采用 c a d c a m 技术，开发车轮加工中心自动编程系统”项目。 2 立项背景 双刀数控车削采用两把刀具同时切削工件，可以缩短工时提高生产效率，在 6 批量生产中得到广泛应用，但数控程序编制较困难。目前国内外关于数控车床自 动编程技术研究得较多，而双刀架数控车床自动编程技术研究的较少。根据企业 的需求开发双刀数控车削自动编程系统，该系统在计算机辅助下进行产品建模、 工艺规划、刀位数据计算、n c 程序生成和加工过程仿真等任务，从而提高数控 编程效率和质量 3 课题研究目标 双刀车削数控自动编程系统的具体研究目标是： ( 1 ) 自动生成双刀数控加工刀位数据文件和n c 程序。 ( 2 ) 实现双刀数控加工过程二维仿真，校验n c 程序。 ( 3 ) 对加工过程进行统计分析，优化n c 程序，力求在无干涉情况下单件加工 工时最短。 4 本论文的主要研究工作 本论文综合运用计算机辅助几何设计( c a g d ) 、计算机图形学、微分几何、 数控加工技术等多学科知识，完成数控编程系统的工艺交互界面的设计和工艺信 息的处理等。 5 本论文的主要内容 本论文的主要内容如下： ( 1 ) 综述数控技术国内外现状，并从数控机床的性能、功能、体系结构等 方面阐述数控技术的发展趋势。论述了国内双刀车削数控编程技术的研究现状。 介绍双刀车削数控编程系统的一些关键技术。 ( 2 ) 叙述了数控编程的两种方法( 手工编程和自动编程) 的特点，介绍了 开发软件：o b j e e t a r x 、v c n e t 。 ( 3 ) 讨论a u t o c a d 菜单的扩展，其中包括菜单的编译、加载、卸载，实现 用户工艺交互界面的设计。 ( 4 ) 针对双刀同时j j n - r ，进行工艺规划。通过选择人机工艺交互获取加工 工步工艺数据，并用链表存储这些信息。 1 6 本章小结 ( 1 ) 综述数控技术在国内外的发展现状。从数控机床的性能、功能、体系 结构等方面阐述了数控技术的发展趋势，介绍t p c 技术促进数控技术的发展情 7 况。 ( 2 ) 阐述了双刀车削技术的发展现状，分析了在开发双刀车削数控编程系 统时几个的技术问题。 ( 3 ) 介绍本研究的课题来源、研究目标和研究内容。 8 第二章数控编程方法与编程软件 2 1 数控程序编制的方法 数控编程的方法有很多，通常分为手工编程和自动编程( 计算机辅助编程) 。 1 手工编程 手工编程是指编制零件数控加工程序的各个步骤，即从零件图纸分析、工艺 决策、确定加工路线和工艺参数、计算刀位轨迹坐标数据、编写零件的数控加工 程序单直至程序的检验，均由人工来完成。如图2 - 1 所示。 对于点位加工或几何形状不太复杂的轮廓加工，几何计算较简单，程序段不 多，手工编程即可实现。如简单阶梯轴的车削加工，一般不需要复杂的坐标计算， 往往可以由技术人员根据工序图纸数据，直接编写数控加工程序。但对轮廓形 状不是由简单的直线、圆弧组成的复杂零件，特别是空间复杂曲面零件，数值计 算则相当繁琐，工作量大，容易出错，且很难校对，采用手工编程是难以完成的， 必须采用自动编程来。 2 自动编程 自动编程是采用计算机辅助数控编程技术实现的，需要一套专门的数控编程 软件，现代数控编程软件主要分为以批处理命令方式为主的各种类型的语言编程 系统和交互式c a d c a m 集成化编程系统。 a p t 是一种自动编程工具( a u t o m a t i c a l l yp r o g r m n r n e dt 0 0 1 ) 的简称，是对工 件、刀具的几何形状及刀具相对于工件的运动等进行定义时所用的一种接近于英 语的符号语言。在编程时编程人员依据零件图样，以a p t 语言的形式表达出加工 的全部内容，再把用a p t 语言书写的零件加工程序输入计算机，经a p t 语言编程 系统编译产生刀位文件( c u t e rl o e a t i 0 1 1d a t a ) ，通过后置处理后，生成数控系统 能接受的零件数控加工程序的过程，称为a p t 语言自动编程【拍】。如图2 - 2 所示。 采用a p t 语言自动编程时，计算机( 或编程机) 代替程序编制人员完成了繁 琐的数值计算工作，并省去了程序单编写的工作，因而可将编程效率提高数倍到 数十倍，同时解决了手工编程中无法解决的许多复杂零件的编程难题。 9 图2 1 手工编程 交互式c a d c a m 集成系统自动编程是现代c 燃删集成系统中常用的方 法，在编程时编程人员首先利用计算机辅助设计( c a d ) 或自动编程软件本身的零 件造型功能，构建出零件几何形状，然后对零件图样进行工艺分析，确定加工方 案，其后还需利用软件的计算机辅助制造( c a m ) 功能，完成工艺方案的制订、 切削用量的选择、刀具及其参数的设定，自动计算并生成刀位轨迹文件，利用后 置处理功能生成适用指定数控系统的加工程序。因此我们把这种自动编程方式称 为图形交互式自动编程。这种自动编程系统是一种c a d 与c a m 高度结合的自动 1 0 编程系统。如图2 - 3 所示。 图2 2a p t 语言编程 图2 3c a d c a m 集成编程 2 2 o b i e g t a r x 2 2 1 o b j e e t a r x 简介 a u t o c a d 是a u t o d e s k 公司推出的通用绘图软件，它具有最广大的用户群。 但是，要想使它真正适用于某一专业领域，还必须对它进行二次开发。a u t o d e s k 公司提供了丰富的开发工具。在a u t o c a d 二次开发中，可以使用的开发工具主 要有a u t o l i s p 、a d s 、o b j e c t a r x 等。这些开发工具与a u t o c a d 之间的通讯 有较大差别，其关系如图2 4 所示。其中就综合性能而言，o b j e 圮t a r x 的功能最 为强大。 外部进程 图2 - 4a d s 、a u t o l i s p 、0 b j e c t a r x 和a u t o c a d 间的关系 o b j e c t a r x 包含一组动态链接库( d l l ) ，这些库与a u t o c a d 在同一地址空 间内运行，直接利用a u t o c a d 的核心数据库结构和代码。库中包含一组通用工 具，利用这些工具可以充分利用a u t o c a d 的开放结构，直接访问a u t o c a d 的 数据库结构、图形系统，以及几何造型核心，以便能够在运行期间实时扩展 a u t o c a d 的功能，建立与a u t o c a d 本身的固有命令操作方式相同的新命令。 o b j e c t a r x 程序的本质是w i n d o w sd l l 程序。a u t o c a d 本身是一个典型的 w i n d o w s 程序，o b j e c t a p , x 程序与a u t o c a d 、w i n d o w s 之间采用w i n d o w s 消息 传递机制直接通信。它以c 抖语言为基本开发语言，具有o o p ( o b j e c to r i e n t e x l p r o g r a m ) 技术的许多特点，如数据封装、继承、多态性等。o b j c c t a r x 支持m f c ， 也就是说，能够利用m f c 编写功能强大、具有w i n d o w s 风格的用户图形界面程 序。o b j e c t a r x 还可实现许多其他功能，如支持多文档界面，创建自定义类，与 其他编程环境进行交互等。 o b j e c t a r x 主要包括5 个类库( a c u i ，a c e d ，a c d b ，a c c - i ，a c o e ) 和一个 与a d s 兼容的全局函数库a d s r x ，这个函数库是一个标准的c 函数库。从功 能上讲，可包含几乎上述5 个类库的全部功能，但它并不能代替o b j e c t a r x 类 库。在很多需要开发更基本的、底层应用程序时，必须使用o b j e c t a t c x 类库来 实现。在实际的应用程序开发过程中，可根据自己的经验来决定是使用 o b j c c t a r x 类库还是全局函数库。在大多数情况下，两种方式都可实现。但是， t 2 o b j e e t a r x 全局函数是开发o b j e e t a r x 应用程序的基础，也是o b j e e t a r x 类库 所不能替代的。对于简单的o b j c c l 啪( 应用程序，使用o b j e c t a l 全局函数非 常方便、并且易学易懂f 1 7 捌。 2 2 2 o b j e c t a r x 程序的基本结构和功能 o b j e c t a r x 程序通常由初始化程序和用户函数两部分组成。 初始化部分主要由头文件( 包含语句和外部函数说明及变量定义) 、入口函数 a e r x e n t r y p o i n t ( ) 定义、初始化函数定义和卸载。o b j e e t a r x 程序的函数定义四部 分组成。由于设计对话框用到了m f c 类库，因而，在初始化函数定义部分，除 了要调用a d d c o m m a n d 0 函数注册新的命令以外，还要调用m f c 类库的入口函 数d l l m a i n 0 。卸载函数u n l o a d a p p ( ) 仍调用d l l m a m ( ) 释放m f c 库所占的内存， 只是函数参数与加载不同。卸载函数的第二个功能是调用r e m o v e g r o u p ( ) 函数释 放用a d d c o m m a n d ( ) 函数定义的命令组。o b j e c t a r x 的初始化程序可作为一种相 对固定的模式，在实际应用中仅需要修该a d d c o m m a n d 0 函数的调用参数和编写 用户函数。 用户函数是程序的主体部分。包括了对话框的定义和激活、及用户设计的其 它功能。在先进的v i s u a lc + + 编程语言的支持下，极大地减小开发人员编程的复 杂性，使得编程更加简单、快捷，并能方便、高效的设计具有典型w i n d o w s 风格 的c a d 应用程序。因此，根据各个行业的行业习惯，把不同实体进行归类，编写 所需的菜单条和对话框去触发各个实体的属性、函数和方法。 2 2 3a u t o c a d 数据库概述 a u t o c a d 数据库( a u t o c a dd a t a b a s e ，简称a c d b ) 用来存储组成a u t o c a d 图的 对象和实体。基本的数据库对象是实体、符号表和字典。实体是在a u t o c a d 图内 部表示图的一种特殊数据库对象，线、圆、弧、文本、实心体、区域、复合线和 椭圆都是实体，用户可以在屏幕上看见实体并能对其进行操作。符号表和词典是 用于存储数据库对象的容器，这两个容器对象都映射一个符号名( 文本串) 到一个 数据库对象。a u t o c a d 数据库包含9 个符号表和对象字典，每一个符号表包含一 个特定符号表记录和一个符号表遍历器。符号表不能创建和删除，而且每个符号 表只包含一个特定类型的对象。如a c d b l a y e r t a b l e 只包含a c d b l a y e r t a b l e r e c o r d 类型的对象。符号表、符号表记录、字典和遍历器的类层次结构如图2 - 5 所示。 图2 - 5a u t o c a d 对象类层次结构示意图 其中，块表( a c d b b l o c k t a b l e ) 中存储实体的记录称为块表记录，即所有的实 体均存储在块表记录中，所谓实体是指带有图形表现的数据库对象，包括直线、 圆、弧线、文字、实心体、区域、样条曲线和椭圆等，它们是从a c d b e 蜘类派 生而来的。尺寸标注样式表、层表、线型表和文字样式表等均用来存储相应的表 记录。字典( a c d b d i c t i o n a r y ) 对象可以包含任何类型的a c d b o b j e c t 刘 象，包括其 它字典。一个字典对象一般不检查表项的类型，而m l i n e 线型字典只包括 a c d b m l i n e s t y l e 对象，组字典也只包括a c d b c r r o u p 对象。 2 2 4a u t o c a d 对象的创建 1 生成对象的方法 在a u m c a d 数据库中生成一个实体对象有下述四种方法： ( 1 ) 用a u t o c a d 命令生成一个对象。 ( 2 ) 用a u t o l i s p 的c o m m a n d ( ) 函数生成一个对象。 ( 3 ) 用a d s 的a d s - c o m m a n d o 函数生成一个对象。 ( 4 ) 用a r x 数据库操作函数生成一个对象。 无论采用何种途径生成一个对象，其结果都是在相应的数据库中写入有关记 录。在前三种方式中，向数据库写记录的操作f l j a u t o c a d 系统完成。后一种方式 在虹程序中直接调用有关函数实现写记录【m 1 9 l 。具体如图2 6 所示 1 4 图纸空同块表记录 2 创建实体对象的过程 图2 - 6 刨建实体对象 在a u t o c a d 数据库中，一个实体实际上是该数据库中的一条记录，其存储结 构为链表形式。在块表中存有分别指向模型空间和纸空间链表的指针，在模型空 间链表中存有指向存储实体的链表指针，存储实体韵表称为块表记录，由此看出， 生成一个实体对象的实质是向a u t o c a d 数据库的块表记录中增加一条记录。在 啪【应用程序中，创建实体对象的具体过程如下： ( 1 ) 通过调用a c d b c u r d w g 类的成员函数g e t b l o c k t a b l e ( ) ，获得当前图形的块 表指针。 ( 2 ) 调用a c d b b l o c k t a b l e 类的成员函数g c t a t ( ) ，获得当前图形的块表记录指 针。 ( 3 ) 调用a c d b 对象类创建对象，然后调用a c d b b l o c k t a b l c r e c o r d 类的成员函 数a p p c n d a c d b e n t i l y ( ) 将对象写入块表记录中。 2 3v c n e t 简介 v i s u a ld h 是m i c r o s o f t 公司推出的可视化面向对象程序设计o o p 软件开发系 统，目前己成为国内应用最广泛的软件编程工具之一。它与传统的c 语言完全兼 容，提供了面向对象的应用程序框架m f c ( m i c r o s o f tf o u n d a t i o n c l a s s c s ) ，即微 软的基本类库。m f c 封装了w i n d o w s 中大部分a p i ( 应用程序接口) 函数，其本质 就是一个包含了许多微软公司已经定义好的对象的类库，在我们各自的程序开发 过程中，虽然要编写功能各异的程序，但从本质上来讲，这些程序都可以归为用 户界面的设计，对文件的操作，多媒体的使用，数据库的访问，网络编程等。这 样我们可以利用面向对象技术中很重要的“继承”方法从类库中的已有对象派生 出我们自己的对象。这时派生出来的对象除了具有类库中的对象的特性和功能之 外，还可以由我门自己根据需要加上所需的特性和方法，产生一个更专门的、功 能更为强大的对象。当然，你也可以在程序中不使用m f c 的功能，完全由自己创 建一个全新的对象，并根据需要不断完善对象的功斛1 3 4 1 。 v c 是一个非常优秀的软件开发工具，它编译的文件不但比其它编译工具生 成的文件小，而且运行也非常平稳。它提供的基于c a s e 技术的可视化软件自动 生成和维护工具a p p w i z a r d 、c l a s s w i z a r d 、w i z a r d b a t 等，可以直观、可视地设 计程序用户界面，方便地编写和管理各种类。d e b u g 调试器可以方便的追踪程序 实时运