（机械电子工程专业论文）sinumerik+802d数控车削加工系统的研制.pdf

_ r 1 l 一 1 1 0 1 1 1 t 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 111111111111 y 17 3 2 8 3 1 苏州大学学位论文使用授权声明 本人完全了解苏州大学关于收集、保存和使用学位论文的规定， 即：学位论文著作权归属苏州大学。本学位论文电子文档的内容和纸 质论文的内容相一致。苏州大学有权向国家图书馆、中国社科院文献 信息情报中心、中国科学技术信息研究所( 含万方数据电子出版社) 、 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社送交本学位论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存和汇编学位论文，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。 涉密论文口 本学位论文属在l 月解密后适用本规定。 非涉密论文 1 论文作者签名：2 墨i 监 日 期：丝竺：竺：i j 导师签名：红么z 正查参日期：鲨二：竺12 j 1 ：j-lljj，j1j_1：! s i n u m e r i k8 0 2 d 数控车削加工系统的研制中文摘要 中文摘要 虚拟数控加工是真实加工过程在虚拟环境下的映射。其目标是建立一个真实 的可视化加工环境，用以仿真和评价各加工过程对加工结果的影响。 目前数控机床已经在制造业中得到广泛应用，为了避免因机床走刀错误而造 成数控设备损坏的危险，提高数控加工效率，缩短产品的生产周期，降低开发成 本，减少废品率，需要对数控加工过程进行仿真，以虚拟加工的形式在计算机上 完成对数控程序的检验；同时采用虚拟加工技术在对数控机床用户进行培训及数 控类课程的教学中也能大大提高教学效果。 本文以研制高品质虚拟加工系统为目标，对数控车削加工的三维仿真关键技 术进行了深入研究，针对s i e m e n s 数控系统机床在w i n d o w s 2 0 0 0 x p 平台上运用 v i s u a lc + + 6 0 和o p e n g l 图形技术独立开发出了虚拟数控车削加工系统。本文主 要完成了以下内容： 1 对三维几何造型理论进行深入研究，总结出当前解决几何造型问题的主要 方法，并提出了混合模式的建模方案。将虚拟加工三维场景中的几何模型进一步 划分为静态模型和动态模型，并针对静态模型开发了实体读入接口，实现了系统 平台的快速三维静态几何造型功能。 2 对虚拟加工场景建模技术进行研究，使用o p e n g l 显示列表技术构建了虚 拟组件库，并使用虚拟装配技术以苏州大学工程训练中心的c y n c 4 0 0 数控机床 为原型建造了虚拟加工三维场景。对数控插补技术和动画控制技术进行研究，构 建了虚拟机床的运动控制模型，实现了加工过程的三维动画仿真。采用空间单元 表示法构造了虚拟工件的动态几何模型。 3 分析数控语言结构，借鉴一般计算机高级语言编译技术，对数控程序进行 词法分析、语法分析、语义分析，系统地完成对数控程序各种错误的检验。 4 对碰撞和干涉检验技术进行研究，实现了系统对碰撞和干涉的图形检验和 报告生成。用户不仅可以从计算机显示器上直观地看到碰撞和干涉的情况，还可 以从报告中进一步了解碰撞和干涉的性质以及发生碰撞和干涉情况时的刀位点坐 标，为进一步完善数控程序提供了依据。 5 开发的虚拟控制面板完全仿真实际机床的界面，含有c r t 显示器和m d i 键盘操作面板，通过对面板上按钮的控制可以实现相应的操作功能，例如通过按 中文摘要s i n u m e r i k8 0 2 d 数控车削加工系统的研制 钮控制可以显示机床的各种参数、编辑或改动储存在控制器内的程序，也可以通 过按钮点击启动主轴顺时针或逆时针转动和调整转速等。 6 开发了帮助模块，对该系统现有功能和使用方法做出说明。 以上研究成果已经全部集成到本人独立开发的s i n u m e r i k8 0 2 d 数控车削加 工系统之中。经过实例分析，其逼真的仿真效果、良好的用户接口和虚拟控制面 板上的按钮控制功能给数控加工的教学和培训带来方便，具有很好的应用前景。 关键词：虚拟数控加工；几何建模；代码翻译；碰撞和干涉；虚拟控制面板 作者：周峰 指导教师：倪俊芳 r e s e a r c ho fs i n u m e r i k8 0 2 dc n ct u r n i n gs y s t e m a b s t r a c t r e s e a r c ho fs i n u m e r i k80 2 dc n c t u r n i n gs y s t e m a b s t r a c t v i r t u a lc n cc u t t i n gi sam a p p i n go ft h er e a lp r o c e s si nav i r t u a le n v i r o n m e n t t h e a i mo fi ti st od e v e l o pav i s i b l em a c h i n i n ge n v i r o n m e n tt os i m u l a t ea n de v a l u a t et h e i n f l u e n c eo fv a r i o u sm a c h i n i n gp r o c e s st om a c h i n i n gr e s u l t n o w a d a y s ，c n cm a c h i n et o o l s a r eu s e dw i d e l yi nm a n u f a c t u r i n g i no r d e rt o a v o i dt h es i t u a t i o nt h a tn ce q u i p m e n t sa r ed a m a g e db e c a u s eo fm a c h i n i n gt o o lr o u t e e r r o r s ，i m p r o v en cm a c h i n i n ge f f i c i e n c y , s h o r t e np r o d u c t i o nc y c l e s ，r e d u c e d e v e l o p m e n tc o s t s ，r e d u c et h er e j e e tr a t e ，t h es i m u l a t i o no fc n cp r o c e s s e si sn e e d e d ； c n cc o d e sa r ec h e c k e do nt h ec o m p u t e ri nv i r t u a lc u t t i n g o nt h eo t h e rh a n d ，i tc a l l a l s oi m p r o v eg r e a t l yt h ee f f e c to ft e a c h i n ga n dt r a i n i n go fc n cm a c h i n et o o l s t h ek e yt e c h n o l o g yo fc n ct u r n i n gs i m u l a t i o ni n3 di sd i s c u s s e di nt h i sp a p e r v i r t u a lc n ct u r n i n gs y s t e mi sd 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 po s ， v c + + 6 0a n do p e n g l t h i sp r o j e c ti sa c c o m p l i s h e d 鹊f o l l o w s ： 1 s u mu pt h em e t h o d so fs o l v i n g3 dg e o m e t r ym o l d i n gp r o b l e ma n dp u tf o r w a r d ab l e n dm o l d i n gm o d eo nt h es t u d yo f3 dg e o m e t r ym o l d i n g d i v i d et h eg e o m e t r y m o d e li n t os t a t i cm o d e la n dd y n a m i cm o d e l a ne n t i t yi n p u ti n t e r f a c ei sd e v e l o p e df o r t h es t a t i cm o d e l s y s t e mp l a t f o r mc a nm o l das t a t i c3 dg e o m e t r ym o d e lq u i c k l yb yt h i s i n t e r f a c e 2 av i r t u a lm o d u l el i b r a r yi sc r e a t e db yt h eu s eo fo p e n g ld i s p l a yl i s tt e c h n o l o g y t h e3 ds c e n eo fv i r t u a lc n ct u r n i n gs y s t e mi sb u i l tb yv i r t u a la s s e m b l yt e c h n o l o g y u s i n gt h ev i r t u a lm o d u l el i b r a r y , w h i c hi sr e f e r e n c e do nt h ec y n c - 4 0 0n u m e r i c a l c o n t r o lm a c h i n ei ne n g i n e e r i n gt r a i n i n gc e n t e ro fs o o c h o wu n i v e r s i t y m o t i o nc o n t r o l m o d e lo fv i r t u a lm a c h i n et o o li sb u i l tb yn u m e r i c a lc o n t r o li n t e r p o l a t i o nt e c h n o l o g ya n d 3 ds i m u l a t i o no ft u m i n gi si m p l e m e n t e db yc o m p u t e rc a r t o o nt e c h n o l o g y t h ed y n a m i c m o d e lo fv i r t u a lw o r k p i e c ei sb u i l tb yd i s c r e t em e t h o d 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 j lk i n d so fe r r o r si np r o g r a m m i n gc a nb e i i i a b s t r a c tr e s e a r c ho fs i n u m e r i k8 0 2 dc n ct u r n i n gs y s t e m 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 eg r a p h i c sc h e c ka n di n f o r m a t i o nr e p o r to fc o l l i s i o na n di n t e r f e r e n c ei s i m p l e m e n t e d u s e rc a l ln o to n l ys e et h eg r a p h i c sd i s p l a yo fc o l l i s i o na n di n t e r f e r e n c e ， b u ta l s ok n o wt h ec o o r d i n a t eo ft o o lp o s i t i o nw h e nc o l l i s i o no ri n t e r f e r e n c eh a p p e n s i t o f f e r sc o n v e n i e n c ef o ru s e rt oc o n s u m m a t eh i sn cc o d e 5 v i r t u a lc o n t r o lp a n e ld o e se x a c t l yt h es a m e 嬲t h ea c t u a lm a c h i n ei n t e r f a c e ， i n c l u d i n gc r td i s p l a ya n dm d ik e y b o a r do p e r a t i o np a n e l b yp r e s s i n gt h eb u t t o n s ，i t c a nr e a l i z et h ec o r r e s p o n d i n go p e r a t i o nf u n c t i o n s ，s u c ha ss h o w i n gv a r i o u sp a r a m e t e r s o ft h em a c h i n e ，e d i t i n go ra l t e r i n gt h ep r o c e d u r e sw h i c ha r es t o r e di nt h ec o n t r o l l e ra n d a l s oc a na c t i v a t et h es p i n d l ec l o c k w i s eo rc o u n t e r c l o c k w i s er o t a t i o na n da d j u s ti t ss p e e d t h r o u g ht h eb u t t o n s 6 t h eh e l ps y s t e mm o d u l ei sd e s i g n e df o ru s e r st oe a s i l yg e ts y s t e mh e l p s r e s e a r c h e sm e n t i o n e da b o v eh a v eb e e nf u l l yi n t e g r a t e di n t oc n ct u r n i n gs y s t e m s i n u m e r i k8 0 2 d w i t hi t ss u c c e s s f u ls i m u l a t i o n ，ag o o du s e ri n t e r f a c ea n db u t t o n c o n t r o lf u n c t i o n so nv i r t u a lc o n t r o lk e y b o a r d ，t h i ss y s t e mw i l lb r i n gg r e a tc o n v e n i e n c e t oc n ct e a c h i n g k e yw o r d s ：v i r t u a l c n cm a c h i n i n g ；g e o m e t r ym o l d i n g ；c o d et r a n s l a t i o n ； c o l l i s i o na n di n t e r f e r e n c e ；v i r t u a lc o n t r o lp a n e l i v w r i t t e n b y z h o uf e n g s u p e r v i s e db y n ij u n f a n g 目录 第l 章绪论- 1 1 1 虚拟制造的定义、分类和关键技术l 1 1 1 虚拟制造的定义- 1 1 1 2 虚拟制造的分类2 1 1 3 虚拟制造的关键技术3 1 2 数控加工仿真技术一4 1 2 1 数控加工仿真技术的概述4 1 2 2 国内外数控加工仿真技术的发展”5 1 2 3 数控加工仿真技术研究当前存在的主要问题7 1 3 本课题来源、研究内容及意义一8 1 3 1 课题来源8 1 3 2 本课题研究内容一8 1 3 3 本课题研究的意义”9 第2 章仿真系统的开发环境”1 0 2 1 常用数字化制造系统的几种实现方案1 0 2 2 本系统开发环境的确定1 1 2 3o p e n g l 的三维图形编程1 l 2 3 1o p e n g l 的优点1 2 2 3 2o p e n g l 的主要功能1 3 2 3 3o p e n g l 的工作流程”1 5 2 3 4o p e n g l 中的三维图形变换一16 2 3 5 用v i s u a lc + + 6 o 实现o p e n g l 编程1 7 2 4 三维建模软件3 d sm a x 建模2 0 2 4 13 d sm a x 建模方法2 0 2 4 23 d sm a x 文件格式“2 l 2 4 3 数据结构和算法2 3 2 5 本章小结2 5 第3 章虚拟加工环境的建立”2 7 3 1 几何建模方法2 7 3 1 1 几何模型的类型2 7 3 1 2 实体建模的方法”2 8 3 2 虚拟车床模型的建立31 3 2 1 机床、夹具、刀具模型的建立3 1 3 2 2 装载程序设计3 4 3 3 虚拟数控车削加工运动控制建模3 7 3 3 1 直线插补原理及流程”3 7 3 3 2 圆弧插补原理及流程3 9 3 4 虚拟工件建模4 1 3 5 动画控制技术4 3 3 6 本章小结4 3 第四章数控程序的检错与翻译4 4 4 1 数控程序编译器的设计4 4 4 1 1 数控程序的一般格式4 4 4 1 2 数控程序的特点4 4 4 1 3 数控程序编译模块的功能结构图4 5 4 2 数控程序编译器的实现4 5 4 2 1 数控程序的读入”4 5 4 2 2 数控程序的检错4 7 4 2 3 数控程序的翻译5 3 4 3 本章小结5 6 第五章数控加工仿真中的碰撞干涉检验5 7 5 1 碰撞和干涉概述5 7 5 2 碰撞干涉检验的主要算法5 7 5 3 本文采用的碰撞和干涉算法5 9 5 3 1 碰撞检验的算法“5 9 5 3 2 干涉检验的算法6 3 5 4 本章小结6 6 第六章数控仿真系统运行实例6 7 6 1 引言6 7 6 2 车削仿真软件界面6 7 6 3 系统实现与应用实例6 9 6 3 1c n c 代码的编译“6 9 6 3 2 碰撞与干涉检验实例分析7 0 6 3 3 加工运行实例7 3 6 4 本章小结n7 5 第七章总结与展望7 6 7 1 全文总结7 6 7 2 展望7 6 参考文献7 8 攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文“8 2 致 射8 3 s i n u m e r i k8 0 2 d 数控车削加工系统的研制 第一章绪论 第一章绪论 随着全球知识经济的兴起和快速发展，整个世界范围内制造企业之间的竞争 越来越激烈。为了适应瞬息万变的市场需求，提高竞争力，现代制造企业就必须 更好地满足市场所提出的t q c s 要求，即以最短的产品开发周期( t i m e ) 、最优质 的产品质量( q u a l i t y ) 、最低廉的制造成本( c o a ) 、最好的技术支持与售后服务 ( s e r v i c e ) 来赢得市场与用户。面对当前众多严峻的挑战，各制造企业不得不将 许多新的技术引入到产品设计和制造领域中，为此产生了许多新的制造技术和制 造系统，如柔性制造系统( f m s ) 、计算机集成制造系统( c i m s ) ，智能制造系统 ( i m s ) 等。然而，这些系统在发展过程中仍然存在着如下一些技术问题：1 ) 系 统投资较大、周期较长，在正式建立与运行之前，难以对这些系统效益和风险进 行正确有效评估；2 ) 在前述系统环境下开发一个新产品，无法在投入大量人力和 经费之前就确定其开发价值，同时对投产后所取得的效益和风险也不能进行正确 有效评估；3 ) 在产品设计开发的各个阶段，无法把握产品制造过程的动态信息、 协调设计与制造关系，从而难以寻求企业整体的最优效益。为了解决上述问题， 随着计算机网络和虚拟现实等先进技术的出现，虚拟制造( v i r t u a lm a n u f a c t u r i n g ， v m ) 应运而生，它的诞生是现代科学技术和生产技术发展的必然结果，是各种现 代制造技术与系统发展的必然趋势【4 】。 1 1 虚拟制造的定义、分类和关键技术 1 1 1 虚拟制造的定义 虚拟制造( v i r t u a lm a n u f a c t u r i n g ，v m ) 中的“虚拟”不等于虚幻、虚无，它 是指物质世界的数字化，亦即对真实世界的动态模拟，又称为虚拟现实；而“制 造”指的是虚拟现实技术在制造中的应用或实现。 虚拟制造技术是2 0 世纪8 0 年代后期产生的一项新的制造技术，它以信息技 术、仿真技术、虚拟现实技术为支持，在产品设计或制造系统的物理实现之前， 就能使人体会或感受到未来产品的性能或者制造系统的状态，从而可以作出前瞻 性的决策与优化实施方案。目前还缺乏从产品生产全过程的高度开展虚拟制造技 术的系统研究。因此，虚拟制造的内涵到目前为止还没有统一的定义，比较有代 表性的有【5 j ： 佛罗里达大学g l o r i aj w i e n s 等人对虚拟制造的定义侧重于虚拟制造与实际制 第一章绪论 s i n u m e r i k8 0 2 d 数控车削加工系统的研制 造过程的相似性，认为虚拟制造与实际一样在计算机上执行制造的全过程，其中 虚拟模型是在实际制造之前，用于对产品的功能及可制造的潜在问题进行预测1 6 】。 美国空军w r i g h t 实验室w h i t ej a 定义虚拟制造是仿真、建模和分析技术及工 具的综合应用，以增强各层制造设计和生产决策与控制【_ 7 1 。 马里兰大学e d w a r dl i i l 等人认为虚拟制造是一个用于增强各级决策与控制的 一体化、综合性的制造环境【3 1 。 大阪大学的o n o s a t o 教授认为虚拟制造是采用模型来代替实际制造中的对象、 过程和活动，与实际制造系统具有信息上的兼容性和结构上的相似性。 东京大学的c i r p 会员k i m u r a 教授领导的小组认为，对所有制造活动的全面 建模与仿真就是虚拟制造。 清华大学的肖田元等给出的定义为：虚拟制造是实际制造过程在计算机上的 本质实现，即采用计算机仿真与虚拟现实技术，在计算机上实现产品开发、制造、 以及管理与控制等制造的本质过程，以增强制造过程的决策与控制能力。 通过以上定义可以看出，虚拟制造是利用仿真与虚拟现实技术，在高性能计 算机及高速网络的支持下，采用群组协同工作，通过模型来模拟和预估产品功能、 性能及可加工性能等方面可能存在的问题，可缩短产品设计周期，提高产品的设 计质量和制造质量，提高产品生产效率，降低产品成本。 1 1 2 虚拟制造的分类 广义的制造过程不仅包括了产品的设计加工、装配，还包含了对企业生产活 动的组织与控制等【9 】。根据目前v m 研究中出现的不同侧重点，l a w r e n c ea s s o c i a t e s i n c 提出将v m 分成三类1 0 】：以设计为中心的虚拟制造( d e s i g nc e n t e r e dv m ) 、以 生产为中心的虚拟制造( p r o d u c t i o nc e n t e r e dv m ) 和以控制为中心的虚拟制造 ( c o n t r o lc e n t e r e dv m ) 。 ( 1 ) 以设计为中心的v m 以设计为中心的虚拟制造强调以统一制造信息模型为基础，对数字化产品模 型进行仿真与分析、优化、进行产品的结构性能、运动学、动力学、热力学方面 的分析和可装配性分析，以获得对产品的设计评估与性能预测结果。 ( 2 ) 以生产为中心的v m 以生产为中心的虚拟制造是在企业资源的约束条件下，对企业的生产过程进 行仿真，对不同的加工过程及其组合进行优化。它对产品的“可生产性 进行分 2 s i n u m e r i k8 0 2 d 数控车削加工系统的研制第一章绪论 析与评价，对制造资源和环境进行优化组合，通过提供精确的生产成本信息对生 产计划与调度进行合理化决策。 ( 3 ) 以控制为中心的v m 以控制为中心的虚拟制造是将仿真技术引入控制模型，提供模拟实际生产过 程的虚拟环境，其目的是在考虑车间控制行为的基础上，评估新的或改进的产品 设计与车间生产相关的活动，从而优化制造过程，改进制造系统。以控制为中心 的虚拟制造系统偏重于现实制造系统的状态、行为、控制模式和人机界面，通过 全局最优决策的理论和技术，突破企业的有形界限和延伸制造企业的功能。 以上三种虚拟制造分别侧重于制造过程的不同方面，但它们都以计算机建模、 仿真技术为重要的实现手段，通过对制造过程进行统一建模，用仿真支持设计过 程、模拟制造过程进行成本估算和生产调度。 1 1 3 虚拟制造的关键技术 虚拟制造是在计算机技术、网络信息技术、微电子技术、机械加工技术以及 数学运算方法等高度发展的基础上产生的，是这些新技术新方法相互结合的产物。 它所应用的核心技术主要是建模技术、仿真技术和虚拟现实技术。 ( 1 ) 建模技术 建模技术是对现实的制造系统的生产能力、生产特性的描述、产品加工过程 中的各类实体对象的描述、加工过程中的各种工艺参数以及影响制造功能的产品 设计属性等描述，这种描述就是对现实制造系统的建模，具体包括产品的立体几 何模型、物理模型、加工过程模型、工厂运作模型等，通过建模使现实制造系统 形式化，计算机化。建立合理的模型，是在计算机上得到正确仿真结果的前提。 值得一提的是，在虚拟制造中所建的产品模型不仅要表达产品的几何拓扑、特征、 功能等静态特性，还应具有动态结构，以反映在不同阶段产品结构、功能的变化， 使建立在模型基础上的仿真更符合实际生产。 ( 2 ) 仿真技术 仿真是在对制造系统和产品、生产过程等建模后，在计算机上运行和操作此 模型，仿真的过程就相当于在计算机上实施生产产品的全过程，包括产品设计， 选择加工工艺方法、工艺参数、确定装配工艺等，通过仿真，可以了解产品设计 和制造过程的可行性，显示装配结果和连接部件间的连接情况、运动部件的运动 特性等。在仿真过程中不需要一台机床，不会有一片切屑，就可以及时发现加工、 3 第一章绪论 s i n u m e r i k8 0 2 d 数控车削加工系统的研制 装配过程中存在的问题，从而修改模型，优化设计制造过程，再进行仿真，直至 达到满意的结果为止。由于计算机的运行速度很快，且仿真只是运行模型，并不 是对实际的物理系统进行操作，所以可以缩短产品的开发周期，降低成本。 ( 3 ) 虚拟现实技术 虚拟制造中的仿真除具有传统的仿真的含义，它还运用了虚拟现实技术 ( v i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g y ，v r t ) 。虚拟现实的基本原理是这样的：计算机产生 一个三维空间，将用户置身于该环境中，借助于高速图形计算机和多维输入输出 设备：如数据手套、立体头盔等，利用双向数据传送来实现人机交互，使人产生 一种身临其境的感觉。虚拟现实技术是综合利用了计算机图形系统，各种显示和 控制接口设备及多媒体计算机仿真技术等，在计算机上生成特殊的，可交互的三 维环境( 虚拟环境) 中提供沉浸感的技术。 1 2 数控加工仿真技术 1 2 1 数控加工仿真技术的概述 数控加工仿真是虚拟制造的一个重要分支和基础。数控加工仿真是指数控加 工过程在虚拟环境中的映射【1 2 】；它是c a d c a m 的重要组成部分，它能有效保 证c a d c a m 生成的n c 代码的正确性，无过切和碰撞等干涉现象，能有效减少 实际数控加工时间，提高生产效率，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。 一个典型的数控加工仿真系统应包括以下几个关键部件，其总体结构如图1 一l 所示【1 3 15 1 。 ： 图1 1 典型数控加工仿真系统的结构组成 4 s r n u m e r i k8 0 2 d 数控车削加工系统的研制第一章绪论 1 ) 人机交互接口 人机交互接口是人与计算机之间传递、交换信息的媒介，是用户使用计算机 系统的综合环境。它提供一个良好的界面让用户可以输入仿真环境的设置参数与 n c 代码，并将仿真结果反馈给用户。 2 ) 加工环境显示模块 这是数控加工仿真系统的基础，它为用户提供了数控加工仿真的环境。在开 始进行数控加工过程仿真前，它先把用户所需的有关实体，如刀具、毛坯、机床 等，以图形的方式显示出来，以便加工过程仿真器的调用。 3 ) n c 指令翻译器 其主要功能是对n c 代码进行语法错误检查和翻译并转换为相应的刀具运动 数据。 4 ) 加工过程仿真器 它是数控加工仿真系统的核心。根据n c 指令翻译器生成的刀具运动数据来驱 动刀具运动。在驱动刀具运动的同时，它还需动态地对刀具与毛坯轮廓的干涉， 刀具与夹具、机床、工件之间的运动碰撞及不适当的加工参数、刀具磨损等进行 检查，以生成相应的零件成形动画与仿真报告。 一个完备的虚拟加工系统应该具备以下功能【1 6 】： ( 1 ) 利用图形仿真技术全面逼真地反映显示加工环境和加工过程。在仿真中， 可以直观地观察全部加工过程，包括工件的装夹定位、机床调整、切削、检验等。 ( 2 ) 可以真实描述加工过程中的物理效应，例如：切削中的应力与温度，工 件及工夹具的变形，甚至磨削过程中单个磨粒的微观表现。 ( 3 ) 能对加工过程中出现的碰撞、干涉进行检测，并提供报警信息。 ( 4 ) 能对工夹具的使用性能给予评价，并对产品可加工性和工艺规程的合理 性进行评定。 ( 5 ) 可以对加工精度、加工时间进行精确的估计，为宏观仿真提供数据支持。 1 2 2 国内外数控加工仿真技术的发展 国外在数控加工过程仿真方面做了许多工作，美国m a r y l a n d 大学开发了用于 培训数控操作人员的虚拟数控机床仿真器。作为a m t 计划的一部分，美国n i s t 也开展了虚拟机床的研究。韩国t u r b o t e k 公司开发出面向培训的虚拟数控铣削 加工环境，能够实现数控加工的几何仿真并配有声音信息。日本s o n y 公司研制 5 第一章绪论 s i n u m e r i k8 0 2 d 数控车削加工系统的研制 的f r e d a m 系统可对球头铣刀加工自由曲面进行三维仿真，并进行干涉、碰撞检 查。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f 1 7 】。新加坡国立大学开发了一套基于v r m l 的数控机床加 工仿真系统能够计算刀具的寿命及切削应力f l 引。由于数控加工在机械制造业中发 挥着日益重要的作用，因此以其为背景出现了一批优秀的应用软件，这些软件已 被生产实践检验的实体造型核心系统( 如p a r a s o l i d ) ，具有先进的管理基础、强大 的工程背景、完善的操作功能和专业化的技术服务，能够显著地提高制造业的整 体经济效益，因此很快便赢得了广大c a d c a m 用户的青睐，成为制造业中真正 的商品化软件，较具有代表性的有m a s t e r c a m 、c a t i a 、u g 、p r o e 、s i g r a h n c 竺【1 9 】 寸 。 国内在这方面也开展了诸多研究工作，并取得重要成果。如南京航空航天大 学的基于a c i s 几何引擎开发的s u p e r m a n c a d c a m 2 0 0 0 数控仿真系统就是典型 代表 2 4 铡，该系统实现了三维数控加工过程仿真中视图移动，视角旋转、放大、 缩小等功能。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 也取得了很大进展【3 0 3 1 1 ，其可以有效地对加工切屑进行动态仿真。华中科技大学 开发的n c p v s s 系统，具有n c 铣削加工过程仿真功能，即通过生成刀具轨迹， 由三维动画显示数控加工过程，以此发现数控程序错误。同济大学研制的数控程 序微机动画仿真系统，以二维图形方式动态模拟加工过程，能满足生产现场实时 性要求。大连理工大学开发的曲面加工微机仿真器，它主要是对齿轮、空间凸轮、 多边形面等复杂切削加工进行仿真，可实现对各种曲面加工过程的模拟，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。哈尔滨工业大学的n c m p s 系统，可建立集成的数控加工仿真环境，面向多轴数控加工中心，在图形工作站 上实时显示三维多轴数控加工过程。东南大学研究的基于网络的远程数控仿真系 统，提出了基于网络的远程数控加工仿真系统框架，有效地解决了在网络化制造 环境下的异地数控代码维护和仿真的问题。清华大学c i m s 1 - 程研究中心开发的 “通用加工过程仿真器 已在多家企业得到应用。 国内在数控加工仿真教学培训平台的研究开发上也取得了很大的进展。例如 南京宇航【2 0 1 、上海宇龙【2 l 】、广州红地【2 2 1 、广州超软f 2 3 1 等数控机床仿真系统，在很 多职业类学校都得到了应用，对提高数控教学质量起到了积极的促进作用。这些 系统不仅能用于评估产品设计的可行性和n c 程序的可靠性，也能为数控设备的使 6 s i n u m e r i k8 0 2 d 数控车削加工系统的研制第一章绪论 用和n c 程序的编制提供一个低成本的培训环境。 总之，目前我国的虚拟加工系统无论在功能，可靠性，还是在加工仿真的效 果上都不及国外的同类软件，还没有真正形成自己特色的工程化、商业化的软件 系统。但是多数国外大牌软件也存在着价格昂贵，性价比过高，对运行环境要求 高，不符合国内用户的操作习惯等缺点。因此，进一步研究虚拟加工的关键技术， 不断提高国产虚拟加工系统平台的性能是非常有必要的。 1 2 3 数控加工仿真技术研究当前存在的主要问题 1 几何仿真方面 国内仿真软件与国外相比还存在很大的差距，首先，仿真系统所建立的虚拟 加工环境大多仅限于刀具和工件的几何模型，完整的虚拟加工环境还应包括机床 模型、夹具模型和虚拟控制面板等，应是真实的加工环境在计算机上的映像。其 次，在动态显示上，为了加快显示速度，其真实感图形显示生成算法大多没有建 立光照模型，只模拟最简单的平行光，致使图形生成方式为区域填充或渐变色， 不符合光学原理；仿真场景中物体的视屏投影属于平行投影，不符合透视投影原 理，真实感效果不是很好。有的仿真系统虽然建立了真实感很强的仿真图形，但 由于计算时间太长，无法进行实时动态仿真的图形显示，只能将生成的画面记录 成a v i 文件，仿真完成后才能播放，实时性差。另外，由于受计算的复杂性和大 存储需求的限制，即使是没有光照的模型生成和显示也只能在工作站或高档微机 上进行，并没有在工厂中广泛应用，不具有实用性。研究开发具有实时动态真实 感图形显示的仿真软件，还有相当大的难度，很多问题有待进一步研究。 2 ，物理仿真方面【j 引 在物理仿真方面虽然也进行了一定的研究，但由于物理仿真涉及到的影响因 素众多，再加上数控加工过程物理行为的非线性和不确定性，建立加工过程物理 仿真模型非常困难，目前仍存在的主要问题是： ( 1 ) 模型的片面性现有的研究工作仅考虑单项( 或几项) 因素对工件加工 精度的影响，研究工作大多片面、分散，难以在实际生产中推广应用。目前国内 主要研究切削力对加工质量的影响，给出了瞬间切削力和加工误差的预测模型， 但这只反映了加工过程中由切削力引起的系统变形对加工误差的影响。 ( 2 ) 模型过于简化 对数控加工进行物理仿真的关键在于建立加工过程的数学模型，在已见诸报 7 第一章绪论 s i n u m e r i k8 0 2 d 数控车削加工系统的研制 道的物理仿真模型中大多都设有许多假设条件，目的是为了降低模型的复杂性， 但这也同时削弱了仿真模型与生产实际的符合程度。实践表明，过于简化的模型 经不起实践检验，实用性差。所建物理仿真模型应力求能反映机械加工过程的本 质特征，同时又不至于因模型过于复杂影响仿真显示的实时性能。 ( 3 ) 模型通用性差目前物理仿真大多是针对某一特定的加工过程进行的， 机床种类、刀具种类和工件材料等参数都有明确规定，当某一参数( 例如刀具种 类) 变化时，模型必须进行很大的修改，使模型的应用范围受到限制。如何在总 结前人积累的有关切削规律的基础上，综合人工智能、仿真建模等先进科学技术， 力求建立通用性较强的仿真模型，是物理仿真当前需要解决的又一关键问题。 ( 4 ) 几何仿真和物理仿真未能实现有效集成几何仿真确认为正确的程序， 并不都能加工出合格的零件，主要原因是几何仿真没有考虑切削过程中包括力、 热等众多因素的作用，因此只作几何仿真不作物理仿真是不行的；当然，只作物 理仿真不作几何仿真也是行不通的，物理仿真需要大量的几何信息，尤其是在加 工表面形状与工件形体较为复杂时；只有将几何仿真与物理仿真结合起来，保证 二者之间的信息交流顺畅，才能准确有效地仿真数控加工过程。 1 3 本课题来源、研究内容及意义 1 3 1 课题来源 本课题来源于江苏省教育厅自然科学基金项目( 0 4 k j d 4 6 0 1 6 2 ) “适应性的人 机一体化制造单元计算机控制技术的研究 ，虚拟加工系统的研制是该项目的重要 组成部分，本文开发的s i n u m e r i k8 0 2 d 数控车削加工系统是在虚拟车削加工系 统v1 o 【l 】、v 2 o 【2 】、v 3 0 【3 1 基础上继续研究开发的。 1 3 2