（机械工程专业论文）基于caxa数控仿真系统的数学实训平台的研究.pdf

摘要 摘要 随着计算机科学与技术的迅速发展，计算机仿真技术在各个领域得到 广泛应用。在职业教育领域，计算机仿真技术的应用已成为教育教学改革 的重要手段，它不仅可以提高教学效果，帮助学生较好地掌握基本知识和 基本技能，而且可以有效地节约教学成本。本文根据单位的实际工作需要， 对基于c a x a 的加工过程仿真进行研究，并将相关的方法与技术在数控教 学中加以应用。 本研究提出了基于i n t e r n e t 的网络制造系统架构，在对切削过程数学 建模的基础上实现了基于i n t e r n e t 的加工过程仿真与优化，为网络化制造 的实现建立一个有效的关键技术支撑平台。本文设计的面向我国职业学校 实训课程系统采用c s 模式，服务器端由一台数据服务器和一台数据备份 服务器构成，存放实训信息数据库文件，客户端由5 0 台学生机组成，安 装客户端程序，它们共同组成了实训的网络环境。 根据机床加工的特点和学生数控机床仿真实习的过程，本课题实训系 统有四个部分组成，包括用户界面设计模块、程序编辑与存储模块、程序 预处理模块、加工过程的模拟模块。在用户界面中，系统每一个部分中所 包含的不同功能分别与相应的功能键连接，利用功能键可以进入相应的功 能模块，在执行过程中，状态栏能够显示正在执行的程序代码情况，反映 机床实时状态、参数变化，给出线提示等。 该系统以数控机床加工过程为主要内容加以实现，针对对以往手工编 写程序教学过程中容易出现的因学生学习上的能力差异、态度差异而产生 的手动编程的程序完整性、准确性差异、实际加工过程的安全性、合格性 差异等问题，提供了可以利用直接将三维图形转换成g 代码功能。运用该 功能，学生只要能够正确绘制图形就能自动生成正确的程序，进而传输给 机床进行有效加工。该系统除具有图形绘制、自动生成g 代码、轨迹仿真 三大功能外，还能够对数控代码等进行检测，显示刀具轨迹及切削过程。 人机界面友好，操作、使用方便，加工环境逼真。对提高学校实训教学效 果，促进职业教育的教学改革具有一定的价值和意义。 关键词：c a x a 技术；数控加工；过程仿真；职业教育 摘要 量葛皇量量曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼笪皇曼曼曼皇皇曼曼曼曼皇鼍鼍詈曼皇曼曼曼鼍鼍詈曼曼蔓皇鼍舅舅曼曼皇舅量鲁鼍曼曼舅量曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼蔓曼! 曼曼曼曼曼皇 a b s t r a c t w i t ht h er a p i d d e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，t h ec o m p u t e r s i m u l a t i o nt e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l yu s e di nv a r i o u sf i e l d s i nt h ef i e l do f v o c a t i o n a l e d u c a t i o n ，c o m p u t e r s i m u l a t i o n t e c h n o l o g y h a sb e c o m ea n i m p o r t a n tm e a n so fe d u c a t i o n a lr e f o r m ，w h i c hc a nn o to n l yi m p r o v et e a c h i n g e f f e c t sa n dh e l ps t u d e n t sb e t t e rg r a s pt h eb a s i ck n o w l e d g ea n ds k i l l s ，b u ta l s o e f f e c t i v e l ys a v et h et e a c h i n gc o s t b a s e do nt h ea c t u a ln e e d so fs c h o o l s ，t h i s p a p e ra n a l y z e sc a x a b a s e ds i m u l a t i o np r o c e s sa n dt h ea p p l i c a t i o no fr e l a t e d m e t h o d sa n dt e c h n i q u e si nn c t e a c h i n g t h i s s t u d yp r o p o s e san e t w o r ko fi n t e r n e t b a s e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m a r c h i t e c t u r e ，i nt h ec u t t i n gp r o c e s so nt h eb a s i so fm a t h e m a t i c a lm o d e l i n go f i n t e r n e t b a s e dp r o c e s ss i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o n ，m a n u f a c t u r i n gn e t w o r kt o e s t a b l i s ha ne f f e c t i v ei m p l e m e n t a t i o no fk e yt e c h n i c a ls u p p o r t p l a t f o r m t h i s d e s i g no fv o c a t i o n a ls c h o o lt r a i n i n gc o u r s e sf o ro u rs y s t e mu s i n gc sm o d e ， s e r v e rs i d eo fad a t as e r v e ra n dad a t ab a c k u ps e r v e r s ，t h es t o r a g eo ft r a i n i n g i n f o r m a t i o nd a t a b a s ef i l e s ，c l i e n ts i d ei sc o m p o s e do f5 0s t u d e n tm a c h i n e s ，i n s t a l l c l i e n tp r o g r a m ，w h i c ht o g e t h e rf o r mt h et r a i n i n go ft h en e t w o r ke n v i r o n m e n t a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fm a c h i n i n gc n cm a c h i n es i m u l a t i o na n d s t u d e n ti n t e r n s h i p si nt h ep r o c e s s ，t h es u b j e c to ft r a i n i n g s y s t e mh a sf o u r c o m p o n e n t s ，i n c l u d i n gu s e ri n t e r f a c ed e s i g nm o d u l e ，p r o g r a me d i t i n ga n ds t o r a g e m o d u l e ，t h ep r o g r a mp r e - p r o c e s s i n gm o d u l e ，p r o c e s ss i m u l a t i o nm o d u l e i nt h e u s e ri n t e r f a c e ，e v e r yp a r to ft h es y s t e mc o n t a i n e di nt hed if f e r e n tf u n c t i o n sa r e c o n n e c t e dw i t ht h ec o r r e s p o n d i n gf u n c t i o nk e y , u s et h ef u n c t i o nk e y st oe n t e rt h e c o r r e s p o n d i n gf u n c t i o nm o d u l e ，i nt h ei m p l e m e n t a t i o np r o c e s s ，t h es t a t u sb a rt o d i s p l a yt h ep r o g r a mc o d eb e i n ge x e c u t e d ，r e f l e c t i n gr e a l - t i m em a c h i n es t a t u s ， p a r a m e t e rc h a n g e s ，t ot h eo u t l e tt i p s t h es y s t e mm a i n l ya i m sa tt h ep r o c e d u r eo f n ca n dt ot h ep r o b l e m se x i s t i n gi nt h ep r o c e s so f t e a c h i n gh a n d w r i t t e np r o g r a m ， l i k ed i f f e r e n c e so na c c u r a c y , c o m p l e t e n e s s ，e l i g i b i l i t ya n d s a f e t yd u r i n g a c t u a l p r o c e s s i n gd u et os t u d e n t s d i f f e r e n ta b i l i t i e sa n da t t i t u d e s ，i tp u t s f o r w a r dp o s s i b l es o l u t i o n s b yc o n v e r t i n g at h r e e d i m e n s i o n a l g r a p h i c s d i r e c t l yi n t ogc o d ef u n c t i o n u s i n gt h i sf u n c t i o n ，s t u d e n t sw i l lo n l yn e e dt o d r a wt h e g r a p hc o r r e c t l y , w h i c hw i l la u t o m a t i c a l l yg e n e r a t et h ec o r r e c t p r o c e d u r e ，a n dt h e nt r a n s m i ti tt ot h em a c h i n et o o l sf o re f f e c t i v ep r o c e s s i n g i na d d i t i o nt ot h et h r e em a j o rf u n c t i o n so fg r a p h i cd r a w i n g ，a u t o m a t i c a l l y h g e n e r a t i n ggc o d e ，a n dt r a je c t o r ys i m u l a t i o n ，t h es y s t e mc a na l s od e t e c tn c c o d e ，d i s p l a y t h et o o lp a t ha n dc u t t i n gp r o c e s s w i t ht h ef r i e n d l yi n t e r f a c e ，i t i se a s yt oo p e r a t ew i t hr e a l i s t i cp r o c e s s i n ge n v i r o n m e n t i th a sc e r t a i nv a l u e a n ds i g n i f i c a n c et o i m p r o v et e a c h i n ge f f e c t so ft h es c h o o lt op r o m o t et h e t e a c h in gr e f o r mo fv o c a t i o n a le d u c a t i o n k e y w o r d s ：c a x at e c h n o l o g y ，n cp r o c e s s i n g ! s t i m u l a t i o np r o c e s s ，v o c a t i o n a l e d u c a t i o n 华北电力大学专业硕士学位论文 鼍詈皇皇皇! ! 曼量詈詈詈詈鼍詈皇曼皇皇曼詈量皇曼皇曼曼! ! 曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! ! 皇曼曼! ! ! ! 鼍鼍曼詈曼暑曼量量曼曼量曼曼曼! ! ! ! 皇量詈苎寰鼍詈曼曼 1 1 课题背景 第1 章绪论 2 0 世纪后期，尤其9 0 年代末，随着计算机及其相关应用技术在我国不断普 及，计算机辅助技术( c o m p u t e ra i d e dt e c h n o l o g i e s ) 也在各个行业得到了充分的应 用。人们以计算机为基本工具，用于产品的设计、制造和测试等过程，辅助人们 在特定应用领域内完成任务。诸如计算机辅助设计( c a d ) 、计算机辅助制造 ( c a m ) 、计算机辅助工艺设计( c a p p ) 等技术的应用。随着计算机技术的迅速发展， 处理能力不断增强，硬件平台价格大幅下降。同时，与c a d c a m 相关的软件技 术也日益成熟。这使得直接将零件的几何体信息转变为数控加工程序的国产 c a d c a m 软件一a x a 制造工程师也得以广泛应用和推广。 c a x a ( c o m p u t e ra i d e dxa l l i a n c ea sas t e pa h e a d ，即领先一步的计算机辅助 技术与产品服务) 是面向2 5 轴数控铣床与加工中心机床，具有卓越工艺性能的铣、 钻削加工数控编程软件【l 】。软件不仅将基本的加工几何造型、生成加工轨迹以及 连接数据接口等基本功能，而且在仿真方面，集合了面向加工过程的仿真检验功 能、生成具体的加工工艺数据表单，最有特点的方面在于其可以生成数控加工的 代码。这是基于上述功能集成，才使得c a x a 具备的数控编程功能适用于复杂空 间几何结构的模具及零件的加工川。 多年来，众多专家和学者对计算机辅助设计、制造进行了深入的研究，同时 国家和教育管理部门也大力推广，实际教学过程中应用的显著效果以及教师自身 所具备的科学前瞻性都使得计算机辅助设计和制造得以最广泛的应用。各职业学 校实训过程中出于安全、节能的需求，在进行机械设计、制造实训时也广泛使用 了该技术。各种丰富的网络资源与数控机床的完美结合，使人们可以更加便捷地 设计产品，大大缩短设计和开发周期。通过加工仿真功能可以模拟产品的加工和 外型的生成，便于产品设计过程的重新修改。在教学过程中，学生们也可以通过 这种技术进行初始阶段的加工实习。 我国职业学校自9 0 年代末，国家普及中职教育后，为社会提供了大量紧缺的 专业技能应用型人才。由于有限的实训设备资源，如何在生源数量扩大的情况下 确保人才培养的质量已成为了最为迫切解决的问题。我国职业学校近年来筹集了 大量的资金用于基础设施建设和机械加工设备的添加，逐步改善了一部分教学条 件。然而，由于时间短、缺口大，一时间无法彻底解决所有问题。利用c a x a 软 件进行设计，并通过数控机床进行加工的仿真，从一定程度上可以解决部分班级 华北电力大学专业硕士学位论文 皇曼量量舅寰皇曼邑曼量曼曼量曼曼曼曼曼皇皇曼曼曼曼曼曼曼量皇詈曼皇曼曼蔓量曼曼曼曼曼曼葛曼置曼曼曼曼量曼曼曼蹬蔓曼量蔓量皇量曼曼曼曼曼曼量曼量曼曼曼曼曼量曼曼曼 的专业技能的实训问题。事实证明：合理地利用计算机：参与技能实训已经取得了 良好的效果，在教学环节中c a x a 的使用就最为显著。同时，由于职业学校学生 的特殊生源特点，他们大部分自觉性不高，学习能力稍缺，合作性和团结性较差。 如果，在理论学习结束后直接到机床上参与实训，那么，无论在材料消耗、学生 安全还是在教师管理、实训成果上都是巨大的考验。因此仿真加工在我国职业学 校特定条件下就显得十分需要，而且又十分必要了。 此外，历年来职业学校的三大竞赛都是职业学校学：生体现自身价值，展示个 人能力的重要体现，其中技能大赛、创新大赛更是学生们的热衷，如何在有限的 资源条件下，培养训练一支高技能、有素质、通合作的师生队伍，也是学校的追 求。为了严格实训制度，加强实训室管理，促进实训模式的改革，形成良好的教 风、学风和赛风，适应社会对人才培养目标的需求，专家们提出了很多的建议。 其中引进仿真加工模式是由我国职业学校现有的校情决定的，是我国职业学校教 学改革行之有效的方法之一。 为解决培养学生直接和企业接轨的能力问题，大部：分学校采用了以下两种模 式： ( 1 )引企入校，学校的实训室就是企业的加工车间 由于职业学校的学生最怕缺乏动手能力，但不少学校却因客观因素制约缺乏 实习、实训条件，因此有些职业学校通过实施“引企入校”、“入厂办学”等模式， 与企业签署合作协议，有效解决学校学生实训难题及企业招工的难题。 “引企入校”模式就是将企业搬进了校园，改变了过去单纯在黑板上讲产品的 加工过程教学模式。实现了车间即教室，师傅即教师，学生即员工的转变，可以 培养出有一技之长的人才，让学生在真实的生产环境中学习演练，完成从学生到 劳动者、从劳动者到高技能人才的转变，让工厂成为学生的第二课堂。 ( 2 ) 创设情境，学校实训室类似于车间 现在大部分的职业学校，还不具备“引企入校”的条件时，或者说时机还不成 熟，就会在实训室布置时充分考虑到创设生产情境，将! 乓训室按企业车间的形式 进行布置，目的也是希望通过在学校创设的场景中学习后的学生能顺利进入企业。 而我国职业学校由于特殊的背景，加之成立的时间短，资金缺口大等重重原 因，想引企入校，可场地有限，想创设情境，可设备有限。因此，在如此特定的 条件下利用计算机，使学生从课堂的理论学习再到机房进行数控仿真，再到实训 室动手操作，形成了一个知识接受能力上梯度的同时，充分缓解了我国职业学校 实训紧张的现状。实现c 认技术与数控机床的完美结合，制定适合我国职业学 校甚至还有大部分条件都不及我国职业学校的中职学校的教学模式，还是具有相 当重要的意义和价值的。 2 华北电力大学专业硕士学位论文 1 2 数控仿真技术的发展回顾 仿真技术是一门新兴的高新技术，综合集成了网络技术、计算机技术、图像 技术、多媒体技术、软件工程、自动控制等多个高新技术领域的知识。是以相似 原理、信息技术、系统技术及其应用领域有关的专业技术为基础，以计算机和各 种物理设备为工具，利用系统模型对实际的或设想的系统进行试验的一门综合性 技术。 一般来说，对于传统的数控加工代码正确性的验证方法来说，往往是较为繁 笨地采用试样试切的方法，也就是通过利用一个塑料零件( 或者其他软木性质的 零件坯件) 放在加工机床上进行试加工，一次来校验数控代码的实现，模拟刀具 在该数控加工代码下的行走轨迹，如果试切过程中发生了道具与试件的碰撞或者 危险干涉行为，则说明数控代码需要进行改正，改正之后依然要进行再一次的试 切，然后反复对于加工参数和数控程序进行修正。这种试切的验证方法不仅耽误 工时，严重延迟和影响了产品的生产加工周期，而且也浪费原料，无形中增加生 产成本，且对于机床会产生不必要的损害。因此，对于数控程序代码而言，数控 仿真技术不仅能够验证代码是否具备可靠性和数据的准确性，而且数控仿真技术 能够预测加工过程的实施，尤其对于本文所涉及的切削加工过程，数控仿真技术 为其实现和仿真教学提供了可靠的保障。 数控仿真技术最大的优越性在于它可以通过三维的加工轨迹显示法来达到加 工过程虚拟实现和验证的目的。相比而言，传统的二维加工轨迹显示法是通过计 算机( p c 机) 的自动控制，利用内嵌的绘图器，来虚拟地仿真加工刀具的运动轨 迹以及其产生二维图形的正确性，这里虽然实现了以“纸”代替毛坯、以“笔” 代替刀具，节省加工成本和生产时间的目的，但是，二维的计算机轨迹显示法， 其运动轨迹和图纸仅限于二维平面，对于三维轨迹只能通过空间轨迹的平面化来 实现，不仅报错多，而且视觉效果差。而三维的数控仿真技术真正达到了立体空 间的虚拟加工效果，这种示教模式对于教学工作的帮助意义是巨大的。数控仿真 技术能够实现真正替代传统的机床试切模拟的方法，也能够克服二维轨迹视图法 对于三维加工的功能“短板 缺陷。近年来，数控仿真技术在三维加工图形的立 体显示、加工轨迹的空间再现、模拟试切环境的模型化构建、示教加工过程的仿 真模型计算等方面都获得了一些列的成果和发展，并向着图形显示更具真实感、 仿真计算更具实时性、加工模型更具精确化的方向不断深入和发展2 3 。 1 3 职业学校数控教学概述 在职业学校的工作中，教学工作始终处于中心地位。教学工作决定着职业教 育的质量，关系到能否实现学校确定的培养目标，能否培养出符合并适应社会发 华北电力大学专业硕士学位论文 展要求的合格人才。 所谓的教学模式，就是将书本上的教学原理及其相关的理论知识，通过一定 的手段方式，在具体的实践活动中得以体现的过程。教学工作者不仅要具有扎实 的理论功底，并能较好地传输给学生，同时又要使得学生在实践中培养出扎实的 应用能力，使得理论知识能够发挥指导实践的功能，只有这样，教学质量和教学 效果才能得以有效的提升，才能达到真的造就可用人才的教学目标。而这一点对 于职业学校而言，更为重要。职业学校的数控专业培养着大批次的加工技术人才， 这一类应用型人才不仅要求具备扎实的专业数控知识，更要具备实践性强的数控 技术技能，并为我国装备制造业源源不断地输送人才。正是基于上述考虑，我国 职业学校的数控加工课程应在教学模式中体现出以下几个方面5 1 ： ( 1 ) 凸现职教特色。以就业为导向，紧扣培养目标，根据本专业学生将来面 向的职业岗位群对高技能人才提出的相关职业素养要求来组织教学内容，制定教 学方法。 ( 2 ) 实现各课程的综合化与模块结构。根据相关岗位的职业能力分析结果， 综合相关学科内容，避免重复教学，以模块化结构，为不同专门化方向的学生培 养和增强各院校教学的自主性、灵活性留有空间。 ( 3 ) 体现以能力为本位的职教理念。以能力培养为主线，以学生的“行动能 力”为出发点组织教学。 ( 4 ) 课程设计须与先进教学法的采用相结合。与现场教学、实训教学、项目 教学、理论实践一体化教学等紧密结合。 然而，我国中职学校数控专业教学中存在着的诸多问题，关系到学生内在动 力的激发和学生专业课程的学习，因此，中职学校的数：控专业学生培养问题是不 能仅仅依靠某一门课程来解决的，更不能通过某一个教学环节的改革来实现整体 教学目标，必须综合分析数控专业教学的各个方面、各个环节、各个要素，研究 其内在的有机联系，并运用现代化的教学方法，推进中职学校数控专业教学的优 化改革。 需要注意的是，由于职业学校的学生在学习知识的认知能力上处在中等水平， 其招生对象多为初中生，知识基础差，接收新知识的能j 力弱，包括数控专业的学 生在内，生源质量往往都不高，再加之职业学校的连年扩招，因此，组织教学的 过程中必须要考虑到受教学生的基本能力基础，有针对性地开展教学，才能够达 到教有所成的目的m 1 随着经济社会的快速发展，制造业企业的生产环节中更加重视数控人才数控 技术能力的加强，而中职数控人才往往主要工作在技术生产的第一线，因而众多 企业就要求中职数控工作人员应具有过硬的技术素质、牢固的加工能力和完备的 4 华北电力大学专业硕士学位论文 知识结构7 1 。这就对我们数控专业的职业教育提出了新的更高的要求。 1 4 数控仿真技术在教学中的应用及其国内外研究概况 数控仿真技术在教学中的应用往往是通过数控教学平台来实现的。所谓的数 控教学平台就是将数控加工过程仿真以及数控加工教学辅助功能融为一体的一套 计算机系统，在该系统平台中，数控加工过程的虚拟仿真功能是该教学平台的核 心。 ( 1 )数控仿真技术在教学中的应用 近几年，我国的职业教育事业飞速发展迅，由于市场需求剧增，因此职教呈 现出蓬勃发展的态势。随着职业院校学生数量的激增，为适应教学要求，各个院 校都增加了数控专业相关教学生产设备的购入，但是由于经济资源的投入有限， 设备的增加也赶不上学生数量的增长，设置显得微不足道，设备数量与学生数量 严重不平衡。然而，将数控仿真加工技术与数控专业的职业教育教学相结合起来， 就能够弥补数控专业课程实训环节的“班级实训人次多、实训设备少、设备人均 利用率低”等缺陷，因此这就使得数控仿真加工技术引入数控实训课堂就成了必 然趋势。 通过c a x a 软件和数控仿真加工软件在数控车间的实施后，学生拿到课题后 可以直接在仿真机房编程、仿真，先完成的同学经过老师审核通过，然后将将学 生编写的程序经由计算机导入服务器( d n c ) ，再到车间通过远程请求利用机床 加工的途径，将程序传到数控机床的控制器上进行加工，这样一来，就大大减少 了机床的待机时间，进而缩短了编写程序的验证时间，能够提高实训效率。在一 般的实训教学环节中，先加工的同学在经过加工验证过程结束后，教师可安排下 一课题内容的学生继续返回机房进行编程训练和计算机仿真验证，可以让其他的 同学继续排队进行车床实操加工，不仅节省实训授课时间，也有效提高了有限数 量机床的人均使用效率，发挥了“用最少的实训时间，让最多的学生拥有实操的 机会”，实质上节约了教学资源。 此外，数控教学平台可通过机床联网，借助计算机通信技术，引入现代制造 业的先进生产理念，使得学生能够在近似企业生产模式中得到能力的锻炼和对于 数控加工知识的检验，进而使学生对所进行实训项目的目的明确，过程清晰，极 大的激发了学生的学习积极性，可以收到良好的效果。所有机床系统参数及补偿 数据全部通过网络在计算机中备份，一旦发生系统问题，也可以迅速重设参数， 恢复系统，提高了设备的自维护能力，降低了设备维护成本。 ( 2 )数控仿真教学平台在国内外研究情况 近年来，在数控教学和加工仿真方面，国内外广大院校和企业都做出了许多 华j 匕电力大学专业硕士学位论文 具有开创性的、全面深入的研究工作，但是各自研究工作的侧重点有所不同。 在以数控教学为主要研究开发目的方面，国内部分公司( 比如上海宇龙、广 州超软、南京宇航、北京菲克、广州红地等公司) 通过运用计算机技术、软件技 术以及数字化几何建模技术手段，不断开发出全程式的模拟数控系统，不仅包括 了基本的的操作过程，还涉及到基于数控加工场景再现化的数控专业教学软件， 并且在数控加工中能让加工受训者实时地观测三维加工的效果，这些企业开发的 数控加工教学仿真系统可以最大程度地根据数控教学中的实际情况，人为地自主 增加众多测试、效果评估等功能性的模块，以达到辅助教学的目的8 1 。 美国m a r y l a n d 大学面向培i ) j l 数控操作人员开发的虚拟数控机床仿真器拥有 着巨大的市场份额，同时作为虚拟数控机床仿真器计划的一部分，美国n i s t 也 进行了虚拟机床的开发研究。欧洲部分公司生产出的数控实验台，其产品的市场 价格要比实际的数控机床设备低廉很多，但是数控实验台的结构和操作过程与实 际的数控加工机床几乎一样，比较有代表性的公司是奥地利的e m c o 公司，其主 要产品是e m c op cm i l l5 5 、em c op ct u r n5 5 等数控教学实验平台，而国 内的有南京机专数控教学实验台、华中世纪星数控教学实验台等9 1 。 美国m i s s o u r i r o l l a 大学开发的c n c 机床配备的微机仿真软件是以验证数控 代码的正确性为主要目的的，该微机仿真软件通过二维图形显示刀具轨迹以及加 工毛坯零件在刀具运动时的形状改变情况，来判断和确定编写和输入的数控程序 是否具有正确性。意大利b o l o g n a 大学开发的样条曲面建立端铣刀模型工作台， 是通过采用具有极强真实感的图形显示器来实时现实出三轴铣床粗加工的过程。 在验证数控代码的正确性为主要目标的实验系统方面，国内比较典型的有华中理 工大学开发的数控p v s s 系统们，该系统具有针对数控铣削加工过程的虚拟仿 真功能，它可以通过生成铣削刀具的加工和运动轨迹，通过现实三维的动画来再 现数控加工过程，由此发现数控程序错误。 1 5 本文结构 本论文对现有的数控仿真系统进行分析，围绕高职校数控教学改革的实际需 要，以基于c a x a 的数控仿真系统和学生模拟实训系统的开发为背景，针对加工 过程的仿真和优化以及系统的实现等问题，尤其是相关方法与技术在教学实践中 的应用进行了探讨 第一章绪论部分说明问题研究的背景，分析高职院校数控教学的要求和学生 的特点，简要介绍数控仿真技术在教学中的应用状况； 第二章，就基于c a x a 的数控加工相关技术进行简介，旨在了解数控机床操 作的基本原理，指出系统适合的数控机床： 6 华北电力大学专业硕士学位论文 第三章介绍基于的加工过程仿真与优化，指出本系统可进行在线工作； 第四章，主要针对我国高职校基于c a x a 的数控机床加工仿真的实现进行实 训教学的应用，对此所涉及的技术逐一讨论，创建出一个比较好的系统模型。经 试验分析，系统能够满足应用的需求。 华北电力大学专业硕士学位论文 曼曼皇曼曼曼罡曼皇曼曼曼邑量皇曼曼皇曼曼曼皇量曼曼! 皇量量舅曼曼皇舅曼苎! 曼曼皇曼量舅寰曼曼曼曼曼曼量曼曼曼量舅曼曼皇皇曼曼曼曼曼曼曼邕皇鼍皇舅曼曼曼笪曼皇曼皇 第2 章基于c a x a 的数控加工技术 2 1 数控加工技术 在一般机械加工中，单件和中小批量产品占的比重越来越大。为了保证产品 质量，提高生产率和降低成本，要求机床不仅具有较好的通用性和灵活性，而且 在加工过程中要具有较高的自动化程度。数控加工技术就是在这种环境下发展起 来的一种由数控机床的数字控制装置控制的、适用于精度高、零件形状复杂的单 件和中小批量生产的高效、柔性的自动化加工技术。 数控机床是实现数控加工的一种设备，它综合应用了自动控制、电子计算机、 精密测量和传动元件、结构设计等方面的技术，是一种高效、柔性加工的机电一 体化的设备。目前，数控机床发展迅速，几乎所有类型的机床均已实现数控化， 应用领域已从航空工业部门普及扩大到汽车、机床等制造业及其它中小批生产的 机械制造行业中。 学校是培养人才的地方，职业学校更是要培养适应企业需求的从事实际操作 的一线工人的，故而教学应随市场的需求而变化。职业：学校的专业的设置、课程 的安排、人才培养方案的修订也必须随市场而变，数控机床也因此被引入了学校。 2 1 1 基本概念 数字控制n c ( n u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) ，是一种使用数字化信号对设备的运行过 程实行控制的自动化技术。 数字控制机床是具有数字程序控制系统的机床，简称数控机床。机床数字控 制技术是把零件的加工尺寸和各种要求用代码化的数字表示后输入数控装置，再 经过处理与计算后，发出各种控制信号，使机床的运动及加工过程在程序控制下 有步骤地进行，并将零件自动加工出来的技术。 n c 机床是早期的硬件式数控机床。这种机床的控制功能是由专用逻辑电路 实现的，具有专用性，比如说n c 铣床的控制系统就不适用于其它类型机床，一 般来说，不同的数控设备需要使用不同的硬件逻辑电路。 c n c ( c o m p u t e r i z e dn u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) 机床是现代软件式数控机床。利用通 用计算机技术组成的c n c 系统，可采用微机作为控制单元，其主要功能由软件 实现。对于不同的系统，只需编制不同的软件就可以实现不同的控制功能，而硬 件几乎可以通用i l 。 8 华北电力大学专业硕士学位论文 2 1 2 数控机床的组成及工作过程 2 1 2 1 数控机床的组成 数控机床由两大部分组成：一部分是数控系统；另一部分是工作本体。 ( 1 ) 数控系统 1 ) 数控介质( 数字信息的载体) 它的功能是用于记载以加工程序所表示的各种加工信息，如零件加工的 工艺过程、工艺参数等，以控制机床的运动和各种动作，实现零件的机械加 工。常用的信息载体有穿孔纸带、磁带和磁盘。 2 ) 输入装置 信息载体上的各种加工信息要经输入装置( 磁盘驱动器，u 盘和p c i 扩 展槽) 输送给数控装置。对于用微机数控系统控制的数控机床，还可以通过 通信接口从其它计算机获取加工信息。也可用操作面板上的按钮和键盘将信 息直接用手工方式( m d i ) 输入，并将加工程序存入数控装置的存储器中。 根据不同的控制介质，输入装置可以是光电读带机、录音机或软盘驱动器。 有很多数控设备可以不用任何介质，而是将加工程序单上的内容通过数控装 置上的键盘直接传输给数控装置。目前普遍采用的是将加工程序由编程计算 机用通信方式传输给数控装置。 3 ) 数控装置与强电控制装置 数控装置作为整个数控设备的核心装置，它通过接受输入设备所传输过 来的脉冲电信号，并经由数控装置配备的逻辑电路和相关控制软件来进行一 系列的程序编译、计算以及逻辑处理，这一过程的实质依然是依靠发送的脉 冲信号来进行物理实现的，然后相应的信息指令通过输入到伺服系统，命令 所有的设备在规定范围内开展有序的动作1 1 2 】。而这些在各轴坐标系内的指令 主要由插补运算所给出的进给速度、进给方向、给进位移：主轴转速的改变， 主轴旋转方向的改变、信号的启动和停止；指令工具选择和交换的信号；切 削液的启动和停止信号；工件的松夹、分度工作台的转位等辅助指令信号等 1 1 2 1 。这些指令信号通过程序编译、功率放大、逻辑判断等环节后，可以直接 驱动相应的机械、电器、气动、液压部件，从而完成传输指令规定范围内的 各种加工动作。 4 ) 伺服系统 伺服系统包括伺服驱动电路和伺服驱动元件，它们与工作本体上的机械 部件组成数控设备的进给系统。其作用是把数控装置发来的速度和位移指令 ( 脉冲信号) 转换成执行部件的进给速度和位移。一般每个进给的运动，其 9 华北电力大学专业硕士学位论文 曼量蔓曼曼曼量曼量曼皇鼍烹曼曼曼皇皇皇曼曼曼量曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇皇皇曼曼蔓曼鲤量皇曼皇蔓量尝皇量量甍曼皇曼量曼曼曼曼曼皇皇曼曼鼍皇皇 执行部件都配有一套单独的伺服系统，相应地，相对于每一个电脉冲信号， 加工的执行部件都有一个相应的位移量( 称为最小设定单位，或者称为脉冲 当量) ，这一位移量的数值越小，意味着加工的精度越高【1 2 】。总之，数控系统 的精度级别主要取决于伺服系统，而伺服系统的执行元件主要有电液脉冲马 达、功率步进电机、交流伺服电机、自流伺服电机等，伺服系统的作用是将 电控信号的变化信号最终地转换成电动机输出轴的角位移、角速度的变化表 现，进而带动工作本体的机械部件做出进给运动川。 5 ) 测量反馈装置 测量反馈装置的主要功能是针对运动部件的运动速度、实际位移、当前 加工环境( 切削力、温度、摩擦、振动等因素变化) 等参数进行校验和检测， 将数控程序转变为电信号( 脉冲信号) 后反馈给前端的数控装置，经过逻辑 比较，最后得出指令加工运动与实际加工动作的误差，进而发出误差指令， 来纠正所产生的运动加工误差f 1 2 】。总体说来，引入测量反馈装置能够有效地 提高目标零件的数控加工精度。 ( 2 ) i 作本体 数控机床的工作本体执行数控系统发出的各种运动和动作命令，完成机 械零件加工任务，其主要包括主轴运动部件，进给运动部件，工作台( 或滑 板) 和床身立柱等支承部件，冷却、润滑、转位和夹紧等辅助装置，存放刀 具的刀架、刀库及交换刀具的自动换刀机构等。工作本体的主要部件要有足 够的精度、刚度和振动稳定性，传动链要尽量短，以便实现自动控制。 2 1 2 2 数控机床的工作过程 数控设备是根据所输入的工作程序，由数控装置控制设备的执行机构完成生 产过程。不同的数控设备，其生产对象、执行机构的运动形式、设备的结构形式 等有所不同，但数控设备的主要组成和工作原理却是基本相同的。数控机床的工 作过程首先根据零件的要求编制相应的加工程序( 可由人工或计算机编程) ，而 在此系统中采用的是计算机由三维造型直接生成加工程序代码，存储在软盘、磁 带等介质中；再将加工程序输入机床的数控装置；数控装置按加工程序控制伺服 驱动系统和其它驱动系统：伺服驱动系统和其它驱动系统驱动机床的工作台、主 轴、自动换刀装置等，从而完成零件的加工：最后将自动检测结果、工件工时、 机床负荷等信息出到管理系统。 2 1 3 数控机床的分类 数控机床五花a f ，品种繁多，各行业都有自己的数控机床和分类方法。数 1 0 华北电力大学专业硕士学位论文 曼曼! 鼍曼! 曼鼍曼曼量鼍皇! 詈曼皇皇詈曼量曼! 曼! 曼曼皇曼蔓曼曼! ! ! 曼曼曼曼皇! ! ! ! 曼曼量量曼曼! 蔓! 曼曼皇鲁舅曼曼曼曼曼曼皇曼皇量曼蔓皇蔓 控机床的品种已多达5 0 0 多种，通常从以下不同角度进行分类。 2 1 3 1 按工艺用途分类 ( 1 ) 普通数控机床 普通数控机床根据不同的工艺需要，与通用机床一样，可分为数控车、 铣、镗、磨、钻床等，这类机床的工艺性能与通用机床相似，所不同的是它 能按数控指令自动进行加工。 ( 2 ) 数控加工中心 数控加工中心是带有刀库和自动换刀装置的数控机床。在加工中心上， 零件一次装夹后可进行多种工艺、多道工序的集中加工，减少了零件装卸次 数、更换刀具等辅助时间，机床的生产效率高。 ( 3 ) 数控特种加工机床 数控特种加工机床主要指非切削加工的数控机床，如数控电火花加工机 床、数控线切割机床、数控激光切割机床等。 由于资金问题，我国职业学校现在使用的最多的是普通数控机床，如数 控车床、数控铣床。当然，部分学校也会因教学需求引进l 一2 台数控加工中 心，及数控电火花加工机床等，本文在进行系统开发时已经将这些因素考虑 进去。 2 1 3 2 按控制运动的方式分类 ( 1 ) 点位控制系统 点位控制系统是指数控系统只控制刀具或机床工作台，从一点准确地移动到 另一点，而点与点之间运动的轨迹不需要严格控制的系统。为了减少移动刀具或 机床工作台的运动与定位时间，一般先将其快速移动到终点附近位置，然后低速 准确移动到终点定位位置，以保证良好的定位精度( 移动过程中刀具不进行切削) 。 使用这类控制系统的数控机床主要有数控钻床、数控坐标镗床和数控冲床等。 ( 2 ) 直线控制系统 直线控制系统是指数控系统不仅控制刀具或工作台从一个点准确地移动到另 一个点，而且保证在两点之间的运动轨迹是一条直线的控制系统。应用这类控制 系统的有数控车床、数控钻床和数控铣床等。 ( 3 ) 连续切削控制系统 连续切削控制系统( 也称轮廓控制系统) 是指数控系统能够同时对2 个或2 个以上的坐标轴进行严格连续控制的系统。它不仅能将刀具或机床工作台从一个 点准确地移动到另一个点，而且还能控制整个加工过程每一个点的速度与位移量， 可加工带有曲线或曲面轮廓的零件。应用这类控制系统的有数控铣床、数控车床 华北电力大学专业硕士学位论文 和加工中心等。 2 1 3 3 按伺服系统类型分类 ( 1 ) 开环控制系统 在开环控制系统中，数控装置输出的指令脉冲通过环形分配器和驱动电路， 不断改变供电状态，使步进电机转过相应的转角，再通过齿轮副或联轴器带动滚 珠丝杠旋转，通过滚珠丝杠螺母装置把角位移转换为移动部件的直线位移1 1 3 。 移动部件的移动速度与位移量是由输入脉冲的频率和脉冲数所决定的。由于没有 反馈装置，开环控制系统的步距误差及机械传动误差不能进行校正补偿，所以控 制精度较低。但开环控制系统成本低、结构简单、运行平稳、使用维修方便，因 此可用于精度控制要求不高的经济型数控系统中。 ( 2 ) 半闭环控制系统 半闭环控制系统是在伺服电机输出轴或丝杠轴端装有角位移检测装置( 如感 应同步器或光电编码器等) ，通过测量丝杠的角位移，在根据丝杠的螺距计算出 移动部件的直线位移，然后再反馈至数控装置中。 由于角位移检测装置比直线位移检测装置体积小，且结构简单、安装方便、 稳定性能好、价格低，精度高于开环控制系统，故其应用较为广泛。但反馈系统 中未包含丝杠螺母副、齿轮传动副等传动链，故其达不到较高的控制精度。 ( 3 ) 闭环控制系统 闭环控制系统需要在移动部件和床体之间装有直线位置检测装置，系统将测 量出的移动部件的实际位移值反馈到数控装置中，与输入的位移值进行比较，用 差值进行补偿，移动部件就能够按照给定的位移量实现精确定位。 由于闭环控制系统有位置反馈装置，而这种反馈包含了丝杠螺母副和齿轮副 的传动误差，闭环控制系统对这些误差全部予以补偿，因而可达到很高的控制精 度，可广泛地应用在高精度的大型精密数控系统中。 2 1 3 4 按控制坐标轴数分类 数控机床的移动部件较多，现多按直角坐标系对机床移动部件的运动进行分 类和数字控制。数控机床的坐标数目或轴数是指数控装置机床移动部件的联动坐 标数目。 ( 1 ) 两坐标数控机床 两坐标数控机床是指同时控制两个坐标联动的数控机床。如数控车床中的数 控装置可同时控制车床切深方向的x 和主轴回转中心线z 方向的运动，实现两坐 标联动，可用于加工各种曲线轮廓的回转体类零件。数控铣床本身虽有x 、y 、z 三个方向的运动，但数控装置如果同时只控制两个坐标，实现两坐标联动，则可 1 2 华北电力大学专业坝士掌位论又 以在加工中用x 、y ，x 、z ，y 、z 实现坐标平面转换。 ( 2 ) 三坐标数控机床 三坐标数控机床的数控装置可同时控制三个坐标，实现三个坐标联动。 ( 3 ) 两个坐标数控机床 这种数控