（机械电子工程专业论文）基于stepnc的数控车削加工仿真研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 s t e p - n c 是近年来由欧、美、韩等国家提出的一种新的数据接口规范，用来 代替目前使用的i s 0 6 9 8 3 ( g ，m 代码) 。s t e p n c 是s t e p 标准在数控领域的扩 展，实现了c a d ，c a m ，c n c 之间数据的双向传输，丰富了数控程序的信息含 量，提高了c n c 的智能化程度。 数控加工仿真可以检验数控程序的正确性，防止实际加工中干涉和碰撞等问题 的发生。它可以减少工件试切，缩短产品开发周期、降低成本、提高产品质量和 生产效率。 本文开发了一套基于s t e p n c 的数控车削加工三维仿真系统，该系统可以对 输入的s t e p n c 数控程序进行加工过程仿真。该仿真系统是使用j a v a 和o p e n g l 作为工具编写的，主要分为三个模块，分别是程序解析模块、刀轨生成模块、建 模仿真模块。 程序解析模块主要是对输入的s t e p n c 数控程序进行分析，提取程序中的特 征信息。具体工作包括：首先完成数控程序的e x p r e s s 表示向j a v a 表示的映射， 然后再利用j a v a 提供的类或函数，对数控程序进行解析，并以树状显示。 刀轨生成模块主要利用程序解析模块提取出来的特征信息，对程序中的加工特 征的加工过程进行刀具轨迹规划。 仿真建模模块主要是利用j a v a 和j o g l 作为工具，搭建仿真系统平台。然后 利用刀轨生成模块规划出来的刀具轨迹，对加工特征的加工过程进行动态仿真。 本文主要讨论了几个比较简单的车削加工特征，如车端面，车削外圆等。 k e y w o r d s ：s t e p n c ；j o g l ：仿真；特征提取 山东大学硕士学位论文 a , b s t r a c t s t e p n ci san e wd a t ai n t e r f a c e p r o p o s e dr e c e n t l yb ys o i i l t ，e u r o p e a nc o u n t r i e s ， u n i t e ds t a t e s ，k o r e ae t e ，t or e p l a c ei s o6 9 8 3 ( g ，mc o d e s ) s t e p n ci s 蛆e x t e n s i o n o fs t e p ( i s o1 0 3 0 3 ) i n t on cm a c h i n i n gd o m a i n ，r e a l i z et h eb i d i r e c d o n a ld a t a e x c h a n g eb e t w e e nc a d ，c a ma n dc n c ，a n ds t o r em o l ei n f o r m a t i o ni nn cp r o g r a m ， a n dr a i s et h el e v e lo fi n t e l l i g e n c eo fc n c ， c n c m a c h i n i n gs i m u l a t i o nc a l lv a l i d a t et h ec n cp r o g r a m s ，a v o i dt h eo c c u l t e n c e o fi n t e r f e r e a e ea n dc o l l i s i o n 。i tc a ns h o r t e nt h et i m eo fd e v e l o p i n gp r o d u c t s ，r e d u c et h e c o s to fm a n u f a c t u r e ，a n di m p r o v et h eq u a f f t yo fp r o d u c ta n dp r o d u c te f f i c i e n c y t h i sp a p e ra c v e l o p sa3 ds i m u l a t i o ns y s t e mf o rt u r n i n gm a c h i n i n gb a s e d0 1 1 s t e p n c t h es i m u l a t i o ns y s t e mc a ns i m u l a t et h et u r n i n gp r o c e s s t h es i m u l a t i o n s y s t e mi sd e v e l o p e du s i n gj a v al a n g u a g ea n dj o g la p i t h i ss i m u l a t i o ns y s t e mi s m a d eu po ft h r e em o d u l e s ：s t e p - n cp r o g r a mp a r s i n gm o d u l e ，t o o l r i a t l ag e n e r a t o r m o d u l ea n dm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o nm o d u l e 1 1 s t e p n cp r o g r a mp a r s i n gm o d u l ea n a l y z e st h es t e p n cp r o g r a m 。e x l a a e t i n g t h ef e a t u r ei n f o r m a t i o ni ns t e p n cp r o g r a m c o n c r e t ew o r ki n c l u d e sm a p p i n gf t o m e x p r e s st oj a v a ，e x u a e t i n gf e a t u r ei n f o r m a d o nu s i n gj a v ac l a s so rf u n c t i o n , d i s p l a y t h ef e a t u r ei n f o r m a t i o ni nf o r mo fi n f o r m a t i o nn e e t o o l p a t l ag e n e r a t o rm o d u l eg e n e r a t e st h et o o lp a t hf o rt h em a c h i n i n go ft u r n i n g f e a t u r ec x l r a e t e df r o ms t e p n cp r o g r a m t h ef e a t u r ei n f o r m a t i o ni se x t r a c t e db yt h e f i r s tm o d u l e m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o nm o d u l eb u i l d st h es i m u l a t i o np l a t f o r mu s i n gj a v aa n d j o g l t h e nt h i sm o d u l es i m u l a t e st h em a c h i n i n gp r o c e s so ft u r n i n gf e a t u r eu s i n g t o o l p a t l ag e n e r a t e db yt o o l p a t l ag e n e r a t o rm o d u l e t h i sp a p e ro n l yd i s c u s ss e v e r a ls i m p l e t r a m i n gf e a t u r e s ，s u c ha sf a c i n g ，c o n t o u r i n g k e y w o r d s ：s t e p n c ：j o g l ；s i m u l a t i o m f e a t u r ec x t r a e l i n g 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：查堡望日期：竺! 二：夕 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论 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、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：二叠靼导师签名碰日期：竺7 山东大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 计算机数控技术概述 数字控制( n u m e r i c a lc o n t r o ln c ) 是一种用数字化信息进行控制的自动化控 制技术，简称数控。如果一种设备的控制过程是以数字形式描述的，其工作过程 是可编程的并能在程序控制下自动地进行，那么这种设备就称为数控设备【l 】。 数控机床是数控技术的典型应用，其技术范围覆盖机械制造技术，信息处理、 加工、传输技术，自动控制技术，伺服驱动技术，传感器技术，软件技术等领域。 数控机床一般由输入输出设备、数控装置( 也称为数控单元或控制器) 、伺服系 统、驱动装置、可编程控制器( p l c ) 、机床本体以及检测装置等组成( 图1 - 1 ) 。 其中除机床本体之外统称为数控系统1 2 1 ，是数控机床的核心，相当于人体的大脑和 神经系统。加工零件时，由外部系统或操作者根据加工目标和要求编写加工程序 ( 即数控程序) ，数控程序输入到数控装置后经过处理和计算，由数控装置发出 各种数控信号通过伺服系统、p l c 、以及机械和电气驱动系统控制机床动作，从而 完成加工任务。 人们也常将数控系统划分为一系列的功能模块或功能单元，如b e r n d h e u c h e m e r 将其分为n c 内核( n ck e r n e l ) 、人机界面( h u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c e ， h m i ) 、p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r 0 1 ) 和伺服驱动( m o t o ra n dd r i v es y s t e m ) 个模块翻。其中，h m i 或m m c 主要负责非实时任务的处理；n c 内核负责处理加 工程序，并以其为依据确定受控机床的运动状态，是整个数控系统的核心；伺服 驱动部分用以从物理上实现机床的运动；p l c 则用来实现一些比较复杂的逻辑功 能，如刀具管理、工作台管理等。o s a c a ( o p e ns y s t e ma r c h i t e c t u r ec o n t r o lw i t h i n a u t o m a t i o n ) 则将数控系统分为n c 内核、人机控制( m a i l - m a c h i n ec o n t r o l ，m m c ) 、 设备驱动系统以及传感系统1 4 。两者在名称上有所不同，但实际上对功能的划分大 同小异。 山东大学硕士学位论文， 1 2 国内外数控技术的发展概况 1 2 1 国外数控技术的发展概况 数控技术是2 0 世纪4 0 年代后期为适应加工复杂外形零件而发展起来的一种自 动化加工技术，其研究起源于飞机制造业。1 9 5 2 年，美国的帕森斯公司和麻省理 工学院成功研制出世界上第一台数控机床三坐标立式铣床，揭开了数控加工技 术的序幕。此后，数控机床在世界各国迅速发展起来嘲。 在数控机床发展的早期，采用专门的逻辑部件组成专用计算机来实现机床加工 的要求。期间经历了电子管元件、晶体管元件、集成电路，超大规模集成电路等 几个阶段。此时，数控系统均为硬件式数控，大多数功能是由硬件电路来完成的。 7 0 年代初，小型计算机逐渐普及并被应用于数控系统，数控系统的许多功能由软 件实现，计算机数控( c n c ) 技术从此问世。1 9 7 4 年，以微处理器为基础的c n c 系统问世。 从8 0 年代开始，数控技术又进入了一个新的发展时期。由于市场的急剧变化 和竞争的日益加剧，对适合中小批量加工、具有柔性和多功能的制造系统的需求 已逐步超过对大型单一功能的制造系统的需求。数控技术在注重单机高速、高效、 高精度、高可靠性发展的同时，为了适合现代化的制造模式，开始向着开放性、 智能化、网络化等方向发展。数控技术的发展开始更多的着眼于整个制造系统。 这一变化导致了对新一代数控系统的研究。 进入9 0 年代以来，由于计算机技术的飞速发展，推动数控机床技术更快的更 新换代。世界上许多数控系统生产厂家利用p c 机丰富的软硬件资源开发开放式体 系结构的新一代数控系统。开放式体系结构使数控系统有更好的通用性、柔性、 适应性、扩展性，并向智能化、网络化方向大大发展。近几年许多国家纷纷研究 开发这种系统，如美国科学制造中心( n c m s ) 与空军共同领导的“下一代工作站， 机床控制器体系结构”n g c ，欧共体的“自动化系统中开放式体系结构”o s a c a ，日 本的o s e c 计划等。开发研究成果已得到应用，如c i n c i n n a t i m i l a c r o n 公司从1 9 9 5 年开始在其生产的加工中心、数控铣床、数控车床等产品中采用了开放式体系结 2 山东大学硕士学位论文 构的a 2 1 0 0 系统。开放式体系结构可以大量采用通用微机的先进技术，如多媒体 技术，实现声控自动编程、图形扫描自动编程等。数控系统继续向高集成度方向 发展，每个芯片上可以集成更多个晶体管，使系统体积更小，更加小型化、微型 化。可靠性大大提高。利用多c p u 的优势，实现故障自动排除；增强通信功能， 提高进线、联网能力。开放式体系结构的新一代数控系统，其硬件、软件和总线 规范都是对外开放的，由于有充足的软、硬件资源可供利用，不仅使数控系统制 造商和用户进行的系统集成得到有力的支持，而且也为用户的二次开发带来极大 方便，促进了数控系统多档次、多品种的开发和广泛应用，既可通过升档或剪裁 构成各种档次的数控系统，又可通过扩展构成不同类型数控机床的数控系统，开 发生产周期大大缩短。这种数控系统可随c p u 升级而升级，结构上不必变动【q 。 1 2 2 国内数控技术的发展概况 我国从1 9 5 8 年开始研究数控技术，开发数控产品。但在1 9 5 8 年到1 9 7 9 年的 2 1 年时间里一直处于封闭阶段，数控技术发展非常缓慢。自1 9 8 0 年起，我国的数 控技术开始有了重大发展。经过“六五”引进技术、“七五”消化吸收、。八五” 开发自主版权数控系统三个五年计划的技术攻关和专项技术改造，我国初步建立 起了数控机床产业体系。进入9 0 年代以来，我国进入了市场竞争阶段，数控机床 和数控系统发展很快。经过。八五”的技术攻关，“九五”的数控产业化，我国 开发了多种具有自主版权的高级型数控，如中华i 型( c m e 9 8 8 ) 系列、蓝天i 型 ( l t 8 5 2 0 ，8 5 3 0 ) 系列、航天i 型( c a s n u c 9 l i m c ) 系列等。这些数控系统都是 具有多轴联动的高性能c n c 系统，具有9 0 年代的技术水平，打破了多年来“巴 统”对华的封锁和限制，为我国独立自主的开发数控机床创造了条件 7 1 。我国通过 攻关突破已掌握了多项数控前沿技术和共性关键性技术。其中以p c 机为基础的总 线式、模块化、开放型、嵌入式的硬件体系结构和多通道软件技术建立起的具有 我国自主版权的数控系统平台，对我国数控技术的进一步发展具有十分重大的意 义。但是由于我国的工业基础相对薄弱，经济基础差，我国的数控技术与工业发 达国家相比差距仍然很大。许多业内人士认为：数控系统是我国数控机床发展的 最大。瓶颈”。尽管数控技术的攻关项目相对集中在数控系统的研发和产业化方 3 山东大学硕士学位论文 面，但我国数控系统的技术和产业化水平与世界水平相比仍存在很大差距。国产 数控机床和数控系统的市场占有率很低，据统计，国产数控机床的国内市场占有 率徘徊在2 0 3 0 之间( 1 9 9 3 1 9 9 7 ) 数控系统的国内市场占有率为：普及型 约1 0 ，高级型约5 t s j 。 1 3 数控技术的发展趋势和动向 为了满足市场和科学技术发展的需要，为了达到现代制造技术对数控技术提出 的更高的要求，目前，世界数控技术及其装备发展趋势主要体现在以下几个方面： 1 ) 模块化。硬件模块化易于实现数控系统的集成化和标准化。根据不同的 功能需求，将基本模块，如c p u 、存储器、位置伺服、p l c 、输入输出接口，通 讯等模块，做成标准化系列模块，通过功能裁剪和模块数量的增减，构成不同档 次的数控系统。 2 ) 网络化。在企业内部，控制系统的网络化可以充分实现企业内部信息和 资源共享，适应未来面向任务的订单式生产方式；在企业之间，控制系统的网络 化可以更好地适应敏捷制造等先进制造模式。此外，机床的网络化还可以实现远 程控制和无人化生产。 3 ) 集成化和智能化。在集成化方面，以开发符合s t e p ( s t a n d a r df o r t h e e x c h a n g eo f p r o d u c t m o d e ld a t a ) 标准的参数化特征造型系统为主，目前己进行了 大量卓有成效的工作，是国内外开发的热点；具有智能化的数控系统，根据加工 参数，自动优化加工过程，提高生产效率，改善工件加工的表面质量。 4 ) 开放式。开放式数控系统具有柔性高、成本低、易于升级扩展，投资风 险小，能引入新的p c 软硬件技术等优点，是二十一世纪数控技术的发展方向阴。 o s a c a ( o p e ns y s t e ma r c h i t e c t u r ef o rc o n t r o lw i t ha u t o m a t i o ns y s t e m s ) 是欧共体 为开放式数控系统定义的控制器机构，它将工业界控制领域的开放式系统定义为： “开放式控制系统由一系列逻辑上独立的部件组成。部件之间的接口以及部件与 实现平台的接1 = i 已预先定义，允许来自不同厂家的部件协调工作，从而形成一个 完整的控制系统。该系统可以运行于不同的平台上，并为用户和其它自动化系统 提供一致的界面”1 1 0 l 。国际电气电子工程师协会m e e 认为，开放系统应确保应用 4 山东大学硕士学位论文 程序可以运行在不同开发商的平台上，可以与其它系统上的应用程序进行互操作， 并且具有风格一致的用户界面。密歇根大学对开放式数控的各种定义进行了调查 研究，认为硬件无关性、功能模块的互换性、易于升级扩展可能会更能代表人们 对开放式数控的一般看澍1 1 】。 5 ) 用户界面图形化。用户界面是数控系统与操作者之间的对话接口。图形 化的用户界面极大的方便了非专业用户的使用，人们可以通过窗口和菜单进行操 作，便于蓝图编程和快速编程、三维彩色立体动态图形显示、图形模拟、图形动 态跟踪和仿真、不同方向的视图和局部显示比例缩放功能的实现。 6 ) 科学计算可视化。科学计算可视化可用于高效处理数据和解释数据，使 信息交流不再局限于用文字和语言表达，而可以直接使用图形、图像、动画等可 视化信息。在数控领域，可视化技术可用于c a d c a m 系统，如自动编程设计、 参数自动设定、刀具补偿和刀具管理数据的动态处理和显示以及加工过程的可视 化仿真演示等【埘。 1 4 当前数控技术存在的问题和s t e p n o 的出现 在现代制造业中，大量的产品信息需要在各个企业的生产设备之间进行传递和 交换。但是不同企业使用不同的生产设备，这就产生一些问题，如信息传递的可 靠性和产品数据描述一致性问题。目前使用数字传递标准通过网络传输已经解决 信息传递的可靠性问题：产品数据交换标准s t e p 是产品数据几何信息的描述标准 化。但是目前产品信息在不同设备之间进行传递的主要障碍是数控机床上以i s o 6 9 8 3 ( g 、m 代码) 为基础的传统数控编程方式。这种语言仅包括一些简单的运动 指令和辅助指令，而编程人员却要考虑许多数控加工要素：零件几何信息的转换， 刀具路径的生成，进给量和主轴转速的确定，刀具的选择等，大大降低了编程效 率。具体地讲，主要存在以下问题： 1 ) 使用i s o6 9 8 3 编写的数控程序仅包含了c a d c a m 系统中的一部分信息， 一些信息在传递和交换中丢失了；数控程序只能严格规定机床的运动和开关动作 而不能使机床全面的了解工件，直接限制了机床智能化程度的提高； 2 ) 只能完成一些简单的直线和圆弧插补，不能提供更为复杂的加工功能，例 5 山东大学硕士学位论文 如样条曲线插补功能； 3 ) 由于厂商和最终用户开发的许多扩展功能未能标准化，不同数控系统采用 的指令集不尽相同，因此，同一个零件的加工程序在不同的数控系统之间不具有 互换性，造成系统之间的不兼容； 4 ) 在机床上不能实现实时刀具路径生成、碰撞检验、图形加工可视化和复杂 数控程序修改等功能； 5 ) i s o6 9 8 3 根据机床各个坐标轴对刀具中心进行编程而不是根据被加工零 件进行编程埘。 6 ) 编程困难。据统计，采用手工编程时，编程时间与加工时间之比为3 0 ：1 ， 因此常常因为编程困难而造成停机。 7 ) 从c a d c a m 到c n c 的信息传输是单向的，c n c 只能被动执行命令，而 上游系统也无法得知机床的实际运行情况，难以实现系统的集成或数据共掣1 4 1 。 随着研究的深入，人们发现这种面向运动和开关控制的数控程序限制了数控系 统的开放性和智能化的发展，同时也使得数控技术和c a x 技术之间形成了瓶颈。 在1 9 9 4 年到1 9 9 7 年间，亚琛( a a c h e n ) 大学的机床与生产工程研究所( w z l ) 就已经展开了对s t e p 数据模型的研究工作。此项目实际上就是欧洲的o p t i m a l 计划。这一计划研究了基于s t e p 的三维铣削数据模型，这是c a m 系统之间首次 以s t e p 文件作为接口。接下来欧洲又启动了为期三年的s t e p n c 研究计划( 也 就是e s p r i ti v ) ，将基于s t e p 的接口模式扩展到2 5 d 磨削，车削，电火花加 工等方面。新的接口模式得到国际社会的一致看好，拉开了国际社会s t e p n c 研 究的序幕。目前s t e p n c 被作为i m s ( 智能制造系统) 计划的重要内容。i m s 是 一个以新一代制造技术为目标的国际合作研发计划，1 9 8 9 年由日本提议，成员有 澳大利亚、加拿大、欧盟、挪威、日本、韩国、瑞士、美国掣嘲。 目前s t e p n c 技术的研究尚在起步阶段，但目前的研究成果显示，它必将会 对目前的自动化制造技术乃至制造业带来深远的影响。下面是可望在不久的将来 发生在机械制造业的一些变化。 数控机床将废弃沿用已久的g 、m 代码( i s o6 9 8 3 ) ，代之以更加高效、易于 理解和操作、描述性更强的数控语言。这种数控程序通过一系列的制造任务( 工 ， 6 山东大学硕士学位论文 1 1 1 作步骤) 描述制造过程的所有操作，以面向对象( 而不是面向动作) 的编程使得 现场编程界面大为改观垧。 c n c 直接利用c a d c a m 格式数据，在c a m 阶段除加入必要的工艺信息外 不进行任何转换；c n c 自动生成最终加工程序，一般情况下不需要单独的后处理 过程，因此能确保c n c 知道干什么而不仅仅是怎么干，为c n c 的自治智能化提 供了保障。据s t e pt o o l s 公司预测，s t e p n c 控制器将在本世纪的第一个十年里 出现。在不久的将来人们将会看到这样一种情景：操作者在基于p c 的机床控制器 上按下某个按钮后，c n c 系统通过网络读取有关数据库中的三维产品数据( 不是 加工程序) ，然后操作者通过弹出的窗口确认某些参数，按下机床的循环启动按 钮，接下来机床就可以开始加工了。 实现c a d ，c a m ，c n c 之间双向无缝连接，既支持机床的自适应控制也使得上 游工序看到加工实况，利于加工质量的提高。另外，c a d 、c a m 、c n c 之间的功 能很可能会重新划分：c a m 系统的宏观功能与c a d 系统集成；微观规划与c n c 集成。 生产效率的提高。s t e pt o o l s 公司的研究数据表明：s t e p n c 的应用将使目 前的加工前生产数据的准备( c a d ) 时间减少7 5 ，工艺规划( c a m ) 时间减少 3 5 ，加工( c n c ) 时间减少5 0 ( 以五轴和高速加工为例) 【明。 图i - is t e p 与s t e p - n c ( s t c p t o o l s ) 管理系统( 如e r p 、p d m 等) 将延伸到生产现场，所有c a x 系统建立在统一 的标准上，消除了长期困扰着人们的不兼容问题，也为网上制造、并行工程、敏 捷制造等先进制造技术和模式提供了技术基础。 7 - 山东大学硕士学位论文 1 5 数控力g - t - 仿真技术及其研究状况 1 5 1 数控仿真技术 从工程的角度来看，仿真就是通过对系统模型的实验去研究一个已有的或设 计中的系统。分析复杂的动态对象，仿真是一种有效的方法，可以减少风险，缩 短设计和制造周期，并节约投资。计算机仿真就是借助计算机，利用系统模型对 实际系统进行试验研究的过程。 建模就是通过对实际系统的观测或检测，在忽略次要因素或不可检测变量的 基础上，用物理或数学的方法进行描述，从而获得实际系统的简化近似模型。这 里的模型同实际系统的功能与参数之问应具有相似性和对应性。 仿真模型是对系统的数学模型( 简化模型) 进行一定的算法处理，使其成为 合适的形式之后，成为可能被计算机接受的“可计算模型”。仿真模型对实际系 统来讲是一个二次简化的模型。 仿真试验是指系统的仿真模型在计算机上运行的过程。仿真是通过实验来研 究实际系统的一种技术，通过方针技术可以弄清楚系统内在变量和环境条件的影 响。 数控加工仿真就是利用计算机来模拟实际的加工过程，是验证数控加工程序 的可靠性和预测切削过程的有力工具，可以减少工件试切，提高生产效掣嘲。 数控机床的加工是控制数控指令程序完成的。在实际生产中，所使用的数控 程序代码无论是由操作人员手工编写的还是系统自动生成的，都有可能产生错误。 不合适的数控程序可能导致废品的产生，也可能导致零件与刀具、刀具与夹具、 刀具与工作台之间的干涉和碰撞，这些都是非常危险的。为了保证数控程序的正 确性，防止加工过程中干涉和碰撞的发生，在实际生产中，常采用机床空运转、 试切木模或蜡模的方法进行检验n 9 1 。凡是程序不对的地方，试切出来的零件形状 就不正确，必须修改程序再次试切，直到程序正确为止。这种方法费工费料，代 价昂贵，提高了生产成本，增加了产品加工时间和生产周期，降低了数控机床的 利用效率。后来又采用轨迹显示法，即以画针或笔代替刀具，以着色板或纸代替 8 山东大学硕士学位论文 工件来仿真刀具运动轨迹的二维图形( 也可以显示二维半的加工轨迹) ，有相当 大的局限性。为此，人们一直在研究能逐步代替试切的计算机仿真方法，并在试 切环境的模型化、仿真计算和图形显示等方面取得了重要的进展，目前正向提高 模型的精确度、仿真计算实时化和改善图形显示的真实感等方向发展。 从试切环境的模型特点来看，目前数控加工过程仿真分为几何仿真和力学仿 真两个方面。几何仿真不考虑切削参数、切削力及其它物理因素的影响，只仿真 刀具工件几何体的运动，以验证数控程序的正确性。它可以减少或消除因程序错 误而导致的机床损伤、夹具破坏或刀具损伤、零件报废等问题；同时可以减少从 产品设计到制造的时间，降低生产成本。加工过程的力学仿真属于物理仿真的范 畴，它通过仿真过程的动态力学特性来预测刀具破损，刀具振动，控制加工参数， 从而达到优化加工过程的目的【卸】。 1 5 2 数控仿真技术研究现状 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。k a w a b e 等人最早 利用刀具轨迹，采用边界表示法来获取刀具加工零件的框架图，因为该方法简单， 容易实现，所以被早期大多数的c a d c a m 系统所采用。但是，因为工件形状越 来越复杂，刀具轨迹包含的信息量也越来越多，导致图形形状混乱不清，于是仿 真研究开始向三维实体仿真算法方向发展，如：a n d e r s o n 研究了三维碰撞检验算 法，c h a p p e ! 给出了利用向量来分析切削过程的算法，s u n g u r t r a n 等提出了特征造 型设备上的数控仿真系统，k k w a n g 研究了基于布尔算法的n c 检验系统， j h o l i v e r 提出了直接尺寸检验方法掣2 1 1 1 2 2 1 1 2 3 1 。美国m i s s o u r i r o u a 大学提出的 c n c 车床的图形仿真，通过二维图形显示刀具轨迹和毛坯随刀具轨迹变化时发生 的变化，并在屏幕上给出对应加工状态。日本索尼公司研制的f r e d a m 系统可以 对球头铣刀加工自由曲面进行三维仿真，重点显示三维刀具轨迹与零件模型，以 避免精加工时的刀具碰撞。美国n a t i o n a l i n s t i t u t e o f s t a n d a r d s a n d t e c h n o l o g y 提出 针对型腔铣削的三维零件的加工轨迹算法及显示并检查了刀具接触角。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，采用真实图形显示三轴铣床 租铣加工过程。r e p u b l i co fm a c e d o n i a 采用图形动画技术开发了一种基于p c 的数 9 山东大学硕士学位论文 控机床切削过程检验模型，它可以在切削过程中实时的演示刀具一工件系统，从 而达到验证n c 刀具轨迹的目的。在集成了可视交互建模( v i m ) 和可视交互仿真 ( v i s ) 技术的基础上，日本的h i r o s h i m a d e n k i 工学院引入了面向对象数据结构、 可视化设计和智能管理概念并开发了一种v m s s 系统，它可有效地进行f m s 建模， 降低f m s 开发费用。西德提出的采用c o s i m a 图形仿真系统，能够识别程序中的 大部分几何图形错误，从而改善n c 编程质量，大大缩短机床上的装机调试时间， 并以d e c k e ld c 3 d 加工中心的实体模型模拟加工中心的n c 加工过程，即适用 于通常的n c 加工，也适于柔性制造系统的仿真。 目前国内一些科研院所在这一领域取得了一些进展，如华中理工大学的 n c p r o o f 软件系统，具有图形和n c 程序的计算机编程能力，通过生成刀具轨迹， 利用二维动画图形显示较直观的仿真n c 程序加工的过程，检查n c 程序语法及加 工过程的错误( 如坐标尺寸、碰撞等) ，生成过程报告、刀具使用报告及错误报 告，用于s i n u m e r i k8 m c 数控系统的加工中心n c 加工程序的检验和仿真。又 如同济大学开发的n c 程序微机动画仿真系统，也以二维图形方式动态模拟加工过 程，整个程序的仿真时间与实际加工相吻合，但也可以根据用户要求成正比例的 快速或慢速仿真，能满足生产现场对其实时性的要求。哈尔滨工业大学利用c + + 和动画制作软件3 ds t u d i o 所编的n c 仿真程序可三维演示数控加工车削过程，但 其演示过程不涉及精度、变形计算，并且由于仿真时需要调用3 d s 进行渲染和着 色，故占用时间长，速度慢，不能进行实时仿真，只能进行定性分析。清华大学 的n c 加工三维仿真系统n c m s s 系统，就是用c 语言在a p o l l o 工作站上实现 的，可在任选视图( 三维视图和立体图) 上直观地显示刀具加工轨迹和工件轮廓， 还提出了一套功能完备的调试、编辑、修改、跟踪执行功能，但刀具真实图形显 示还未达到理想水平。此外，还有北京航空航天大学提出的针对复杂表面区域加 工的三维自动零件编程系统；延边科技大学提出的以面向对象编程方法、充分利 用历史数据库来简化c i m 建模过程的系统等等，此外还有上海天傲科技有限公司 研制的 i n s 数控仿真系统，上海宇龙软件工程有限公司开发的字龙数控加工仿真 系统，南京宇航自动化技术研究所开发的v h c n c 数控仿真系统，目前，这些系 统有的尚处于开发和完善之中【刎。 l o 山东大学硕士学位论文 1 6 本课题的研究内容和意义 本课题是作为国家自然科学基金项目“基于s t e p n c 的智能化数控理论和关 键技术研究”( - 2 0 0 5 1 2 ) 的一个子项目被提出来的，项目号是5 0 4 4 5 0 0 4 。 本课题详细研究了s t e p 标准和s t e p n c 中有关车削加工的标准，如 i s 0 1 4 6 4 9 - 1 2 ，i s 0 1 4 6 4 9 1 2 1 等，还详细研究了s t e p n c 数控程序的表示语言 - e x p r e s s ，认真分析了s t e p n c 数控程序的结构。利用j a v a 作为工具，对 s t e p n c 数控程序进行解析，提取数控程序中描述的加工特征信息，并将解析结 果以树状显示。然后通过对特征信息的分析，规划工件加工时的刀具轨迹，并利 用j a v a 和j o g l 对工件加工过程进行动态仿真。 目前，对s t e p n c 的研究还处于起步阶段，还有很多需要解决的问题。尤其 是在车削加工领域，本课题实现的对于基于s t e p n c 的数控车削加工过程的仿真， 没有使用s t e p t o o l s 公司的s t - d e v e l o p e r 等相关的软件，这对于自主开发基于 s t e p n c 的数控车削系统有一定的借鉴意义。 山东大学硕士学位论文 第2 章s t e p - n c 简介 2 1s t e p 标准 s t e p 是产品模型数据交换标准( s t a n d a r df o rt h ee x c h a n g e0 fp r o d u c tm o d e l d a t a ) 的缩写，它是用来描述怎样表达和交换数字化产品信息的i s 0 标准( i s o 1 0 3 0 3 ) 。它提供了一种独立于任何具体计算机环境的中性机制，它定义了产品设 l 计，开发，制造以及产品全生命周期所需要的信息定义和数据交换的外部描述。 产品数据的这种描述不仅适合与中性文件交换，而且是实现和共享产品数据库交 换信息及产品数据长期存档的基础，着眼于产品的整个生命周期中产品数据统一 模型的建立。数字化产品数据必须包括足够的信息来表达产品的整个生命周期， 包括从设计到分析，制造，质量控制测试，检测和产品支持功能。为了做到这一 点，s t e p 必须涵盖几何，拓扑，公差，约束，属性，装配，尺寸和其他许多方面 的内容。1 9 8 4 年s t e p 正式成为国际标准( i s o1 0 3 0 3 ) 。s t e p 提供了一种独立 于任何一个软件和硬件平台的中性格式来描述整个产品生命周期的产品数据2 5 】， 它是关于计算机可理解的产品数据表达和交换的国际标准，其实质就是使s t e p 不 仅适合于文件交换，而且还是实现数据共享和存档的基础。与较早诞生的i g e s ( i n i t i a lg m p h i c se x c h a n g es p e c i f i c a f i o n ) 相比，其突出优点主要包括以下几个方 面瞄研吲： 1 ) 可扩展性。s t e p 有自己的信息描述语言( e x p r e s s ) ，该语言也是目 前唯一广泛采用的可以描述三维实体复杂性的语言。它吸收了现代编程语言的优 点，主要目的是为了建立产品的数据模型，对产品的几何、拓扑、材料、管理信 息等进行描述。利用e x p r e s s 语言可以将s t e p 向任意领域扩展。 2 ) 支持面广。它除了支持三维产品数据以外还支持包括进行设计、分析、 制造、测试、检验零部件或机构所需的几何、拓扑、公差、关系、属性和性能等 数据的表达与交换。 3 ) 兼容性。s t e p 能够使不同的用户通过不同的应用系统同时访问数据库、 实现数据共享。 山东大学硕士学位论文 2 2s t e p 的组成与特点 产品数据包括产品的几何形状：特征，公差，材料，表面处理，以及产品的管 理信息，工艺信息等，极为繁琐。而且不同的制造过程有不同的信息需求，为了 支持不同的产品，不同过程，不同阶段的系统集成，s t e p 将数据的描述与实现方 法，资源以及具体应用进行了分离。并提供了一整套方法和理论。s t e p 实际上是 一个标准系列 2 8 1 。 描述方法是用以描述s t e p 内所有数据模型的基本方法。s t e p 有自己的信息 描述语言e x p r e s s 2 9 3 。e x p r e s s 是一种按照沃思语法表示法( w i r t hs y n t a x n o t a t i o n ) 定义的一种形式描述语言，主要目的是为了建立产品的数据模型，对产 品的几何，拓扑，材料，管理信息等进行描述。但它只注重描述对象的形式和结 构而不注重其具体含义。e x p r e s s 引入了实体( e m m 阿) 和模式( s c h e m a ) 的概念。把研究对象或概念抽象为具有属性的实体，若干实体的集合组成模式。 一个实体可以是另一个实体的子类( s u b t y p e ) ，也可以是另一个实体的超类 ( s u p e r m e ) 。这种方法易于描述客观事物之间的复杂关系，更加适合于中性 文件，也便于人的理解和计算机的处理嗍。e x p r e s s 语言在一定程序上代表了 s t e p 的特点。利用e x p r e s s 语言s t e p 可以方便地向任意应用领域扩展。 集成资源用以描述产品生命周期中各阶段的产品数据模型，它包括通用资源和 应用资源两部分。通用资源和具体应用无关，它可以相互引用，是集成资源的基 础，应用资源则面向应用领域( 如船舶制造，飞机制造等) 。 应用协议是面向特定应用的产品数据模型，一般包括应用活动模型a a m ( a p p l i c a t i o na c t i v i t ym o d e l ) ，应用参考模型a r m ( a p p l i c a t i o nr e f e r e n c em o d e l ) ， 应用解释模型a i m ( a p p l i c a t i o ni n t e r p r e t e dm o d e l ) 和测试组件a t s ( a b s t r a c t t e s t s u i t e ) 。a a m 是对系统功能需求的描述，包括输入，输出，控制，运行机制等。 a r m 描述应用领域的信息需求和约束。a i m 则通过e x p r e s s 语言描述s t e p 集 成资源的解释模型。a t s 是一套测试方法。应用系统的开发必须以特定的应用协 议为基础。 实现方法是用以规定在计算机系统间实现产品数据交换和共享的具体方法，例 山东大学硕士学位论文 如文件交换格式或数据库共享方法等。 一致性测试描述了对s t e p 应用系统进行测试的框架和方法。 2 3s t e p 的建模特点 图2 - 1s t e p 的组成 基于s t e p 建模具有以下特点口1 】： 1 ) 直接性。传统的数据交换是建立在单独系统间的一一交换，它的模型是 建立在独立系统的自主描述上，缺乏共有的基础。基于s t e p 建模是建立在统一的 产品模型基础上，系统间数据交换可达到最大限度的一致性。各系统只需开发出 标准型的接口，就可以达到系统间的数据交换目的。 2 ) 完整性模型。基于s t e p 建模可以克服几何建模、特征建模及实体建模 的不足，可覆盖产品生命周期中所有信息，涉及设计，分析、制造、测试和产品 支持而全面定义零件的几何、拓扑、公差及属性。 3 ) 中性机制。它是以中性格式概括出一个在产品生命周期内具有完整性与 集成性的计算机化的产品模型所需的信息，即独立于任何c a d c a m 系统。 4 ) 灵活性。即在实现方式上可以是用以中性文件为交互基础的数据交换， 也可以建立知识和智能共享的数据库，基于数据库的交换是较高一级的交换。 2 4s t e p 与s t e p - n c 的关系 在s t e p 应用协议中，a p 一2 0 3 ( c o n f i g u r a d o n c o n t r o l l e d3 d d c d g n o f m e c h a n i c a l 1 4 山东大学硕士学位论文 i i = l e ! 目! e ! e ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! e e ! g ! g ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !