【正文】 ....... 33 結(jié)論 .................................................................................................................... 33 展望 .................................................................................................................... 33 致謝 ............................................................... 35 參考文獻(xiàn) ........................................................... 36 附錄 ............................................................... 37 附錄 1 ....................................................................................................................... 37 附錄 2 ....................................................................................................................... 47 附錄 3 ....................................................................................................................... 48 附錄 4 ......................................................................................... 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。 1 1 緒論 數(shù)控仿真技術(shù)的概述 數(shù)控加工仿真的發(fā)展現(xiàn)狀 數(shù)控加工仿真一般包括以下幾個(gè)過(guò)程；（ 1）對(duì)圖樣進(jìn) 行分析，確定需要數(shù)控加工的部位；（ 2）利用圖形軟件對(duì)需要數(shù)控加工的部分進(jìn)行幾何造型；（ 3）根據(jù)加工條件，選擇合適的加工參數(shù)，生成刀具軌跡；（ 4）仿真檢驗(yàn)；（ 5）生成 NC代碼并傳給機(jī)床。 由此可見(jiàn)，上述工作需要人與計(jì)算機(jī)相互配合、共同完成。其中，需要大量的計(jì)算和重復(fù)性的工作，而人只需指定加工部位與工藝條件。優(yōu)秀的計(jì)算機(jī)仿真數(shù)控加工軟件可以讓用戶(hù)方便地建立其工件的幾何模型 (曲面與實(shí)體模型 )，同時(shí)只要用戶(hù)在系統(tǒng)的引導(dǎo)下輸入少量數(shù)據(jù) (工藝參數(shù)等 ),就可以迅速地完成相關(guān)的加工編程工作，而且系統(tǒng)具有相當(dāng)?shù)娜嵝裕?可以適應(yīng)不同類(lèi)型的情況，對(duì)切削加工過(guò)程進(jìn)行仿真，快速檢驗(yàn) NC 程序，避免發(fā)生碰撞和干涉。 目前，流行的計(jì)算機(jī)數(shù)控加工仿真系統(tǒng)主要有以下幾種： UNiGraphics 是高檔 CAM 軟件的代表，其加工方式完備，計(jì)算準(zhǔn)確，實(shí)用性強(qiáng)，是航空、汽車(chē)、造船行業(yè)的首選 CAM 軟件。 CIMATRON90SHI 中檔 CAM 軟件的代表，該軟件產(chǎn)自以色列，其實(shí)用性強(qiáng)，也是航空、汽車(chē)、電子、模具行業(yè)廣泛應(yīng)用的 CAM軟件。 MasterCAM 是低檔 CAM 軟件的代表，主要應(yīng)用在中小企業(yè)的模具行業(yè)。CAXAME 是國(guó)內(nèi) CAM 軟件的代表，主要 面向中小企業(yè)。由于市場(chǎng)的國(guó)際化，全球競(jìng)爭(zhēng)要求產(chǎn)品的制造過(guò)程具有高速度和低成本。產(chǎn)品更新的速度越來(lái)越快，市場(chǎng)需求朝著小批量、個(gè)性化方向發(fā)展。傳統(tǒng)的小而全的企業(yè)模式已越來(lái)越喪失競(jìng)爭(zhēng)力，各種形式的合作開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)和銷(xiāo)售方式應(yīng)運(yùn)而生。因此，異地設(shè)計(jì)、異地編程、異地加工越來(lái)越被眾多企業(yè)采用，虛擬制造技術(shù)也應(yīng)運(yùn)而生。虛擬制造是應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、加工、裝配等工序統(tǒng)一建模，形成虛擬的生產(chǎn)過(guò)程，從而產(chǎn)生了虛擬產(chǎn)品、虛擬企業(yè)。虛擬制造技術(shù)使廠家可以在不同的城市甚至不同可國(guó)家通過(guò) Inter/Intra 進(jìn)行設(shè) 計(jì)、加工，共享同一產(chǎn)品模型，從而大大提高效率，降低成本。虛擬制造技術(shù)實(shí)際上使一種軟技術(shù)，其中，產(chǎn)品建模、數(shù)據(jù)共享和加工過(guò)程仿真是虛擬制造技術(shù)的基礎(chǔ)。 數(shù)控加工仿真軟件的主要特點(diǎn)是具有 CAD/CAM 的系統(tǒng)集成性，比較成熟的 CAM 系統(tǒng)主要以?xún)煞N形式實(shí)現(xiàn) CAM/CAM 系統(tǒng)集成：一體化的 CAD/CAM系統(tǒng) (如 :UGII， Euclid， Pro/ENGINEER 等 )和相對(duì)獨(dú)立的 CAM 系統(tǒng) (如 :Mastercam, Surfcam 等 )。前者以?xún)?nèi)部統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式直接從 CAD 系統(tǒng)獲取產(chǎn)品幾何模型，而后者主要通過(guò)中性文 件從其它 CAD 系統(tǒng)獲取產(chǎn)品幾何模型。 數(shù)控加工仿真存在的問(wèn)題 進(jìn)行機(jī)械加工過(guò)程仿真，主要存在以下兩種情況。一種是從研究金屬切削的角度出發(fā)，仿真某具體切削過(guò)程內(nèi)部各因素的變化過(guò)程，即研究其切削機(jī)理，供生產(chǎn)設(shè)計(jì)與研究應(yīng)用。另一種是將加工過(guò)程仿真作為系統(tǒng)的一部分，重點(diǎn)在于構(gòu) 2 造完整的虛擬制造系統(tǒng)。但這兩種方式的仿真方法是相同的，即對(duì)機(jī)械加工工藝系統(tǒng)建立連續(xù)變化的模型，然后用數(shù)學(xué)離散方法將連續(xù)模型離散為斷續(xù)點(diǎn)，通過(guò)分析這些離散點(diǎn)的物理因素變化情況來(lái)仿真加工過(guò)程。由于機(jī)械加工過(guò)程仿真還處于起步階段，目 前存在以下幾方面的問(wèn)題： 仿真的加工形式少，研究范圍窄。在切削加工眾多的種類(lèi)與形式中，目前的仿真加工主要集中于車(chē)削、銑削和磨削等。同時(shí)這些加工方法的仿真也局限在很窄的范圍內(nèi)。如銑削仿真多是仿真立銑刀與端銑刀，而這種仿真系統(tǒng)對(duì)其他種類(lèi)的銑刀 (如加工成形表面用的成形銑刀 )就無(wú)能為力 .一方面是因?yàn)殂娤骷庸しN類(lèi)繁多，存在著銑平面、銑外圓、銑外形、銑型腔。銑螺旋槽、銑齒輪等多種銑削形式 。另一方面是因?yàn)殂娤骷庸だ碚搹?fù)雜，不同的加工方法、刀具形狀的加工模型有較大的差別。目前的仿真系統(tǒng)大多數(shù)只能進(jìn)行幾何仿真，即到位 軌跡仿真、工件與刀具的干涉校驗(yàn)等，有人稱(chēng)之為 NC 校驗(yàn)。但在機(jī)械加工過(guò)程中，幾何校驗(yàn)只是前提條件，更為重要的是切削力、刀具振動(dòng)及刀具磨損等在切削過(guò)程中其決定因素的各物理量。 物理仿真考慮理想狀態(tài)，與實(shí)際有較大差距。在目前的仿真系統(tǒng)中預(yù)先設(shè)定了大量的假設(shè)因素，如設(shè)定工藝系統(tǒng)剛性滿(mǎn)足要求、無(wú)振動(dòng)，加工材料結(jié)構(gòu)統(tǒng)一、無(wú)硬點(diǎn)等缺陷，刀具無(wú)磨損，切削要素不發(fā)生變化等。這種假定的理想狀態(tài)不能將切削過(guò)程中的隨即干擾如工件硬點(diǎn)造成的材質(zhì)變化、振動(dòng)造成的切深變化等因素考慮進(jìn)去，是仿真系統(tǒng)不能真實(shí)地反映實(shí)際切削過(guò)程。 仿 真手段限制仿真系統(tǒng)的發(fā)展。仿真技術(shù)的發(fā)展與計(jì)算機(jī)技術(shù)緊密相連。過(guò)去由于計(jì)算機(jī)軟、硬件的限制，造成仿真時(shí)間長(zhǎng)，編碼工作量大，程序可讀性、維護(hù)性差等，這些都為仿真工作帶來(lái)許多困難。目前應(yīng)用 C++語(yǔ)言及面向?qū)ο蟮姆椒?(00P)開(kāi)發(fā)仿真系統(tǒng)己成為發(fā)展潮流。以上問(wèn)題己引起研究人員的重視，今后的仿真制造系統(tǒng)將朝著快速運(yùn)行、面向多種加工方式，更加符合實(shí)際狀況的方向發(fā)展。 選題背景與意義 選題背景： 隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展與廣泛應(yīng)用，各行各業(yè)在設(shè)備方面普遍采用數(shù)字控制己成為當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的一大主流。對(duì)于學(xué)校和技能 培訓(xùn)部門(mén)來(lái)說(shuō)，使自己培養(yǎng)的技術(shù)人員具有一定的數(shù)控知識(shí)和操作經(jīng)驗(yàn)，是其人才順利走向市場(chǎng)、具有更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力和適應(yīng)現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展的當(dāng)務(wù)之急 [4]。在目前如何培養(yǎng)適應(yīng)社會(huì)需求的數(shù)控操作技工人才主要存在兩方面的問(wèn)題 :一方面培養(yǎng)的對(duì)象多，另一方面資金設(shè)備受到嚴(yán)格的限制且安全系數(shù)低。所以說(shuō)學(xué)生多設(shè)備少危險(xiǎn)性大始終是困擾著數(shù)控培訓(xùn)的一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題。雖然目前市場(chǎng)上有不少先進(jìn)的仿真軟件，但它們所能解決的大都是些共性的問(wèn)題，并且價(jià)格昂貴。在大量采用半手工數(shù)控編程的我國(guó)制造業(yè)，研究開(kāi)發(fā)基于 NC 代碼的仿真加工軟件具有十分重要的意義。 鑒于上述原因，再加上數(shù)控教學(xué)本身的特點(diǎn) :編程難，操作容易。因此，開(kāi)發(fā)合適的數(shù)控教學(xué)仿真軟件，將手工編寫(xiě)的數(shù)控程序在計(jì)算機(jī)上屏幕上較真實(shí)地顯示出每一個(gè)程序段執(zhí)行時(shí)所留下的軌跡、執(zhí)行過(guò)程和執(zhí)行結(jié)果成為了一種需要，將這樣的教學(xué)手段用在數(shù)控編程和操作的教學(xué)及培訓(xùn)中，可以很好地解決上述問(wèn)題，達(dá)到良好的教學(xué)效果與生產(chǎn)需要。 意義： 本課題主要研究基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)控車(chē)床實(shí)訓(xùn)操作仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的 3 意義如下： （ 1） 可以減少實(shí)際使用的數(shù)控設(shè)備。學(xué)生在學(xué)完理論課之后就要進(jìn)行生產(chǎn)實(shí)踐，這就需要大量的數(shù)控設(shè)備。然而數(shù)控設(shè)備價(jià)格 昂貴，學(xué)校的條件非常有限，不可能購(gòu)買(mǎi)大量的數(shù)控設(shè)備供學(xué)生進(jìn)行生產(chǎn)實(shí)習(xí)。而通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)控實(shí)訓(xùn)操作練習(xí)，學(xué)生可以熟練掌握數(shù)控車(chē)床的大量操作界面，而且還能進(jìn)行 NC 程序的語(yǔ)法校驗(yàn)及刀具軌跡校驗(yàn)，避免在試切過(guò)程中既浪費(fèi)材料，損耗機(jī)床，又可避免由于 NC 程序的語(yǔ)法錯(cuò)誤而造成的機(jī)床或刀具的損傷。 （ 2） 利用網(wǎng)絡(luò)傳輸 NC 程序，避免人為輸入誤操作，縮短程序輸入時(shí)間。 隨著課題研究的進(jìn)一步深入，為后續(xù)軟件仿真的其它功能實(shí)現(xiàn)打好基礎(chǔ)。 （ 3） 本研究為我們提供一次設(shè)計(jì)仿真軟件的機(jī)會(huì)，可以提高教師的科研水平。 本文介 紹基于 Windows 界面的 軟件設(shè)計(jì)包開(kāi)發(fā)出的人機(jī)界面友好，操作簡(jiǎn)便的數(shù)控教學(xué)仿真系統(tǒng)軟件的情況。 數(shù)控仿真系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì) 國(guó)外在數(shù)控加工過(guò)程仿真方面做了許多工作。美國(guó) Maryland 大學(xué)開(kāi)發(fā)了用于培訓(xùn)數(shù)控操作人員的虛擬數(shù)控機(jī)床仿真器。日本東京大學(xué)開(kāi)發(fā)了 KOSMO 柔性制造系統(tǒng)仿真器。美國(guó) CGTech 公司開(kāi)發(fā) VERICUT 軟件，可仿真數(shù)控車(chē)床、銑床、加工中心、線(xiàn)切割機(jī)床和多軸機(jī)床等多種加工設(shè)備的數(shù)控加工過(guò)程，既能仿真刀位文件，又能仿真 CAD/CAM 后置處理的 NC 程序。韓國(guó) TurboTEK 公司開(kāi)發(fā)出面向培訓(xùn)的虛擬數(shù)控車(chē)削及銑削加工環(huán)境，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)控的幾何仿真并配有聲音信息。日本 SONY 公司研制的 FREDAM 系統(tǒng)可對(duì)球頭銑刀加工自由曲面進(jìn)行三維仿真，并進(jìn)行干涉檢查。意大利 Bologna 大學(xué)用 B 樣條曲面建立端銑刀與工作臺(tái)模型，采用真實(shí)感圖形顯示銑床精加工過(guò)程。 國(guó)內(nèi)在這方面也開(kāi)展了諸多研究工作，并取得了重要成果。比如由北京市斐克科技有限責(zé)任公司研制開(kāi)發(fā)的 VNUC 仿真軟件、由南京宇航自動(dòng)化技術(shù)研究所研制開(kāi)發(fā)的宇航仿真軟件、由上海宇龍軟件工程有限公司研制開(kāi)發(fā)的宇龍仿真軟件等都是近年來(lái)比較知名的 國(guó)內(nèi)數(shù)控仿真軟件，被用于全國(guó)數(shù)控技能大賽和數(shù)控人才的培訓(xùn)中。這些軟件都能實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控銑和數(shù)控車(chē)加工全過(guò)程的仿真，其中包括毛坯定義與夾具，刀具定義與選用，零件基準(zhǔn)測(cè)量和設(shè)置，數(shù)控程序輸入、編輯和調(diào)試，加工仿真以及各種錯(cuò)誤加檢測(cè)功能。又如清華大學(xué)、華中理工大學(xué)CAD 中心聯(lián)合開(kāi)發(fā)的“通用加工過(guò)程仿真器 GMPS”，在 SGI 工作站及高檔微機(jī)上能實(shí)現(xiàn)三種典型的加工中心 (立式、臥式、車(chē)削 )加工過(guò)程的仿真 。仿真過(guò)程由NC 代碼驅(qū)動(dòng)，可進(jìn)行刀具與成品零件、夾具、機(jī)床工作臺(tái)的碰撞、干涉檢驗(yàn) :仿真過(guò)程具有三維動(dòng)畫(huà)，畫(huà)面可放大縮小，視 角可 360186。任意改變 :用戶(hù)可利用該軟件提供的交互式建模環(huán)境，定義刀具、工件、夾具及其裝夾、甚至加工中心的模型。華中理工大學(xué)開(kāi)發(fā)的 NCPVS 系統(tǒng)，具有數(shù)控銑削加工過(guò)程仿真功能，即 4 通過(guò)生成刀具軌跡，由三維動(dòng)畫(huà)顯示數(shù)控加工過(guò)程，以此發(fā)現(xiàn)數(shù)控程序錯(cuò)誤。同濟(jì)大學(xué)研制的數(shù)控程序微機(jī)動(dòng)畫(huà)仿真系統(tǒng)，以二維圖形方式動(dòng)態(tài)模擬加工過(guò)程，能滿(mǎn)足生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)性要求。西北工業(yè)大學(xué)和德國(guó)柏林工業(yè)大學(xué)聯(lián)合研制的五坐標(biāo)數(shù)控加工仿真系統(tǒng)，采用壓縮形式的體素模型構(gòu)造各種刀具掃描體和工件模型，在三維空間進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)控加工仿真，計(jì)算材料切削量，進(jìn)行切 削過(guò)程動(dòng)態(tài)分析及加工程序優(yōu)化，并可以進(jìn)行虛擬五坐標(biāo)數(shù)控加工。國(guó)內(nèi)對(duì)于數(shù)控機(jī)床加工仿真的研究主要在具體應(yīng)用對(duì)象方面，在具體的技術(shù)實(shí)現(xiàn)上也主要是應(yīng)用 OpeNGL顯示動(dòng)畫(huà)技術(shù)，也有少量是應(yīng)用部分 CAD/CAM 系統(tǒng)的仿真模塊實(shí)現(xiàn)的。 按需開(kāi)發(fā)切削加工仿真技術(shù)軟件是數(shù)控仿真技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。目前，許多科技人員正在進(jìn)行生產(chǎn)工程中最基礎(chǔ)的切削加工技術(shù)的研究，其中多數(shù)研究的目的是在弄清楚加工現(xiàn)象的同時(shí)，對(duì)加工過(guò)程進(jìn)行預(yù)測(cè)。如果這些研究?jī)?nèi)容實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)軟件化，就意味著能形成一個(gè)切削仿真技術(shù)軟件。如東京農(nóng)工大學(xué)機(jī)械學(xué)院的實(shí) 驗(yàn)室就正在進(jìn)行幾種預(yù)測(cè)性的有關(guān)切削加工仿真技術(shù)軟件的研究。 目前仿真系統(tǒng)在試切環(huán)境的模型化、仿真計(jì)算和圖形顯示等方面取得了重要的進(jìn)展，正向提高模型的精確度、仿真計(jì)算實(shí)時(shí)化和改善圖形顯示的真實(shí)感等方 向發(fā)展。 5 2 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具及運(yùn)行環(huán)境 面向?qū)ο蠹夹g(shù) 所謂面向?qū)ο缶褪腔趯?duì)象概念，以對(duì)象為中心，以類(lèi)和繼承為構(gòu)造機(jī)制，來(lái)認(rèn)識(shí)、理解、刻畫(huà)客觀世界和設(shè)計(jì)、構(gòu)建相應(yīng)的軟件系統(tǒng)。面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)首先強(qiáng)調(diào)來(lái)自域的對(duì)象，然后圍繞對(duì)象設(shè)置屬性和操作，具有很高的軟件生產(chǎn)率，可靠性，易重用性、易維護(hù)性等特點(diǎn)。 面 向?qū)ο蟪绦蛑械幕靖拍? （ 1） 對(duì)象 對(duì)象是由數(shù)據(jù)和容許的操作組成的封裝體，與客觀實(shí)體有直接對(duì)應(yīng)關(guān)系，它不僅能表示具體的事物，還能表示抽象的規(guī)則、計(jì)劃或事件。 （ 2） 類(lèi) 具有相同或相似性質(zhì)的對(duì)象的抽象就是類(lèi)。因此，對(duì)