【正文】 ....... 33 結(jié)論 .................................................................................................................... 33 展望 .................................................................................................................... 33 致謝 ............................................................... 35 參考文獻 ........................................................... 36 附錄 ............................................................... 37 附錄 1 ....................................................................................................................... 37 附錄 2 ....................................................................................................................... 47 附錄 3 ....................................................................................................................... 48 附錄 4 ......................................................................................... 錯誤 !未定義書簽。 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過程；（ 1）對圖樣進 行分析，確定需要數(shù)控加工的部位；（ 2）利用圖形軟件對需要數(shù)控加工的部分進行幾何造型；（ 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；（ 5）生成 NC代碼并傳給機床。 由此可見，上述工作需要人與計算機相互配合、共同完成。其中，需要大量的計算和重復性的工作，而人只需指定加工部位與工藝條件。優(yōu)秀的計算機仿真數(shù)控加工軟件可以讓用戶方便地建立其工件的幾何模型 (曲面與實體模型 )，同時只要用戶在系統(tǒng)的引導下輸入少量數(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?shù)娜嵝裕?可以適應不同類型的情況，對切削加工過程進行仿真，快速檢驗 NC 程序，避免發(fā)生碰撞和干涉。 目前，流行的計算機數(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，計算準確，實用性強，是航空、汽車、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，其實用性強，也是航空、汽車、電子、模具行業(yè)廣泛應用的 CAM軟件。 MasterCAM 是低檔 CAM 軟件的代表，主要應用在中小企業(yè)的模具行業(yè)。CAXAME 是國內(nèi) CAM 軟件的代表，主要 面向中小企業(yè)。由于市場的國際化，全球競爭要求產(chǎn)品的制造過程具有高速度和低成本。產(chǎn)品更新的速度越來越快，市場需求朝著小批量、個性化方向發(fā)展。傳統(tǒng)的小而全的企業(yè)模式已越來越喪失競爭力，各種形式的合作開發(fā)、生產(chǎn)和銷售方式應運而生。因此，異地設(shè)計、異地編程、異地加工越來越被眾多企業(yè)采用，虛擬制造技術(shù)也應運而生。虛擬制造是應用計算機技術(shù)，對產(chǎn)品的設(shè)計、加工、裝配等工序統(tǒng)一建模，形成虛擬的生產(chǎn)過程，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家通過 Inter/Intra 進行設(shè) 計、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是具有 CAD/CAM 的系統(tǒng)集成性，比較成熟的 CAM 系統(tǒng)主要以兩種形式實現(xiàn) CAM/CAM 系統(tǒng)集成：一體化的 CAD/CAM系統(tǒng) (如 :UGII， Euclid， Pro/ENGINEER 等 )和相對獨立的 CAM 系統(tǒng) (如 :Mastercam, Surfcam 等 )。前者以內(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題 進行機械加工過程仿真，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)，仿真某具體切削過程內(nèi)部各因素的變化過程，即研究其切削機理，供生產(chǎn)設(shè)計與研究應用。另一種是將加工過程仿真作為系統(tǒng)的一部分，重點在于構(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，即對機械加工工藝系統(tǒng)建立連續(xù)變化的模型，然后用數(shù)學離散方法將連續(xù)模型離散為斷續(xù)點，通過分析這些離散點的物理因素變化情況來仿真加工過程。由于機械加工過程仿真還處于起步階段，目 前存在以下幾方面的問題： 仿真的加工形式少，研究范圍窄。在切削加工眾多的種類與形式中，目前的仿真加工主要集中于車削、銑削和磨削等。同時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)對其他種類的銑刀 (如加工成形表面用的成形銑刀 )就無能為力 .一方面是因為銑削加工種類繁多，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 。另一方面是因為銑削加工理論復雜，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)只能進行幾何仿真，即到位 軌跡仿真、工件與刀具的干涉校驗等，有人稱之為 NC 校驗。但在機械加工過程中，幾何校驗只是前提條件，更為重要的是切削力、刀具振動及刀具磨損等在切削過程中其決定因素的各物理量。 物理仿真考慮理想狀態(tài)，與實際有較大差距。在目前的仿真系統(tǒng)中預先設(shè)定了大量的假設(shè)因素，如設(shè)定工藝系統(tǒng)剛性滿足要求、無振動，加工材料結(jié)構(gòu)統(tǒng)一、無硬點等缺陷，刀具無磨損，切削要素不發(fā)生變化等。這種假定的理想狀態(tài)不能將切削過程中的隨即干擾如工件硬點造成的材質(zhì)變化、振動造成的切深變化等因素考慮進去，是仿真系統(tǒng)不能真實地反映實際切削過程。 仿 真手段限制仿真系統(tǒng)的發(fā)展。仿真技術(shù)的發(fā)展與計算機技術(shù)緊密相連。過去由于計算機軟、硬件的限制，造成仿真時間長，編碼工作量大，程序可讀性、維護性差等，這些都為仿真工作帶來許多困難。目前應用 C++語言及面向?qū)ο蟮姆椒?(00P)開發(fā)仿真系統(tǒng)己成為發(fā)展潮流。以上問題己引起研究人員的重視，今后的仿真制造系統(tǒng)將朝著快速運行、面向多種加工方式，更加符合實際狀況的方向發(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)字控制己成為當前工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的一大主流。對于學校和技能 培訓部門來說，使自己培養(yǎng)的技術(shù)人員具有一定的數(shù)控知識和操作經(jīng)驗，是其人才順利走向市場、具有更強的競爭力和適應現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展的當務之急 [4]。在目前如何培養(yǎng)適應社會需求的數(shù)控操作技工人才主要存在兩方面的問題 :一方面培養(yǎng)的對象多，另一方面資金設(shè)備受到嚴格的限制且安全系數(shù)低。所以說學生多設(shè)備少危險性大始終是困擾著數(shù)控培訓的一個嚴重問題。雖然目前市場上有不少先進的仿真軟件，但它們所能解決的大都是些共性的問題，并且價格昂貴。在大量采用半手工數(shù)控編程的我國制造業(yè)，研究開發(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)控教學本身的特點 :編程難，操作容易。因此，開發(fā)合適的數(shù)控教學仿真軟件，將手工編寫的數(shù)控程序在計算機上屏幕上較真實地顯示出每一個程序段執(zhí)行時所留下的軌跡、執(zhí)行過程和執(zhí)行結(jié)果成為了一種需要，將這樣的教學手段用在數(shù)控編程和操作的教學及培訓中，可以很好地解決上述問題，達到良好的教學效果與生產(chǎn)需要。 意義： 本課題主要研究基于網(wǎng)絡的數(shù)控車床實訓操作仿真系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)的 3 意義如下： （ 1） 可以減少實際使用的數(shù)控設(shè)備。學生在學完理論課之后就要進行生產(chǎn)實踐，這就需要大量的數(shù)控設(shè)備。然而數(shù)控設(shè)備價格 昂貴，學校的條件非常有限，不可能購買大量的數(shù)控設(shè)備供學生進行生產(chǎn)實習。而通過網(wǎng)絡進行數(shù)控實訓操作練習，學生可以熟練掌握數(shù)控車床的大量操作界面，而且還能進行 NC 程序的語法校驗及刀具軌跡校驗，避免在試切過程中既浪費材料，損耗機床，又可避免由于 NC 程序的語法錯誤而造成的機床或刀具的損傷。 （ 2） 利用網(wǎng)絡傳輸 NC 程序，避免人為輸入誤操作，縮短程序輸入時間。 隨著課題研究的進一步深入，為后續(xù)軟件仿真的其它功能實現(xiàn)打好基礎(chǔ)。 （ 3） 本研究為我們提供一次設(shè)計仿真軟件的機會，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)計包開發(fā)出的人機界面友好，操作簡便的數(shù)控教學仿真系統(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 國外在數(shù)控加工過程仿真方面做了許多工作。美國 Maryland 大學開發(fā)了用于培訓數(shù)控操作人員的虛擬數(shù)控機床仿真器。日本東京大學開發(fā)了 KOSMO 柔性制造系統(tǒng)仿真器。美國 CGTech 公司開發(fā) VERICUT 軟件，可仿真數(shù)控車床、銑床、加工中心、線切割機床和多軸機床等多種加工設(shè)備的數(shù)控加工過程，既能仿真刀位文件，又能仿真 CAD/CAM 后置處理的 NC 程序。韓國 TurboTEK 公司開發(fā)出面向培訓的虛擬數(shù)控車削及銑削加工環(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)可對球頭銑刀加工自由曲面進行三維仿真，并進行干涉檢查。意大利 Bologna 大學用 B 樣條曲面建立端銑刀與工作臺模型，采用真實感圖形顯示銑床精加工過程。 國內(nèi)在這方面也開展了諸多研究工作，并取得了重要成果。比如由北京市斐克科技有限責任公司研制開發(fā)的 VNUC 仿真軟件、由南京宇航自動化技術(shù)研究所研制開發(fā)的宇航仿真軟件、由上海宇龍軟件工程有限公司研制開發(fā)的宇龍仿真軟件等都是近年來比較知名的 國內(nèi)數(shù)控仿真軟件，被用于全國數(shù)控技能大賽和數(shù)控人才的培訓中。這些軟件都能實現(xiàn)對數(shù)控銑和數(shù)控車加工全過程的仿真，其中包括毛坯定義與夾具，刀具定義與選用，零件基準測量和設(shè)置，數(shù)控程序輸入、編輯和調(diào)試，加工仿真以及各種錯誤加檢測功能。又如清華大學、華中理工大學CAD 中心聯(lián)合開發(fā)的“通用加工過程仿真器 GMPS”，在 SGI 工作站及高檔微機上能實現(xiàn)三種典型的加工中心 (立式、臥式、車削 )加工過程的仿真 。仿真過程由NC 代碼驅(qū)動，可進行刀具與成品零件、夾具、機床工作臺的碰撞、干涉檢驗 :仿真過程具有三維動畫，畫面可放大縮小，視 角可 360186。任意改變 :用戶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。華中理工大學開發(fā)的 NCPVS 系統(tǒng)，具有數(shù)控銑削加工過程仿真功能，即 4 通過生成刀具軌跡，由三維動畫顯示數(shù)控加工過程，以此發(fā)現(xiàn)數(shù)控程序錯誤。同濟大學研制的數(shù)控程序微機動畫仿真系統(tǒng)，以二維圖形方式動態(tài)模擬加工過程，能滿足生產(chǎn)現(xiàn)場實時性要求。西北工業(yè)大學和德國柏林工業(yè)大學聯(lián)合研制的五坐標數(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，在三維空間進行動態(tài)數(shù)控加工仿真，計算材料切削量，進行切 削過程動態(tài)分析及加工程序優(yōu)化，并可以進行虛擬五坐標數(shù)控加工。國內(nèi)對于數(shù)控機床加工仿真的研究主要在具體應用對象方面，在具體的技術(shù)實現(xiàn)上也主要是應用 OpeNGL顯示動畫技術(shù)，也有少量是應用部分 CAD/CAM 系統(tǒng)的仿真模塊實現(xiàn)的。 按需開發(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。目前，許多科技人員正在進行生產(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，對加工過程進行預測。如果這些研究內(nèi)容實現(xiàn)了系統(tǒng)的計算機軟件化，就意味著能形成一個切削仿真技術(shù)軟件。如東京農(nóng)工大學機械學院的實 驗室就正在進行幾種預測性的有關(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、仿真計算和圖形顯示等方面取得了重要的進展，正向提高模型的精確度、仿真計算實時化和改善圖形顯示的真實感等方 向發(fā)展。 5 2 系統(tǒng)開發(fā)工具及運行環(huán)境 面向?qū)ο蠹夹g(shù) 所謂面向?qū)ο缶褪腔趯ο蟾拍?，以對象為中心，以類和繼承為構(gòu)造機制，來認識、理解、刻畫客觀世界和設(shè)計、構(gòu)建相應的軟件系統(tǒng)。面向?qū)ο笤O(shè)計首先強調(diào)來自域的對象，然后圍繞對象設(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、易維護性等特點。 面 向?qū)ο蟪绦蛑械幕靖拍? （ 1） 對象 對象是由數(shù)據(jù)和容許的操作組成的封裝體，與客觀實體有直接對應關(guān)系，它不僅能表示具體的事物，還能表示抽象的規(guī)則、計劃或事件。 （ 2） 類 具有相同或相似性質(zhì)的對象的抽象就是類。因此，對