【文章內容簡介】 學、西北大學對金屬切削加工進行工藝建模，進而開展物理仿真的研究工作。由于物理仿真牽連面廣，幾乎涉及工藝系統(tǒng)的每一個環(huán)節(jié)，要完整描述切削加工中整個工藝系統(tǒng)的物理性質是非常困難的。目前大多從某一方面對其物理性質進行研究，大致包括預測切削力、預測己加工表面質量、預測刀具切削性能、預測切削的大小及形狀和預測工藝系統(tǒng)熱變形對加工精度的影響。(3)加工過程仿真切削加工過程仿真是將幾何形狀與物理性質的變化集成在一起，對加工過程進行較為真實模擬的一種仿真形式。為了能充分反映切削加工的實質，在加工過程仿真中仿真模型的建立至關重要?，F(xiàn)存的切削加工仿真模型主要有解析模型、有限元模型和分子動力學模型。通過對上面數(shù)控加工仿真的分析，考慮到加工過程仿真、物理仿真與幾何仿真之間的難度差距，以及本系統(tǒng)所完成的任務，本論文采用了幾何仿真作為本系統(tǒng)的研究重點。論文研究的目的:本論文是在導師彭可教授的指導下，研究了數(shù)控車床加工仿真系統(tǒng)的相關理論和關鍵技術，研制出數(shù)控車床加工幾何仿真系統(tǒng)軟件，并通過實例驗證了系統(tǒng)的正確性。論文研究的主要內容有:(1)根據數(shù)控車床特點，分析了數(shù)控車床加工仿真系統(tǒng)，提出了開發(fā)本系統(tǒng)的總體設計方案。(2)分析了目前數(shù)控系統(tǒng)常用的插補算法，選擇極坐標插補做為本系統(tǒng)的插補算法，并編制出相應的插補程序。(3)研究了 1506983NC程序詞法和語法的特點，編制出NC程序的詞法和語法編譯模塊。(4)研究了WINDOWS操作系統(tǒng)下多線程技術的原理，并利用多線程技術實現(xiàn)了數(shù)控車床加工仿真。(5)設計出數(shù)控車床仿真系統(tǒng)人機交互界面。(6)編制出數(shù)控車床仿真系統(tǒng)的幫助模塊。論文主要研究了當前數(shù)控系統(tǒng)中常用的插補算法，及如何在VISualC++.NET平臺上實現(xiàn)數(shù)控車床的加工過程，詳細分析了數(shù)控車床加工仿真的實現(xiàn)方法和NC程序檢驗的理論和方法。利用計算機圖形技術對已編制的數(shù)控程序進行加工過程模擬演示，不但可以檢驗程序的正確性和合理性，避免由于機床的走刀錯誤而造成數(shù)控設備損壞的危險，而且大大降低了以往采用工藝試切方法帶來的高消耗和高成本，縮短了新產品的開發(fā)周期。另外，仿真系統(tǒng)的開發(fā)也為今后進一步研究開發(fā)全軟件型數(shù)控系統(tǒng)奠定了基礎。加工過程仿真還具有輔助優(yōu)化工藝安排、培訓編程人員等實際應用前景。第二章 數(shù)控車床仿真系統(tǒng)總體方案設計數(shù)控車床是用計算機數(shù)字控制的車床。和普通車床相比，數(shù)控車床是將編制好的加工程序輸入到數(shù)控系統(tǒng)中，由數(shù)控系統(tǒng)通過車床X、Z坐標軸的伺服電動機去控制車床進給運動部件的動作順序、移動量和進給速度，再配以主軸的轉速和轉向，便能加工出各種形狀不同的軸類和盤類回轉體零件191。目前，數(shù)控車床是使用最為廣泛的一種數(shù)控機床。數(shù)控車床一般由以下幾個部分組成。(l)主機它是數(shù)控車床的機械部件，包括床身、主軸箱、刀架尾座、進給機構等。(2)數(shù)控裝置它是數(shù)控車床的控制核心，其主體是有數(shù)控系統(tǒng)運行的一臺計算機(包括CPU、存儲器、CRT等)。(3)伺服驅動系統(tǒng)它是數(shù)控車床切削工作的動力部分，主要實現(xiàn)主運動和進給運動，由伺服驅動電路和伺服驅動裝置組成。伺服驅動裝置主要有主軸電動機和進給伺服驅動裝置(步進電機或交、直流伺服電動機等。(4)輔助裝置輔助裝置是指數(shù)控車床的一些配套部件，包括液壓、氣壓裝置及冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)和排屑裝置等。數(shù)控車床的工作原理:根據工件圖樣的工藝要求，將車床各運動部件的移動量、速度，動作先后順序，主軸轉速、轉向及冷卻等要求，以規(guī)定的數(shù)控代碼形式編制程序單，并輸入到機床專用計算機中。然后數(shù)控系統(tǒng)根據輸入的指令，機床專用計算機進行編譯、運算和邏輯處理后，輸出各種信號和指令，控制車床各個部分進行規(guī)定的位移和動作。為了縮短零件從設計到加工的開發(fā)周期，提高加工質量，減少制造費用，目前國內外都在采用圖形仿真作為支撐工具。但是鑒于我國目前的實際水平，我們在設計仿真軟件時要遵循的原則是:(1)實用性 是仿真軟件擁有一定實用前景。(2)先進性即設計的系統(tǒng)在主要技術上應具有一定的先進性。(3)可靠性即系統(tǒng)能夠準確地模擬數(shù)控加工過程，仿真結果可靠。本系統(tǒng)能夠根據輸入的標準數(shù)控代碼，計算出刀位軌跡，利用二維圖形可靠地反映出實際加工過程。(4)可移植性為了使研究成果進一步推廣應用，便于和其它軟件集成，仿真軟件采用標準的編程語言和圖形軟件進行編程實現(xiàn)，盡量減少對硬件的依賴性。(5)集成性使本系統(tǒng)能夠作為一個模塊與其它類似軟件相結合，形成內容更加豐富的數(shù)控仿真軟件。對于系統(tǒng)軟件的設計，通常分為結構設計和過程設計兩個階段。結構設計的一條基本原理就是程序應該模塊化，因此結構設計的主要任務是確定系統(tǒng)程序由哪些模塊構成，以及這些模塊之間的關系。而過程設計是確定每個模塊的處理過程。結構設計是總體設計階段的任務，過程，設計是詳細設計的任務。這里我們只討論系統(tǒng)的結構設計，過程設計將在以后的章節(jié)中做詳細的討論。根據系統(tǒng)的總體設計原則，對本數(shù)控仿真系統(tǒng)進行了結構設計。系統(tǒng)總控制模塊加工環(huán)境文件管理加工檢驗加工過程系統(tǒng)幫助機 床 模 塊工 件 模 塊 刀 具 模 塊 夾 具 模 塊 代 碼 編 輯代 碼 翻 譯 代 碼 檢 查動畫仿真 系統(tǒng)總體結構圖由圖可知，該系統(tǒng)主要由加工環(huán)境和加工過程這兩大模塊組成。下面就各模塊的功能進行介紹。(1)文件管理模塊: 對系統(tǒng)中的文件進行管理，如數(shù)控代碼文件、幾何模型文件、刀位文件等。(2)加工環(huán)境模塊: 由機床、工件、刀具、夾具構成，通過人機交互得到加工條件和切削參數(shù)等信息，并生成和顯示虛擬加工環(huán)境。(3)加工過程模塊: 是整個系統(tǒng)的核心模塊，對輸入的代碼進行編譯、檢查，并生成刀具的位置數(shù)據，以此來驅動加工過程的進行。(4)動畫仿真模塊: 是通過對加工環(huán)境和加工過程兩個模塊的綜合，得到實際加工過程的動畫顯示。(5)加工檢驗模塊: 通過動畫的仿真顯示，以檢驗仿真結果的正確性。6)幫助模塊: 對系統(tǒng)的使用、常用術語、編寫NC 代碼的規(guī)則提供詳細的解釋。 仿真系統(tǒng)人機界面的結構設計數(shù)控車床仿真環(huán)境程序控制加工仿真界面數(shù)控車床操作仿真界面幫助界面 系統(tǒng)界面結構 本仿真系統(tǒng)的界面由數(shù)控車床操作仿真界面、程序控制加工仿真界面和幫助界面組成。這三個界面的功能實現(xiàn)，并非單純的調用某一個模塊，它們依據任務請求將與上述幾個模塊產生聯(lián)系。如數(shù)控車床操作仿真界面既要以數(shù)控車床、工件、刀具等作為仿真實體，又要加工仿真模塊實現(xiàn)動畫，還需要越程檢查模塊進行檢測。而在程序加工仿真中，除了同樣要調用這幾個功能模塊之外，還需要數(shù)控程序處理模塊實現(xiàn)數(shù)控代碼的數(shù)據處理。幫助界面主要針對初次接觸本系統(tǒng)的人員，方便他們查閱和學習本系統(tǒng)相關資料。所謂對象是指具有一定結構、屬性和功能的實體，采用對象和對象類，以及對象之間的相互通信的消息，描述客觀世界中的各種事物及其相互關系，建立面向對象和消息的具有層次結構的世界模型。面向對象的程序設計是通過為數(shù)據和代碼建立分塊的內存區(qū)域來提供對程序進行模塊化的一種程序設計方法，這些模塊可以被用作模板在需要時建立其拷貝。根據這個定義，對象是計算機內存中的一塊區(qū)域。通過將內存分塊，每個模塊即對象在功能上相互之間保持獨立。另外，定義也表明，這些內存塊狀中不但存儲數(shù)據，而且也存儲代碼，這對保證對象是受保護的這一點很重要，只有局部對象中的代碼才可以訪問存儲在這個對象中的數(shù)據。這清楚地限定了對象類具有的功能(即一個對象在一個軟件系統(tǒng)中所起的作用)，并使對象保護它自己不受未知的外部對它的文件的影響，而使其它的數(shù)據和功能遭到破壞。定義還表明，這些內存塊中的結構可被用作樣板產生對象的更多拷貝。在面向對象的程序中，對象之間只能通過函數(shù)調用相互通信。一個對象可以調用另一個對象中的函數(shù)，這樣，對象之間的相互作用方式是消息控制的，外部對一個對象的代碼就沒有機會通過直接修改對象的內存區(qū)域妨礙對象功能。當對象的一個函數(shù)被調用時，對象執(zhí)行其內部的代碼來響應這個調用，這使對象出現(xiàn)一定的行為。行為及其結果就是該對象的功能。對象的這一特點導致了模擬世界的一種新型方法:面向對象就是將世界看成是一組彼此相關并能相互間通信的實體即對象組成的。程序中的對象影射世界中的對象。對象的另一個特點是繼承，繼承是一個對象可以獲得另一個對象的機制，它支持層次分類這一概念。通過繼承，低層的類只需定義特定于它的特征，而共享高層的類中的特征。面向對象技術的派生關系使我們可以直接從己有的類中獲得大量現(xiàn)成的數(shù)據成員和屬性，而它的多態(tài)屬性又可以讓我們在派生類實體中定義不同于基本實體的屬性。用面向對象的方法分析、實現(xiàn)數(shù)控車床仿真，其核心和基本內容是抽象對象類，并建立對象類之間的關聯(lián)。對象類的劃分是否合理，對象類間聯(lián)系是否恰當，一方面影響系統(tǒng)功能，另一方面也直接關系到系統(tǒng)實現(xiàn)起來的難易程度。對象類的設計是一個對客觀世界抽象和提煉的過程。在面向對象的設計方法中，對象、類和消息是非常重要的概念。對象和傳遞消息分別是表現(xiàn)事物及事物間相互聯(lián)系的概念，類和繼承是適應人們一般思維方式的描述。方法是允許作用于該類對象上的各種操作。這種對象、類、消息和方法的程序設計方式的基本點在于對象的繼承性和封裝性。通過封裝能將對象的定義和對象的實現(xiàn)分開，通過繼承能體現(xiàn)類與類之間的關系，再輔之以向各對象設計所提供的重載特性以及由此帶來的實體多態(tài)性，從而構成了面向對象的基本特征。類是對屬性和方法的封裝，通過封裝代碼，可以隱藏程序內部實現(xiàn)細節(jié)，通過訪問屬性方法來控制對象。這樣做能夠使開發(fā)人員從程序的復雜邏輯中跳出來，而專注于軟件的整體功能設計。由于代碼的封裝，在改錯時可以方便地修改一處代碼，便能達到修改所有調用該方法處的代碼。所以在開發(fā)系統(tǒng)的過程中，將各個功能模塊分別建立成具體的類是十分必要的，如毛坯類、刀具類、用于顯示的圖形視圖類、文件管理類等。C語言是近年來國內外得到迅速推廣和使用的一種現(xiàn)代語言。它語言功能豐富、表達能力強，使用靈活方便、應用面廣、目標程序效率高、可移植性好，既有高級語言的優(yōu)點，有具有低級語言的許多特點，因此特別適合于編寫系統(tǒng)軟件。而隨著面向對象技術的發(fā)展，越來越多的語言也可視化了。VC++是C的可視化語言，它包括了綜合的微軟基本類庫，這使得開發(fā)Windows應用程序變得簡單而高效。 VisualC++編程的要點Visual C++(以下簡稱VC)是一個功能強大的集成開發(fā)環(huán)境，其編程的主要的幾個方面有:(1)MFC類庫MFC是 Microsoft Foundation Class Library，它是 VC的重要組成部分，編程過程中可直接使用MFC中的類定義對象或在其基礎上派生新類。 (2)AppWizard App Wizard 是VC集成開發(fā)環(huán)境下的一個工具，實質上是一個高級的代碼生成器，按照用戶在其對話框中的設置創(chuàng)建Windows應用的基本應用框架，該框架包括一些C++語言的頭文件、源文件和資源文件，編譯生成的可執(zhí)行文件具有窗口系統(tǒng)的基本功能。對于不同層次應用的需求，只需在該框架的基礎上進行修改。 (3)ClassWizard ClassWizard是VC中對類進行管理的工具，它創(chuàng)建的應用程序框架實際上由應用程序類、窗體類、文檔類、視圖類(從MFC派生)以及這些類定義的對象組成。利用ClassWizard可以對這些類進行管理，例如增加或刪除成員變量和成員函數(shù)，定義對鍵盤、鼠標和菜單響應的消息處理函數(shù)，重載MFC虛函數(shù)等。(4)文檔和視圖結構典型的VC應用是文檔和視圖結構，每個窗口都可以看作由窗體、文檔和視圖組成，它們分別對應窗體類、文檔類和視圖類。在AppWizard創(chuàng)建的基本應用框架中，窗體類對象管理窗口的邊框、標題和菜單，文檔類對象負責窗口中內容的存取，視圖類對象負責窗口中內容的顯示。(5)消息響應機制消息是人機交互的紐帶，所有的鍵盤、鼠標、菜單事件都通過消息傳遞到應用程序中，然后再進行處理。窗體、文檔和視圖對象之間的聯(lián)系也是通過消息的發(fā)送和響應來完成的。此外，窗口的創(chuàng)建和銷毀過程中都有大量的消息生成。VC中，對消息的響應是由消息處理函數(shù)來完成，通過ClassWizard可以方便地添加對某一消息的消息處理函數(shù)。鑒于本論文開發(fā)的數(shù)控車床加工仿真系統(tǒng)各模塊的功能要求，以及VC編程的特點，為了確保仿真圖形達到更加逼真的效果。第三章 插補系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)在機床的實際加工中，被加工工件的輪廓形狀千差萬別，各式各樣。嚴格說來，為了滿足幾何尺寸精度的要求，刀具中心軌跡應該準確地依照工件的輪廓形狀來生成。然而,在CNC或MNC中，以軟件(程序)完成插補或軟、硬件結合實現(xiàn)插補，而在NC中有一個專門完成脈沖分配計算(即插補計算)的計算裝置一一插補器。無論是軟件數(shù)控還是硬件數(shù)控，其插補的運算原理基本相同，其作用都是根據給定的信息進行數(shù)字計算，在計算過程中不斷向各個坐標發(fā)出相互協(xié)調的進給脈沖，使被控機械部件按指定的路線移動。隨著相關學科特別是計算機領域的迅速發(fā)展，插補算法也在不斷地進行自我完善和更新。目前為止已涌現(xiàn)出了大量的插補算法，現(xiàn)將其歸納為兩大類。脈沖增量插補算法就是通過向各個運動軸分配脈沖，控制機床坐標軸作相互協(xié)調的運動，從而加工出一定形狀零件輪廓的算法。顯然，這類插補算法的輸出是脈沖形式，并且每次僅產生一個單位的行程增量，故稱之為脈沖增量插補。而每個單位脈沖對應坐標軸的位移量大小，稱之為脈沖當量，一般用咨或BLU表示。脈沖當量是脈沖分配的基本單位，也是對應于內部數(shù)據處理的一個二進制位，它決定了數(shù)控機床的加精度，對于普通數(shù)控機床一般取占=，對于較為精密的數(shù)控機床一般取占=、。一般來講，脈沖增量插補算法較適合于中等精度()和中等速度(如1～3m/min)的機床CNC系統(tǒng)中。由于脈沖增量插補誤差不大于一個脈沖當量，并且其輸出的脈沖速率主要受插補程序所用時間的限制，所以，CNC系統(tǒng)精度與切削速度之間是相互影響的。譬如實現(xiàn)某脈沖增量插補算法大約需要40戶:的處理時間，則可求得單個運動坐標軸的極限速度約為1sm/min。進一步當要求控制兩個或兩個以上坐標軸時，所獲得的輪廓速