【正文】 真進(jìn)行過(guò)程中，標(biāo)簽控件實(shí)時(shí)顯示刀具中心坐標(biāo)點(diǎn)的變化及正在加工的程序代碼，而圖片框則動(dòng)態(tài)顯示走刀軌跡。 交互界面設(shè)計(jì) 交互界面（如圖 21）是用戶(hù)與應(yīng)用程序進(jìn)行交互時(shí)的可視部分，在 VB 程序設(shè)計(jì)中，利用窗體設(shè)計(jì)器進(jìn)行窗體設(shè)計(jì)可以得到很好的界面。 （ 1） 菜單介紹菜單項(xiàng)“文件”主要包括打開(kāi)、創(chuàng)建、保存、另存、打印子菜單，完成對(duì) NC 加工程序的輸入及輸出。點(diǎn)擊“運(yùn)行”菜單，出現(xiàn)對(duì)話(huà)框，詢(xún)問(wèn)控制機(jī)型及圖形輸出是工件輪廓還是刀心軌跡 (同時(shí)輸入刀具半徑 )，點(diǎn)擊確定后便在繪圖區(qū)繪圖。菜單項(xiàng)“查看”則主要包括放大、縮小，可對(duì)圖形中的細(xì)節(jié)進(jìn)行查看。 10 圖 21 交互界面設(shè)計(jì) 系統(tǒng)界面的整體布局 數(shù)控車(chē)床加工環(huán)境由四個(gè)部件庫(kù)構(gòu)成，它們分別是夾具庫(kù)、刀架 庫(kù)、刀具庫(kù)和工件庫(kù)。由于加工環(huán)境是多變的，所以各部件庫(kù)中的部件理論上都是可以無(wú)限擴(kuò)充的，但為了界面的簡(jiǎn)潔并考慮能夠說(shuō)明問(wèn)題，本系統(tǒng)對(duì)于不同的部件庫(kù)僅以 2 至 4 個(gè)不同數(shù)目的部件作為實(shí)例進(jìn)行描述。 11 圖 22 系統(tǒng)界面及加工環(huán)境描述 如圖所示 ，菜單由文件、編輯、視圖、幫助和數(shù)控加工仿真 5 個(gè)子菜單構(gòu)成。部件庫(kù)就是用來(lái)生成加工環(huán)境的，其結(jié)構(gòu)層次也是根據(jù)加工環(huán)境的構(gòu)成設(shè)置的。 12 3 數(shù)控車(chē)削加工及 NC 代碼的處理 數(shù)控車(chē)床加工工件的成形原理 數(shù)控車(chē)床加工過(guò)程是典型的回轉(zhuǎn)體成形過(guò)程。數(shù)控程序控制刀架的運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)現(xiàn)零件的各種表面加工。仿真程序通過(guò)將數(shù)控程序中的加工信息翻譯并進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，得到加工過(guò)程任意時(shí)刻的 X, Z 坐標(biāo)信息，利用它們改變工件上對(duì)應(yīng)點(diǎn)的顯示坐標(biāo)位置，就可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化的加工過(guò)程，即實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)加工過(guò)程的仿真。數(shù)控加工教學(xué)仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，是要設(shè)計(jì)出與機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)操作面板完全相同的交互界面，并實(shí)現(xiàn)界面上所有按鈕的功能以及由此引起的顯示狀態(tài)畫(huà)面的變化及切換。為了使設(shè)計(jì)能有條不紊地進(jìn)行，采用“界面總體設(shè)計(jì)，功能單獨(dú)實(shí) 現(xiàn)”的模塊化設(shè)計(jì)方案。然后針對(duì)不同類(lèi)型功能按鈕，分別編寫(xiě)代碼。隨著功能代碼的不斷加入，教學(xué)仿真系統(tǒng)功能不斷擴(kuò)充直到全部功能得以實(shí)現(xiàn)。刀具是系統(tǒng)的另一個(gè)重要組成部分，它是仿真系統(tǒng)的后勤保障。 車(chē)刀對(duì)零件的加工主要設(shè)計(jì)到圓柱面、圓錐面、球面、螺紋、端面、切槽、切斷等表面的加工。而刀具做直線(xiàn)、圓弧或其它軌跡的運(yùn)動(dòng) (即進(jìn)給運(yùn)動(dòng) )。由于該仿真系統(tǒng)是對(duì) NC 程序在 PC 機(jī)中的模擬，在仿真中為了能夠在 PC 機(jī)屏幕上動(dòng)態(tài)顯示刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡或切削過(guò)程，就必須將數(shù)控程序指令翻譯過(guò)來(lái)。該文件是對(duì) NC程序進(jìn)行語(yǔ)法分析與坐標(biāo)變換的結(jié)果。 （ 2） 首先，從 NC 代碼文件中讀取刀具信息并從刀庫(kù)文件中讀取相應(yīng)的刀具信息。 （ 3） 對(duì)仿真進(jìn)行干涉檢驗(yàn)，生成檢驗(yàn)報(bào)告，供分析。如果不正確，修改 NC 代碼，重新進(jìn)行仿真。工件模型的拓?fù)潢P(guān)系容易保持和修改 。 盡管零件種類(lèi)繁多，但是在實(shí)際加工過(guò)程中，大多數(shù)車(chē)削零件是由棒料加工而成的。 建立毛坯模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下： struct TurnBoard // 棒料或盤(pán)套類(lèi) { double m_fStickDimension: // 毛坯直徑 double m_fStickLength: // 毛坯長(zhǎng)度 }； TurnBoard stick。根據(jù)上面的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，就可以 14 建立回轉(zhuǎn)體類(lèi)零件毛坯模型。刀具數(shù)據(jù)管理包括數(shù)據(jù)的輸入、刪除、瀏覽、查找等。 刀具模型主要包括三項(xiàng)數(shù)據(jù)信息 : （ 1）刀號(hào)，同刀庫(kù)中的刀號(hào)一致。 （ 3）在加工仿真中顯示的刀具兒何模型所有的 刀具均放入刀庫(kù)中以備調(diào)用，刀庫(kù)由刀具文件支持。 // 車(chē)刀組合框中的刀號(hào) struct TurnCutter { double dMainangle。//車(chē)刀的主切削刃 double dDeputyAngle。//車(chē)刀的副切削刃 int CutterNumber。 TurnCutter cutter2。m_TurnCutterList。m_UsableTurnCutterList。 m UsableTurnCutterList 保存所有可 選的刀具數(shù)據(jù)，改變刀具參數(shù)時(shí)，此數(shù)組中的參數(shù)發(fā)生相應(yīng)的變化。在程序?qū)Α皠h除指定刀具”按鈕或“刪除所有刀具”按鈕的消息作出響應(yīng)時(shí)，從 m_ TurnCutterList中刪除指定元素或所有元素，從而將元素代表的刀具從刀庫(kù)中刪除。 代碼的處理 仿真接口的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn) 通過(guò)對(duì)數(shù)控機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的分析可以發(fā)現(xiàn)，各種 NC 代碼指令不同的原因，歸根結(jié)底在于在現(xiàn)實(shí)加工環(huán)境中 CNC 控制器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的不同。對(duì)于同類(lèi)機(jī)床，比如車(chē)床、銑床等，它們的基本功能都大同小異。 同時(shí)，各種 NC 代碼指令集的不同點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下兩方面： CNC 生產(chǎn)廠(chǎng)家對(duì)其產(chǎn)品的改進(jìn)，往往將幾個(gè)基本功能指令集成在一個(gè)指令當(dāng)中，從而提出新的指令。 ，減少程序所占的內(nèi)存，數(shù)控系統(tǒng)指令集中又引進(jìn)了一些精加工中使用的循環(huán)指令，而在世界解釋和執(zhí)行時(shí)則時(shí)多條簡(jiǎn)單的基本指令的重復(fù)執(zhí)行，如 FANUC6T 車(chē)床數(shù)控系統(tǒng)，為了實(shí) 現(xiàn)精加工形狀的信息，在粗加工中途可以自動(dòng)改變刀具軌跡的功能，引進(jìn)了復(fù)合型固定循環(huán)指令 (G71G76)。通過(guò)以上的分析，需要設(shè)計(jì)一個(gè)基于基本功能的通用接口，即基于仿真的虛擬數(shù)控系統(tǒng)所支持的某種類(lèi)型的 CNC 系統(tǒng)的指令有所更改 (往往時(shí)由于相應(yīng)的機(jī)床功能有所增強(qiáng)和改進(jìn) )或要支持新的 CNC 系統(tǒng)，只需對(duì)指令集進(jìn)行必要的擴(kuò)充，不會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)有根本性的改動(dòng)。 //當(dāng)前 NC 代碼行號(hào)的信息 enum g。 Double z。 Doubla k。刀控制機(jī)床加工的幾何信息 int t。//機(jī)床的換刀功能 int f。//主軸轉(zhuǎn)速 enum m。//冷卻液的開(kāi)和關(guān) }SYSFORMAT。 建立虛擬數(shù)控系統(tǒng)的接口指令集后，不同格式的 NC 程序就可以根據(jù)所表達(dá)的控制信息，與仿真系統(tǒng)的接口指令集一一對(duì)應(yīng)起來(lái)。由于仿真系統(tǒng)的接口指令集時(shí)最基本功能的集合，因此，翻譯后的通用指令格式文件比原 NC 代碼文件長(zhǎng)。它的主要功能就是對(duì)讀入的工 SO 標(biāo)準(zhǔn)NC 代碼進(jìn)行識(shí)別，并按照 ISO 代碼規(guī)定的用途產(chǎn)生動(dòng)作 信息。本系統(tǒng)以逐點(diǎn)比較原理作為數(shù)學(xué)運(yùn)算模型。 代碼的翻譯流程 系統(tǒng)給出的通用仿真接口是基于數(shù)控機(jī)床的功能和狀態(tài)的。根據(jù) NC 代碼，將虛擬機(jī)床運(yùn)行一次，把基本功能的狀態(tài)變化過(guò)程記錄下來(lái)，存儲(chǔ)在系統(tǒng)定義的通用格式文件中。 采用類(lèi)似的方法，可以將不同格式的 NC 代碼文件 (即不同型號(hào)的數(shù)控系統(tǒng)能夠識(shí)別的 NC 代碼 )轉(zhuǎn)化為以統(tǒng)一的仿真接口指令為標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)可識(shí)別的指令格式。本系統(tǒng)提出了“層疊法”來(lái)解釋NC 代碼。當(dāng)代碼的詞法和語(yǔ)法都已基本正確時(shí)，再進(jìn)行第二次處理，即掃描代碼整體進(jìn)行譯碼和數(shù)據(jù)處理工作。程序在解釋代碼同時(shí)檢查代碼的正確性并指出錯(cuò)誤代碼行，以及錯(cuò)誤類(lèi)型如 :程序的格式是否符合現(xiàn)今廣泛使用的地址可變程序段格式、未 定義 F 指令和 S 指令，含有非法字符等，根據(jù)指出的錯(cuò)誤對(duì)代碼進(jìn)行修改。對(duì)于程序中的加工形狀、加工結(jié)果錯(cuò)誤了只能利用刀位文件仿真實(shí)際的加工過(guò)程，檢測(cè)仿真結(jié)果才能知道，然后再按情況對(duì)代碼進(jìn)行修改。 圖 31 NC 代碼處理流程 將仿真結(jié)構(gòu)與工件的實(shí)際圖形進(jìn)行比較，如果結(jié)構(gòu)與工件實(shí)際圖形不合，則說(shuō)明輸入的 NC 程序不能實(shí)現(xiàn)零件的正確加工，需要對(duì)程序作出修改。如此，循環(huán)往復(fù)，直到仿真結(jié)果與工件實(shí)際圖形相符合為止。 18 圖 32 基本翻譯流程圖 19 代碼翻譯與仿真系統(tǒng)的集成 為了使系統(tǒng)能適應(yīng) SuperMan 200L 型多功能數(shù)控機(jī)床 NC 指令的翻譯，需要針對(duì)該機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的指令格式開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的翻譯模塊。為了使系統(tǒng)具有柔性，在翻譯模塊中，設(shè)計(jì)出一個(gè)通用 NC 指令翻譯子模塊，對(duì)通用的 NC 指令進(jìn)行了翻譯，如G01, G02, G03 等 。 本章小結(jié) 本章主要通過(guò)對(duì)數(shù)控車(chē)床加工工件的成形原理的研究和程序設(shè)計(jì)任務(wù)的描述來(lái)加深對(duì) NC 代碼的理解。然后系統(tǒng)根據(jù)計(jì)算出刀具直線(xiàn)行走的起點(diǎn)及終點(diǎn)坐標(biāo)、刀具圓弧行走的起點(diǎn)、終點(diǎn)及圓心坐標(biāo)，并將機(jī)器坐標(biāo)換算成屏幕坐標(biāo)存為文件，這個(gè)文件就成為后面切削仿真的依據(jù)。插補(bǔ)是數(shù)控技術(shù)的重要組成內(nèi)容，在數(shù)控系統(tǒng)中，插補(bǔ)過(guò)程是根據(jù)曲線(xiàn)段已知的幾何數(shù)據(jù)以及相應(yīng)工藝數(shù)據(jù)中的速度信息，計(jì)算出曲線(xiàn)起、終點(diǎn)之間的一系列中間點(diǎn)，分別向各個(gè)坐標(biāo)軸發(fā)出方向、大小和速度都確定的協(xié)調(diào)的運(yùn)動(dòng)序列命令， 通過(guò)各個(gè)軸運(yùn)動(dòng)的合成，產(chǎn)生數(shù)控加工程序要求的工件輪廓的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡。脈沖增量插補(bǔ)方法的特點(diǎn)是每次插補(bǔ)結(jié)束，數(shù)控裝置向每個(gè)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)輸出基準(zhǔn)脈沖序列 [9]。逐點(diǎn)比較法的基本思路是每走一步都要將加工點(diǎn)瞬間坐標(biāo)與規(guī)定的圖形軌跡相比較，判斷其偏差，然決定下一步的走向。系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)不同象限以及過(guò)象限情況下直線(xiàn)或者圓弧的逐點(diǎn)比較插補(bǔ)，給定直線(xiàn)的起點(diǎn)和圓弧的圓心可以是非坐標(biāo)原點(diǎn) 。另外，在插補(bǔ)計(jì)算過(guò)程中還可以對(duì)坐標(biāo)進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示。 （ 1） 參數(shù)輸入用于輸入直線(xiàn)或者圓弧的有關(guān)參數(shù)，如直線(xiàn)的起點(diǎn)及終點(diǎn)坐標(biāo)，圓弧的起點(diǎn)、終點(diǎn)、圓心或者半徑等數(shù)據(jù)，另外還有插補(bǔ)方向 (如逆圓或者順圓插補(bǔ) )、插補(bǔ)方式 (如手動(dòng)插補(bǔ)或者連續(xù)插補(bǔ) )、插補(bǔ)方法 (逐點(diǎn)比較法或者數(shù)字積分法 )、插補(bǔ)精度、插補(bǔ)時(shí)間間隔 (即對(duì)插補(bǔ)仿真的速度進(jìn)行設(shè)置 )等參數(shù)。 （ 2） 坐標(biāo)平移一般的數(shù)控插補(bǔ)計(jì)算中，直線(xiàn)的起點(diǎn)或者圓弧的圓心 均在坐標(biāo)原點(diǎn)，為了使所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有一定的通用性，本系統(tǒng)中直線(xiàn)的起點(diǎn)和圓弧的圓心是任意給定的，并非一定與坐標(biāo)原點(diǎn)重合，因此為了方便計(jì)算，本系統(tǒng)采用坐標(biāo)平移的方法，即在判斷直線(xiàn)起點(diǎn)和圓弧的圓心為非坐標(biāo)原點(diǎn)后，在插補(bǔ)計(jì)算前將坐標(biāo)原點(diǎn)移到需要進(jìn)行插補(bǔ)計(jì)算的直線(xiàn)的起點(diǎn)或者圓弧的圓心處，這也為下一步的插補(bǔ)類(lèi)型判斷和圓弧的過(guò)象限判斷提供了方便。 （ 4） 插補(bǔ)類(lèi)型判斷無(wú)論插補(bǔ)對(duì)象是直線(xiàn)還是圓弧，不同象限的 插補(bǔ)對(duì)象存在不同的插補(bǔ)計(jì)算方法，直線(xiàn)存在四個(gè)象限的不同插補(bǔ)情況，而圓弧存在四個(gè)象限 A 種不同插補(bǔ)情況。 （ 5） 插補(bǔ)計(jì)算及仿真該模塊除完成相應(yīng)的插補(bǔ)計(jì)算外，還完成對(duì)插補(bǔ)軌跡的仿真顯示。插 補(bǔ)就是在輪廓起點(diǎn)和終點(diǎn)之間計(jì)算出若干個(gè)中間點(diǎn)的坐標(biāo)值，將各個(gè)中間值保存下來(lái)。設(shè)計(jì)車(chē)削部分時(shí)，將插補(bǔ)中間值保存在自己定義的結(jié)構(gòu)體 TurnPoint 中。在切削加工中，刀具相對(duì)于工件的運(yùn)動(dòng)軌跡時(shí)比較簡(jiǎn)單的空間螺旋線(xiàn)，可以很方便地表示出來(lái)。 仿真數(shù) 據(jù)的記錄 仿真數(shù)據(jù)的記錄就是刀具相對(duì)于工件的軌跡數(shù)據(jù)和工件各截面數(shù)據(jù)的記錄。根據(jù)刀具軌跡的特點(diǎn)，為了數(shù)據(jù)處理的方便，應(yīng)在圓周方向上選取采樣點(diǎn)。這樣，當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的 m _Trajectory 就存儲(chǔ)了當(dāng)前節(jié)點(diǎn)到 下一個(gè)節(jié)點(diǎn)間已加工表面的刀具軌跡。每執(zhí)行一個(gè)程序段，工件形狀鏈表就會(huì)發(fā)生變化，必須進(jìn)行更新操作，刪除重合的界面，增加新截面。在實(shí)際加工中，干涉段輪廓的計(jì)算和檢測(cè)對(duì)于設(shè)計(jì)人員進(jìn)行刀具軌跡調(diào)整具有重要的參考價(jià)值。 23 干涉檢查算法 干涉碰撞檢查算法是，在任意加工時(shí)刻，將切削刀具包圍輪廓和靜止件 (機(jī)床和夾具等 )作布爾運(yùn)算，如有相交情況，則說(shuō)明該加工工步位置有碰撞情況發(fā)生，需修改加工指令。對(duì)于圓弧段輪廓，則與該插值點(diǎn)在圓弧輪廓的切線(xiàn)的傾角進(jìn)行比較，并區(qū)分順圓和逆圓兩種情況。 圖 42 加工過(guò)程 刀具的干涉碰撞檢查示意圖 24 干涉檢查流程 零件加工過(guò)程干涉碰撞檢查是刀具在切削加工過(guò)程中，刀具與已加工過(guò)的表面或待加工的表面間的干涉與碰撞檢查，其具體檢查算法流程如圖 43 所示。 圖 43 干涉檢查算法流程 25 產(chǎn)生干涉報(bào)告 當(dāng)發(fā)現(xiàn)干涉現(xiàn)象時(shí)，不僅可以從計(jì)算機(jī)顯 示器上直觀地反映出來(lái)，而且還要生成干涉檢查報(bào)告，以便精確地反映干涉情況。每當(dāng)產(chǎn)生干涉時(shí)，就將干涉點(diǎn)的坐標(biāo)寫(xiě)入文件。目前的加工過(guò)程干涉檢驗(yàn)多見(jiàn)于三維加工，有矢量法、區(qū)域干涉檢驗(yàn)法等。 數(shù)控仿真系統(tǒng)的模擬車(chē)削實(shí)例 數(shù)控圖形仿真的目的就是模擬 實(shí)際數(shù)控加工，產(chǎn)生真實(shí)感效果圖，檢驗(yàn)數(shù)控代碼的正確性，校驗(yàn)數(shù)控程序。下面以一實(shí)例演示數(shù)控加工過(guò)程，檢驗(yàn)本仿真系統(tǒng)的適用性。 起刀點(diǎn)設(shè)在對(duì)坐標(biāo) (50, 100)處。在編程時(shí)一般將換刀點(diǎn)設(shè)成同一點(diǎn)。 編譯好的 NC 程序如 45， 46 運(yùn)行所示： 29 圖 45 模擬車(chē)削仿真過(guò)程 圖 46 模擬車(chē)削仿真過(guò)程 30 如圖 45 所示，車(chē)削長(zhǎng)度為 12mm 的外圓， 仿真過(guò)程中工件加工余量的去除由“走刀子程序”控制，仿真主程序主要是進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，而在每步插補(bǔ)運(yùn)算后都將產(chǎn)生新的刀具坐標(biāo)信息。在實(shí)際系統(tǒng)中，就是向某個(gè)方向發(fā)一脈沖以驅(qū)動(dòng)刀具切掉工件上的加工余量。只要將仿真主程序中的新點(diǎn)坐標(biāo)值賦給刀尖基點(diǎn)，然后調(diào)用刀具子過(guò)程，使虛擬刀具圖形呈現(xiàn)在新的刀尖基點(diǎn)位置，最后用窗體背景色覆蓋虛擬刀具移動(dòng)過(guò)的部位，就可以完成一步“走刀”。只要把新坐標(biāo)的 X (VB 中是 Y)值取反，再賦給假想刀具基點(diǎn)，然后調(diào)用假想刀具子過(guò)程，那么從屏幕效果上看，工件兩側(cè) (即圓周 )的加工余量就都被去