（机械电子工程专业论文）数控车削加工仿真系统的研究与实现.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 为了验证数控加工程序的正确性，防止干涉和碰撞的发生，传统上采用试切模 型的芳法，通过检查模型与原设计之间的差异，再重复编辑修改程序直到产生可 接受的工件。通常这个过程的周期长，费用高，且易发生事故。而加工过程仿真 ( m p s ) 通过计算机屏幕对n c 程序进行图形仿真、检查刀具路径、模拟数控加工 的全过程甚至零件材料切除过程，极大地降低了生成正确n c 程序的时问和费用， 产生了较好的经济效益，并且加工过程仿真还具有辅助优化工艺安排、培训编程人 员等实际应用前景。 本文从理论和实践相结合的角度出发，探讨了数控加工仿真系统的整体技术路 线和实现方案。特别就系统开发的难点：数控仿真模型的建立、数控仿真数据的处 理及干涉碰撞作了深入地探讨，并提出了一些新颖的算法。在此基础上，开发了数 控车削加工仿真系统诠文主要内容如下： 根据数控加工仿真系统的功能要求，设计了仿真系统的总体结构，指出了系统 中各模块的关系，提出了有关数控加工仿真系统的关键技术。 针对数控机床的特点，建立了数控加工仿真系统的仿真模型，包括混合动态的 几何模型和运动模型。 实现了n c 程序的解释，刀位数据的生成和插补，分析了曲面法矢与刀具扫描体求交算法， 实现了仿真图形的消隐和图像的实时显示。 洋细论述了干涉碰撞方案及其实现策略，并对传统的图形算法作了改进。 最后根据开发过程中遇到的问题，对加工过程仿真系统的开发进行了总结和展望。 关键词t 加工过程数控机床，仿n c 程序检验，碰撞检测 l 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t a p et r y o u t s ( t t o s ) i st r a d i t i o n a l l ya p p l i e dt oc h e c k t h en c p r o g r a m sv a l i d i t y a n dt oa v o i dg e n e r a t i n gt h ei n t e r f e r e n c ea n dc o l l i s i o n ，w h i c hi n s p e c t sd i f f e r e n c eb e t w e e n t h em o u l da n do r i g i n a ld e s i g n ，r e p e a tt oe d i ta n dm o d i f yt h ep r o g r a mu n t i lg e t t i n ga a c c e p t a b l ew o r k p i e c e u s u a l l y t h i sc o u r s es p e n d sal o n gd e b u g g i n gt i m ea n dah i g l lc o s t ， a n dm o r e o v e r ，i s p r o n e t o a c c i d e n t s b yg r a p h i c a l l ys i m u l a t i n g t h en cp r o g r a m ， c h e c k i n gt h em a c h i n i n gp a t ho f a t o o l ，i m i t a t i n gt h ew h o l en cm a c h i n i n gp r o c e s se v e n t h ep r o c e s so fr e m o v i n gt h em a t e r i a lo nap a r t ，m a c h i n i n gp r o c e s ss i m u l a t i o n ( m p s ) g r e a t l y r e d u c e sm a c h i n i n ge x p r e s s e sm a dt h en cd e b u g g i n gt i m e ，b r i n g sp r e f e r a b l e e c o n o m i cb e n e f i t i na d d i t i o n ，m p sp a c k a g ec a no p t i m i z ep r o d u c i n g ，t r a i np r o g r a m m e r a n ds oo n t h i st h e s i sd i s c u s s e st h ew h o l et e c h n o l o g i c a lc o u r s ea n di m p l e m e n t p r o g r a m o nt h e n c m a c h i n i n gs i m u l a t i o ns y s t e mt h e o r e t i c a l l ya n dp r a c t i c a l l y , e s p e c i a l l yt h ek e yp o i n t s o f s y s t e ms t u d i e s ，s om u c h a sn cs i m u l a t i o nm o d e le s t a b l i s h m e n t ，n cs i m u l a t i n gd a t a d i s p o s i n ga n di n t e r f e r e n c ec h e c kf o rt h em a c h i n i n gp r o c e s sa n dd i s c u s s e di nd e p t h ，a n d s o m en e wa l g o r i t h m sa r ep u tf o r w a r d b a s e do nt h e s e ，o n eg e n e r a ls y s t e mo fm p sf o r n c m a c h i n i n g h a sb e e nw o r k e do u t t h ec o n t e n to f t h ew h o l et h e s i sj sa sf o l l o w s ： t h eg e n e r a ls t r u c t u r eo ft h e m a c h i n i n gp r o c e s s s i m u l a t i o n s y s t e m h a sb e e n p r o p o s e da c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o nr e q u i r e m e n t so ft h em a c h i n i n gp r o c e s ss i m u l a t i o n a n dt h er e l a t i o n s h i p sa m o n gt h em o d e si nt h es y s t e mh a v eb e e n p r e s e n t e do u t t h ek e y t e c h n i q u e sa b o u t t h em a c h i n i n g p r o c e s ss i m u l a t i o nh a v e b e e ns t u d i e d a c c o r d i n g t ot h ec h a r a c t e r i s t i co f t h em a c h i n et o o l ，t h es i m u l a t i o nm o d e lo f t h en c m a c h i n i n gs i m u l a t i o ns y s t e m ，w h i c hi n c l u d e st h ed y n a m i ch y b r i dg e o m e t r i cm o d e la n d t h em o v e m e n t m o d e l ，h a sb e e ne s t a b l i s h e d t h ei n t e r p r e t i n go fn c p r o g r a m ，c r e a t i o na n di n t e r p o l a t i o no fd a t ao nt o o lp o s i t i o n h a v eb e e nr e a l i z e d a na l g o r i t h mo nt h ei n t e r s e c t i o no fs u r f a c en o r m a lw i t ht o o l s w e p t v o l u m eh a sb e e na n a l y z e d t h eh i d d e n - l i n er e m o v a la n dr e a lt i m ed i s p l a yo f s i m u l a t i n g g r a p h h a v e b e e nr e a l i z e d t h e a l g o r i t h m si nc h e c k i n gi n t e r f e r e n c ea n dc o l l i s i o na r eo f f e r e d i na d d i t i o n ，s o m e t r a d i t i o n a la l g o r i t h m sa r em o d i f i e d f i n a l l y t h e d e v e l o p m e n to ft h e s i m u l a t i o n s y s t e m o fm a c h i n i n g p r o c e s s i s c o n c l u d e da n df u r t h e rr e s e a r c hw o r ko ni ti sp u tf o r w a r d k e yw o r d s ：m a c h i n i n gp r o c e s s ，n cm a c h i n et o o l ，s i m u l a t i o n ，n cp r o g r a mc h e c k i n g 。 c o l l i s i o nd e t e c t i o n 华中科技大学硕士学位论文 1绪论 1 。1引言 1 1 1 数控加工中的问息及解决办法 数控加工是c i m s 的一个重要组成部分。早在6 0 年代，数控机床就已获得了应 用。7 0 年代就有了自动编程技术( a p t ) 包括a p t ，刀具轨迹生成和数控代码生成。 一 7 0 年代后期，计算机辅助设计( c a d ) 也获得了广泛的应用。但是，实现c a d 和 c a m 的集成是一个十分复杂的工作，除了对c a d c a m 系统进行改造和充实外， 同时必须进行计算机辅助工艺规划( c a p p ) ，即在产品设计好以后，先要进行工艺 设计，然后再进行数控编程，也就是c a d ，c a p p c a m 过程。但是，要进行计算机 辅助工艺规划( c a p p ) ，就必须处理大量的制造技术问题，而制造技术难以用结构 化模型来表达，这样就难以形成c a d 与c a p p ，c a p p 与c a m 之间的接1 ：3 川1 2 1 1 3 j 【4 j 。 在c i m s 中，为了缩短产品的设计与开发周期，要求将c a d 、c a p p 生成的刀 位轨迹文件( c l s f ) 直接通过c a m 形成数控加工中心所需的n c 代码。但在正式 加工之前，一般要进行试切这一步骤。试切的过程也就是对c a m 生成的n c 代码 的检验过程。如果n c 程序生成( 也包括手工编写) 不正确的话，很可能发生零件 被过切或少切，刀具与零件，刀具与夹具，刀具与加工工作台之间的干涉和碰撞等 现象。过切或少切都会使零件成为不合格产品，而刀具与各部件之间的碰撞是十分 危险的。传统的试切是采用塑模、木模在专用设备上进行的。这不但耗费人力、物 力，而且延缓了生产周期，降低了系统效率，极大得影响了系统效能。 对于c i m s 来说，上述问题所带来的影响更为突出。与传统的制造技术不同， c i m s 的加工过程不是独立的，它是整个过程中的一部分，受控于上位计算机，由 于c i m s 一般具有小批量多品种的加工特点，零件混合投入的现象经常出现。这样， 试切工作就严重地阻碍了系统柔性的提高。 。 由于高速计算机和可视化技术的发展，计算机仿真技术在制造系统中得到了广 泛的应用。建立数控仿真系统的一个主要目的就是对数控加工代码进行验证，模拟刀 具、工件几何体、加工环境及刀具路径和材料去除的过程，消除因程序误差而导致 的机床刀具、夹具损坏及零件报废等。如果采用仿真加工来替代或减少实际的试切 工作，特别是，如果能将仿真系统嵌入到实际的数控系统中，使其成为实际加工的 华中科技大学硕士学位论文 支撑环境，这无论对于一般的制造工厂，还是对于c i m s 都是十分有意义的。 从某种意义上讲，数控加工过程的动态仿真就是利用动画及计算可视化技术描 述实际的加工过程。计算机动画和计算可视化技术是当今计算机图形及c a d 技术 中最尖端的应用。般而言，它们可以更形象地揭示复杂事物的特性与内在联系， 可带来更强的真实感。设计数控加工仿真系统的一个主要目的就是让计算机模拟真 实的加工过程，给用户以直观、形象的感觉。通过仿真结果的可视化显示，不仅可 以发现错误，修改工艺文件，还可以总结数据信息难以表达的规律，优化加工方案， 壤终达到经济地指导生产的目的。 i i 2 课题的提出 根据上述需求和背景。结合当前数控教学与培训的需要，提出了开发“数控车 削加工仿真系统”的项目。 本文结合华中科技大学数控工程中心仿形课题组所得仿形数据进行处理与仿真 演示研究开发任务，开展了本文的工作。 1 2 国内外研究现状综述 1 2 i 数控技术发展研究概况 世界各国经济的竞争，主要体现为制造技术的竞争。而数控技术是现代化加工 设备的基础，又是精密、高效、高可靠性加工技术的支撑，发展先进制造技术必 须发展数控技术【，j 。 5 0 年代，数控机床研制成功是制造技术发展过程中的一个重大突破，标志着制 造领域中的一次革命。现代数控技术是建立在计算机技术、通讯技术及控制技术的 基础之上的，是一项先进制造技术，并成为现代其它先进制造技术的基础，对制造 业具有重要的实际意义和深远的影响。目前数控技术已从最先进的机床行业推广到 制造业其它行业，例如它在绘图机、坐标测量机、包装机、仓库堆垛机、火焰切割 机等方面都有应用。数控系统本身已由普通数控系统即硬线系统( n c ) 发展为计算 机数控系统( c n c ) 及微处理数控系统( 统称为计算机数控系统) 。现在机床行业 9 0 的先进机床是计算机数控机床即c h i c 机床嘲。 华中科技大学硕士学位论文 数控加工具有高效率、高精度、高自动化和高柔性的优势，因此能较好地满足 市场对制造产品多、数量小及变化快的要求。现在数控在这些方面的表现是：自动 化方面，第一，可以实现多轴数控加工，目前世界上大数控系统最多控制的轴数为 2 4 轴，它是在一台多头龙门铣床上实现的。第二，数控可在一台设备上实现多工序 自动控制，“加工中心”就是一种多工序数控机床，在其上可以实现车、铣、钻、 镗、攻丝等多功能；精度方面，对于计算机数控系统由于采用了误差补偿技术，能 以较少的费用使加工精度有较大的提高；而柔性方面由于数控系统越来越先进，其 功能越来越强大，因而柔性越来越高。 目前数控系统中计算机数控( c n c ) 系统占绝对优势，这是由于c n c 功能大 部分由软件技术实现，硬件更简单，使得数控系统价格更便宜，功能更强大。由于 c n c 是f m s 、c i m s 中不可缺少的部分，f m s 和c i m s 的发展将促进c n c 的更大 发展，如f m s 和c i m s 要求c n c 系统更具有通讯、联网功能，以便实现c i m s 环 境中的信息集成和系统管理，所以现代c n c 系统一般具有通讯的串行口和d n c 接 口而其功能越来越强大。 现在各国正在着力于数控技术的研究，特别是日本、美国、德国、法国和意大 利，它们对数控技术的研究动向见文献【3 1 。我国也把数控系统的研究、开发及其产 业化列为国家“九五”期间的重点攻关项目，通过改组改造，优化结构，使制造工 业的发展达到一个新的水平，更好地满足国民经济各部门对先进水平装备的需要。 1 2 2 数控加工过程仿真的研究概况 利用仿真技术模拟数控加工的工作在国外开展得比较早，7 0 年代中期美国 u n i v e r s i t yo f r o c h e s t e r 就开始了有关方面的工作【”，以后随着几何造型技术的发展而 不断向前推进，文1 8 】【9 j 开发了一个基于二维图形的c n c 仿真系统，用二维图形模拟 制造过程在时序和逻辑上的一些特征，为数控编程提供工具；文献【1 0 】【l l 】介绍了基于 线框模型的图形仿真系统和图形数控编程系统，这类系统可以有耐心的检测人员发 现加工过程中大多数刀具碰撞和几何错误；在8 0 年代中期出现了基于实体模型的 数控仿真系统【1 2 j 【1 3 】【1 4 】【1 5 】，这些系统能较真实地反映加工过程零件的加工步骤，但 由于当时计算机运算速度慢，此类系统的显示速度较慢，不能实时地仿真加工过程； 现在国外的数控加工仿真软件包1 7 0 引，如c g t e c h 公司的v e r i c a t 软件包，l i c n f l e x i j 华中科技大学硕士学位论文 公司的n c v 软件包，s i l m a 公司的l i m s t a t i o n 软件等等。 在国内，数控加工过程仿真的研究起步较晚，到现在还处于西方工业国家8 0 年代中期的研究水平。国内的研究过程大体上与国外相似，经历了从二维图形仿真、 线框模型仿真n - - 维实体模型仿真的阶段。目前，各高校科研究院所纷纷对数控加 工仿真作研究性开发，尽管还没有达到商业化水平，但也取得了可喜的成果。如： 合肥工业大学开发了数控车削自动编程系统h f a p t 2 伸j ，实现仿真显示刀具运动轨 迹、毛坯和零件的实体形状、机床的状态，并对刀具作干涉检验；清华大学开发了 三维数控加工仿真系统n c m s s 捌，它能在任选的视图上直观地显示刀具加工轨迹 和工件轮廓，并提供了n c 代码调试、编程、跟踪、执行等功能；大连理工大学开 发了曲面加工微机仿真器【2 l j ，它主要是对齿轮、空间凸轮、多边形面等复杂切削加 工进行仿真，可实现对各种曲面加工过程的模拟并进行加工误差分析，以改进工艺 参数，提高加工精度和效益；清华大学与华中理工大学c a d 中心共同研究开发了 数控加工仿真系统m p s 2 2 1 ，加工过程由n c 代码直接驱动，可对编程系统、半手工 及手工编制的n c 代码进行正确性检验，能提供建立机床加工模型的功能，能在精 确形体表示下，实现快速三维图形显示加工过程动画。 为了提高加工过程仿真系统的性能，科研人员在理论方法和关键技术上作了大 量的研究，主要集中在以下几个方面： 1 、仿真系统总体结构设计 早期的仿真系统是基于线框模型的图形仿真系纠矧。坯料的线框模型和刀具的 线框模型都显示在屏幕上，由于刀具的运动而产生的刀具轨迹也显示在屏幕上。这 种系统不能很清楚地表示加工过程的情况。随着计算机速度和可视化技术的发展， 后来出现了基于实体模型的加工过程仿真。这种系统不可能实时地仿真加工过程， 加工过程仿真系统不仅应对切削刀具和工件仿真，还应考虑其加工环境。 在国内，数控加工过程仿真系统的研究才刚刚起步，所以首先急需设计出数控 加工过程仿真系统的总体结构，确定研究方向，加强关键技术的研究，以满足制造 业对数控加工过程仿真的需求。 2 、数控机床( 或加工中心) 等机械设备的几何建模 机械设备的几何建模包括零件的几何建模和设备的几何建模。在单个零件的几 何建模方面，一般以c g s 表示和b - r e p 表示或者两者的混合表示为基础的建模方法 为主。建模方法有简便易行的平扭法、回转法，还有特征造型法和参数化造型法。 华中科技大学硕士学位论文 在机械设备的建模方面，一般采用两种方法来表示装配中组成元件之间的相互关 系。一类是直接地观察元件之间相互位置信息，如存储齐次变换矩阵等。第二类方 法是只考虑各装配体组合元件之间的配合、连接等信息，确定元件相互位置的齐次 变换矩阵是由这些信息计算出来的。因此，在建立设备的几何模型方面，需要解决 的问题是要求装配的交互过程简单易行，另一方面要求装配过程的内部求解快速有 效，但是对数控机床的几何表达模型的研究还很少。根据数控机床的结构特点和运 动特点，数控机床几何模型既要能准确有效地表达出数控机床的几何特点，又要能 适应加工过程中的快速显示，还要能便于描述数控机床的运动，建立它的运动模型。 3 、数控机床( 或加工中心) 的运动学模型 目前，提出的机械系统的运动学建模方法很多。在计算机辅助建模方面，以齐 次变换法应用最多。其中求解运动方程的方法主要有几何法、数值法和解析法 2 4 1 三种，数值法的求解效率较低，且难以处理机构退化的情况，几何法只局限于特殊 的机构变形，而解析法又要求解三角方程，一般需要人的直觉知识去指导求解【2 5 】。 而数控机床的运动表现在它的运动都有其固有的规律，而且它们都是在n c 指令控 制下的运动。关于数控机床的仿真运动模型的描述问题以前研究较少。 4 、刀具管理和规划 在机械加工过程中，刀具起着重要的作用，当然也是主要的研究对象之一。对 于刀具的管理，目前已有一些研究，研究内容主要集中在刀库的管理，刀具标准化， 刀具的加工设置。在t n - r 过程中，对刀具的最优加工条件，刀具在刀架上的排列和 刀具的磨损监控问题【2 6 j 2 7 1 1 2 8 1 1 2 9 1 ，人们也提出了一些模型理论和方法。尽管有关刀 具的问题涉及的因素往往很复杂，但针对一些具体情况提出的理论和方法往往是很 有效的。 n c 程序的分析处理目前大多数已有的数控仿真系统是利用刀位( c l ) 数据来 驱动刀具的。国内外利用c l 数据进行仿真的系统也很多2 3 l 。利用n c 程序驱动加 工过程进行仿真考虑了加工环境因剥3 0 l 3 1 1 ，而且比c l 仿真更接近实际。n c 程序 是组指令集合，它包含有大量信息，分离出有用信息，驱动加工过程，便可以对 n c 程序的正确性、合理性和有效性进行检验。 1 3 本文的工作 j 华中科技大学硕士学位论文 1 3 1 工作简况 近两年来，作者在导师熊清平和李小华、阳道善博士的悉心指导下，从事“数 控车削加工仿真系统”的开发，开发工作的主要内容有以下几个方面： ( 1 ) 对数控车削加工仿真系统的功能需求进行了分析，并根据数控车削加工系 统_ 币l l 数控车削加工过程的特点，设计了数控车削加工过程仿真系统的总体方案，并 对总体方案的各模块进行了详细的设计。， ( 2 ) 分析了数控车床的结构特点和运动特点，以及数控车削加工过程的几何动 态特性，准确有效地表达出数控车床的几何模型，同时定义了相应的数据结构。 ( 3 ) 在数控车床的几何模型的基础上，根据数控车削加工过程的运动特点，设 计和建立了数控车床的运动模型。数控车床的几何模型和运动模型组成了数控车床 的仿真模型。 ( 4 ) 研究并提出了n c 程序的分析和处理方法，从而模拟数控车削加工系统中 的数控装置，驱动数控加工仿真模型，实现数控加工过程仿真；对数控加工程序的 翻译进行了分析，重点是从n c 代码中识别出编程的轨迹：研究了加工过程仿真中 数据的插补计算的实现及算法。 ( 5 ) 对运动物体碰撞干涉检测的理论和方法进行了探讨，提出碰撞干涉的方案 设计，提出了碰撞干涉的新的算法。 1 3 2 本文的目的和意义 本文的研究目的是了解和探讨数控车削加工过程仿真系统的相关理论和关键技 术，设计并实现数控车削加工过程仿真系统，并将它应用到数控加工程序的检验中， 满足制造业对数控车削加工过程仿真的需求及数控教学培训的目的。 本文的工作意义表现在以下几个方面： 本文系统地研究了数控车床和数控车削加工过程的特点，介绍了一套数控加工 设备( 车床) 的建模和管理方法，车削加工过程仿真的实现方法和n c 程序检验的 理论和方法。 本文设计和实现了数控车削加工过程的仿真演示，并能对数控加工程序进行验 证。该仿真演示能对仿真图形进行视图变换、显示仿真结果。对该系统进行完善之 后可进行刀具与工件的碰撞干涉检验。 华中科技大学硕士学位论文 2 仿真系统的总体方案设计 2 1引 言 随着计算机技术和仿真技术的发展，给各行各业带来了深刻的影响。利用仿真 系统可研究、实验、设计数控加工过程。把仿真技术应用于数控( n c ) 加工过程领 域，可以解决数控加工中n c 程序检验问题，并可模拟机床的加工过程，解决碰撞、 干涉问题。利用仿真技术可以模拟制造过程，通过计算机屏幕又能够把工件的加工 路径描绘出来，使用户能及时发现生产过程的不足之处，而且依靠加工前进行检验 和对方案进行评估的能力，可使材料消耗和成本保持最低程度m j 1 3 3 。 研究开发一个数控仿真系统，既是生产实践的需要，也是软件生产，因而开发 活动也必须遵循软件生产的规律软件工程学。 软件工程是将软件看成是一种需要进行计划、分析、设计、实现、测试和维护 的工程性产品。通过综合运用数学、物理、哲学、心理学、系统工程、电工工程等 学科的知识。软件工程是建立并使用完善的工程化原则，以较经济的手段获得能在 实际机器上有效运行的可靠软件的一系列方法。它包括了三个关键的要求：方法、 工具和过程t 3 。 软件工程方法为编制软件提供了“如何做”的技术。这种方法包括了许多任务。 其中有：项目计划与估算；系统及软件需求分析；数据结构、程序的总体结构及算 法过程的设计；编码；测试和维护等。对于软件开发的全过程，现代软件工程提出 了原型化方法。原型化是指软件开发者建立所需目标软件的模型的过程f 3 4 】。原型范 例的事件顺序如图2 1 所示。这种模型有以下两种形式：第一种为书面模型，即采 用一种用户可理解的形式描绘人机对话的交互作用等；第二种为可运行原型，它是 实现目标软件所需求功能的某个子集，或者是一个可执行部分或全部所需功能的程 序，该程序的其它特性需在以后的开发工作中进一步改进。和所有软件开发方法一 样，原型化方法也从需求分析阶段着手。软件开发者和用户在一起共同制定软件设 计的总体目标，区分出那些需求是已知的，勾画出有必要进一步定义的部分，然后 进入“快速设计阶段”。 在理想的情况下。原型可看成是一种能够确定软件需求的机制。假如已建立了 可运行原型软件开发者就可以利用挥序片段或应用工具( 例如，报表生成工具、 。+ 1 曩：鬻 华中科技大学硕士学位论文 窗口管理工具等) ，很快设计出可运行的程序。 值得注意的是：原型仅仅是一个实验性系统是临时拼凑出来的，往往没有考 虑总体的软件质壁及长期的可维护性。应该用一个经周密设计的新系统来取代它， 而不能轻率地作为最终产品交给用户。另一个问题是，为了让原型尽快运行起来。 软什j i ：发者往祉利川一种可i 合适的操作系统或程序数计语吉或效率不商的算法。然 而经过一段时间之后，软件开发者可能已熟悉了这些选择却忘了它们不妥当的原 因。于是，这些不理想的选择最终成了系统中的不可缺少的一部份。 图2 1 原型化方法的事件顺序图 2 1 i 面向对象的设计方法( 0 0 d ) 面向对象的程序设计是通过为数据和代码建立分块的内存区域来提供对程序进 行模块化的一种程序设计方法，这些模块可以被用作模板在需要时建立其拷贝。根 据这个定义，对象是计算机内存中的一块区域。通过将内存分块，每个模块即对象 在功能上相互之间保持独立。另外，定义也表明，这些内存块状中不但存储数据， 而且也存储代码。这对保证对象是受保护的这一点很重要，只有局部于对象中的代 码才可以访问存储在这个对象中的数据。这清楚地限定了对象素具有的功能( 即一 个对象在一个软件系统中所起的作用) ，并使对象保护它自己不受未知的外部于它 的文件的影响，而使出它的数据和功能遭到破坏。 - _ _ _ p _ 雌_ _ q 峥斗_ 砷崎辅 _ 毒翱o 礴鞴陶精蝻_ 喾警；稀_ 蔷_ - _ 一- 一 1 “ 华中科技大学硕士学位论文 定义还表明，这些内存块中的结构可被用作样板产生对象的更多拷贝p ”。 在面向对象的程序中，对象之间只能通过函数调用相互通信。一个对象可以调 用另一个对象中的函数，这样，对象之间的相互作用方式是消息控制的，外部于一 个对象的代码就没有机会通过直接修改对象的内存区域妨碍对象功能。当对象的一 个函数敞渊川时，刈象执行其内部的代码术j 棚成这个凋，i 】，这使对致m 现一定的行 为。行为及其结果就是该对象的功能。对象被视作能做出动作的实体，动作在对象 相互作用对被激励，换句话说，对象就象宿主计算机上拥有数据和代码并相互间通 信的具有特定功能的一台较小的计算机【3 ”。 对象的这一特点导致了模拟世界的一种新型方法：面向对象就是将世界看成是 一组彼此相关并能相互间通信的实体即对象组成的。程序中的对象影射世界中的对 象。 对象的另一个特点是继承。继承是一个对象可以获得另一个对象的机制，它支 持层次分类这一概念。通过继承，低层的类只需定义特定于它的特征，而共享高层 的类中的特征。 面向对象的主要概念是： 抽象：抽象是一种从一般的观点看待事物的方法，它要求程序员集中予事物的 本质特征，而不是具体细节或具体实现。 封装：封装是描述把一个数据结构同操作数据的函数衔接在一起构成一个具有 类类型的对象的术语。 多态性：相同的函数调用为不同的对象接受时，可导致完全不同的行为，这中 现象称为多态性。利用多态性，在程序中进行一般形式的函数调用时，函数的实现 细节留给接受函数调用的对象。 本论文中所采用的数据结构就采用了面向对象的方法设计而程序的编制也采用 。 了面向对象的编程方法( o o p ) 。 2 1 2 数控加工环境及加工任务 进行数控加工必须具备一定的物质条件。在实际的数控加工场所，进行零件数 控加工的物质基础由下述对象组成【6 j ： 数控机床( 机床主体、数控系统及控制面板) 华中科技大学硕士学位论文 刀具 刀具库及刀库座 换刀机械装置 托盘 夹具 被加工零件 相应的n c 程序 有关检测装置和其它辅助装置 上述对象中，数控系统也称控制器，它的主要工作是将n c 代码程序翻译转换 成指导数控机床工作的信号。刀具库是指某一个或某一组零件所选用的一个刀具 库，它被安装在数控机床的刀库座上。其中有一把刀具被安装在主轴上，在数控加 工过程中由换刀机械手根据指令实行换刀。数控机床包括数控加工中心和普通数控 机床，刀库及换刀机械手一般地说为加工中心所具有，而普通数控机床则不需要； 托盘属于机床附件，它是用来固定元件，在数控加工前工件通过夹具固定在托盘上， 需要加工时再送往机床。 进行数控加工的物质对象可分为两大类：不随被加工零件的变化而更换的不变 对象如机床、数控系统、刀库座、换刀机械手、托盘等l 和随被加工零件的变化而 更换的可变对象如被加工零件、相应的n c 程序、刀具、夹具。显然不变对象对每 种被加工零件都是固定不变的。因此，这里将不变对象的集合称为加工环境，而可 变对象对每种被加工零件都是不同的，也就是说可变对象随被加工零件而变。一个 被加工零件对应一组可变对象，这里将这样的可变对象称为加工任务。在加工过程 中，无论是不变对象还是可变对象其位置或状态都会发生变化。 如上所述，实际加工环境的物质组成主要如下： 机床主体包括换刀机械手、工作台、主轴、刀库座等 5 数控系统( 控制器) 控制面板 托盘 检测装置和其它辅助装置 而对一个加工任务应包括下面的物质内容： 被加工零件毛坯或工件及其n c 程序 。l o 华中科技大学硕士学位论文 所用刀具，它根据被加工零件的材料、性质和精度要求选定，通常根据加工 工艺定为一组刀具。 所用夹具，它根据被加工零件的特征，在机床附件中选定，有时要专门设计。 完成一个加工任务需要技术员和数控操作员的密切配合，在一个加工任务中， 技术员根据被加工零件制定合理的工艺规程、选择工装并提出工装夹具设计任务 书、选择刀具；数控程序员必须根据技术人员编制的工艺规程编写零件加工程序即 n c 程序，并和技术人员、操作员一起进行“试切”工作，验证n c 代码的正确性； 数控操作员则实现被加工零件的数控加工。 2 1 3 系统总体设计的基本原则 设计和建立数控加工过程仿真系统的总体结构的依据是制造业对数控加工过程 仿真的功能需求，可大致规划出系统总体设计的基本原则和要求： 准确性，准确地表达数控加工环境中的主要对象和数控加工过程的功能和特点； 有效性，在保证数控加工系统和数控加工过程的功能和特点的前提下，简化系 统结构，使得设计和建立的系统可靠而有效； 实用性，要满足实际工作中对数控加工过程仿真提出的要求，使得设计和实现 的数控加工过程仿真系统具有实用价值； 可扩展性，随着科学技术的不断发展，数控的功能将不断加强，而且还会不断 涌现新的引人瞩目的数控系统，因此系统在设计时要考虑能方便地增添新的数控功 能及新的加工环境以适应新的形势要求。 2 1 4 系统总体设计的内容 软件设计是一项十分复杂的工作，它分阶段进行，只有严格地按照软件设计规 范进行设计，才能得到高质量的软件，软件设计在总体设计阶段主要包括三个方面 的内容： 通过需求分析确定系统目标； 进行系统概要设计，提出系统总体结构设计； 选择开发环境包硬件环境和软件环境。 华中科技大学硕士学位论文 2 2 系统的需求研究和功能描述 为了缩短零件从设计到加工的时间，提高零件加工质量，减少制造费用，目前 国内外均努力采用仿真技术作为支撑工具。目前，在工厂中，零件在正式投入加工 之前，为了检验零件设计的正确性，工艺规程的有效性别和数控程序的有用性，一 般要经过试切这一步骤【3 7 l 【3 8 l 。这就需要有模拟加工过程的软件系统。 2 , 2 1 系统的需求规定 基于上述的需求和分析，对系统的功能规定如下： 加工环境及加工任务定义，即设定特定的加工环境，定义特定的加工任务； 提供加工设备的交互式定义功能，包括设备的装配，运动定义等； 实现三维仿真动画显示加工过程，视觉范围可放大缩小，视觉角度可任意变化； 加工过程动画由n c 代码驱动，即本软件采用零件加工的n c 源代码作为加工 过程仿真动画的驱动数据； 动画显示的对象可以是整个加工中心，包括被加工零件的刀具，也可以是只有 加工工作台、零件、定位设备和刀具； 对加工过程中可能发生的碰撞情况实时检测，并形成检测报告； 可对n c 代码进行编辑、修改和调试，可对n c 代码进行解释，形成驱动信息， 一定程度上能对n c 代码进行优化。 实现仿真系统的目的是对n c 代码的正确性和有效性进行检验，特别是加工过 程中碰撞检验，以减少或替代零件试切这一环节。 2 2 2 系统的功能描述 根据规定2 2 i 节中的功能需求，可以得到仿真系统的功能框图，如图2 2 所示。 图2 2 是系统的功能总定义。它表明，本系统是实现零件加工过程的仿真， 受工作方式的控制；本系统的输入( i n p u t ) 是加工模型、被仿真零件的n c 代 码；输出( o u t p u t ) 是零件加工过程状态和零件加工过程的动画；实现本系统的机 制( m e c h a n i s m ) 是用户、计算机及其网络。 图2 2 是系统功能的一般性描述，可对系统的基本要求及其外部的关系进行详 凇 ，、 华中科技大学硕士学位论文 细地分解，作进一步的定义。图2 2 的分解如图2 3 所示。 图2 , 2 系统的功能结构图 图2 3 由三个功能模块组成，其中a l 实现系统管理，系统各级都采用驱动的方 式实现系统管理，整个管理系统由统一的命令树组成。其中，c 1 工作方式，m l ： 用户，m 2 ：计算机。 系统管 图2 3 系统的功能模块 华中科技犬学硕士学位论文 在建模命令下进入a 2 ，该功能模块实现仿真对象的模型建立a 仿真对象在这里 指的是被仿真的加工设备、刀具、加工零件等的几何模型、运动模型和工艺模型。 对于加工设备、夹具和加工托盘分别提供了设备库和夹具托盘库，包括用于造型的 基本几何体，如球、柱、多面体等，以及由这些基本模块构造零部件和设备的拼装 技术。仿真对象的运动模型则根据加工设备等的运动关系来描述，而零件的工艺模 型则根据其工艺规程来定义。其中，i i ：c a d 数据。 在仿真命令下，系统进行仿真模块a 3 。这时系统对n c 程序进行初步检验和转。 换，输出加工过程动画，进行干涉碰撞检测，并形成仿真报告。其中，1 2 ：设备几 何信息，1 3 ：n c 代码，m 3 ：网络，o l ：仿真报告，0 2 ：加工过程动画。 2 3 系统总体结构设计 2 3 1 系统的总体结构 对于系统软件的设计，通常分为两个阶段完成1 3 7 】；首先进行结构设计，然后进 行过程设计。结构设计的一条基本原理就是程序应该模块化，因此结构设计的主要 任务是确定系统程序由哪些模块构成，以及这些模块之间的关系。而过程设计是确 定每个模块的处理过程。结构设计是总体设计阶段的任务，过程设计是详细设计的 任务。因此这里我们只讨论系统的总体结构，至于过程设计将在后面有关章节讨论。 数控加工的过程主要是对数控机床在n c 程序的驱动下带动刀具对坯料进行切 削加工从而形成零件的过程。要对数控加工过程进行仿真，必须要有加工对象和被 加工对象。加工对象包括数控机床、刀具、托盘和夹具等设备和用来转换n c 程序 从而控制机床的控制装置。被加工对象包括要加工的零件和相应的n c 程序。结合 2 2 节中对数控加工过程仿真的功能需求分析可知，首先要建立加工设备的几何模 型，它们是： 机床各零件的几何模型 机床整体设备的几何模型 刀具的几何模型 夹具的儿何模型 其次是建立加工设备的运动模型，它们是： 湖7 。 华中科技大学硕士学位论文 机床脒身的运动模型 刀具库的运动模型 加工设备的运动模型是建立在它们的几何模型基础上的。 然后要建立被加工零件的几何模型。 如果要在某一已定义好的数控机床上对某一被加工零件的加工过程进行仿真， 则要完成以下工作： 对被加工零件进行装夹 在刀架上装上所需刀具 对n c 程序进行翻译，以驱动数控设备进行加工。 最后是实现对数控加工过程的仿真，主要包括： 显示加工过程 加工刀具与其它设备的碰撞检测 n c 程序的检验和优化 综上所述，可以设计出数控加工过程仿真的总体结构，如图2 4 所示 c a d 数据 刀具数据 几何建模 机床建模 托盘建模 夹具建模 工件建模 刀具建模 刀具定义 刀具管理 装夹建模 托盘装央 夹具装夹 工件装夹 机床定义 机床装配 运动定义 刀库逻辑 主轴逻辑 工作台逻辑 n c 程序 词法分析 语法分析 数据生成 加工设置 装刀具 装托盘 设零偏 图2 4 系统的总体结构 加工过程仿真 加工过程显示 碰撞检测 接收加工指令 加工状态显示 一n r m h 口_ _ 0 _ h + _ - _ 二十p 一。 华中科技犬学硕士学位论文 2 3 2 系统各模块的关系 在此数控加工过程仿真系统总体结构中，几何建模模块、刀具建模模块、装夹 建模模块和机床定义模块是系统的基础模块，也是工具模块。几何建模模块和机床 定义模块一起可以用于定义各种新的数控机床。刀具建模模块可以用于定义和管理 数控加工中所用到的刀具。几何建模模块和装夹建模模块一起可以用于定义新的加 工工件和新的装夹方式，而数控加工过程仿真系统总体结构中的n c 程序翻译模块、 加工设置模块和加工过程仿真模块是系统的应用模块和目标模块。这三个模块对前 面四个模块既有一定的依赖关系，又有相对的独立性。对于已定义好的数控机床、 加工工件和刀具，只要进行加工设置和对n c 程序进行翻译便可实现对加工过程的 仿真。下面就数控加工过程仿真系统的总体结构中的各模块，利用结构图( s t r u c t u r e c h a r ) 进行详细的设计。 1 、几何建模 包括加工设备的几何建模、零件的几何建模、夹具及托盘的几何建模。在几何 建模模块中包含有输入模块、显示模块，同时为了编辑修改已有的模型，其中还包 含有编辑模块，为了保存几何信息，对应地有一个存储模块。于是，可以得到几何 建模的结构图如图2 5 所示。 图2 5 几何建模的结构图 2 、刀具的建模 可以对大量加工用的刀具的各种信息( 几何参数、标识、类型、物理参数等) 进行定义和管理，它能够实现添加、修改、删除、浏览、检索等功能。对于某一类 型的刀具，其基本形状是一定的，当定义了它的几何参数后，便可以生成相应的三 维实体几何信息。因此，在刀具定义和管理模块中包含有刀具三维信息的转换模块、 华中科技大学硕士学位论文 显示模块和存储模块。于是可以得到刀具定义与管理的结构图，如图2 6 所示。 刀具定义和管理 l ll l 定义和修改 查询显示存储 l 添加修改删除浏览检索 图2 6 刀具建模的结构图 3 、机床定义 可以完成机床设备模型的模块组装定义，并对其加工坐标轴的运动进行定义， 从而为数控机床设备模型建立了定态的几何及逻辑上的定义，为加工任务的定义做 好准备。同时，上述定义的结果形成机床设备库。因此，在机床定义模块中包含有 几何模型建立和运动模型建立两部分，其中几何模型建立包括输入模块、修改模块、 几何模型存储模块和显示模块，而运动模型模块包括运动模型定义模块、运动模型 修改模块、运动模型存储模块。图2 7 为机床定义的结构图。 输入修改显示存储 运动定义运动修改运动存储