（机械制造及其自动化专业论文）基于特征输入及高效率数控加工方法的研究.pdf

基于特征输入及高效率数控加工方法的研究 学科：机械制造及其自动化 研究生签名： 指导教师签名： 僻蚴 摘要 本文研究了w i n d o w s 环境下基于p c 机的图形输入和数控加工方法。主要内容包括四 大部分：面的特征输入、面加工方法的研究、机床的机械结构设计和数控代码的产生。面 的特征输入部分：包括特征输入环境的建立，面的特征的绘制，并实现了编辑功能和参数 的选择等。面加工方法部分：主要研究了在精加工过程中，利用刀具侧铣方式一刀成型的 加工，该部分一方面分析和研究了刀具在加工过程中的走刀方式，即刀轴方向矢量，另一 方面计算刀具在加工过程中的刀位点，以上两方面是实现面加工方法的必需程序，一般用 在铣削加工或光整加工。机械结构设计部分：主要对机床结构的原理图进行设计，首先通 过对面加工方法的研究，设计和提出一种合适的机床结构、构成一种新型的数控机床加工 模型，使其对所输入的特征图形能进行连续的走刀，进而实现了所要求的面加工方法。数 控代码产生部分：首先根据刀具的走刀形式，分析了直线拉伸面和直线旋转面构成的曲面 的刀位算法，其次设置一个处理文件，然后按该文件规定的格式定义数控指令文件所使用 的代码、程序格式等内容，再根据数控机床特征文件，将生成的刀位数据文件逐条翻译成 可用于加工的数控代码文件。为了将特征图形的输入与数控代码产生紧密连接起来，本文 进行了编程系统的总体设计，分析编程系统的工作原理，规划和设计了编程系统的总体流 程。 本文从理论上研究了面加工方法的研究，从实践上进行了软件和机床结构的设计，软 件设计部分，该部分主要功能模块实现从图形的输入，刀具轨迹的计算，动态仿真，并获 得数控代码。机械设计部分，设计了机床结构，进行了理论论证，绘制机械原理图与装配 图。 关键词：图形输入；面加工；刀位轨迹；数控代码；结构设计；编程系统 厂 涪协 ，_ d ， r e s e a r c hb a s e do nf e a t u r e i n p u t a n d h i g he f f i c i e n c yn cp r o c e s s i n gw a y d i s c i p l i n e ：m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r ea n da u t o m a t i o n s t u d e n ts i g n a t u r e s u p e r v i s o rs i g n a t u r e ： 崴叭( t h ep a p e rs t u d i e sg r a p h i c si n p u ta n dn cm a c h i n i n gt h em e t h o db a s e do nw i n d o w s e n v i r o n m e n to fp c t h ep a p e rs t u d i e sf o u ra s p e c t s i n c l u d i n gf e a t u r ei n p u tt o1 i n e s t r e t c h i n gs u r f a c ea n d1 i n er e v o l v i n gs u r f a c e ，r e s e a r c ho nt h em e t h o do fs u r f a c e p r o c e s s e d ，d e s i g n i n gf o rt h es t r u c t u r e o fm a c h i n et o o la n dc r e a t i n gn cc o d e f i r s t l y t h ef e a t u r ei n p u t si sm a d eu po fe s t a b l i s h i n gt h ef e a t u r ei n p u tt h ee n v i r o n m e n t ， d r a w i n gs u r f a c ef e a t u r e ，e d i t i n gf u n c t i o na n dc h o o s i n gf e a t u r ep a r a m e t e ra n ds o o n s e c o n d l y ，t h em e t h o do fp r o c e s s i n gs u r f a c em a i n l ys t u d i e so n c em o l d i n gb yc u t t e r s i d e w a y sm a c h i n ei nf i n i s hm a c h i n i n g t h i sp a r ta n a l y s e sa n ds t u d i e st h ec u t t e r g o e sp a t hi nt h ep r o c e s s g o i n gp a t h i sc u t t e ra x i sv e c t o r s i m u l t a n e i t yc u t t e r p o s i t i o ni sc a l c u l a t e di nt h ep r o c e s s 1 】h e ni m p l e m e n t i n gt h em e t h o do fp r o c e s s i n g s u r f a c e c u t t e rp o s i t i o na n da x i sv e c t o rm u s tb ed e c i d e d t h i st h i n gi su s e di n f i n i s hm a c h i n i n ga n ds m o o t hm a c h i n i n g t h i r d l y ，t h em a c h i n es t r u c t u r ep a r tm a i n l y i st h ed e s i g no fm a c h i n et o o l sp r i n c i p l ed i a g r a m i tg i v e saf i tm a c h i n et o o l sf r a m e ，m a k e san e wn cm a c h i n i n gm o d e lo fm a c h i n et o o l t h r o u g hs t u d y i n gt h em e t h o do fp r o c e s s i n gs u r f a c e t h i sm a k e sc u t t e rc o n t i n u o u s l y p r o c e s s i n gf o rf e a t u r eg r a p h i c si n p u t t e ds oa st of i n i s ht h em e t h o do fp r o c e s s i n g s u r f a c e f i n a ll y ，a c c o r d i n gt oc u t t e rg o i n gp a t h ，t h ec o d e 7sc r e a t e dp a r to fn c a n a l y z e sc u t t e rl o c a t i o na r i t h m e t i co nc u r v i n gf a c ec o n s t i t u t e db y1 i n es t r e t c h i n g s u r f a c ea n dl i n er e v o l v i n gs u r f a c e t h e nt h ed i s p o s eo fd o c u m e n ti ss e tu p t h e p r o g r a mf o r m a t a n dt h ec o d eu s e db yp r o c e s s i n ga r ed e f i n e dt h r o u g he n a c t i n gt h e f i l ef o r m a t t h ec u t t e rl o c a t i o nd o c u m e n ti st r a n s l a t e di t e mb yi t e mi n t on c p r o c e s s i n gt h ed o c u m e n ta c c o r d i n gt os cm a c h i n et o o lf e a t u r ed o c u m e n t f o rf e a t u r e g r a p h i c si n p u t t e da n dn cc o d ep r o d u c e da r ec l o s ec o n n e c t e d ，t h ep r o g r a ms y s t e mi s d e s i g n e dt o t a l l y ，t h ep r o g r a ms y s t e m sp r i n c i p l ei sa n a l y z e d ，t h ef u l lp r o c e s s o f t h ep r o g r a ms y s t e mi sd e s i g n e di nt h ep a p e r t h ep a p e rs t u d i e st h em e t h o do fs u r f a c ep r o c e s s e di nt h e o r ya n di tp r o g r a m s s o f t w a r ea n dd e s i g n sm a c h i n et o o l sm a c h i n e r y t h es o f t w a r ep a r tm a i n l yf i n i s h e s g r a p h i c si n p u t ，t o o l p a t h sc a l c u l a t i o n ，d y n a m i c s i m u l a t i o na n dn cc o d ea c h i e v e d m a c h i n ed e s i g np a r ta c c o m p l i s h e sm a c h i n et o o ls t r u c t u r e sd e s i g n ，t h e o r e t i c s i i r e a s o n i n g ，a n dc o m p l e t e st h ed r a w i n go ft h em a c h i n ep r i n c i p l ed i a g r a m a n da s s e m b l e d i a g r a m g r a p h i c si n p u t ；s u r f a c eo fm a c h i n i n g ；c u t t e rl o c a t i o n ：n cc o d e m a c h i n et o o lf r a m e w o r kd e s i g n ：p r o g r a m m i n gs y s t e m i 1 绪论 1 绪论 1 1 数控加工技术概况 数控加工技术是指高效、优质地实现产品零件特别是复杂形状零件加工的有关理论、 方法与实现技术，它是自动化、柔性化、敏捷化和数字化制造加工的基础与关键技术。数 控加工技术包括数控机床技术和数控编程技术“3 。数控加工过程如图l 所示。数控机床是 一种按照输入的数字程序信息进行自动加工的机床，它集现代机械制造技术、自动控制技 术几计算机信息技术于一体，是高效率、高精度、高柔性和高自动化的现代机械加工设备。 系统主要包括机床加工执行机构，数控机床是数控加工的是硬件基础，其性能对加工效率、 精度具有决定性的影响；而数控编程则是负责产生加工用的零件程序，数控编程技术涉及 制造工艺、计算机技术、数学、计算几何、微分几何、人工智能等众多学科领域知识，它 追求的目标是如何更有效地获得满足各种零件加工要求的高质量数控加工程序，以更充分 地发挥数控机床的性能获得更高的加工效率，数控编程是数控加工的软件基础。两者相互 结合，构成自动化的加工手段。 西安工业学院硕士学位论文 1 1 1 国外数控加工技术发展状况 随着微电子技术、自动信息处理、数据处理以及电子计算机的发展，给自动 化技术带来了新的概念，推动了机械制造自动化的发展。 采用数字控制技术进行机械制造加工的思想，最早是在4 0 年代初提出的。当时，美国 北密执安的一个小型飞机工业承包商怕尔森兹公司( p a r s o n sc o r p o r a t i o n ) 在制造飞机框架 及直升飞机叶片轮廓用样板时，利用全数字电子计算机对轮廓路径进行数据处理，并考虑 了刀具直径对加工路径的影响，使其加工精度到达较高的程度。 1 9 5 2 年，美国麻省工学院成功地研制出一套三坐标联动，利用脉冲乘法器原理的试验 性数字控制系统，并把它装在一台立式铣床上，当时用的电子元器件是电子管，这就是第 一代，世界上第一台数控机床。 1 9 5 9 年，计算机行业研制出晶体管元器件，因而数控系统中广泛采用晶体管和印刷电 路板，从而跨入第二代。1 9 5 9 年3 月，由克耐杜列克公司( k e a n e y & t r e c k e rc o r p ) 发明 了带有自动换刀装置地数控机床，称为“加工中心”。 从1 9 6 0 年开始，其它一些工业国家，如德国、日本都陆续开发、生产及使用了数控机 床。 1 9 6 5 年，出现了小规模集成电路。由于它地体积小，功耗低，使数控系统的可靠性得 以迸一步提高，数控系统发展到第三代。 以上三代，都采用专用控制计算机地逻辑数控系统，装有这类数控系统的机床为普通 数控机床( 简称n c ) ，也称为硬件数控系统。 1 9 6 7 年，英国首先把几台数控机床连接成具有柔性的加工系统，这就是最初的f m s ( f l e x i b l em a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 。之后美、欧、日也相继进行开发和应用。 随着计算机技术的发展，小型计算机的价格急剧下降，小型计算机开始取代专业数控 计算机，数控的许多功能由软件程序实现。这样组成的数控系统称为计算机数控系统 ( c n c ) 。1 9 7 0 年，在美国芝加哥国际机床展览会上，首次展出了这种系统，称为第四代系 统。 1 9 7 0 年前后，美国英特尔公司开发和使用了微处理器( c p u 将大规模集成电路技术集 成在一块芯片上) 。很快微处理芯片就渗透到各行各业，数控技术也不例外。1 9 7 4 年，美、 日等国首先研制出以微处理器为核心的数控系统，近2 0 年来，微处理机数控系统的数控机 床得到飞速发展和广泛的应用，这就是第五代数控( m n c ) 。 进入9 0 年代以后，基于个人计算机( p c ) 的数控系统( 简称p c n c ) 成为c n c 发展 的主要方向，数控系统便进入到第六代。后三代也一般称为软件数控系统。 1 1 2 国内数控 j d - r 技术发展状况”1 我国从1 9 5 8 年开始研究数控技术，一直到6 0 年代中期处于研制、开发时期。当时， 一些高等院校、研究单位研制出试验性样机。开始也是从电子管着手的。 1 9 6 5 年，国内开始研制晶体管数控系统及x 5 3 k - 1 g 立式数控铣床。 从7 0 年代开始，数控技术在车、铣、钻、镗、磨、齿轮加工、电加工等领域全面展开， 数控加工中心在上海、北京研制成功。但由于电子元器件的质量和制造工艺水平差。致使 数控系统的可靠性、稳定性未得到解决，应此未能广泛推广。在这一时期，数控线切割机 床由于结构简单、使用方便、价格低廉，在模具加工中得到了推广。 8 0 年代，我国从日本发那科( f a n u c ) 公司引进了5 、7 、3 等系列的数控系统和直流 2 西安工业学院硕士学位论文 伺服电机，直流主轴电机技术，以及从美国、德国等国引进了一些新技术，并进行了商品 化生产，这些系统可靠性高，功能齐全。推动了我国数控机床稳定性的发展，使我国的数 控机床在性能和质量上产生了一个质的飞跃。 1 9 8 5 年，我国数控机床的品种有了新的发展。数控机床品种不断增多，规格齐全。许 多技术复杂的大型数控机床、重型数控机床都相继研制出来。为了跟踪国外技术的发展， 北京机床研究所研制出了j c s 1 、2 型的柔性制造单元和柔性制造系统。这个时期，我国在 引进、消化国外技术的基础上，进行了大量开发工作。一些较高分档次的数控系统( 五轴 联动) ，分辨率为0 0 2 , m 的高精度数控系统、数字仿型数控系统、为柔性单元配套的数控 系统都开发出来了，并造出样机。 现在，我国已经建立了以中、低档数控机床为主的产业体系。9 0 年代将向高档数控机 床发展。 目前，我国现在已基本掌握了从数控系统、伺服驱动、数控主机、专机及其配套件的 基础技术，其中大部分技术已具备进行商品化开发的基础，部分技术已商品化、产业化。 在攻关成果和部分技术商品化的基础上，建立了诸如华中数控、航天数控等具有批量生产 能力的数控系统生产厂。兰州电机厂、华中数控等一批伺服系统和伺服电机生产厂以及北 京第一机床厂、济南第一机床厂等若干数控主机生产厂。这些生产厂基本形成了我国的数 控产业基地，也建立了一支数控研究、开发、管理人才的基本队伍，虽然在数控技术的研 究开发以及产业化方面取得了长足的进步，但我们也要清醒地认识到，我国高端数控技术 的研究开发，尤其是在产业化方面的技术水平现状与我国的现实需求还有较大的差距。虽 然从纵向看我国的发展速度很快，但横向比( 与国外对比) 不仅技术水平有差距，在某些 方面发展速度也有差距，即一些高精尖的数控装备的技术水平差距有扩大趋势。 但从国际上来看，我国数控技术水平与国外先进水平大约落后1 0 h 1 5 年，在高精尖技 术方面则更大；市场占有率低，品种覆盖率小，还没有形成规模生产；功能部件专业化生 产水平及成套能力较低；外观质量相对差；可靠性不高，商品化程度不足：国产数控系统 尚未建立自己的品牌效应，用户信心不足；对竞争前数控技术的研究开发、工程化能力较 弱；数控技术应用领域拓展力度不强，相关标准规范的研究、制定滞后。 1 1 3 现代数控技术发展趋势“”1 随着计算机技术的高速发展，传统的制造业开始了根本性变革，各工业发达国家投入 巨资，对现代制造技术进行研究开发，提出了全新的制造模式。在现代制造系统中，数控 技术是关键技术，它集微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制等高新技术于一 体，具有高精度、高效率、柔性自动化等特点，对制造业实现柔性自动化、集成化、智能 化起着举足轻重的作用。目前，数控技术正在发生根本性变革，由专用型封闭式开环控制 模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。在集成化基础上，数控系统实现了超 薄型、超小型化：在智能化基础上，综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多学 科技术，数控系统实现了高速、高精、高效控制，加工过程中可以自动修正、调节与补偿 各项参数，实现了在线诊断和智能化故障处理；在网络化基础上，c 仰c a m 与数控系统集成 为一体，机床联网，实现了中央集中控制的群控加工”。 a 性能发展方向 ( 1 ) 高速高精高效化速度、精度和效率是机械制造技术的关键性能指标。由于采用了 高速c p u 芯片、r i s c 芯片、多c p u 控制系统以及带高分辨率绝对式检测元件的交流数字伺 西安工业学院硕士学位论文 服系统，同时采取了改善机床动态、静态特性等有效措施，机床的高速高精高效化已大大 提高。 ( 2 ) 柔性化包含两方面：数控系统本身的柔性，数控系统采用模块化设计，功能覆盖 面大，可裁剪性强，便于满足不同用户的需求；群控系统的柔性，同一群控系统能依据不 同生产流程的要求，使物料流和信息流自动进行动态调整，从而最大限度地发挥群控系统 的效能。 ( 3 ) 工艺复合性和多轴化以减少工序、辅助时间为主要目的的复合加工，正朝着多轴、 多系列控制功能方向发展。数控机床的工艺复合化是指工件在一台机床上一次装夹后，通 过自动换刀、旋转主轴头或转台等各种措施，完成多工序、多表面的复合加工。数控技术 轴，西门子8 8 0 系统控制轴数可达2 4 轴。 ( 4 ) 实时智能化早期的实时系统通常针对相对简单的理想环境，其作用是如何调度任 务，以确保任务在规定期限内完成。而人工智能则试图用计算模型实现人类的各种智能行 为。科学技术发展到今天，实时系统和人工智能相互结合，人工智能正向着具有实时响应 的、更现实的领域发展，而实时系统也朝着具有智能行为的、更加复杂的应用发展，由此 产生了实时智能控制这一新的领域。在数控技术领域，实时智能控制的研究和应用正沿着 几个主要分支发展：自适应控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制、学习控制、前馈 控制等。例如在数控系统中配备编程专家系统、故障诊断专家系统、参数自动设定和刀具 自动管理及补偿等自适应调节系统，在高速加工时的综合运动控制中引入提前预测和预算 功能、动态前馈功能，在压力、温度、位置、速度控制等方面采用模糊控制，使数控系统 的控制性能大大提高，从而达到最佳控制的目的。 b 功能发展方向 ( 1 ) 用户界面图形化用户界面是数控系统与使用者之间的对话接口。由于不同用户对 界面的要求不同因而开发用户界面的工作量极大，用户界面成为计算机软件研制中最困 难的部分之一。当前i n t e r n e t 、虚拟现实、科学计算可视化及多媒体等技术也对用户界面 提出了更高要求。图形用户界面极大地方便了非专业用户的使用，人们可以通过窗口和菜 单进行操作，便于蓝图编程和快速编程、三维彩色立体动态图形显示、图形模拟、图形动 态跟踪和仿真、不同方向的视图和局部显示比例缩放功能的实现。 ( 2 ) 科学计算可视化科学计算可视化可用于高效处理数据和解释数据，使信息交流不 再局限于用文字和语言表达，而可以直接使用图形、图像、动画等可视信息。可视化技术 与虚拟环境技术相结合，进一步拓宽了应用领域，如无图纸设计、虚拟样机技术等，这对 缩短产品设计周期、提高产品质量、降低产品成本具有重要意义。在数控技术领域，可视 化技术可用于c a d c a m ，如自动编程设计、参数自动设定、刀具补偿和刀具管理数据的动态 处理和显示以及加工过程的可视化仿真演示等。 ( 3 ) 插补和补偿方式多样化多种插补方式如直线插补、圆弧插补、圆柱插补、空间椭 圆曲面插补、螺纹插补、极坐标插补、2 d + 2 螺旋插补、n a n o 插补、n u r b s 插补( 非均匀有理 b 样条插补) 、样条插补( a 、b 、c 样条) 、多项式插补等。多种补偿功能如间隙补偿、垂直 度补偿、象限误差补偿、螺距和测量系统误差补偿、与速度相关的前馈补偿、温度补偿、 带平滑接近和退出以及相反点计算的刀具半径补偿等。 4 西安工业学院硕士学位论文 ( 4 ) 内装高性能p l c 数控系统内装高性能p l c 控制模块，可直接用梯形图或高级语言 编程，具有直观的在线调试和在线帮助功能。编程工具中包含用于车床铣床的标准p l c 用 户程序实例，用户可在标准p l c 用户程序基础上进行编辑修改，从而方便地建立自己的应 用程序。 ( 5 ) 多媒体技术应用多媒体技术集计算机、声像和通信技术于一体，使计算机具有综 合处理声音、文字、图像和视频信息的能力。在数控技术领域，应用多媒体技术可以做到 信息处理综合化、智能化，在实时监控系统和生产现场设备的故障诊断、生产过程参数监 测等方面有着重大的应用价值。 c 体系结构的发展 ( 1 ) 集成化采用高度集成化c p u 、r i s c 芯片和大规模可编程集成电路f p g a 、e p l d 、c p l d 以及专用集成电路a s i c 芯片，可提高数控系统的集成度和软硬件运行速度。应用f p d 平板 显示技术，可提高显示器性能。平板显示器具有科技含量高、重量轻、体积小、功耗低、 便于携带等优点，可实现超大尺寸显示，成为和c r t 抗衡的新兴显示技术，是2 1 世纪显示 技术的主流。应用先进封装和互连技术，将半导体和表面安装技术融为一体。通过提高集 成电路密度、减少互连长度和数量来降低产品价格，改进性能，减小组件尺寸，提高系统 的可靠性。 ( 2 ) 模块化硬件模块化易于实现数控系统的集成化和标准化。根据不同的功能需求， 将基本模块，如c p u 、存储器、位置伺服、p l c 、输入输出接口、通讯等模块，作成标准的 系列化产品，通过积木方式进行功能裁剪和模块数量的增减，构成不同档次的数控系统。 ( 3 ) 网络化机床联网可进行远程控制和无人化操作。通过机床联网，可在任何一台机 床上对其它机床进行编程、设定、操作、运行，不同机床的画面可同时显示在每一台机床 的屏幕上。 ( 4 ) 通用型开放式闭环控制模式采用通用计算机组成总线式、模块化、开放式、嵌入 式体系结构，便于裁剪、扩展和升级，可组成不同档次、不同类型、不同集成程度的数控 系统。闭环控制模式是针对传统的数控系统仅有的专用型单机封闭式开环控制模式提出的。 由于制造过程是一个具有多变量控制和加工工艺综合作用的复杂过程，包含诸如加工尺寸、 形状、振动、噪声、温度和热变形等各种变化因素，因此，要实现加工过程的多目标优化， 必须采用多变量的闭环控制，在实时加工过程中动态调整加工过程变量。加工过程中采用 开放式通用型实时动态全闭环控制模式，易于将计算机实时智能技术、网络技术、多媒体 技术、c a d c a m 、伺服控制、自适应控制、动态数据管理及动态刀具补偿、动态仿真等高新 技术融于一体，构成严密的制造过程闭环控制体系，从而实现集成化、智能化、网络化。 总之，从数控系统和数控技术的发展历程来看，数控技术的发展进程大体上是跟随着 电子技术和计算机技术的发展，特别是微电子技术和微处理器技术的迅速发展。计算机对 传统机械制造产业的渗透，完全改变了制造业，使其不但成为工业化的象征，而且由于网 络信息技术的渗透，使机械制造业一摆传统行业的窘境，使制造业犹如朝阳产业具有广阔 的发展天地。它的总体发展趋势是：数控装置由n c 向c n c 发展；广泛采用3 2 位c p u 组 成多微处理器系统；提高系统的集成度，缩小体积，采用模块化结构，便于裁剪、扩展和 西安工业学院硕士学位论文 功能升级，满足不同类型数控机床的需要；驱动装置向交流、数字化方向发展；c n c 装置 向人工智能化方向发展；采用新型的自动编程系统；增强通信功能；数控系统可靠性不断 提高。因此，数控机床技术不断的发展，功能越来越完善，使用越来越方便，可靠性越来 越高，性能价格比也越来越高。 数控技术已成为先进制造技术的基础和关键技术。数控技术是发展新兴高新技术产业 和尖端工业( 如信息技术及其产业、生物技术及其产业、航空、航天等国防工业产业) 的 使能技术和最基本的装备。马克思曾经说过“各种经济时代的区别，不在于生产什么，而 在于怎样生产，用什么劳动资料生产”。制造技术就是人类生产活动的最基本的生产资料， 而数控技术又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。当今世界各国制造业广泛采用数 控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。此步 世界 上各工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资，不仅采取重大措旅来发 展自己的数控技术及其产业，总之，大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世 界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。 1 1 4 存在问题 数控技术从发明到现在，已有近5 0 年的历史。按照电子器件的发展可分为五个发展阶 段：电子管数控，晶体管数控，中小规模i c 数控，小型计算机数控，微处理器数控；从体 系结构的发展，可分为以硬件及连线组成的硬数控系统、计算机硬件及软件组成的c n c 数 控系统。后者也称为软数控系统：从伺服及控制的方式可分为步进电机驱动的开环系统和 伺服电机驱动的闭环系统。数控系统装备的机床大大提高了加工精度、速度和效率。人类 发明了机器，延长和扩展人的手脚功能：当出现数控系统以后，制造厂家逐渐希望数控系 统能部分代替机床设计师和操作者的大脑，具有一定的智能，能把特殊的加工工艺、管理 经验和操作技能放进数控系统，同时也希望系统具有图形交互、诊断功能等。基于以上要 求，现代数控技术存在以下不足，主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 数控系统要具有友好的人机界面和开发平台，通过这个界面和平台开放而自由地执 行和表达自己的思路。在采用w i n d o w 兼容软件和开发环境方面做的不够完善。软件的通用 性较差，即软件之间缺乏统一的数据模型和通讯约定，所以需要自行开发接口程序。 ( 2 ) 系统功能要以高速、超精为核心，并具有智能控制。系统具有高速高精加工的智能 控制功能：a 预计算出多程序段刀具轨迹，并进行预处理。b 智能控制，根据机床的机械性 能，可按最佳的允许进给率和最大的允许加速度进行操作，使机床的功能得到最大的发挥。 以便降低加工时间。提高效率，同时提高加工精度。然而，现有的系统和数控技术在这方 面还是达不到理想的要求，需要不断的改进技术和创新方法。 ( 3 ) 我国很多国营企业从国外引进的系统不少，但没有得到充分地应用。主要在于适用 于p c 机的系统较少，而且价格昂贵，没有汉化显示，所以使得操作困难。 ( 4 ) 国内一些单位已经研制了一些集成设计、制造一体化的专用系统，这些系统专用性 强，但通用性差，尚不能满足要求。 ( 5 ) 多数系统仍采用数控代码编程，这种操作费时又费力，而且出错率很高，缺乏图形 输入的系统。 ( 6 ) 数控编程抽象、操作困难。数控编程除了直线运动之外，还要协调旋转运动的相关 计算，如旋转角度行程检验、非线性误差校核、刀具旋转运动计算等，处理的信息量很大， 数控编程极其抽象，特别是对于五轴或五轴以上的系统来说。数控加工的操作和编程技能 西安工业学院硕士学位论文 密切相关，如果用户为机床增添了特殊功能，则编程和操作会更复杂。只有反复实践，编 程及操作人员才能掌握必备的知识和技能。经验丰富的编程、操作人员的缺乏，是五轴或 五轴以上数控技术普及的一大阻力。 ( 7 ) 刀具长度补偿功能仍然有效，而刀具半径补偿却失效了。以圆柱铣刀进行接触成形 铣削时，需要对不同直径的刀具编制不同的程序。目前流行的c n c 系统均无法完成刀具半 径补偿，因为i s o 文件中没有提供足够的数据对刀具位置进行重新计算。用户在进行数控 加工时需要频繁换刀或调整刀具的确切尺寸，按照正常的处理程序，刀具轨迹应送回c a m 系统重新进行计算。从而导致整个加工过程效率十分低下。对此问题的最终解决方案，有 赖于引入新一代c n c 控制系统，该系统能够识别通用格式的工件模型文件f 如s t e p 等) 或 c a d 系统文件。 ( 8 ) 目前，国内c a d c a m 系统应用集中于航空、汽车等管理完善的大中型企业，缺乏 适用于广大中小企业的集成系统。 1 2 课题研究的目的与意义 机械制造业是国民经济的基础产业，是支撑整个工业和国民经济发展的基石。随着科 学技术的高速发展，制造业发生了根本性的变化，普通机械将逐步被高效率、高精度的数 控机械所替代。机床的数控化率已成为衡量一个国家工业发展水平的重要标志m 。数控技术 是制造业实现自动化、柔性化，集成化生产的基础，现代的c a d c a m 、f m s 和c i m s ， 敏捷制造和智能制造，都建立在数控技术之上，数控技术是提高产品质量，提高劳动生产 率必不可少的物质手段。它即是机械工业的一个重要发展方向，也是先进制造技术的核心。 随着全球经济技术的发展，新的技术革命不断取得新的进展和突破，技术的飞跃发展 已成为推动世界经济增长的重要因素。市场经济的不断发展，促使工业产品向多品种、小 批量、高质量、低成本的方向发展，为了能使产品在市场竞争中获胜，就必须缩短产品的 开发周期和生产周期1 8 j 。于是对于制造各种产品的关键工艺装备就要求的越来越苛刻。 而且，我国数控技术及其设备在各工业部门中的应用整体水平仍然偏低，与工业发达 国家相比差距很大。各部门迫切需要进一步大力发展数控加工技术，亟须配置大量的各类 工艺设备，尤其是数控机床设备。对于数控机床设备的主要技术要求是多轴、高速、刚性 好、功率大；对坐标数的需求，以三至五轴联动为主。对于关键零件形状复杂的行业，如 航空、电力、船舶、模具制造业等，其生产部门对多轴机床要求比例较大。 另外，参数化特征造型已有了一定的发展时期，但基于特征的刀具轨迹生成方法的研 究才刚剐开始。特征加工使数控编程人员不在对那些低层次的几何信息( 如：点、线、面、 实体) 进行操作，而转变为直接对符合工程技术人员习惯的特征进行数控编程，大大提高 了编程效率。 同时随着计算机技术的高速发展，计算机图形技术的引入，使传统的制造业开始了根 本性变革。出现了一种可以直接将零件几何信息自动转化为数据加工程序的全新计算机辅 助技术图形自动编程技术。图形自动编程的关键是如何从特征图形中获取加工所需要 的信息，并把这些信息以一定的结构组织起来，为后续处理程序所使用。1 。在对模具的精密 加工或雕刻机加工时，既要保证加工精度和光洁度、又要满足较高的效率，普通的点、线 数控加工就不容易完成面的加工。特别是对模具等具有一定斜度的空间直线旋转面( 拔模 西安工业学院硕士学位论文 斜度) 或其他类似表面的快速高精密加工，需要采用特殊的数控加工方法来完成。 国外有许多高档的c a d 软件，均有性能良好的c a m 模块，可利用其三维实体数据生成 n c 程序。但这些软件较难掌握，且价格昂贵。同时，由于c a d 设计结果一般为a u t o c a d - - 维图形，仍需人工进行n c 程序编制，另外，以a u t o c a d 为支撑平台的图形自动编程系统， 离不开a u t o c a d 软件的支持【5 j 。虽然，有_ 此- a t m 自动编程系统软件可使用，但需事先编写 零件的源程序，使用不便。若能由屏幕中画出的零件轮廓直接生成n c 程序，则给编程人员 带来极大的方便，且软件所占内存少，更适合在工业个人计算机( p c ) 上使用。 综上所述，针对目前数控加工技术存在的问题和国内数控加工技术的现状，以及结合 所做的项目，本课题主要针对直线拉伸面和直线旋转面的特征的输入及高效率数控加工方 法进行理论研究，它涉及到数控机床的机械结构的设计、图形的输入方法的操作、数控加 工策略以及数控代码的产生形式等多方面来提高精加工的效率，这是数控系统和数控机床 研究方向之一。本课题将进行“基于直线拉伸面和直线旋转面的特征输入及高效率数控加 工方法”的研究，提供有效的方法和理论，具有熏要的理论意义和重大的实用价值。面加 工方法可以提高加工效率，加工精度，同时编程效率和质量也得到提高，具有广阔的应用 前景。 1 3 课题的背景与来源 数控机床在我国已经相当普及，从国有大中型企业到南方的很多乡镇企业都通过各种 途径装备了一定数量的数控机床。我国航天、航空、汽轮机、模具等行业，程度不同地应 用了数控机床，进行数控加工。但多年来，我国在数控设备的引进和开发过程中始终存在 着重硬件、轻视软件，造成已有的许多数控设备缺乏与之配套的编程软件，使设备利用率 低。另一方面，市场上的数控自动编程软件价格太昂贵，体系也很庞大，使用比较困难， 也适合于大型企业。而对于中小型企业，缺乏数控自动编程系统。目前，我国许多中小型 企业，渴望使用新技术，以提高企业的效率与效益。 对一些特殊行业的企业，经过多年的发展，迫切需要在行业中引入新技术，以推动行 业的进步。目前，他们已将数控技术引入其行业中，但尚未开发出适合于其行业特点的数 控自动编程系统。如模具制造行业等。 从开始的特征零件建模到后面的数控代码生成，荐传送到机床进行加工，这一过程， 如果通过计算机来实现数控自动编程系统，这将大大减少了产品的生产周期，节省人力物 力，使他们赢得了市场，抢得了时间，也将赢得利润。促使中小型企业与特殊行业的发展 等方面都具有重要意义。 本课题来源于陕西省教育厅产业化培育项目“基于蓝牙技术的高效面加工数控机床” 和陕西省科技厅科研攻关项目“基于蓝牙的高精密加工数字控制技术”。 1 4 课题的主要任务与结构安排 1 4 1 主要任务 本课题是基于特征输入及高效率数控n r 方法的研究，对这些特征输入方法和加工中 的各个环节问题进行深入了解，其主要内容包括以下几点： 西安工业学院硕士学位论文 ( 1 ) 面加工方法的研究。主要考虑刀具的走刀形式，利用刀具的侧刃进行铣削加工或光 整加工，使其在数控操作中能对所输入的特征进行面加工的研究，这也是研究的一个重要 方面。 ( 2 ) 机床机械结构的设计。首先只有机械结构确定后，才能确定面加工的方法，近而实 现面加工。因此机床的机械结构的合理选择是核心，也是关联到工作能否顺利、按期完成， 起到至关重要作用。机械结构设计上存在的问题是：在机械上要满足运动相关性，装配的 方便性和加工的可行性等，所以需要有一定的机械知识作为基础后盾。对此首先选择好设 计方案，进行理论论证，然后再进行具体的设计工作，完成机械原理图与装配图的绘制。 ( 3 ) 图形的输入。就是产生特征，实现直线拉伸面、直线旋转面的组合图形的输入。该 特征的输入是基于系统才能实现有效的数据处理，即就是自动编程系统，它的建立可包括 以下几个部分： 首先，进行图形界面的设计，包括刷新、剪切、撤消、恢复、选中及求交等编辑功能； 打开、新建、保存及退出等文件操作功能；还有绘图、查看、设置、加工参数、刀具库、 动态演示、零件管理及帮助等菜单操作以及各种快捷操作。 其次，绘图功能及辅助功能的实现：绘图功能，也是主体核心，包括各种算法的设计， 以及利用所选工具自带的绘图函数以实现所需的特征图形，特征线框图形的输入，求交及 三维显示过程；编辑功能，利用数据结构中的类、结构、链表等操作来实现撤消、恢复等 功能；其它的如刷新、求交、图形修改等功能。 再次，相关参数库的建立：如加工参数、刀具库、零件管理等，该部分内容杂而多， 加工参数中需要考虑到各种因素，如工艺参数、工步参数、形状公差参数及位置公差参数 等，而且每一项里面也包括好多参数的设定。 最后，零件管理信息的建立。该信息是进行生产管理、调度、安排生产计划的基础，也 是将来形成工艺文件等文件表头信息的主要内容，用户可以对加工零件进行查询、修改、 删除等操作。 以上所涉及的算法也是本课题研究的一个重要任务，另外，对特征的输入方式的研究 也是一个任务。同时也是本课题研究的重点。 ( 4 ) 图形数据的获取。根据输入的特征图形，获取所该特征图形的数据信息，然后通 过一定的格式进行保存，为以后的数据处理奠定良好的基础。 ( 5 ) 动态仿真。通过动态模拟走刀路线以及刀具在整个运行过程中的姿态，验证是否 符合我们设定的标准和要求的走刀；在走刀过程中，检测所获取的数据的正确性。 ( 6 ) 数控代码的产生。如何根据用户提供的数控机床特征文件，将刀位数据文件逐条翻 译成可用于加工的数控代码文件。因为各种机床使用的控制系统不同，所用的数控指令文 件的代码格式也有所不同。因此，首先需要设置一个处理文件，然后按该文件规定的格式 定义数控指令文件所使用的代码、程序格式等内容。执行后置处理命令时将自动按设计文 件定义的内容，输出所需要的数控代码文件。 1 4 2 结构安排 ( 1 ) 第一章绪论，介绍了数控技术的发展状况以及存在的问题，着重论述了本课题的目 的与意义，课题的背景与来源以及本课题的主要任务和结构安排。 ( 2 ) 第二章特征图形的输入研究，主要介绍了特征图形输入模块的建立与实现，还包括 9 西安工业学院硕士学位论文 其辅助功能的实现。 ( 3 ) 第三章面加工方法的研究及数控代码的生成，首先提出面加工方法，然后分析和研 究面加工方法的实现，以及主要介绍数控代码的形式。 ( 4 ) 第四章机床机械结构的设计，进行具体的机床结构的设计工作，完成机械原理图与 装配图的绘制 ( 5 ) 第五章系统总体设计，介绍系统各模块间的工作流程。 ( 6 ) 第六章加工实例演示，通过实例对系统进行应用性的分析。 ( 7 ) 第七章结论与展望，介绍本课题最终的结论以及对未来工作的展望。 1 0 2 特征图形的输入研究 2 特征图形的输入研究 传统数控系统采用的是代码输入方式，而本系统采用的是图形作为主要输入方式，因 此，图形输入也是本文研究的一个重要的内容，在整个系统中占有相当重要的地位。也为 后续工作的顺利进行奠定了基础。 图形输入部分的简洁化、界面的宜人化是做软件人员所必须的，更是本系统追求的一 个目标。人机界面的交互，使得界面的简洁化、宜人化是衡量一个系统可行与否的重要标 志，在某种意义上，关系到该系统的生命力，影响其发展前途。 2 1 特征图形的含义 2 1 1 特征的含义 为了满足c i m s 技术发展的需要，人们提出以特征为基础建立特征模型，把设计信息、 制造信息载于一个共同媒介特征上，使其能满足每个阶段对信息的需要，从而实现 c a d c a p p c a m 集成【9 】。 特征被用来作为集成系统中c a d c a p p c a m 间传递信息的媒介，成为集成的必要前 提。特征的引用还能更好地体现设计意图和理解产品模型；有助于推动设计和工艺的规范 化、标准化、系列化；有助于在产品设计中考虑制造的需求，保证产品结构有更好的工艺 性；也有利于规则和知识的提炼，促进智能c a d 系统和智能制造系统的实现。 特征( f e a t u r e ) 一词最早于1 9 7 8 年出现在麻省理工学院g o s s a r d 教授指导的一篇题为 “c a d 中基于特征的零件表示”的学士论文中。直到八十年代后期，这一概念及其技术才 被人们广泛接受。1 9 8 8 年公布的s t e p 标准草案将形状特征和公差特征等系列为产品定义 的基本要素，“特征”从此获得了国际标准的法定地位【1 0 】【1