GSK928数控车削仿真系统的研究与开发NC代码插补功能的设计

摘要数控机床是当今机械制造业的工作母机，在我国的应用越来越广泛。对数控操作人员的培训已经成为一个非常重要的问题。该文详细阐述了数控车床的功能、特点和广州数控车床操作过程。利用 VB6. 0 作为开发工具，设计出基于网络的数控车床操作仿真软件。该仿真软件具有基于 Windows 全中文的操作环境，良好的人机交互界面，便于学生学习。同时该软件能实现数控车床的基本操作过程。包括各级子界面操作，同时能完成程序的打开输入、保存、选择，图形界面显示区的范围设定，刀具偏置参数输入等功能，并在仿真过程中实现数据的动态显示和轨迹的动态显示。同时本文还对下一步的工作做出展望，为以后的工作指出方向。关键词 计算机数控；模拟仿真；图形界面；VB6.0AbstractNumerical control machine tool is working master in machine-made industry in the current time, which is used more and more in China. It became a very important that train themanipulatorof CNCmachinetool. This paper amply discusses the CNC lathes fuNction, characteristics and the operating process of CNC lathe of guangzhou after the LANs composing technologies and basic ideas.It schemes out operating simulation of CNC lathe basing on network using the tool of VB6.0.Thesimulation software has Chinese operating condition based on windows and well man-machine interface convenient for students to study.Alsothe simulation can actualize all process about CJK6032 CNC lathe operating,including the operating of primary interface and every sub interface, and it can achieve such function as programopen -ing,input,save,choice, design of size range,of graphical interfaces, eNtering parameter of tool wrap ,also it can dynamic show the data and track in the process of simulation. Finally this paper makes way and expectation to point out next work.Keywords Computer Numerical Control Operating Simulation GUI VB6.0目录1 绪论 .11.1 数控仿真技术的概述 .11.1.1 数控加工仿真的发展现状 .11.1.2 数控加工仿真存在的问题 .11.2 选题背景与意义 .21.3 数控仿真系统的研究现状及其发展趋势 .32 系统开发工具及运行环境 .52.1 面向对象技术 .52.1.1 面向对象程序中的基本概念 .52.1.2 面向对象的三大特征 .52.2 面向对象的 Visual Basic6.0.62.2.1VB 语言概述 .62.2.2 可视化设计基本控件 .72.2.3 可视化设计高级控件 .72.2.4 常见的用户触发事件 .82.2.5 窗体的设计 .82.2.6 控件设计 .82.2.7 交互界面设计 .92.2.8 系统界面的整体布局 .102.3 本章小结 .113 数控车削加工及 NC 代码的处理 .123.1 数控车床加工工件的成形原理 .123.2 程序设计的任务 .123.3 车削仿真系统的设计 .123.3.1 车削加工仿真的任务 .123.3.2 工件毛坯的模型设计 .133.3.3 刀库的建立 .143.4NC 代码的处理 .153.4.1 仿真接口的设计和实现 .153.4.2NC 代码编译器的设计原理 .163.4.3NC 代码的翻译流程 .163.4.4NC 代码的修改与确认 .173.4.5NC 代码翻译与仿真系统的集成 .193.5 本章小结 .194 数控插补原理和模拟仿真加工 .204.1 插补仿真系统的设计 .204.2 插补仿真系统的实现 .224.3 仿真数据的记录 .224.4 零件加工过程干涉碰撞检查 .224.4.1 干涉检查算法 .234.4.3 产生干涉报告 .254.5 数控仿真系统的模拟车削实例 .254.6 综合加工零件 .314.7 本章小结 .325 结论与展望 .335.1 结论 .335.2 展望 .33致谢 .35参考文献 .36附录 .37附录 1 .37附录 2 .47附录 3 .48附录 4 .531 绪论1.1 数控仿真技术的概述1.1.1 数控加工仿真的发展现状数控加工仿真一般包括以下几个过程；（1）对图样进行分析，确定需要数控加工的部位；（2）利用图形软件对需要数控加工的部分进行几何造型；（3）根据加工条件，选择合适的加工参数，生成刀具轨迹；（4）仿真检验；（5）生成 NC 代码并传给机床。由此可见，上述工作需要人与计算机相互配合、共同完成。其中，需要大量的计算和重复性的工作，而人只需指定加工部位与工艺条件。优秀的计算机仿真数控加工软件可以让用户方便地建立其工件的几何模型(曲面与实体模型)，同时只要用户在系统的引导下输入少量数据(工艺参数等),就可以迅速地完成相关的加工编程工作，而且系统具有相当的柔性，可以适应不同类型的情况，对切削加工过程进行仿真，快速检验 NC 程序，避免发生碰撞和干涉。目前，流行的计算机数控加工仿真系统主要有以下几种：UNiGraphics 是高档 CAM 软件的代表，其加工方式完备，计算准确，实用性强，是航空、汽车、造船行业的首选 CAM 软件。CIMATRON90SHI 中档 CAM 软件的代表，该软件产自以色列，其实用性强，也是航空、汽车、电子、模具行业广泛应用的CAM 软件。MasterCAM 是低档 CAM 软件的代表，主要应用在中小企业的模具行业。CAXA-ME 是国内 CAM 软件的代表，主要面向中小企业。由于市场的国际化，全球竞争要求产品的制造过程具有高速度和低成本。产品更新的速度越来越快，市场需求朝着小批量、个性化方向发展。传统的小而全的企业模式已越来越丧失竞争力，各种形式的合作开发、生产和销售方式应运而生。因此，异地设计、异地编程、异地加工越来越被众多企业采用，虚拟制造技术也应运而生。虚拟制造是应用计算机技术，对产品的设计、加工、装配等工序统一建模，形成虚拟的生产过程，从而产生了虚拟产品、虚拟企业。虚拟制造技术使厂家可以在不同的城市甚至不同可国家通过 Internet/Intranet 进行设计、加工，共享同一产品模型，从而大大提高效率，降低成本。虚拟制造技术实际上使一种软技术，其中，产品建模、数据共享和加工过程仿真是虚拟制造技术的基础。数控加工仿真软件的主要特点是具有 CAD/CAM 的系统集成性，比较成熟的 CAM 系统主要以两种形式实现 CAM/CAM 系统集成：一体化的 CAD/CAM系统(如 :UGII，Euclid，Pro/ENGINEER 等)和相对独立的 CAM 系统(如:Mastercam, Surfcam 等) 。前者以内部统一的数据格式直接从 CAD 系统获取产品几何模型，而后者主要通过中性文件从其它 CAD 系统获取产品几何模型。1.1.2 数控加工仿真存在的问题进行机械加工过程仿真，主要存在以下两种情况。一种是从研究金属切削的角度出发，仿真某具体切削过程内部各因素的变化过程，即研究其切削机理，供生产设计与研究应用。另一种是将加工过程仿真作为系统的一部分，重点在于构造完整的虚拟制造系统。但这两种方式的仿真方法是相同的，即对机械加工工艺系统建立连续变化的模型，然后用数学离散方法将连续模型离散为断续点，通过分析这些离散点的物理因素变化情况来仿真加工过程。由于机械加工过程仿真还处于起步阶段，目前存在以下几方面的问题：仿真的加工形式少，研究范围窄。在切削加工众多的种类与形式中，目前的仿真加工主要集中于车削、铣削和磨削等。同时这些加工方法的仿真也局限在很窄的范围内。如铣削仿真多是仿真立铣刀与端铣刀，而这种仿真系统对其他种类的铣刀(如加工成形表面用的成形铣刀)就无能为力.一方面是因为铣削加工种类繁多，存在着铣平面、铣外圆、铣外形、铣型腔。铣螺旋槽、铣齿轮等多种铣削形式;另一方面是因为铣削加工理论复杂，不同的加工方法、刀具形状的加工模型有较大的差别。目前的仿真系统大多数只能进行几何仿真，即到位轨迹仿真、工件与刀具的干涉校验等，有人称之为 NC 校验。但在机械加工过程中，几何校验只是前提条件，更为重要的是切削力、刀具振动及刀具磨损等在切削过程中其决定因素的各物理量。物理仿真考虑理想状态，与实际有较大差距。在目前的仿真系统中预先设定了大量的假设因素，如设定工艺系统刚性满足要求、无振动，加工材料结构统一、无硬点等缺陷，刀具无磨损，切削要素不发生变化等。这种假定的理想状态不能将切削过程中的随即干扰如工件硬点造成的材质变化、振动造成的切深变化等因素考虑进去，是仿真系统不能真实地反映实际切削过程。仿真手段限制仿真系统的发展。仿真技术的发展与计算机技术紧密相连。过去由于计算机软、硬件的限制，造成仿真时间长，编码工作量大，程序可读性、维护性差等，这些都为仿真工作带来许多困难。目前应用 C+语言及面向对象的方法(00P)开发仿真系统己成为发展潮流。以上问题己引起研究人员的重视，今后的仿真制造系统将朝着快速运行、面向多种加工方式，更加符合实际状况的方向发展。1.2 选题背景与意义选题背景：随着数控技术的发展与广泛应用，各行各业在设备方面普遍采用数字控制己成为当前工业生产领域的一大主流。对于学校和技能培训部门来说，使自己培养的技术人员具有一定的数控知识和操作经验，是其人才顺利走向市场、具有更强的竞争力和适应现代制造业发展的当务之急 4。在目前如何培养适应社会需求的数控操作技工人才主要存在两方面的问题:一方面培养的对象多，另一方面资金设备受到严格的限制且安全系数低。所以说学生多设备少危险性大始终是困扰着数控培训的一个严重问题。虽然目前市场上有不少先进的仿真软件，但它们所能解决的大都是些共性的问题，并且价格昂贵。在大量采用半手工数控编程的我国制造业，研究开发基于 NC 代码的仿真加工软件具有十分重要的意义。鉴于上述原因，再加上数控教学本身的特点:编程难，操作容易。因此，开发合适的数控教学仿真软件，将手工编写的数控程序在计算机上屏幕上较真实地显示出每一个程序段执行时所留下的轨迹、执行过程和执行结果成为了一种需要，将这样的教学手段用在数控编程和操作的教学及培训中，可以很好地解决上述问题，达到良好的教学效果与生产需要。意义：本课题主要研究基于网络的数控车床实训操作仿真系统，实现系统的意义如下：（1）可以减少实际使用的数控设备。学生在学完理论课之后就要进行生产实践，这就需要大量的数控设备。然而数控设备价格昂贵，学校的条件非常有限，不可能购买大量的数控设备供学生进行生产实习。而通过网络进行数控实训操作练习，学生可以熟练掌握数控车床的大量操作界面，而且还能进行 NC程序的语法校验及刀具轨迹校验，避免在试切过程中既浪费材料，损耗机床，又可避免由于 NC 程序的语法错误而造成的机床或刀具的损伤。（2）利用网络传输 NC 程序，避免人为输入误操作，缩短程序输入时间。随着课题研究的进一步深入，为后续软件仿真的其它功能实现打好基础。（3）本研究为我们提供一次设计仿真软件的机会，可以提高教师的科研水平。本文介绍基于 Windows 界面的 VB6.0 软件设计包开发出的人机界面友好，操作简便的数控教学仿真系统软件的情况。1.3 数控仿真系统的研究现状及其发展趋势国外在数控加工过程仿真方面做了许多工作。美国 Maryland 大学开发了用于培训数控操作人员的虚拟数控机床仿真器。日本东京大学开发了 KOSMO 柔性制造系统仿真器。美国 CGTech 公司开发 VERICUT 软件，可仿真数控车床、铣床、加工中心、线切割机床和多轴机床等多种加工设备的数控加工过程，既能仿真刀位文件，又能仿真 CAD/CAM 后置处理的 NC 程序。韩国 Turbo-TEK公司开发出面向培训的虚拟数控车削及铣削加工环境，能够实现数控的几何仿真并配有声音信息。日本 SONY 公司研制的 FREDAM 系统可对球头铣刀加工自由曲面进行三维仿真，并进行干涉检查。意大利 Bologna 大学用 B 样条曲面建立端铣刀与工作台模型，采用真实感图形显示铣床精加工过程。国内在这方面也开展了诸多研究工作，并取得了重要成果。比如由北京市斐克科技有限责任公司研制开发的 VNUC 仿真软件、由南京宇航自动化技术研究所研制开发的宇航仿真软件、由上海宇龙软件工程有限公司研制开发的宇龙仿真软件等都是近年来比较知名的国内数控仿真软件，被用于全国数控技能大赛和数控人才的培训中。这些软件都能实现对数控铣和数控车加工全过程的仿真，其中包括毛坯定义与夹具，刀具定义与选用，零件基准测量和设置，数控程序输入、编辑和调试，加工仿真以及各种错误加检测功能。又如清华大学、华中理工大学 CAD 中心联合开发的“通用加工过程仿真器 GMPS”，在 SGI 工作站及高档微机上能实现三种典型的加工中心(立式、卧式、车削)加工过程的仿真; 仿真过程由 NC 代码驱动，可进行刀具与成品零件、夹具、机床工作台的碰撞、干涉检验:仿真过程具有三维动画，画面可放大缩小，视角可 360 任意改变: 用户可利用该软件提供的交互式建模环境，定义刀具、工件、夹具及其装夹、甚至加工中心的模型。华中理工大学开发的 NCPVS 系统，具有数控铣削加工过程仿真功能，即通过生成刀具轨迹，由三维动画显示数控加工过程，以此发现数控程序错误。同济大学研制的数控程序微机动画仿真系统，以二维图形方式动态模拟加工过程，能满足生产现场实时性要求。西北工业大学和德国柏林工业大学联合研制的五坐标数控加工仿真系统，采用压缩形式的体素模型构造各种刀具扫描体和工件模型，在三维空间进行动态数控加工仿真，计算材料切削量，进行切削过程动态分析及加工程序优化，并可以进行虚拟五坐标数控加工。国内对于数控机床加工仿真的研究主要在具体应用对象方面，在具体的技术实现上也主要是应用 OpeNGL 显示动画技术，也有少量是应用部分CAD/CAM 系统的仿真模块实现的。按需开发切削加工仿真技术软件是数控仿真技术的发展趋势。目前，许多科技人员正在进行生产工程中最基础的切削加工技术的研究，其中多数研究的目的是在弄清楚加工现象的同时，对加工过程进行预测。如果这些研究内容实现了系统的计算机软件化，就意味着能形成一个切削仿真技术软件。如东京农工大学机械学院的实验室就正在进行几种预测性的有关切削加工仿真技术软件的研究。目前仿真系统在试切环境的模型化、仿真计算和图形显示等方面取得了重要的进展，正向提高模型的精确度、仿真计算实时化和改善图形显示的真实感等方向发展。2 系统开发工具及运行环境2.1 面向对象技术所谓面向对象就是基于对象概念，以对象为中心，以类和继承为构造机制，来认识、理解、刻画客观世界和设计、构建相应的软件系统。面向对象设计首先强调来自域的对象，然后围绕对象设置属性和操作，具有很高的软件生产率，可靠性，易重用性、易维护性等特点。2.1.1 面向对象程序中的基本概念（1）对象对象是由数据和容许的操作组成的封装体，与客观实体有直接对应关系，它不仅能表示具体的事物，还能表示抽象的规则、计划或事件。（2）类具有相同或相似性质的对象的抽象就是类。因此，对象的抽象是类，类的具体化就是对象，也可以说类的实例是对象。类具有属性，它是对象的状态的抽象，用数据结构来描述类的属性。类具有操作，它是对象的行为的抽象，用操作名和实现该操作的方法来描述。（3）消息和方法对象之间进行通信的结构叫做消息。在对象的操作中，当一个消息发送给某个对象时，消息包含接收对象去执行某种操作的信息。发送一条消息至少要包括说明接受消息的对象名、发送给该对象的消息名(即对象名、方法名)。一般还要对参数加以说明，参数可以是认识该消息的对象所知道的变量名，或者是所有对象都知道的全局变量名。类中操作的实现过程叫做方法，一个方法有方法名、参数、方法体。2.1.2 面向对象的三大特征（1）封装性封装机制将数据和代码捆绑到一起，避免了外界的干扰和不确定性。它允许创建对象，简单的说，一个对象就是一个封装了数据和操作这些数据的代码的逻辑实体。在一个对象内部，某些代码和或某些数据可以是私有的，不能被外界访问。通过这种方式，对象对内部数据提供了不同级别的保护，以防止程序中无关的部分意外的改变或错误的使用了对象的私有部分。（2）继承性继承性是子类自动共享父类数据结构和方法的机制，这是类之间的一种关系。在定义和实现一个类的时候，可以在一个己经存在的类的基础之上来进行，把这个己经存在的类所定义的内容作为自己的内容，并加入若干新的内容。（3）多态性多态性使指相同的操作或函数、过程可作用于多种类型的对象上并获得不同的结果。不同的对象，收到同一消息可以产生不同的结果，这种现象称为多态性。2.2 面向对象的 Visual Basic6.02.2.1VB 语言概述VB 是基于对象的可视化程序开发工具，它的优点在于能够快捷、简易地建立 Windows 应用程序。所谓“可视化”就是支持该语言的 IDE ( IntegratedDevelopment Environment，即集成开发环境，通俗点说就是编程工具 )所提供的功能，无须编程，仅通过直观的操作方式即可完成界面的设计工作。可视化编程语言的特点主要表现在两个方面:一是基于面向对象的思想，引入了控件的概念和事件驱动;二是程序开发过程一般遵循以下步骤，即先进行界面的绘制工作，再基于事件编写程序代码，以响应鼠标、键盘的各种动作 12。虽然 IDE 为我们提供了便捷的开发环境，但 VB 是一个基于对象的开发工具，而不同于传统的基于过程的编程工具，所以我们必须明确以下几个概念。（1）对象:是指可以被当作一个单元的代码和数据的组合，它可以是程序中的窗体或控件，也可以是整个程序。（2）属性:就是对象具有的性质，以表明对象的状态。（3）事件:是指发生在对象上的事情。Windows 应用程序属于 “事件驱动”模式，即只有当事件发生时，程序才会运行。（4）方法:对象本身包含的函数和过程。（5）过程:指事件发生时要执行的代码。（6）面向对象编程(OOP ):以对象为核心，支持对象的封装机制、多态机制和继承机制。（7）事件驱动模式:通过事件的发生来触发不同过程中的代码，以推动程序的进程。基于事件编程是通过 VB 创建软件系统时的最主要手段之一。2.2.2 可视化设计基本控件（1）命令按钮控件(Command)命令按钮控件可以开始、中断或者结束一个进程。本文系统利用命令按钮控件设计了主轴修调、快速修调、进给修调、循环启动和进给保持等功能键的命令控制。（2）标签控件(Label)标签控件是 VB 中最简单的控件，用于显示文本说明信息。本文系统中多处采用标签控件显示系统信息，如“加工方式” 、 “机床实际坐标” 、 “辅助机能”等文字的显示。（3）文本框控件(TextBox)文本框控件用于显示设计时输入的或运行时在代码中赋予的控件信息。本文系统中坐标值、主轴转速、进给速度、辅助机能、运行程序段、报警信息等内容的显示都是用该控件完成的，毛坯尺寸、MDI 方式下运行的程序段也是利用该控件输入的。（4）图片框控件(PictureBox)图片框控件是用来显示图形的，但同时它又可以作为其它控件的容器。可以在图片框中显示的图片文件有:位图、图标、图元文件、增强型图元文件、JPEG 或 GIF 文件。本文系统利用图片框控件可以容纳其它控件的特点，设计了仿真图形显示区、刀具类型展示区、MDI 运行界面、坐标系 G54 的参数设置界面、刀偏表界面和刀补表界面。（5）图像控件(Image )图像控件是用来显示图形的，在使用上和图片框类似，但是使用的系统资源要比图片框控件少，而且重新绘图的速度快。图像控件不能用做容器。本文系统利用图像控件在仿真图形显示区中载入了四个工位的刀架图片。（6）定时器控件(Timer)定时器是一个响应时间的控件。它们独立于用户，编程后可用来在一定的时间间隔中周期性地执行某项操作。在本文系统中，比如显示系统时间、刀具沿各坐标轴移动、卡盘转动、自动加工数控程序等各项操作都是命令给定后，独立于用户周期性地执行的操作，都是由定时器控件完成的。2.2.3 可视化设计高级控件（1）公共对话框控件(CommonDialog)公共对话框控件是一种 ActiveX 控件(VB 内部控件集合的扩充)，是外部控件，能够提供一组标准的 Windows 常规操作对话框，例如打开文件对话框、保存文件对话框等。在本文系统中，自动加工时选择的“磁盘程序”及程序编辑中选择的“磁盘程序” 、文件管理中的“新建文件”子菜单就使用了公共对话框控件。（2）RichTextBox 控件 RichTextBox 控件也是外部控件，和标准文本框相似，但具有更广泛的用途。它没有 64K 字符容量的限制，并具有对文本指定格式的功能。本文系统利用 RichTextBox 控件实现了显示加工程序、编辑加工程序和显示帮助文件的功能。2.2.4 常见的用户触发事件当用户和系统进行直接交流的时候，鼠标、键盘是最可能使用的交互工具。本文系统使用的用户触发事件有:Click, DbClick, MouseDown, MouseUp,KeyPress, GotFocus 等 13。2.2.5 窗体的设计整个交互界面由一个个窗体按一定的位置，以一定形状组成。窗体本身是一个容器，主要作用是为各种控件提供框架载体，窗体一般只响应系统事件而不直接处理用户的仿真操作所激发的事件。 幻加载和卸载是窗体所响应的两种最主要的系统事件。窗体在加载时不仅设置自身的大小位置，同时也初始化与其上控件相关的变量;卸载时，将其上一些控件所获取的用户输入及其它一些参数值记忆下来，一部分传入相应的系统初始化文件中保存，以备下次加载时调入，一部分传入到全局变量或模块变量中，以使其他加载窗体上的控件可以获取这些信息。如前所述，操作面板上的窗体可分为固定的和变换的两种，如操作键区窗体和功能键区窗体，它们在整个交互过程中始终可见且位置固定，在设计时必须保证其大小位置始终不会随用户的操作或系统的响应而发生变化，并且要始终处于操作面板的最前面。而对于一些变化型窗体，如轨迹显示窗体，一方面要随用户的操作而加载、卸载或变为不可见，另一方面还要完成相关参数信息的接收和传递，在设计时应保证这些窗体的位置始终处于模拟显示屏内，并协调好窗体的前后位置关系。还有一类窗体是在程序运行时由于用户的某种特殊功能操作而加载的，如程序检错过程中提示用户错误信息的窗体等，这些窗体的加载与卸载有其特定的条件，并且主要是提供某种信息供用户参考，因此将它们设计成活动的，让用户可根据需要随意拖放关闭。2.2.6 控件设计控件是窗体上用于接收和反馈信息的直接交互窗口，控件接收的信息一部分来自于用户的键盘输入或鼠标点击，如文本框接收用户键入的符合或数字，按钮响应用户的鼠标点击事件;另一部分则来自于其他控件传来的信息，如在程序列表窗体的程序名文本框中输入程序名后进入程序编辑窗体，该窗体上部的程序名标签框就接收了这一程序名信息并显示出来，以提示用户正在对哪一个程序进行编辑。控件反馈的信息也相应分为向用户反馈的和系统反馈的两种。向系统反馈的主要是其它一些控件所需的参数或标志信息，向用户反馈的主要是仿真操作中的加工参数信息或图形信息，如轨迹仿真进行过程中，标签控件实时显示刀具中心坐标点的变化及正在加工的程序代码，而图片框则动态显示走刀轨迹。对于一些在外形和功能上相同或相似的控件，采用控件数组的方式统一设计事件相应过程，不仅结构清晰而且极大地提高了设计效率。2.2.7 交互界面设计交互界面（如图 2-1）是用户与应用程序进行交互时的可视部分，在 VB 程序设计中，利用窗体设计器进行窗体设计可以得到很好的界面。NC 图形仿真系统的界面主要包括:标题栏、菜单栏、工具栏、NC 程序编辑区和绘图区，可分别通过 VB 程序中的菜单编辑器，ToolBar 与 ImageList 控件、RichTextbox 等控件进行创建，绘图区用 Picture-scale()函数建立。（1）菜单介绍菜单项“文件”主要包括打开、创建、保存、另存、打印子菜单，完成对 NC 加工程序的输入及输出。 “编辑 ”主要包括修改、删除、插入、列表等，可对 NC 加工程序进行编辑。点击“运行 ”菜单，出现对话框，询问控制机型及图形输出是工件轮廓还是刀心轨迹(同时输入刀具半径)，点击确定后便在绘图区绘图。菜单项“设置”主要包括字体、颜色设置，用于 NC 程序字体选择及轮廓图形、刀心轨迹的区分。菜单项“查看”则主要包括放大、缩小，可对图形中的细节进行查看。（2）工具栏给用户提供了一个直观的图形界面，用户可通过它直接使用应用程序中，最常见的功能和命令。图 2-1 交互界面设计2.2.8 系统界面的整体布局数控车床加工环境由四个部件库构成，它们分别是夹具库、刀架库、刀具库和工件库。在 VB 系统中形成车削加工环境，就是要在模拟动态加工前先将上述各部件库中的部件用 VB 语言进行描述，使得各部件能够以其二维图形的概貌( 车削主视图) 显现在屏幕上。由于加工环境是多变的，所以各部件库中的部件理论上都是可以无限扩充的，但为了界面的简洁并考虑能够说明问题，本系统对于不同的部件库仅以 2 至 4 个不同数目的部件作为实例进行描述。如图2-2 是用 VB 语言编写的界面和在其环境下调用部件库中的部件后形成的加工环境实例。图 2-2 系统界面及加工环境描述 如图所示，菜单由文件、编辑、视图、帮助和数控加工仿真 5 个子菜单构成。其中，数控加工仿真子菜单由部件库、加工程序选择、加工过程选择 3 个菜单项组成。部件库就是用来生成加工环境的，其结构层次也是根据加工环境的构成设置的。2.3 本章小结本章介绍了面向对象技术及其三大特点，结合本文系统枚举了几种VisualBasic 6.0 的常用内部控件、外部控件以及用户触发事件及其系统界面的整体布局和窗体控件的相关设计等。3 数控车削加工及 NC 代码的处理3.1 数控车床加工工件的成形原理数控车床加工过程是典型的回转体成形过程。工件绕主轴作旋转运动，刀架沿车床纵向导轨和横向导轨作直线运动，形成刀具的运动轨迹，从而在工件上加工出要求的回转面。数控程序控制刀架的运动轨迹，实现零件的各种表面加工。在仿真加工过程中，车刀刀尖的 Z 坐标同工件被加工回转表面所处 Z 坐标(回转体轴线 )相对应，刀尖所处的 X 坐标取绝对值就是被加工工件在该处的半径值。仿真程序通过将数控程序中的加工信息翻译并进行插补运算，得到加工过程任意时刻的 X, Z 坐标信息，利用它们改变工件上对应点的显示坐标位置，就可实现动态变化的加工过程，即实现了动态加工过程的仿真。3.2 程序设计的任务由于本课题是对数控加工教学仿真系统进行研究，在此基础上提出了基于Visual Basic 语言环境的总体设计思路一一“界面总体设计，功能单独实现”的模块化设计方案，分析了设计步骤，给出了功能的扩充方法。数控加工教学仿真系统的设计目标，是要设计出与机床数控系统操作面板完全相同的交互界面，并实现界面上所有按钮的功能以及由此引起的显示状态画面的变化及切换。整个设计过程涉及多达几十个窗口的切换及其上各种控件的状态变化，还有面板上数十个按钮功能代码的编写。为了使设计能有条不紊地进行，采用“界面总体设计，功能单独实现”的模块化设计方案。先按照操作面板上所有按键及显示屏显示的所有状态以及每个显示状态下控件的变化或变化规律设计出交互界面，并同时完成实现不同窗体间转换这部分基本代码的编写，从而构造出教学仿真系统的基本框架。然后针对不同类型功能按钮，分别编写代码。代码完成后以独立模块的形式依次添加进教学仿真系统框架中对应功能按钮的位置，同时进行协调性的测试和调试，直至这部分功能稳定运行。随着功能代码的不断加入，教学仿真系统功能不断扩充直到全部功能得以实现。3.3 车削仿真系统的设计3.3.1 车削加工仿真的任务车削加工仿真要完成以下几项任务:毛坯数据模型的建立、刀具库的建立、刀尖轨迹数据结构的建立、工件截面数据结构的建立、仿真数据的记录、切削加工仿真和仿真结果检查。刀具是系统的另一个重要组成部分，它是仿真系统的后勤保障。刀具容纳大量的刀具数据并且做到有效的管理。车刀对零件的加工主要设计到圆柱面、圆锥面、球面、螺纹、端面、切槽、切断等表面的加工。无论加工什么样的零件一律是工件做回转运动;而刀具做直线、圆弧或其它轨迹的运动(即进给运动)。在数控加工程序中这些运动可以通过 GO1, G02, G03 等指令完成。由于该仿真系统是对 NC 程序在 PC 机中的模拟，在仿真中为了能够在 PC 机屏幕上动态显示刀具的运动轨迹或切削过程，就必须将数控程序指令翻译过来。完成对 NC 程序进行语法分析，坐标转换等工作，其过程如下：（1）对数控程序进行处理使之成为一个 NC 坐标信息文件。该文件是对NC 程序进行语法分析与坐标变换的结果。数控程序由 GAPT 自动编程系统自动产生或手工编程由人工键盘输入。（2）首先，从 NC 代码文件中读取刀具信息并从刀库文件中读取相应的刀具信息。然后，从 NC 代码文件中读取刀具运动指令及坐标信息，并调用相应的加工仿真算法使之可以完成对刀具的运动轨迹仿真、切削加工仿真。（3）对仿真进行干涉检验，生成检验报告，供分析。（4）将仿真结果与轨迹实际进行比较。如果不正确，修改 NC 代码，重新进行仿真。3.3.2 工件毛坯的模型设计车削仿真系统所建立的回转体类工件模型具有以下特点:工件模型间断，容易实现加工过程仿真，计算效率高;工件模型的拓扑关系容易保持和修改 ;数据充分，能满足工件加工精度预测的需要:显示效率高，能以圆柱面、圆锥面、圆环面等组合来显示整个工件。 尽管零件种类繁多，但是在实际加工过程中，大多数车削零件是由棒料加工而成的。因此，根据上述分析，用直径和长度尺寸来建立棒料毛坯的几何模型。建立毛坯模型的数据结构如下：struct TurnBoard / 棒料或盘套类double m_fStickDimension: / 毛坯直径double m_fStickLength: / 毛坯长度；TurnBoard stick;这个数据结构用来保存毛坯尺寸的重要参数。根据上面的数据结构，就可以建立回转体类零件毛坯模型。3.3.3 刀库的建立刀具数据库是系统的一个重要组成部分，是仿真系统的后勤保障，能容纳大量的刀具数据并且做到有效的管理。刀具数据管理包括数据的输入、删除、浏览、查找等。刀具数据库仅仅完成刀具数据管理，在仿真中还要完成刀具库配置，为此建立一个刀具文件，刀具文件是对数控车床刀架(或称刀具库)的模范，仿真系统从刀具数据库中选择刀具组并转化为文件的形式完成刀具库配置，再从刀具文件中选择刀具作仿真切削加工。刀具模型主要包括三项数据信息:（1）刀号，同刀库中的刀号一致。（2）刀具类型，描述该刀具所加工的表面类型，如外圆左端面、右端面、内孔等。（3）在加工仿真中显示的刀具儿何模型所有的刀具均放入刀库中以备调用，刀库由刀具文件支持。刀库中，描述刀具模型的数据结构如下：int m_iCutterNumber; / 车刀组合框中的刀号struct TurnCutter double dMainangle;/车刀的主偏角double dMainCutEdge;/车刀的主切削刃double dDeputyAngle;/车刀的副偏角double dDeputyEdge;/车刀的副切削刃int CutterNumber;/记录车刀在“可选用刀具”框中的位置TurnCutter cutterl;TurnCutter cutter2;为了保存刀库内的所有刀具，定义了两个模板集合类的数组对象:Carraym_TurnCutterList;Carraym_UsableTurnCutterList;m TurnCutterList 保存被选用的刀具