數(shù)控加工仿真系統(tǒng)的設(shè)計范文

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數(shù)控技術(shù)是現(xiàn)代制造技術(shù)的核心，數(shù)控技術(shù)的發(fā)展水平對制造業(yè)的發(fā)展起著決定性的作用。2012年《高等職業(yè)學(xué)校專業(yè)教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)（試行）》中將職業(yè)院校培養(yǎng)目標(biāo)定為為生產(chǎn)、管理、服務(wù)一線培養(yǎng)具有良好職業(yè)道德，專業(yè)知識素養(yǎng)和職業(yè)能力的高素質(zhì)技能型人才，促進(jìn)教學(xué)改革，提高教學(xué)質(zhì)量。數(shù)控加工仿真系統(tǒng)是將高等職業(yè)院校的數(shù)控教學(xué)與機(jī)床的實(shí)際加工過程相結(jié)合開發(fā)出的一種能夠在計算機(jī)上模擬機(jī)床加工過程的仿真軟件，在很大程度上解決數(shù)控教學(xué)過程中存在的問題，既降低了教學(xué)設(shè)備成本，又滿足了高等職業(yè)院校對應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)的要求，培養(yǎng)了學(xué)生的動手操作能力，為將來更好的應(yīng)用于實(shí)踐奠定了基礎(chǔ)。本系統(tǒng)是根據(jù)我校衡水學(xué)院分院的數(shù)控教學(xué)實(shí)際情況，選用Delphi來開發(fā)OpenGL虛擬數(shù)控系統(tǒng)，利用Delphi強(qiáng)大的可視化組件，保證了程序的執(zhí)行效率。通過使用OpenGL繪圖函數(shù)的建模方法，減少了后臺計算量，提高了系統(tǒng)運(yùn)行速度，實(shí)現(xiàn)了加工過程的實(shí)時動態(tài)仿真。

1虛擬數(shù)控系統(tǒng)特點(diǎn)

數(shù)控加工仿真是利用計算機(jī)仿真技術(shù)，在計算機(jī)上模擬實(shí)際的機(jī)床加工過程，以部分替代實(shí)際機(jī)床的操作訓(xùn)練，它不僅可以驗(yàn)證數(shù)控加工程序的可靠性，而且能夠預(yù)測切削過程，從而減少工件的試切，提高工作效率。仿真可分為幾何仿真和物理仿真兩類。(1)幾何仿真不考慮物理因素的影響，來仿真刀具幾何體的運(yùn)動，主要用來驗(yàn)證NC程序編程是否合理，以便減少因程序錯誤而導(dǎo)致的刀具折斷、機(jī)床損傷、零件報廢等問題，縮短程序開發(fā)時間，節(jié)約成本。常用方法主要有：離散矢量求交發(fā)、基于圖像空間的方法、直接實(shí)體造型法。幾何仿真可以是實(shí)時仿真也可以是非實(shí)時仿真。(2)物理仿真物理仿真又稱為力學(xué)仿真。在銑削過程中，受物理參數(shù)影響較大，物理仿真是通過切削仿真過程的力學(xué)特性來分析刀具振動和刀具破損情況，控制切削參數(shù)，建立物理模型，從而優(yōu)化切削過程。物理仿真要求實(shí)時仿真。

虛擬數(shù)控加工系統(tǒng)主要包括虛擬加工環(huán)境和虛擬加工過程兩部分，職業(yè)院校虛擬數(shù)控加工系統(tǒng)應(yīng)滿足以下要求：第一系統(tǒng)要有豐富的刀具材料庫，建立工藝系統(tǒng)的幾何模型；第二動態(tài)顯示整個運(yùn)行環(huán)境，對加工環(huán)境進(jìn)行仿真，包括三維工件的實(shí)時切削、刀具補(bǔ)償、坐標(biāo)系設(shè)置等；第三機(jī)床操作全過程仿真，包括仿真機(jī)床工件裝夾、基準(zhǔn)對刀、壓板安裝、安裝刀具等操作；第四實(shí)現(xiàn)互動教學(xué)，師生操作過程能實(shí)時雙向互動；第五實(shí)現(xiàn)仿真考試自動評分，系統(tǒng)能夠根據(jù)事先設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)對完成工件尺寸及整個操作過程進(jìn)行評分；第六保證系統(tǒng)的安全性。

2虛擬數(shù)控系統(tǒng)總體設(shè)計

基于Delphi的數(shù)控加工仿真系統(tǒng)具有刀具幾何建模、三維圖形仿真、碰撞檢測以及材料切除仿真等功能。數(shù)控仿真系統(tǒng)可以為操作人員提供接近真實(shí)的加工環(huán)境，全方位模擬實(shí)際的加工過程。該數(shù)控仿真系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示:

2.1加工環(huán)境建模模塊加工環(huán)境建模包括幾何建模和虛擬面板兩個模塊。其中幾何建模包括機(jī)床建模、工件建模、刀具建模以及夾具建模等，虛擬面板模塊包括虛擬顯示屏和機(jī)床操作面板等。(1)機(jī)床建模機(jī)床建模采用結(jié)構(gòu)實(shí)體幾何法，它不能脫離真實(shí)機(jī)床而獨(dú)立存在，它是以真實(shí)機(jī)床為研究對象，不考慮機(jī)床的傳動裝置確定機(jī)床的結(jié)構(gòu)參數(shù)，對機(jī)床結(jié)構(gòu)進(jìn)行的簡化處理。由于機(jī)床類型多種多樣，在建立機(jī)床模型時根據(jù)模塊化原理需要定制標(biāo)準(zhǔn)的模塊，確保機(jī)床模型與真實(shí)機(jī)床一樣。(2)工件建模工件建模過程在仿真加工系統(tǒng)中處于十分重要的地位，它的好壞直接影響到仿真產(chǎn)品的質(zhì)量。一個模型可以用屬性模型和幾何模型兩個子模型共同來表示，其中產(chǎn)品的屬性通過屬性模型來表示，而它的尺寸和形狀則通過幾何模型來表示。(3)刀具建模刀具種類繁多，可利用實(shí)體建模方法實(shí)現(xiàn)對刀具的建模。

2.2虛擬加工模塊加工過程模塊包括NC代碼處理模塊、刀具應(yīng)用模塊和加工仿真模塊三個模塊。通過三維動畫模擬工件加工過程是整個系統(tǒng)的核心。用戶可以在OpenGL創(chuàng)建的虛擬環(huán)境中對工件加工的可行性和NC程序的正確性進(jìn)行檢驗(yàn)，同時在整個加工過程中刀具與機(jī)床碰撞的情況有可能會出現(xiàn)，必須對系統(tǒng)進(jìn)行碰撞檢測，提高虛擬加工環(huán)境的真實(shí)性。

由于在零件加工過程中，任何刀具都存在半徑，如果系統(tǒng)不存在半徑補(bǔ)償功能，那么用戶在編程時必須考慮刀具半徑的影響，所做的計算量將會非常大，當(dāng)?shù)毒甙霃桨l(fā)生變化時，一定要對加工程序進(jìn)行修改，勢必會使整個加工過程變得復(fù)雜，零件加工精度也得不到保證。當(dāng)系統(tǒng)中存在刀具半徑補(bǔ)償功能時，零件加工過程中只需使刀具偏離輪廓一個半徑值即可，即保證了系統(tǒng)加工的精度，又減少了用戶的工作量。刀具半徑補(bǔ)償可分為刀補(bǔ)建立、刀補(bǔ)進(jìn)行、刀補(bǔ)撤消三個步驟，其中刀補(bǔ)建立和刀補(bǔ)撤消兩個過程都不能對零件進(jìn)行加工。B刀補(bǔ)和C刀補(bǔ)都是刀具半徑補(bǔ)償常用的方法，B刀補(bǔ)采用的方法是讀一段，走一段，B刀補(bǔ)比較容易實(shí)現(xiàn)，然而在加工外輪廓時，由于刀具始終切削一點(diǎn)，容易被加工成小圓角。C刀補(bǔ)與B刀補(bǔ)不同，采用的方法是一次處理兩段，當(dāng)C刀補(bǔ)進(jìn)行內(nèi)輪廓加工時，若出現(xiàn)過切則會自動預(yù)報。數(shù)控加工仿真系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了對機(jī)床的幾何建模、NC代碼編譯、三維動畫仿真以及碰撞檢測等功能。加工仿真過程中，利用OpenGL的雙緩存技術(shù)，加速了圖形的顯示，避免了畫面的閃爍，使加工過程更具連續(xù)性。通過本系統(tǒng)緩解了我校數(shù)控機(jī)床數(shù)量少、分配不均的難題，同時還減少機(jī)床事故的發(fā)生，減輕教師在實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的工作量，提高教學(xué)效率。

作者：王永慶 王華秀 尹志會 單位：衡水學(xué)院分院 衡水學(xué)院