數控加工仿真系統的設計范文

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數控技術是現代制造技術的核心，數控技術的發展水平對制造業的發展起著決定性的作用。2012年《高等職業學校專業教學標準（試行）》中將職業院校培養目標定為為生產、管理、服務一線培養具有良好職業道德，專業知識素養和職業能力的高素質技能型人才，促進教學改革，提高教學質量。數控加工仿真系統是將高等職業院校的數控教學與機床的實際加工過程相結合開發出的一種能夠在計算機上模擬機床加工過程的仿真軟件，在很大程度上解決數控教學過程中存在的問題，既降低了教學設備成本，又滿足了高等職業院校對應用型人才培養目標的要求，培養了學生的動手操作能力，為將來更好的應用于實踐奠定了基礎。本系統是根據我校衡水學院分院的數控教學實際情況，選用Delphi來開發OpenGL虛擬數控系統，利用Delphi強大的可視化組件，保證了程序的執行效率。通過使用OpenGL繪圖函數的建模方法，減少了后臺計算量，提高了系統運行速度，實現了加工過程的實時動態仿真。

1虛擬數控系統特點

數控加工仿真是利用計算機仿真技術，在計算機上模擬實際的機床加工過程，以部分替代實際機床的操作訓練，它不僅可以驗證數控加工程序的可靠性，而且能夠預測切削過程，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動，主要用來驗證NC程序編程是否合理，以便減少因程序錯誤而導致的刀具折斷、機床損傷、零件報廢等問題，縮短程序開發時間，節約成本。常用方法主要有：離散矢量求交發、基于圖像空間的方法、直接實體造型法。幾何仿真可以是實時仿真也可以是非實時仿真。(2)物理仿真物理仿真又稱為力學仿真。在銑削過程中，受物理參數影響較大，物理仿真是通過切削仿真過程的力學特性來分析刀具振動和刀具破損情況，控制切削參數，建立物理模型，從而優化切削過程。物理仿真要求實時仿真。

虛擬數控加工系統主要包括虛擬加工環境和虛擬加工過程兩部分，職業院校虛擬數控加工系統應滿足以下要求：第一系統要有豐富的刀具材料庫，建立工藝系統的幾何模型；第二動態顯示整個運行環境，對加工環境進行仿真，包括三維工件的實時切削、刀具補償、坐標系設置等；第三機床操作全過程仿真，包括仿真機床工件裝夾、基準對刀、壓板安裝、安裝刀具等操作；第四實現互動教學，師生操作過程能實時雙向互動；第五實現仿真考試自動評分，系統能夠根據事先設定標準對完成工件尺寸及整個操作過程進行評分；第六保證系統的安全性。

2虛擬數控系統總體設計

基于Delphi的數控加工仿真系統具有刀具幾何建模、三維圖形仿真、碰撞檢測以及材料切除仿真等功能。數控仿真系統可以為操作人員提供接近真實的加工環境，全方位模擬實際的加工過程。該數控仿真系統總體結構如圖1所示:

2.1加工環境建模模塊加工環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床操作面板等。(1)機床建模機床建模采用結構實體幾何法，它不能脫離真實機床而獨立存在，它是以真實機床為研究對象，不考慮機床的傳動裝置確定機床的結構參數，對機床結構進行的簡化處理。由于機床類型多種多樣，在建立機床模型時根據模塊化原理需要定制標準的模塊，確保機床模型與真實機床一樣。(2)工件建模工件建模過程在仿真加工系統中處于十分重要的地位，它的好壞直接影響到仿真產品的質量。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，可利用實體建模方法實現對刀具的建模。

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的核心。用戶可以在OpenGL創建的虛擬環境中對工件加工的可行性和NC程序的正確性進行檢驗，同時在整個加工過程中刀具與機床碰撞的情況有可能會出現，必須對系統進行碰撞檢測，提高虛擬加工環境的真實性。

由于在零件加工過程中，任何刀具都存在半徑，如果系統不存在半徑補償功能，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，當刀具半徑發生變化時，一定要對加工程序進行修改，勢必會使整個加工過程變得復雜，零件加工精度也得不到保證。當系統中存在刀具半徑補償功能時，零件加工過程中只需使刀具偏離輪廓一個半徑值即可，即保證了系統加工的精度，又減少了用戶的工作量。刀具半徑補償可分為刀補建立、刀補進行、刀補撤消三個步驟，其中刀補建立和刀補撤消兩個過程都不能對零件進行加工。B刀補和C刀補都是刀具半徑補償常用的方法，B刀補采用的方法是讀一段，走一段，B刀補比較容易實現，然而在加工外輪廓時，由于刀具始終切削一點，容易被加工成小圓角。C刀補與B刀補不同，采用的方法是一次處理兩段，當C刀補進行內輪廓加工時，若出現過切則會自動預報。數控加工仿真系統主要實現了對機床的幾何建模、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，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性。通過本系統緩解了我校數控機床數量少、分配不均的難題，同時還減少機床事故的發生，減輕教師在實訓教學中的工作量，提高教學效率。

作者：王永慶 王華秀 尹志會 單位：衡水學院分院 衡水學院