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数控加工仿真系统的设计

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数控技术是现代制造技术的核心,数控技术的发展水平对制造业的发展起着决定性的作用。2012年《高等职业学校专业教学标准(试行)》中将职业院校培养目标定为为生产、管理、服务一线培养具有良好职业道德,专业知识素养和职业能力的高素质技能型人才,促进教学改革,提高教学质量。数控加工仿真系统是将高等职业院校的数控教学与机床的实际加工过程相结合开发出的一种能够在计算机上模拟机床加工过程的仿真软件,在很大程度上解决数控教学过程中存在的问题,既降低了教学设备成本,又满足了高等职业院校对应用型人才培养目标的要求,培养了学生的动手操作能力,为将来更好的应用于实践奠定了基础。本系统是根据我校衡水学院分院的数控教学实际情况,选用Delphi来开发OpenGL虚拟数控系统,利用Delphi强大的可视化组件,保证了程序的执行效率。通过使用OpenGL绘图函数的建模方法,减少了后台计算量,提高了系统运行速度,实现了加工过程的实时动态仿真。

1虚拟数控系统特点

数控加工仿真是利用计算机仿真技术,在计算机上模拟实际的机床加工过程,以部分替代实际机床的操作训练,它不仅可以验证数控加工程序的可靠性,而且能够预测切削过程,从而减少工件的试切,提高工作效率。仿真可分为几何仿真和物理仿真两类。(1)几何仿真不考虑物理因素的影响,来仿真刀具几何体的运动,主要用来验证NC程序编程是否合理,以便减少因程序错误而导致的刀具折断、机床损伤、零件报废等问题,缩短程序开发时间,节约成本。常用方法主要有:离散矢量求交发、基于图像空间的方法、直接实体造型法。几何仿真可以是实时仿真也可以是非实时仿真。(2)物理仿真物理仿真又称为力学仿真。在铣削过程中,受物理参数影响较大,物理仿真是通过切削仿真过程的力学特性来分析刀具振动和刀具破损情况,控制切削参数,建立物理模型,从而优化切削过程。物理仿真要求实时仿真。

虚拟数控加工系统主要包括虚拟加工环境和虚拟加工过程两部分,职业院校虚拟数控加工系统应满足以下要求:第一系统要有丰富的刀具材料库,建立工艺系统的几何模型;第二动态显示整个运行环境,对加工环境进行仿真,包括三维工件的实时切削、刀具补偿、坐标系设置等;第三机床操作全过程仿真,包括仿真机床工件装夹、基准对刀、压板安装、安装刀具等操作;第四实现互动教学,师生操作过程能实时双向互动;第五实现仿真考试自动评分,系统能够根据事先设定标准对完成工件尺寸及整个操作过程进行评分;第六保证系统的安全性。

2虚拟数控系统总体设计

基于Delphi的数控加工仿真系统具有刀具几何建模、三维图形仿真、碰撞检测以及材料切除仿真等功能。数控仿真系统可以为操作人员提供接近真实的加工环境,全方位模拟实际的加工过程。该数控仿真系统总体结构如图1所示:

2.1加工环境建模模块加工环境建模包括几何建模和虚拟面板两个模块。其中几何建模包括机床建模、工件建模、刀具建模以及夹具建模等,虚拟面板模块包括虚拟显示屏和机床操作面板等。(1)机床建模机床建模采用结构实体几何法,它不能脱离真实机床而独立存在,它是以真实机床为研究对象,不考虑机床的传动装置确定机床的结构参数,对机床结构进行的简化处理。由于机床类型多种多样,在建立机床模型时根据模块化原理需要定制标准的模块,确保机床模型与真实机床一样。(2)工件建模工件建模过程在仿真加工系统中处于十分重要的地位,它的好坏直接影响到仿真产品的质量。一个模型可以用属性模型和几何模型两个子模型共同来表示,其中产品的属性通过属性模型来表示,而它的尺寸和形状则通过几何模型来表示。(3)刀具建模刀具种类繁多,可利用实体建模方法实现对刀具的建模。

2.2虚拟加工模块加工过程模块包括NC代码处理模块、刀具应用模块和加工仿真模块三个模块。通过三维动画模拟工件加工过程是整个系统的核心。用户可以在OpenGL创建的虚拟环境中对工件加工的可行性和NC程序的正确性进行检验,同时在整个加工过程中刀具与机床碰撞的情况有可能会出现,必须对系统进行碰撞检测,提高虚拟加工环境的真实性。

由于在零件加工过程中,任何刀具都存在半径,如果系统不存在半径补偿功能,那么用户在编程时必须考虑刀具半径的影响,所做的计算量将会非常大,当刀具半径发生变化时,一定要对加工程序进行修改,势必会使整个加工过程变得复杂,零件加工精度也得不到保证。当系统中存在刀具半径补偿功能时,零件加工过程中只需使刀具偏离轮廓一个半径值即可,即保证了系统加工的精度,又减少了用户的工作量。刀具半径补偿可分为刀补建立、刀补进行、刀补撤消三个步骤,其中刀补建立和刀补撤消两个过程都不能对零件进行加工。B刀补和C刀补都是刀具半径补偿常用的方法,B刀补采用的方法是读一段,走一段,B刀补比较容易实现,然而在加工外轮廓时,由于刀具始终切削一点,容易被加工成小圆角。C刀补与B刀补不同,采用的方法是一次处理两段,当C刀补进行内轮廓加工时,若出现过切则会自动预报。数控加工仿真系统主要实现了对机床的几何建模、NC代码编译、三维动画仿真以及碰撞检测等功能。加工仿真过程中,利用OpenGL的双缓存技术,加速了图形的显示,避免了画面的闪烁,使加工过程更具连续性。通过本系统缓解了我校数控机床数量少、分配不均的难题,同时还减少机床事故的发生,减轻教师在实训教学中的工作量,提高教学效率。

作者:王永庆 王华秀 尹志会 单位:衡水学院分院 衡水学院

数控加工仿真系统的设计责任编辑:杨雪    阅读:人次