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。哈尔滨工业大学的NCMPS系统，可建立集成的数控加工仿真环境，面向多轴数控加工中心，在图形工作站上实时显示三维多轴数控加工过程。清华大学CIMS工程研究中心开发的“通用加工过程仿真器”已在多家企业得到应用。天津大学的多功能数控机床仿真操作软件系统，可以在WINDOWS平台下虚拟各种数控机床系统进行操作、编程、训练，具有国际150标准G代码编程、加工过程图形仿真显示、编程仿真检错等功能。北京航空航天大学国家863/CIMS设计自动化工程实验室研究的金银花系列产品，以制造业最新国际标准150一10303(STEP)为系统设计的依据;采用面向对象的技术，使用了先进的实体建模、参数化特征造型、二维与三维一体化、SDAI标准数据存取接口等技术。镇江船舶学院研制的数控铣削加工仿真系统可显示零件三向投影和立体图，但毛坯和刀具是由离散点表示，模拟精度受离散点数目影响。合肥工业大学进行了数控车削自动编程的仿真模型，可以动态显示刀具运动轨迹，显示毛坯和零件的实体形状和属性，如冷却液状态，机床参数，切削参数，刀具当前坐标等。大连理工大学开发了数控曲面加工微机仿真器，主要针对曲面加工，如齿轮、凸轮、多边形面等较复杂的切削加工过程。它应用于微机，可进行各种曲面加工过程的模拟并采用数值分析的方法进行加工误差分析。能够对不同的工艺参数进行修改，从而提高加工精度。具有可透视动态仿真和剖视加工体的功能，可自动进行误差分析，给出误差分析图谱。 1.2.3发展趋势及存在的问题
数控仿真技术的研究目前主要集中在三个方面:几何仿真、物理仿真
4
和加工过程仿真。
（1）几何仿真
切削加工几何仿真也称为数控加工程序验证，即以理想几何图形来检验数控代码是否正确，此时刀具和零件均被视为刚体，不考虑切削参数、切削力及其他因素对切削加工的影响。几何仿真可以减少或消除因程序错误而导致的机床损坏、夹具或刀具干涉碰撞和零件报废等问题，可减少从产品设计到制造的时间，降低生产成本。国内外现存的几何仿真方法主要有两种:精确仿真法和近似仿真法。
l)精确仿真法
精确仿真法即每次切削时，通过对毛坯和刀具进行布尔减运算而得到的切削后的实体形状，从而实现加工仿真的一种方法。该方法用解析法表示实体，此时的工件模型是数学而非像素模型，并应用支持正则布尔集合运算的构造实体几何法(CSG)和边界表示法(BRep)来实现实体造型。这些造型方法，从理论上讲，能够精确地描述数控加工过程，但由于五轴刀具扫描体和毛坯布尔集合运算的复杂性，使其应用仍旧受到一些限制，加之刀具每切削一次，都需要创建一个新的实体模型，可想而知，其计算量是非常庞大的。对于一个复杂的NC程序而言，应用此法进行仿真需要大量的时间和内存空间，不适合实际仿真需要。
2）近似仿真法
近似仿真法是利用扩展Z缓冲(Z一Buffer)数据结构来完成实时数控加工仿真的。其基本思想是将工件像素化，在仿真过程中先找到刀具运动
5
时的像素点，然后对每个像素点做布尔运算。由于把三维空间的布尔运算简化到一维空间来完成，所以大大减少了计算量。由于该方法没有任何几何运算，且直接访问内存，因此解决了精确仿真法计算量大的弊端，并可产生实时显示效果，适合在微机上实现数控加工过程的实时仿真，并可显示过切、刀具补偿错误等。但其结果依赖于视觉的选择，假如视线改变的话，整个过程必须重新仿真。
(2)物理仿真
切削加工的物理仿真是将整个工艺系统视为弹塑性实体，对被控对象的一个或多个物理特性及其变化特征进行模拟。由于物理仿真直接影响切削加工的经济性，因此日益受到大学、企业及科研单位研究人员的关注。1995年由美国国家自然科学基金(NSF)重点资助，由伊利诺伊大学牵头，联美国国家自然科学基金(NSF)重点资助，由伊利诺伊大学牵头，联合普渡大学、西北大学对金属切削加工进行工艺建模，进而开展物理仿真的研究工作。由于物理仿真牵连面广，几乎涉及工艺系统的每一个环节，要完整描述切削加工中整个工艺系统的物理性质是非常困难的。目前大多从某一方面对其物理性质进行研究，大致包括预测切削力、预测己加工表面质量、预测刀具切削性能、预测切削的大小及形状和预测工艺系统热变形对加工精度的影响。
(3)加工过程仿真
切削加工过程仿真是将几何形状与物理性质的变化集成在一起，对加工过程进行较为真实模拟的一种仿真形式。为了能充分反映切削加工的实
6
质，在加工过程仿真中仿真模型的建立至关重要。现存的切削加工仿真模型主要有解析模型、有限元模型和分子动力学模型。
1.3本论文研究的内容和意义 1.3.1研究的目的和内容
通过对上面数控加工仿真的分析，考虑到加工过程仿真、物理仿真与几何仿真之间的难度差距，以及本系统所完成的任务，本论文采用了几何仿真作为本系统的研究重点。
论文研究的目的:
本论文是在导师彭可教授的指导下，研究了数控车床加工仿真系统的相关理论和关键技术，研制出数控车床加工几何仿真系统软件，并通过实例验证了系统的正确性。
论文研究的主要内容有:
(1)根据数控车床特点，分析了数控车床加工仿真系统，提出了开 发本系统的总体设计方案。
(2)分析了目前数控系统常用的插补算法，选择极坐标插补做为本 系统的插补算法，并编制出相应的插补程序。
(3)研究了 1506983NC程序词法和语法的特点，编制出NC程序的 词法和语法编译模块。
(4)研究了WINDOWS操作系统下多线程技术的原理，并利用多线程 技术实现了数控车床加工仿真。
(5)设计出数控车床仿真系统人机交互界面。
7
(6)编制出数控车床仿真系统的帮助模块。 1.3.2研究的意义
论文主要研究了当前数控系统中常用的插补算法，及如何在VISualC++.NET平台上实现数控车床的加工过程，详细分析了数控车床加工仿真的实现方法和NC程序检验的理论和方法。利用计算机图形技术对已编制的数控程序进行加工过程模拟演示，不但可以检验程序的正确性和合理性，避免由于机床的走刀错误而造成数控设备损坏的危险，而且大大降低了以往采用工艺试切方法带来的高消耗和高成本，缩短了新产品的开发周期。另外，仿真系统的开发也为今后进一步研究开发全软件型数控系统奠定了基础;加工过程仿真还具有辅助优化工艺安排、培训编程人员等实际应用前景。
8