数控复合铣床仿真软件的开发与研究

　　由于现代机械加工业逐步向柔性化、集成化、智能化方向发展，因此新一代数控技术就必须强调具有开放式、智能化的特征，数控系统要求采用系统、子系统和模块方式，进行分级式控制。专用的硬软件结构限制了系统本身的持续发展，使系统的开发投资大、周期长、风险高、系统更新换代慢，不利于数控产品的技术进步。数控系统的这一现状己不能适应当今制造业市场变化与竞争，也不能满足现代制造业向智能化、网络化方向发展的需要。采用通用的PC机发展开放式数控系统，己成为数控系统技术发展的最新潮流。随着社会经济的发展，对数控技术的需求蒸蒸日上。无论是加工产品用，还是培训人才用，对数控机床都迫切需要。若采用计算机建模和仿真技术来模拟实际的数控加工环境，并对加工过程进行仿真分析，即虚拟加工，则可以帮助设计人员在图纸设计阶段检查制造中的问题，从而取消试切环节，减少设计周期和费用。同时在数控培训部门，也可以让学员尽快熟悉数控机床的加工环境与真实的加工过程，缩短数控培训的周期，提高培训质量。这一趋势促成了一个新概念的产生，即模块化、可重构、可扩充的软硬件系统，这就是开放式控制系统。这一系统不仅能够快速、经济地适应新的加工需求，而且为制造厂提供了将其技术与任何第三方的技术或产品进行整合。

　　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己越来越丧失竞争力，各种形式的合作开发、生产和销售方式应用而生。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、装备等工序统一建模，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的国家通过互联网进行设计、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是一种软技术，其中，产品建摸、数据共享和加工仿真是虚拟制造技术的基础。

　　目前进行的机械加工过程仿真，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，供生产设计和研究应用。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和端铣刀，而这种仿真系统对其他种类的铣刀就无能为力。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、铣型腔等多种铣削形式;另一方面是铣削加工理论复杂，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，即刀位轨迹仿真、工件与刀具的干涉检验等，有人称之为NC校验。

　　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，使仿真系统不能真实的反映实际切削过程。

　　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。数控系统的软件开发分为两部分：数控处理程序和用户界面程序。数控处理程序具有自动加工管理、手动编辑、MD工、加工仿真和系统参数设置等功能。整个软件的开发包括以下几个主要步骤：建立上位机(PC)与下位机((PMAC)之间的通讯，软件功能设计和功能模块的划分，用户界面的设计，各个功能模块的设计编码与调试，整个应用软件的集成、调试与运行等。

　　设计友好的用户界面是实现机床工业运行不可忽视的重要因素。由于操作者己习惯传统数控机床操作面板及相关术语和指令系统，故基于方便终端用户使用的考虑，在开发机床数控系统用户界面时，必须将其在工作原理方面的特点隐藏在系统内部，而使提供给用户或需要用户处理的信息尽可能与传统机床一致。开放式控制系统的出现使我们可以随心所欲地设计出具有自我特色、能完成特定功能的操作方便、交互容易的系统软件界面。在数控处理程序的软件开发中采用了模块化的设计方法，而开发该软件选用的开发平台Visual C++是典型的面向对象编程工具，把较大的功能模块以对象的形式处理不仅体现了模块化设计的思想同时也大大发挥了Visual C++的长处。例如自动加工模块是一个功能较多、代码量较大的模块，这时候我们就可以把它的绝大部分实现代码封装在自动加工类中，只提供必要的接口函数给外部调用便可。

　　由于计算机技术的不断改进和计算机图形学的飞速发展，计算机仿真技术在制造系统中得到了广泛的应用。如果采用仿真加工来代替或减少实际中的试切工作，将对数控加工具有十分重要的作用。另外，对于多功能加工机床，运动轴数众多，对于操作者来说，从熟悉到熟练操作该机床需要花费大量的时间和金钱。因此开发一种低成本、高效的数控加工仿真软件势在必行。

　　作者：刘霞 来源：读写算·基础教育研究 2016年20期