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1、太原理工大学 机械工程学院 (2006) 毕业设计开题报告一、本课题问题定义 数控机床已经成为制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础设备。随着数控加工在我国机械制造业中的广泛应用，也出现一些有待解决的问题。1.数控加工设备操作者的培训受客观因素所限，无法大规模开展。在传统的数控技术及应用培训中，数控原理部分的讲授比较空洞、不直观，影响学员理解与接受；而数控编程和操作的有效培训必须在实际机床上进行，既占用了设备加工时间，又具有风险，培训中的误操作经常会导致昂贵设备的损坏。2.NC程序作为数控加工的信息载体，其正确与否直接影响零件的加工质量。而目前我国实际生产使用中，由于使用大量缺乏NC程序模
2、拟仿真功能的经济型数控设备，故在NC程序投入正式加工之前通常采用机床空运行和样件试切来完成NC程序的校验。该方法加工准备周期长，生产成本高，难以实现数控机床的高效率，不利于单件小批量生产间的快速转换。随着计算技术的发展，尤其是虚拟现实技术和理念的发展，产生了可以模拟实际数控设备加工环境及其工作状态的计算机仿真系统。用数控计算机仿真系统进行初步培训，可以利用学校微机机房的大量计算机，不但减少了对实际数控设备的占用，使培训能够大规模的开展，而且由于仿真系统具有表现方式丰富多样的图形界面，故易于学员理解接受，使其素质迅速提高，另外还安全可靠、费用低；用数控仿真系统在计算机上对NC程序进行编辑、校验，
3、即驱动图形加工系统进行准实时加工，检查NC代码中的语法和语意错误，实现干涉校验，直观安全地模拟、验证、分析切削过程，免去了以往样件生产的样件材料损耗、刀具磨损、机床清理等问题，从而缩短生产准备周期，降低成本。国际上现有的通用CAD/CAM软件虽然功能较为完善，但是规模庞大，对计算机性能要求较高，而且价格昂贵，每个拷贝及其使用许可证动辄数万乃至数十万，不适合我国国情。国内外一些数控设备生产厂商也推出了一些自己的数控设备仿真软件，但是这类软件只是针对生产厂商自己生产的相应型号设备的模拟仿真，甚至使用专用NC程序语言，因而通用性较差，另外这类软件功能也比较简单。上述软件在我国应用具有一定局限性，所以
4、研究设计适合我国广泛使用的数控设备仿真软件，以推进我国制造业发展是非常有必要的。二、本课题可行性研究 目前国外制造业对计算机仿真这类问题研究主要集中在比较高端的领域，其发展趋势是网络化、通用化、协作化、集成化，自动化等，比较适合于国外发达的计算机与数控技术基础。而国内最重要的是数控技术的普及与推广、应用，只有打好这一基础才能更好的向高端发展，这就是本课题的着眼点。数控车床是数控设备中的典型代表，数控车削加工在现代机械制造业中应用较为广泛，而且经济型数控车床和经过数控改造的通用车床在我国比较普及，故选择数控车床作为研究对象，探讨利用计算机辅助技术实现其技术原理演示、NC程序编辑、模拟仿真切削及校
5、验等的技术问题。由于Windows操作系统应用广泛，开发平台功能较强，决定以Windows 98/2000和Windows XP作为软件开发和运行的操作系统，并采用Microsoft公司支持可视化编程和面向对象技术的软件开发平台Visual Basic 6.0。通过对现有部分数控仿真软件的使用与分析，考虑本人实际的计算机编程能力，完成本设计有待解决或可能存在的主要问题以及解决思路如下：1 对输入的NC程序进行准确识别并模拟其在实际数控设备中的编译及处理过程。准备采用建立包含标准数控程序代码字符串及其对应处理方法的程序库，通过将输入的NC程序代码转化为字符串，依次与程序库中的字符串比较，从而实现
6、代码识别然后进行后续数据处理和结果输出的方法，完成模拟过程。2 不同类型刀具加工显示的实现。车刀分为很多种类，用于不同情况下的加工。为了实现这些效果必须建立一个包含多数常用类型车刀信息及相应显示处理方法的程序库。3 如何实现较好的数控仿真加工动画演示效果。动画由两个基本部分组成。一是物体相对于屏幕的运动，即屏幕级动画；二是物体内部的运动，即相对符号的动画。制作动画的原理就是画完一幅图形，清除它的屏幕显示部分，再在新位置画第二幅图形，如此交替下去，利用人眼的视觉特点，就可以产生动画效果。VB实现动画的原理也如此，具体到编程问题上，主要有以下四种方法： 控件的移动。采用控件的移动技术可实现屏幕级动
7、画。控件移动方式可分为两种，一是在程序运行过程中，随时更改控件的位置坐标Left、Top属性，使控件出现动态效果；二是调用控件Move方法，产生移动的效果。这里的控件可以是命令按钮、文本框、图形框、图像框、标签等。 利用动画按钮控件。VB的工具箱中专门提供了一个动画按钮控件（Animated Button Control）进行动画设计，该工具在Windowssystem子目录下以Anibuton.vbx文件存放，用时可加入项目文件中，这种方法实现动画的过程与电影胶片的放映极为相似，它将多幅图像装入内存，并赋予序号，通过定时或鼠标操作进行图像的切换，通过这种方法可实现相对符号的动画。 利用图片剪
8、切控件。该控件也提供了在一个控件上存储多个图像或图标信息的技术，正如用动画按钮一样，它保存Windows资源并可快速访问多幅图像，该控件的访问方式不是依次切换多幅图，而是先将多幅图片放置在一个控件中，然后在程序设计时选择该控件中的不同区域，将图片动态剪切下来放置于图片框中进行显示，程序控制每间隔一定时间剪切并显示一幅图片，这样便可产生动画效果。 图片框控件Xor方式绘图方法。Xor的逻辑代数定义为 0 Xor 0 = 0，1 Xor 0 = 1，1 Xor 1 = 0，0 Xor 1 = 1，对任意的a、b都有a Xor b Xor b = a，即任意一个数与另一个数异或两次就可以还原。具体到
9、图形绘制中，即是在同一座标将某个图形绘制两次就使这个图形消失了（变成了背景色）。这四种方法各有优缺点，受所表达的车削仿真过程所限，主要采用第四种方法实现动画效果，其它三种方法将根据实际情况选择使用。4 AutoRedraw和ClipControls的设置。这个问题是由上面的动画生成问题引出的。Windows依靠视觉效果建立直接、清晰和稳定的用户界面，其显示的内容以位图形式存放于内存中，动画演示实际就是内存中对应位图的变化。但是，当显示的动画或绘图方法绘制出的图形被其它窗口遮盖时，即内存中原来的动画和图形数据将被改变，窗口关闭后，被覆盖部分会出现空白的方洞。在VB中，可以通过设置控件的AutoR
10、edraw和ClipControls属性来实现被覆盖内容的重画及已绘制部分的保护，从而避免空白方洞问题。AutoRedraw和ClipControls属性设置牵扯到的部分很多，使用不当会造成不可预测的后果，必须谨慎。另外，模拟分为二维动画显示模拟和三维实体几何模拟。数控车床刀具的运动在一个平面内进行，其仿真演示完全可以用二维动画模拟，不需要作复杂的三维图形处理。所以采用二维动画对数控车床仿真。综上所述，本设计是有使用价值并且切实可行的一个课题。三、本课题需求分析具体分析可知本软件设计所需要的主要功能有：1 数控插补原理的演示，帮助学员掌握数控设备的工作原理与方式；2 NC程序的编辑、修改、调试
11、以及跟踪执行，为缺乏NC程序编写界面的经济型数控车床和经过数控改造的通用车床提供一个方便的处理平台；3 数控设备模拟试验平台，解决培训机构教学设备不足的矛盾；4 模拟环境下的首件试切加工，降低生产成本。四、本课题总体设计 根据以上功能要求，设计软件总体框架，见下图：数控车床仿真软件NC程序代码插补对象信息数控插补演示模块数控车床仿真加工模块程序编辑调试代码识别处理插补计算处理插补动画演示车削仿真演示图1 总体框架图其它信息软件主要包括两个模块：数控插补演示模块和数控车床仿真加工模块。数控插补演示模块用于多媒体辅助教学，将待插补对象的信息包括插补对象类型（直线、圆弧或其它二次曲线）、插补对象坐标
12、（包括位置坐标和插补起点、终点坐标）、插补方法（逐点比较法、数字积分法等）以及脉冲当量、插补动画演示速度等内容输入后，经过插补计算处理得出插补坐标，并以插补轨迹动画演示和插补运算过程显示的方法表现出来，其数据流程图如图2。插补对象类型插补对象坐标插补方法脉冲当量插补速度插 补 计 算 处 理插补处理程序与数据库插补动画演示与插补运算过程显示图2 数控插补演示模块数据流程图 数控车床仿真加工模块用作数控模拟试验平台进行数控程序编辑调试、教学试验和首件试切加工。这个模块还可以再细分为两个功能子模块：数控程序编辑模块和数控车床仿真模块，它们通过编辑所得的数控程序代码进行数据传递。数控程序编辑模块具有
13、对文件的基本操作功能，即对文件的新建、读取、打开、保存和另存为等，还能够生成符合设置条件的数控程序。数控车床仿真模块还可以直接读取符合通用（ISO）标准要求的其它数控程序代码，经过代码识别、语法检查和程序编译，再输入零件毛坯信息并建立工件坐标系（采用试切法）等后，进行加工过程模拟仿真处理，最后将仿真结果（包括刀具轨迹、零件成型过程和干涉信息等）以动画形式输出。具体指随着每步走刀，刀具在屏幕上同步显示刀位点坐标等信息，毛坯外形跟随刀具移动而动态改变，一旦发生干涉，系统自动报警等。其数据流程图如图3（见下页）。 如果上述内容完成进度较好的话，将增加数控插补演示模块中的插补对象种类和插补方法类型，并
14、加入数控设备刀具补偿半径原理（对铣床、线切割机等）演示模块和数控车床仿真加工模块中的用户刀具库设置等功能。数控程序编辑NC程序代码NC程序代码识别NC代码库语法检查及编译加工过程模拟仿真毛坯信息工件坐标系刀具信息库车削仿真动画输出图3 数控车床仿真模块数据流程图五、本课题的工作计划及进度安排（按学校教学日历） 1第4周到第5周，巩固学习数控技术及应用和Visual Basic 6.0程序设计等相关知识；收集资料；在老师指导下分析讨论总体设计方案及其可行性。 2第6周，确定设计方案及可能存在的问题与解决方法，并写开题报告。 3详细设计、编码与单元测试：第7周到第9周，软件界面及数控插补演示模块设
15、计；第10周到第13周，数控车床仿真模块和数控程序编辑模块设计。4第14周，综合测试，并写设计说明书。六、指导教师审阅意见指导教师(签字)： 年 月 日七、指导小组意见 指导小组组长(签字)： 年 月 日八、说明1. 本报告前五项内容由承担毕业论文(设计)课题任务的学生独立撰写；2. 本报告必须在第八学期开学六周内交指导教师审阅并提出修改意见；3. 学生须在小组内进行报告，并进行讨论；4. 本报告作为指导教师、毕业论文(设计)指导小组审查学生能否承担该毕业设计(论文)课题和是否按时完成进度的检查依据，并接受学校的抽查。九、附录主 要 参 考 文 献1李文斌，霍亮生，杨树莲，安建伟 编著 数控技术及应用煤炭工业出版社 2000.112胡占齐，董长双，常 兴 主编 数控技术武汉理工大学出
