集成环境中的数控程序仿真系统设计哈尔滨工业大学魏志强，施平摘要本文介绍一种数控程序仿真系 统，该系统利用软件方法模拟数控装置实现零件加工过程中的直线插补和圆弧插补。通过对数控代 码进行仿真，可以在计算机上动态地模拟出刀具切削运动轨迹，实现在非实际切削过程中对零件数 控加工代码的验证。主题词：集成环境，
数控程序，仿真ｌｇｌ畜数控代码是控制数控机床进行切 削加工的指令集。利用自动编程系统生成的代码或手工编制的代码，在正式加工前一般要进行试切 这一步骤。试切的过程是对ＮＣ程序的检验过程。如果数控程序不正确的话，就很可能发生零件过 切或少切或者刀具与零件、刀具与夹具、刀具与加工工作台之间的干涉和碰撞现象。过切或少切会 使零件成为不合格品，两刀具与各部件之间的碰撞又是十分危险的。传统的试切是采用塑模或木模 在专用设备上进行的，这不但耗费人力、物力，而且延长了生产周期，降低了系统效率。对于计算 机集成制造系统（ＣＩＭＳ）来说，上述问题所带来的影响就更为突出。与传统的制造技术不同， ＣＩＭＳ的加工过程不是独立的，它是整个过程中的一部分。由于ＣＩＭＳ一般具有小批量、多品 种加工的特点，以致零件混合投人的现象经常出现，这样，试切工作就严重阻碍了系统柔性的提高 。利用计算机仿真技术对数控程序进行仿真，以替代或减少实际的试切工作，这对一般的制造厂和 ＣＩＭＳ来说，都具有十分重要的意义。２数控程序仿真原理数控程序（又称数控代码）仿真技术 的基本原理是利用软件技术模拟数控装置的基本功能，实现零件加工过程中的直线插补和圆弧插补 过程，从而在计算机屏幕上动态仿真出零件加工过程中刀具的切削运动轨迹。刀具在加工过程中所 移动的轨迹必须符合图纸上形状和尺寸。由于数控程序中的数据只能是一段轨迹的起点和终点坐标 值，因此，在起点和终点之间要进行“数据点密化”工作，即插补过程。插补工作对数控机床而言 ，一般是由硬件中的运算器来完成的，而在仿真系统中，则可利用软件方法来实现。本系统利用逐 点比较法进行插补运算。其基本原理是模拟硬件插补过程，把每次插补计算产生的指令信号输出到 计算机显示终端，驱动显示器的彩色象素点工作，从而动态、实时地显示刀具的当前位置，进而动 态显示出刀具在整个加工过程中的切削运动轨迹，实现对数控程序的仿真。３＃控程序仿真系统设 计目前，大多数已有的仿真系统是利用刀位数据来驱动的，而利用数控程序直接驱动仿真系统则是 考虑了加工环境因素，因而它比刀位数据仿真更接近于实际。ＮＣ程序是一组指令集，它包含有大 量的信息，从中分离出有用信息，以驱动仿真系统，便可以对ＮＣ程序的正确性进行验证。仿真系 统首先对整个数控程序进行语法分析和词法分析。如果数控程序中有语法或四ＩＭ宜良岱．ｄ此行 担国词法错误，系统则将错误代码的位置及错误性质输出到错误信息文件中，直到扫描到文件结束 位置为止。若数控程序没有错误，系统自动进行下一步工作，对数控代码逐条进行分析、计算、仿 真；否则，系统提示用户对程序进行检查、修改。在数控代码中，Ｇ代码是控制机床数据装置作特 殊操作的指令，对其进行正确有效的处理是极为重要的。系统首先将一行代码调人内存缓冲区中， 然后对缓冲区中的代码逐个进行识别。如果是Ｇ代码，系统继续分析是哪一个Ｇ功能代码。如果是 Ｇ００，则系统执行快速点位移动；是Ｇ０１，则调用直线插补子程序，根据不同的象限进行直线 描补计算和插补仿真；如果是Ｇ０２、Ｇ０３，系统则调用圆弧插补子程序进行顺时针或逆时针插 补图２坐标变换示意图计算和插补仿真。如果系统识别的是Ｆ代码，则处理后用于控制切削轨迹仿 真速度；Ｍ代码则用于显示一些辅助机能信息。而对Ｔ代码，系统即显示本次加工中刀具的有关信 息。对其它的代码，系统根据其功用，分别调用各自的处理模块。系统流程图见图１。４ｆｆ补仿 真模块设计数控程序仿真系统运用插补方式中最具代表性的逐点比较法进行插补计算。逐点比较法 是利用当前点在直线的上、下或圆弧的内、外时，由判别式变为正或负这一特点来判定下一步的逼 近方向的。根据仿真的直线或圆弧所在的象限不同，以及圆弧加工中的顺时针、逆时针两种情况， 系统设计了直线四个象限共四个直线插补子程序及圆弧四个象限顺、逆时针两种情况共八个圆弧插 补子程序。在进行直线、圆弧插补时，第一步要进行坐标调整和坐标变换。由于显示终端的屏幕尺 寸有限，而且屏幕象素点的位置不存在负值，因此，要对零件的坐标值进行调整，以适合屏幕显示 区域的大小，同时，进行基准点转换，以调整仿真曲线的位置。一般的插补计算公式选用的是Ｘ— Ｙ坐标系，数控车床上使用的是Ｚ—Ｘ坐标系，而困３过象限示意图显示终端上的坐标零点是在显 示屏幕的左上角，水平向右为广ｘ方向，竖直向下为十ｘ方向。因此要进行坐标变换。由国２可知 ，需将Ｚ值经过坐标调整后变换为Ｘ值，（Ｘ）值交换为Ｙ值。为了能使仿真曲线的显示方向同零 件坐标系相一致，对零件坐标中第一、二、三、四象限直线或曲线进行仿真时，实际上调用的分别 是四、三、二、一象限的插补计算程序；对圆弧插补来说，其顺、逆时针也发生了变化。
直线插补 的终点判别是以Ｘ、Ｙ向所走的总步数作为判别参数，而圆弧插补的终点判别则较为复杂。一般终 点判别采用终点坐标和动点坐标相比较的方法，当Ｘ、Ｙ值均相等时，插补计算完成。为了获得较 好的算法，动点和终点是以绝对值参加运算，因而产生了过象限问题。如图３，实际的切削终点是 Ｃ点，但系统到Ｂ点就可能结束插补，为此，特为系统设计了过象限处理算法，见囹４。以第一象 限为例，系统首先判断起点、终点是否在同一象限，即是否存在过象限情况。若存在，则首先进行 第一象限的插补计算，并不断判断当前刀位点是否已过象限，若已过象限，则根据当前插补方向调 用第二象限或第四象限插补程序。５结束语通过使用本系统对哈尔滨汽轮机厂转子困４革一鱼用起 始回孤杨林流程回数控加工程序进行的仿真表明：系统可以动态、正确地对数按程序进行仿真，从 而直观、形象地显示出刀具切削运动轨迹，并能及时、正确地识别出代码中错误的性质及位置。此 外，还可实现非实际切削加工中的数控程序验证。本系统的进一步开发应用对一般的制造厂和未来 的ＣＩＭＳ发展均具有重要意义。参考文献｜｜１声合明．数控加工过程仿真．华中理工大学博士 论文．１９９４２［日］岸甫编者．数控软件．国防工业出版社，１９８０３毕承恩，于乃建主编 ．现代数控机床．机械工业山版社，１９９１（本文１９９４年１１月２５日收到）（统辑李问沛 ）集成环境中的数控程序仿真系统设计@魏志强，施平$哈尔滨工业大学：集成环境，数控程序， 仿真本文介绍一种数控程序仿真系统，该系统利用软件方法模拟数控装置实现零件加工过程中的直 线插补和圆弧插补。通过对数控代码进行仿真，可以在计算机上动态地模拟出刀具切削运动轨迹， 实现在非实际切削过程中对零件数控加工代码的验证。１声合明．数控加工过程仿真．华中理工大 学博士论文．１９９４２［日］岸甫编者．数控软件．国防工业出版社，１９８０３毕承恩，于乃 建主编．现代数控机床．机械工业山版社，１９９１四象限直线或曲线进行仿真时，实际上调用的 分别是四、三、二、一象限的插补计算程序；对圆弧插补来说，其顺、逆时针也发生了变化。直线 插补的终点判别是以Ｘ、Ｙ向所走的总步数作为判别参数，而圆弧插补的终点判别则较为复杂。一 般终点判别采用终点坐标和动点坐标相比较的方法，当Ｘ、Ｙ值均相等时，插补计算完成。为了获 得较好的算法，动点和终点是以绝对值参加运算，因而产生了过象限问题。如图３，实际的切削终 点是Ｃ点，但系统到Ｂ点就可能结束插补，为此，特为系统设计了过象限处理算法，见囹４。以第 一象限为例，系统首先判断起点、终点是否在同一象限，即是否存在过象限情况。若存在，则首先 进行第一象限的插补计算，并不断判断当前刀位点是否已过象限，若已过象限，则根据当前插补方 向调用第二象限或第四象限插补程序。５结束语通过使用本系统对哈尔滨汽轮机厂转子困４革一鱼 用起始回孤杨林流程回数控加工程序进行的仿真表明：系统可以动态、正确地对数按程序进行仿真 ，从而直观、形象地显示出刀具切削运动轨迹，并能及时、正确地识别出代码中错误的性质及位置 。此外，还可实现非实际切削加工中的数控程序验证。本系统的进一步开发应用对一般的制造厂和 未来的ＣＩＭＳ发展均具有重要意义。参考文献｜｜１声合明．数控加工过程仿真．华中理工大学 博士论文．１９９４２［日］岸甫编者．数控软件．国防工业出版社，１９８０３毕承恩，于乃建 主编．现代数控机床．机械工业山版社，１９９１（本文１９９４年１１月２５日收到）（统辑李 问沛）集成环境中的数控程序仿真系统设计@魏志强，施平$哈尔滨工业大学：集成环境，数控程 序，仿真本文介绍一种数控程序仿真系统，该系统利用软件方法模拟数控装置实现零件加工过程中 的直线插补和圆弧插补。通过对数控代码进行仿真，可以在计算机上动态地模拟出刀具切削运动轨迹，实现在非实际切削过程中对零件数控加工代码的验证。１声合明．数控加工过程仿真．华中理工大学博士论文．１９９４２［日］岸甫编者．数控软件．国防工业出版社，１９８０３毕承恩，于乃建主编．现代数控机床．机械工业山版社，１９９１