广东工业大学数控课程设计报告书.docx

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广东工业大学数控课程设计报告书

广东工业大学“数控技术”课程设计任务书

题目名称

针对非圆曲线的CAM软件开发

学生学院

机电工程学院

专业班级

机械设计制造及其自动化/微电子

姓名

学号

一、课程设计的内容

用计算机高级编程语言（如VB，VC++等）来实现非圆曲线的计算机辅助制造（CAM）软件的开发，针对不同的非圆曲线，可任选

（1）直线逼近（如等间距法、等弦长法、等误差法等）、或

（2）圆弧逼近的方法产生节点。

要求在满足允许误差的前提下，使得逼近的直线段或圆弧段的数量最少（即最优解），根据加工曲线轮廓自动生成刀具中心轨迹，自动生成加工NC代码，并能模拟实际加工走刀过程。

二、课程设计的要求与数据

具体的要求如下：

（1）列出一般的直线或圆弧逼近的算法（流程图）。

（2）列出改进的直线或圆弧逼近的算法（流程图）——即优化算法。

比较改进前与改进后的两种算法结果。

（3）针对给定的某一由非圆曲线所构成的平面轮廓，根据指定的走刀方向、起刀点，自动生成CNC代码。

（4）有刀具自动补偿功能，根据给定的补偿量和进给方向自动计算刀具中心轨迹，有过切报警功能。

（5）在屏幕上显示该非圆曲线所构成的平面轮廓。

根据给定的进给速度能模拟加工过程，并在屏幕上留下刀具所走中心轨迹。

一、概述……………………………………………………2

二、凸轮机构的发展概况…………………………………………3

三、课程设计任务………………………………………………3

四、软件设计………………………………………………7

1、程序设计语言的选择……………………………………7

2、程序算法的简述…………………………………………7

3、设计的流程图……………………………………………7

4、设计过程………………………………………………7

5、调试结果和界面…………………………………………15

五、总结……………………………………………………16

附:

参考资料…………………………………………………17

一、概述：

首先介绍了凸轮机构的特点和在国内外目前的应用发展情况，介绍了凸轮仿真设计的系统的主要设计任务，包括在编程时所采用的曲线的类型及对函数式的分析情况。

接着，介绍软件程序设计的各个过程，包括算法说明、流程图介绍。

还介绍了软件测试结果。

最后，对这次设计过程的心得体会。

SummaryoftheContents:

Introducecamorganizationpresentdevelopmentathomeandabroadatfirst,introducecammaindesigntaskofsystemthatemulationdesign,includingthetypesofthecurvesadoptedandsituationofanalysisonfunctiontypewhileprogramming.Then,introduceeachcoursethatthesoftwaredesignsprogram,includingthealgorithmisstated,flowchartintroduction.Havealsointroducedthetestresultofthesoftware.Finally,thegainsindepthofcomprehensiontothisdesignprocess.

二、凸轮机构的发展概况

凸轮机构是一个具有曲线轮廓或凹槽的构件.凸轮通常作等速转动,但也有做往复摆动或移动的.被凸轮直接推动的构件称为推杆.凸轮机构就是又凸轮,推杆和机架三个主要构件所组成的高副机构.凸轮的最大优点是:

只要适当地设计出凸轮的轮廓曲线,就可以使推杆得到各种预期的运动规律,而且机构简单紧凑.

凸轮机构是间歇运动的常用机构之一，广泛用于轻工机械、纺织机械、包装机械、印刷机械、内燃机等各种自动机械中。

凸轮机构之所以能在各种自动机械中获得广泛的应用，除了它的最大优点外,还因为它兼有传动、导引及控制机构的各种功能。

当凸轮机构用于传动机构时，可以产生复杂的运动规律，包括变速范围较大的非等速运动，以及暂时停留或各种步进运动；凸轮机构也适宜于用作导引机构，使工作部件产生复杂的轨迹或平面运动；当凸轮机构用作控制机构时，可以控制执行机构的自动工作循环。

人类对凸轮机构的认识由来已久，但直到十九世纪末，对凸轮机构还未曾有过系统地研究。

随着工业化的发展，对高效的自动机械的需求大大增加，需要改善内燃机配气机构的工作性能，所以直到二十世纪初，凸轮机构的研究才开始受到重视。

在二十世纪四十年代以后，由于内燃机转速增加，引起故障增多，才开始对配气凸轮机构进行深入研究，并从经验设计过渡到有理论根据的运动学与动力学分析。

现代机械日益向高速发展，凸轮机构的运动速度也愈来愈高。

因此，高速凸轮的设计及其动力学问题的研究已引起普通重视，提出了许多适于在高速条件下采用的推杆运动规律，以及一些新型的凸轮机构。

另一方面，随着计算机的发展，凸轮机构的计算机辅助设计和制造已获得普遍地应用，从而提高了设计和加工的速度及质量，这也为凸轮机构的更广泛应用创造了条件。

三、课程设计任务

（1）平面凸轮的数控加工程序的编制

设有凸轮如图1所示。

凸轮转角t与

从动件位移s的关系即凸轮轮廓的展成平面

图如图2所示。

要求分析凸轮的曲线规律，设计一个软件

图1

能够用于平面凸轮的参数化绘图和生成数控加工的代码。

即：

1.有一个凸轮设计的友好界面；图1

2.能够按照用户要求生成凸轮的曲线

轮廓，对于非圆几何形状可采用直线或圆

弧逼近的方法生成曲线；

3.能够生成数控代码；

图2

凸轮设计中涉及的有关参数可自行设定，或参考图2中的参数。

（2）曲线的类型及函数式的分析

所谓推杆的运动规律,是指推杆在运动时,其位移s速度v和加速度a随时间t的变化的规律.又因为凸轮一般为等速运动,即其转角&与与时间成正比,所以推杆的运动规律更常表示为推杆的运动参数随凸轮转角&变化的规律.例如图2就是推杆位移随凸轮转角变化的运动线图.

下面分析各种设计凸轮的数学表达式:

首先，采用《机械原理》中的一般凸轮设计的几种运动方程式，并对此作了修改：

1、多项式运动规律

（1-1）

式中

为凸轮的转角；s为凸轮从动件位移；

、

、

、…为待定系数，可以利用边界条件等来确定。

而常用的有以下几种多项式运动规律。

（1）一次多项式运动规律（速度为常数）

设取边界条件为

在起点处

，

.

在终点处

，

.

则由式（1-2）可得

，

，故从动件推程的运动方程为

，回程时h取负值。

（2）二次多项式运动规律（加速度为常数）

等加速运动方程：

等减速运动方程：

由于等加速等减速的曲线图形都是由两部分组成，而为方便曲线的分类，固对其进行修改。

其中原等加等减加速度函数为：

“

”和“

”。

两段曲线的范围分别为h/2,δo/2,，以h/2,δo/2,代入原式中，即可得到求出单独等加速或等减速的函数式。

由于采用的h值是相对的，所以回程时，只把h取负值即可。

2、三角函数运动规律

（1）余弦加速度运动规律（简谐运动规律）从动件的加速度

余弦规律变化，其运动方程为

（2）正弦加速度运动规律（摆线运动规律）从动件的加速度按正弦规律变化，其运动方程为

其中，等速运动：

极大的冲击；等加速、等减速：

冲击较大；余弦加速度运动：

冲击力较小；正弦加速度运动：

没冲击。

由于凸轮的曲线函数还有很多，如五项式、高次方、谐波等，而且由于凸轮的具体运用场合不同，如对心直推，偏置直动推杆盘状凸轮机构，摆动推杆，平底推杆等。

这些情况不在考虑的范围内，同时也忽略了对设计完成的凸轮的冲击力。

二、软件设计

1、程序设计语言的选择

目前流行的开发工具有C++Builder、VC、VB和Delphi，每一种开发语言都其特点。

在这次程序设计中，我选择了VisualBasic（VB）程序开发工具。

因为其设计语言简单易用，在编程系统中引入了面向对象的机制，提供了一种可视界面的设计方法。

用户可直接使用窗体和控件设计应用程序界面，极大地提高了应用程序开发的效率。

在程序中，我采用了多个应用窗口依次询问的方法，逐步完成凸轮的仿真设计。

每个窗体按照不同的功能而划分为：

登陆界面，基本参数选择界面，主窗体，NC加工窗体，还有帮助界面。

2、程序算法的简述

数控系统一般只有直线和圆弧插补的功能，对于非圆曲线轮廓，只有用直线和圆弧去逼近它，“节点”就是逼近线段与非圆曲线的交点。

一个已知曲线方程的节点数主要取决于所用逼近线段形状、曲线方程的特征以及允许的逼近误差。

在本程序中，由于时间的关系，我采用的逼近方法是直线逼近方法，简单易编程，容易检查出错误。

虽然会在某些线段中会产生较大的误差，但由于每段逼近线段的长度较小，因此，产生的误差都在允许的范围之内。

但是，也由于这个原因，使节点过多，这是无法避免的。

3、设计的流程图

初步构想界面确定确定逼近算法模块编写程序调制

4、设计过程

（1）程序流程图

（2）主要程序分析

1、初始坐标系绘制

PrivateSubcmdOK_Click（）'坐标初始化

Dimc1AsDouble,c2AsDouble,cAsDouble,aAsInteger

IfIsNumeric（TxtRise1.Text）AndIsNumeric（Txtr.Text）AndIsNumeric（TxtNum.Text）Then'判断输入的R,H,N是否是数字

m1=TxtNum.Text:

m2=Txtr.Text:

m3=TxtRise1.Text

TxtNum.Enabled=False:

Txtr.Enabled=False:

TxtRise1.Enabled=False

Form1.Labfun.Caption=""

Ifm1>=1Andm2>0Andm3>=0Then

a=Val（TxtNum）:

c1=Val（Txtr）:

c2=Val（TxtRise1）

c=1.2*（c1+c2）

Form1.Label15.Caption="Y":

Form1.Label12.Caption="0":

Form1.Lbls.Caption=c2

Form1.Label13.Caption="s":

Form1.Label14.Caption="δ":

Form1.Label11.Caption="X"

Form1.Label3.Caption="90":

Form1.Label4.Caption="0":

Form1.Label8.Caption="180"

Form1.Label9.Caption="270":

Form1.Label10.Caption="360"

'绘制PicView的坐标

Form1.PicView.Scale（-c,c）-（c,-c）

Form1.PicView.Line（0,-1.2*（c1+c2））-（0,1.2*（c1+c2））,RGB（0,0,255）

Form1.PicView.Line（-1.2*（c1+c2）,0）-（1.2*（c1+c2）,0）,RGB（0,0,255）

Fori=1To10

Form1.PicView.Line（0+i*（（c1+c2）/10）,0）-（0+i*（（c1+c2）/10）,c/50）,RGB（0,0,255）

Form1.PicView.Line（0-i*（（c1+c2）/10）,0）-（0-i*（（c1+c2）/10）,c/50）,RGB（0,0,255）

Form1.PicView.Line（0,0+i*（（c1+c2）/10））-（c/30,0+i*（（c1+c2）/10））,RGB（0,0,255）

Form1.PicView.Line（0,0-i*（（c1+c2）/10））-（c/30,0-i*（（c1+c2）/10））,RGB（0,0,255）

Nexti

'考虑升程和曲线段数的输入值的两种情况

'一,当升程为>0和曲线段数为>1时

Ifc2>0Anda>1Then

Form1.Cmbsel.Enabled=True

Form1.PicView1.ScaleHeight=-1.2*c2

Form1.PicView1.ScaleTop=c2

'绘制PicView1的坐标

Form1.PicView1.Line（0,0）-（360,0）,RGB（0,0,0）

Fori=1To4

Form1.PicView1.Line（0,0+i*（c2/4））-（5,0+i*（c2/4））,RGB（0,0,0）

Nexti

Form1.PicView1.Line（0,0）-（0,c2）,RGB（0,0,0）

Fori=1To8

Form1.PicView1.Line（0+i*（360/8）,0）-（0+i*（360/8）,c2/24）,RGB（0,0,0）

Nexti

Else

'二,当升程为<0或曲线段数为<1时

Form1.Cmbsel.Text="休程"

Form1.Labfun.Caption="r="&Val（Txtr）

Form1.Cmbsel.Enabled=False:

Form1.CmdOK.Enabled=True

Form1.Numend.Enabled=False:

Form1.Numh.Enabled=False:

Form1.Numstr.Enabled=False

Form1.PicView1.ScaleHeight=-12

Form1.PicView1.ScaleTop=10

Form1.CmdOK.Enabled=False

MsgBox"请检查输入的凸轮参数是否准确"

Fori=1To36

Form1.PicView1.Line（0+i*（360/36）,0）-（0+i*（360/36）,0.3）,RGB（0,0,0）

Nexti

EndIf

Form1.CountAll.Caption=TxtNum.Text:

Form1.CountNow.Caption=1

cn=1:

tch=0:

sch=Val（TxtRise1）:

wide=0:

high=0

Form1.PicView.DrawStyle=2'绘制两个虚线圆

Form1.PicView.Circle（0,0）,Val（Txtr）,RGB（250,0,255）

Form1.PicView.Circle（0,0）,Val（Txtr）+Val（TxtRise1）,RGB（250,0,255）

Form1.PicView.DrawStyle=0

CmdOK.Enabled=False

Form1.Numstr.Enabled=False:

Form1.Numend.Enabled=False:

Form1.Numh.Enabled=False

Else

MsgBox（"请正确输入正确的参数"）

EndIf

Else

MsgBox（"请正确输入数字"）

EndIf

Form1.Label1.Caption="基圆半径R为：

"&m2

Form1.Label2.Caption="升程H为：

"&m3

Dialog1.Hide

EndSub

PrivateSubEnd_Click（）

a=MsgBox（"真的退出吗？

",vbOKCancel,"退出"）

Ifa=vbOKThenEnd

EndSub

PrivateSubForm_Load（）

EndSub

2、凸轮轮廓曲线的主程序：

先判断输入值是否是数字，接着判断曲线的终止角度是否大于起始角度。

当输入最后一段时，系统自动生成最终的参数，并且判断是否在360度之内，自动连接曲线成封闭轮廓曲线。

PrivateSubcmdOK_Click（）

IfIsNumeric（Dialog1.Txtr.Text）AndIsNumeric（Dialog1.TxtRise1）AndIsNumeric（Dialog1.TxtNum.Text）_

AndIsNumeric（Numstr）AndIsNumeric（Numend）AndIsNumeric（Numh）Then'检查Text的内容是否为数字

str=Val（Numstr）:

end1=Val（Numend）:

h=Val（Numh）

a1=Numstr:

a2=Numend:

a3=Numh:

r=Val（Dialog1.Txtr）:

IfVal（Numend）>Val（Numstr）AndVal（Numend）<=360AndVal（Numstr）<360Then'检查终止角度（end1）是否大于初

IfVal（Dialog1.TxtRise1）=0OrVal（Dialog1.TxtNum）=1Then

'如果升程H=0或曲线段数N=1

Callforend:

Callcase0:

CmdOK.Enabled=False

Else

IfVal（Numh）<=Val（Dialog1.TxtRise1）AndVal（Numh）>=0Andcn=1And_

Val（Numend）<360Then

Callcaseall

ElseIfhigh+h<=Val（Dialog1.TxtRise1）Andhigh+h>=0Andcn>1And_

Val（Numend）<360AndNumend.Enabled=TrueOrVal（Numend）=360_

AndNumend.Enabled=FalseThen

Callcaseall

ElseIfVal（Numend）=360AndNumend.Enabled=TrueThen

MsgBox"范围出错！

"

Numend.SetFocus

Else

MsgBox"范围出错！

"

Numh.SetFocus

EndIf

EndIf

Else

MsgBox（"范围出错！

"）

CmdOK.Enabled=True

Numend.SetFocus

EndIf

Else

MsgBox（"输入为空或有非法字符，请重新输入！

"）

'如果输入的起始角度和终止角度不是数字,则出现警告

Numend.SetFocus

EndIf

EndSub

3、函数式生成曲线的程序：

以正弦曲线为例，先定义数组pcx（low）,pcy（low）下标范围，每次取0.1个单位角度，每次在picview上绘制一小段直线，直至结束为止。

并且判断是否为休程，假如为休程时，则生成圆弧的NC加工代码；否则，直接生成直线的NC加工代码。

每次绘制逼近线段时，其开始都是以上一次的逼近线段的终点为起点的，因此能够保证曲线顺利的过度连接。

Subcase3（）

low=10*Val（Numstr）

Fori=0To（end1-str）Step0.1

X=i

Y=h*（（i/（end1-str））-Sin（2*P*i/（end1-str））/（2*P））

PicView1.PSet（X,Y）,RGB（0,0,220）

pcx（low）=（r+（high+Y））*Sin（（wide+i）*P/180）

pcy（low）=（r+（high+Y））*Cos（（wide+i）*P/180）

PicView.PSet（pcx（low）,pcy（low））,RGB（0,0,220）

low=low+1

Nexti

IfVal（Numh）=0Then

CallNCyh

Else

List1.AddItema1&"～"&a2&"h="&a3&""&"正弦加速度运动"

CallNCzx

EndIf

EndSub

4、直线逼近加工代码：

每一段逼近线段的角度为1度，也就是说每一次加工1度的逼近线段，并且判断前一段是否为圆弧。

SubNCzx（）

i=str*10+1

List2.AddItem"G01"&"X"&Format$（pcx（str*10+1）,"##0.000"）&_

"Y"&Format$（pcy（str*10+1）,"##0.000"）'绝对坐标编程

List3.AddItem"G01"&"X"&Format$（pcx（str*10+1）-_

pcx（str*10）,"##0.000"）&"Y"&Format$（pcy（str*10+1）-pcy（str*10）,"##0.000"）'相对坐标编程

j=j+1

Fori=str*10+2Toend1*10-1

List2.AddItem"X"&Format$（pcx（i）,"##0.000"）&_

"Y"&Format$（pcy（i）,"##0.000"）

List3.AddItem"X"&Format$（pcx（i）-pcx（i-1）,"##0.000"）&_

"Y"&Format$（pcy（i）-pcy（i-1）,"##0.000"）

j=j+1

Nexti

List2.AddItem"X"&Format$（（Val（Dialog1.Txtr）+high+h）*_

Cos（（90-Val（Numend））*P/180）,"##