数控加工仿真及机械传动参数化程序设计.docx
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数控加工仿真及机械传动参数化程序设计
毕业设计（论文）
题目：
数控加工仿真和机械传动参数化程序设计
姓名
系（部）
专业
指导教师
毕业设计（论文）任务书
填表时间：
20**年03月18日（指导教师填表）
学生姓名
专业班级
指导教师
课题类型
软件工程
题目
数控加工仿真和机械传动参数化程序设计
主要研究
目标
（或研
究内容）
用Lisp语言开发建立复杂零件线切割加工代码的自动编程平台，成对实际零件的加工和验证工作。
完成机构仿真和加工仿真、数控代码自动编程的程序设计。
课题要求、主要任务及数量（指图纸规格、张数，说明书页数、论文字数等）
应用Lisp语言完成加工界面、参数选择、加工路径选择以及模拟加工仿真的子程序设计；编写加工仿真程序和3B加工代码的自动生成子模块；加工路径选择以及模拟加工仿真模块；建立复杂路径的识别和优化工艺，结构运动分析和设计的仿真程序的调试工作。
进度计划
第1~3周：
了解和掌握线切割加工特点和加工编程的基本知识，学习和掌握Lisp语言在加工仿真的应用理论；
第4~7周：
制定模拟程序设计方案；制定输出文件格式和模块设计；
第8~12周：
子程序设计、程序调试，加工仿真和系统优化分析；第13~15周，编写说明书，答辩。
主要参
考文献
《数控机床》
《线切割机床》
《AutoCAD应用与开发》
《Lisp语言程序设计》
指导教师签字：
教研室主任签字：
年月日
数控加工仿真和机械传动参数化程序设计
摘要
仿真技术是复杂系统研究和设计的一种新型、有效工具，可以在不消耗实际材料、不需要真实机床设备的情况下，进行零件切削过程的模拟，数控程序的检验，分析零件的可加工性和工序的合理性。
能够缩短产品的研制周期，降低成本，提高产品质量。
在设计中产品的结构形式是确定的，它需要根据某些具体的条件和具体的控制参数来决定产品某一结构形式下的结构参数，从而设计出系列化的产品或不同规格的产品，使机械设计的质量和效率得到了很大提高，更加方便快捷。
AutoCAD具有强大的二维和三维绘图功能。
采用AutoCAD内置二次开发工具AutoLISP语言、DCL语言，结合国家标准，开发一个新的AutoCAD平台上的命令，就可以实现机械产品设计的参数化；对已形成系列化的产品，设计人员只需调用该命令，在弹出的对话框中输入相应的参数，即可自动绘出该产品的图形，从而节约设计人员的绘图时间，提高作图效率。
而本设计就是以LISP语言为开发语言，实现了机械传动参数化程序设计，平面零件的加工仿真以及机构的运动仿真。
关键词：
数控编程，加工仿真，参数化，LISP语言
NUMERICAICONTROLPROCESSINGSIMULATIONANDMECHANICALDRIVEPARAMETERIZATIONPROGRAMMING
ABSTRACT
Theemulationtechniqueisonekindofnewandeffectivetoolanddesignedbycomplicatedsystem.Innotconsumetheactualmaterial,nottoneedintherealenginebedequipment'ssituation,Itcancarryonthesimulationofcomponentscuttingprocess,theexaminationofnumericalcontrolprocedure,andanalysiscomponents’machinabilityandworking-procedures’rationality.Itcanreduceproducts’developmentcycle,reducesthecost,improvetheproductquality.
Inthedesigntheproducts’structuralstyleisdefinite,Itneedsdecidesundertheproductsomestructuralstyleaccordingtocertainconcreteconditionsandtheconcretecontrolledvariablethedesignparameter,thusdesignsthestriationtheproductorthedifferentspecificationproduct,causingthemachinedesignthequalityandtheefficiencyhadtheverybigenhancement,moreconvenientquick.
AutoCADhasformidabletwo-dimensionalandthethreedimensionalcartographyfunction.UsingAutoCADbuilt-inre-developmenttoolAutotheLisplanguage,theDCLlanguage,theunionnationalstandards,developinganewAutoCADplatformtheorder,mayrealizetheparameterizationengineeringproductsdesign;Tohasformedserializedtheproduct,designersintoonlyneedtransferthisorder,andinputsthecorrespondingparameterinthedialogbox,thenitcandrawthisproductthegraphautomatically,thussavingdesigners’cartographytime,raisingthemappingefficiency.
ButthisdesignistotakeLispasthedevelopmentlanguage,realizingthemechanicaldriveparameterizationprogramming,theprocessingsimulationofplanecomponentsaswellasthemovementsimulationoforganization.
KEYWORDS:
Numericalcontrolprogramming,processingsimulation,parameterization,Lisplanguage
目 录
前言
随着科学技术的飞速发展，社会对产品多样化的要求日益强烈，产品更新越来越快，多品种、中小批量生产的比重明显增加;同时，随着航空工业、汽车工业和轻工消费品生产的高速增长，复杂形状的零件越来越多，精度要求也越来越高;此外，激烈的市场竞争要求产品研制周期越来越短。
传统的加工设备和制造方法己难于适应这种多样化、柔性化与复杂形状零件的高效率高质量的加工要求。
因此，近几十年来，能有效解决复杂、精密、小批多变零件加工问题的数控加工技术得到了迅速发展和广泛应用，使制造技术发生了根本性的变化。
发展数控加工技术，实现高水平的自动化、柔性化、敏捷化、网络化和数字化制造，是当前机械制造业发展的方向。
AutoCAD简介：
AutoCAD是目前机械设计领域应用最广泛的应用系统,随着机械CAD/CAM技术的普及和深入，研究如何将零件的图像高效、准确的转化为NC代码，并通过机械仿真加以验证和修改，在目前依然有着重要的意义和广阔的应用前景。
AutoLISP嵌入AutoCAD之后，使仅仅作为交互图形编辑软件的AutoCAD通过编程能真正成为进行计算机辅助设计、绘图的CAD软件。
LISP灵活多变、易于学习和使用，因而使AutoCAD成为功能强大的工具性软件，在此基础上开发一个新的AutoCAD平台上的命令，就可以实现机械产品设计的参数化。
加工仿真简介：
仿真英文全称是：
Simulation即:
使用项目模型将特定于某一具体层次的不确定性转化为它们对目标的影响，该影响是在项目整体的层次上表示的。
项目仿真利用计算机模型和某一具体层次的风险估计。
随着虚拟现实技术及计算机技术的发展，数控加工仿真技术得到了迅猛发展。
数控加工仿真是一种先进的计算机人机交互技术。
其技术特点在于计算机产生一种人为虚拟环境，模拟现实数控加工工艺系统环境。
传统的检查方法是在数控机床上进行试切,既费时又费力。
而利用计算机在屏幕上显示刀心轨迹，进行加工仿真,来验证数控加工程序的正确性，既方便又快捷。
本文介绍了平面类零件数控加工仿真程序设计，同时以LISP为开发语言，实现了机构简图的参数化设计以及机构的运动仿真。
第1章数控编程技术简介
1.1数控编程技术概述
1.1.1数控编程的基本概念
数控编程是数控加工准备阶段的主要内容之一，是指根据被加工零件的图纸和技术要求、工艺要求，将零件加工的工艺顺序、工序内的工步安排、刀具相对于工件运动的轨迹与方向、工艺参数及辅助动作等，用数控系统所规定的规则、代码和格式编制成文件，并将程序单的信息制作成控制介质的整个过程。
[1]
随着数控技术的发展，先进的数控系统不仅向用户编程提供了一般的准备功能和辅助功能，而且为编程提供了扩展数控功能的手段。
FANUC6M数控系统的参数编程，应用灵活，形式自由，具备计算机高级语言的表达式、逻辑运算及类似的程序流程，使加工程序简练易懂，实现普通编程难以实现的功能。
数控编程同计算机编程一样也有自己的“语言”，但有一点不同的是,现在电脑发展到了以微软的Windows为绝对优势占领全球市场。
数控机床就不同了，它还没发展到那种相互通用的程度，也就是说,它们在硬件上的差距造就了它们的数控系统一时还不能达到相互兼容。
所以，当我们要对一个毛坯进行加工时,首先要以我们已经拥有的数控机床的数控系统编程。
虽然，每个数控系统的编程语言和指令各不相同，但其间也有很多相通之处。
1.1.2数控编程的内容和步骤
数控机床的程序编制主要包括：
分析零件图样、确定工艺路程、数值计算、编写程序单、程序检验和首件试切、制作控制介质，如图1-1所示。
图1-1数控编程的过程
1.析零件图样、确定工艺过程
分析零件图样，明确加工内容和要求，从而确定正确的加工方法、定为加紧方式及加工顺序、使用刀具和切削用量等，即加工工艺路线。
在确定工艺过程中，要做到加工路线短，进给、换刀次数少，充分发挥数控机床的功能，加工安全、和靠。
2.值计算
根据零件的尺寸要求、加工路线及设定的坐标系，进行运动轨迹坐标的计算。
对由圆弧和直线组成的简单零件，只要计算零件轮廓上个元素的交点或切点的坐标，得出个几何元素的起点、终点、圆弧圆心等坐标值。
如果数控系统无刀具补偿功能，还应该计算刀具中心的运动轨迹。
对于由非圆曲线组成的复杂零件，由于数控机床通常只具有直线和平面圆弧插补功能，因而只能采用直线段或圆弧段逼近的方法进行加工，这时就要计算逼近线段和被加工曲线的交点（即节点）的坐标值。
对于简单的平面运动轨迹，各几何元素坐标值的计算常由人工完成。
如果运动轨迹十分复杂，或者是三维立体的，则坐标值的肌酸长借助于计算机来完成。
3.写程序单
根据计算出的运动轨迹坐标值和以确定的加工顺序、道具号、切削参数以及辅助动作等，按照规定的指令代码及程序格式，逐段编写加工程序单。
4.程序检验与首件试切,在加工之前，要对程序进行检验。
检验的方法有：
（1）空运法机床上不装夹，空运行程序，通过检查工件和刀具的运动轨迹、坐标显示值的变化来检验程序。
也可把机床锁住，只观察坐标显示值的变化来检验。
在数控铣床上加工平面零件时，还可用笔代替刀具，用坐标纸代替工件，进行空有运行画图来检验。
（2）图形模拟在具有图形模拟功能的数控机床上，可通过显示进给轨迹或模拟刀具对工件的切削过程，对程序进行检查。
（3）首件试切上述的方法只能检查程序是否正确，而不能保证零件加工的精度。
因此，有必要进行首件试切，分析影响加工精度的原因，加以解决。
5.制作控制介质
最后将调试好的程序内容记录在控制介质上，再输入至数控装置，或直接用键盘输入至数控装备并保存。
1.1.3数控编程的方法
数控编程分为手工编程和自动编程。
手工编程是指编程的各个阶段均由人工完成。
对于几何形状复杂的零件需借助计算机使用规定的数控语言编写零件源程序，经过处理后生成加工程序，称为自动编程。
1.手工编程手工编程是指程序编制的整个步骤几乎全部是由人工来完成的。
对于几何形状不太复杂的工件，所需的加工程序不长，计算也比较简单，出错机会较少，这时用手工编程既及时又经济，因而手工编程仍被广泛地应用于形状简单的程序编制中。
但在轮廓复杂，特别是加工非圆弧曲线、曲面等表面时，加工程序很长使用手工编程就十分繁琐、费时，而且容易出错，此时必须用自动编程的方法来编制程序。
2.自动编程有两种：
APT软件编程和CAM软件编程。
APT软件是利用计算机和相应的处理程序、后置处理程序对源程序进行处理并加工程序的编程方法。
在具体的编程过程中，除拟定工艺方案仍重要依靠人工进行外（有些自动编程系统能自动确定最佳的加工工艺参数），其余的工作，包括数值计算、编写程序单、程序检验和制作控制介质等工作均由计算机自动完成。
编程人员只需要根据工件图样的要求，使用数控语言编写出加工的源程序，送入计算机，由计算机自动的进行数值计算、后置处理，编写出加工程序单，并在屏幕模拟显示加工过程，及时修改，直至自动穿出数控加工纸带，或将加工程序通过直接通信的方式送入数控机床，指挥机床工作。
CAM软件是将加工工件以图形形式输入计算机，由计算机自动进行数值计算、前置处理，在屏幕上形成加工轨迹，及时修改，在通过后置处理形成加工程序输入数控机床进行加工。
自动编程的出现使得一些计算繁琐、手工编程困难或手工无法编出的程序得以实现，大大提高了编程质量和效率。
[2]
1.2数控编程技术发展趋势
1.2.1数控技术发展概况
随着现代技术的发展,数控技术从无到有,再到发展壮大,在很大程度上影响着国民经济和人民的日常生活水平，首先我们来看一下数控技术的发展初阶段。
1946年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动的工具。
它与人类在农业、工业、国防和科学技术等领域中创造的那些只是增强体力劳动的工具相比，起了质的飞跃，为人类进入信息社会奠定了基础，揭开了人类发展史的新篇章。
6年后，即在1952年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第一台数控机床。
从此，传统机床产生了质的变化。
从目前数控技术的发展状态看，数控技术正在发生根本性变革，由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。
在集成化基础上，数控系统实现了超薄型、超小型化；在智能化基础上，综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多学科技术，数控系统实现了高速、高精、高效控制，加工过程中可以自动修正、调节与补偿各项参数，实现了在线诊断和智能化故障处理；在网络化基础上，CAD/CAM与数控系统集成为一体，机床联网，实现了中央集中控制的群控加工。
数控技术发展趋势，从高速度高精度高效化角度，高速度高精度高效化是在激烈的市场竞争中立于不败之地的最关键因素，速度、精度和效率是机械制造技术的关键性能指标。
1.2.2国外数控系统的发展概况
目前,数控技术正在发生根本性变革，由专用型封闭式开环控制模式正向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。
1.在集成化基础上，数控系统实现了超薄型、超小型化。
2.在智能化基础上，综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多学科技术;数控系统实现了高速、高精、高效控制，加工过程中可以自动修正、调节、补偿各项参数，实现了在线诊断和智能化故障处理。
3.在网络化基础上，CAD/CAM与数控系统集成为一体，机床联网，实现了中央集中控制的群控加工。
1.2.3现有数控技术的优势与不足
1.随着计算机技术的发展，给传统制造业带来了根本性变革，进入了现代制造技术时代。
现代制造系统（不同于传统制造系统的刚性和固化特征），采用了高精度、高效率、高柔性、高自动化等特征的数控技术。
数控技术集成微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制等高新技术，对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。
2.长期以来,以数控技术为基础的数控系统一直采用封闭式体系结构，CNC只能作为非智能的机床运动控制器。
加工过程的各种变量必须根据经验以固定参数形式事先设定，加工程序在实际加工前要用手工方式或CAD/CAM自动方式编程。
CAD/CAM和CNC之间在加工过程或环境条件发生变化后，一般没有反馈控制环节，整个制造过程中CNC只是一个封闭式的开环执行机构。
在复杂环境和多变量条件下，加工过程中的刀具组合、工件材料、主轴转速、进给速率、刀具轨迹、切削深度、步长、加工余量等加工参数，还不能在现场环境下根据外部干扰和随机因素实时地动态调整，更不能通过反馈控制环节随机地修正CAD/CAM中的设定量,从而影响到CNC的工作效率和产品质量。
由此可见，CNC系统的这种固定程序控制模式和封闭到体系结构，已不适应日益复杂的制造过程；CNC系统应进一步地向高度自动化、高度智能化方向发展。
1.2.4数控技术的发展趋势
1.性能的智能化方向趋势
数控系统除在高速高精高效化、柔性化、工艺复合性和多轴化等方面发展外,还在实时智能化方面加强了充分的认识和重视。
早期的实时系统通常针对简单的理想环境，其作用是如何调度任务，确保任务在定期内完成。
然而人工智能则试图用计算模型实现人类的各种智能行为。
随着实时系统和人工智能相互结合,人工智能正在向着具有实时响应的、更现实的领域发展；而实时系统也正朝着具有智能行为的、更加复杂的应用发展；由此产生了实时智能控制的新领域。
在数控技术领域,实时智能控制研究和应用的主要趋势分支有：
自适应控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制、学习控制、前馈控制等。
2.功能的智能化方向趋势
数控系统除在用户界面图形化、科学计算可视化、插补和补偿方式多样化、高性能PLC和多媒体技术应用等方面发展外，还可做到信息处理智能化，例如在实时监控系统和生产现场设备的故障诊断、生产过程参数监测等方面实施高度智能化处理。
第2章NC系统的基本知识
数控，即数字控制（NumericalControl，简写为NC）。
数控技术，即NC技术，是指用数字化信息（数字量及字符）发出指令并实现自动控制的技术。
计算机控制（ComputerNumericalControl，简写为CNC）是指用计算机实现部分或全部基本数控功能。
NC也可以叫做瘦客户端。
NC模式是一种全新的C/S模式，在欧美很流行。
NC模式称为终端服务（TERMINALSERVICE）和基于WINDOWS的终端（WINDOWS-BASEDTERMINAL，WBT）。
NC除了没有硬盘、CD-ROM、软驱，其他与一台PC机没有什么差别，也拥有主板、内存、网卡、显卡、鼠标键盘接口、并口、串口、USB口。
NC采用的工作模式是C/S（CLIENT/SERVER）模式，由于没有硬盘所以终端所使用的全部数据是放在服务器上的，当NC登录到服务器以后，服务器会发送给终端一个早已设置好的用户界面以及适合该用户的一些应用程序，服务器接收由终端所发出的进行操作的鼠标键盘命令，然后将运算的结果图像发送回终端显示。
采用NC进行工作，所有的升级工作和管理维护工作均集中在服务器端。
自1952年美国MIT研制出第一台NC机床以来的50年间，NC系统发生了巨大的变化。
随着微电子、计算机技术的进步，NC系统大致经历了六大阶段，即：
1.1952-1958年的电子管NC系统阶段；2.1959-1964年的晶体管NC系统阶段；3.1965-1969年中小规模集成电路NC系统阶段；4.1970-1973年的小型计算机NC系统阶段；5.1974-1993年的小型计算机CNC的NC系统阶段；6.1994年迄今NC与个人计算机（PC）结合的开放化NC系统阶段。
今后，将进入第七阶段，即高度软件的NC系统开发阶段。
软件在NC系统中的作用将越来越大。
经过10年的开放化科研与开发实践，目前世界上的许多NC系统，大都为开放化形式，但都不统一，最主要的区别有三点，即：
1.是否是在工业标准的硬件平台和总线结构基础上设计出来；2.控制运动的软件是否采用了工业标准的开放操作系统；3.采用流行的硬件和软件能否与工厂网络联接。
今后开放化NC系统的发展与统一仍将是21世纪机床控制技术的努力方向。
NC系统开放化今后的发展趋势主要有三：
1.在控制器技术，接口技术、感测技术、执行器技术、软件技术五大方面开发出优质、先进、适销的经济，合理开放化NC系统；2.NC系统今后主攻方向是进一步适应高精度、高效率（高速）、高自动化加工的需求，特别是对复杂任意曲线、任意曲面零件的加工，需要利用新的加工表述语言，简化设计、生产准备、加工过程并减少数据储存量，并采用64位CPU实现CAD/CAM进行三维曲面的加工；3.开放化个人计算机NC系统的实现网络化，使NC机床配上个人计算机开放化NC系统，能在厂内并与厂外通信网络联结，对NC机床能进行工作管理，远距离监视、情报检索等，在实现高精度、高效率加工的基础上，进一步实现无人化、智能化、集成化的高度自动化生产。
[3]
第3章数控加工过程仿真
3.1仿真技术概述
3.1.1基本概述
机床数控技术是20世纪70年代发展起来的一种机床自动控制技术。
20多年来随着计算机、传感与检测、自动控制及机械制造等技术的不断进步，机床数控技术得到了迅速发展。
数控机床作为典型的机电一体化产品是高新技术的重要组成部分，采用数控机床提高机械工业的数控化率，已成为当前机械制造技术更新的必由之路。
近年来，数控机床在制造行业得到了越来越广泛的应用。
在数控加工过程中，无论采用什么系统进行数控程序的编制,都可能发生错误，编程人员事先对这些错误往往很难预料，尤其是对于多坐标数控铣床手工编程产生的数控程序，由于其复杂性和不可靠性，在进行产品加工前，往往要进行多次检查和程序调整，包括模拟零件的加工过程，检验刀位计算是否正确、加工过程是否过切、所选刀具、走刀路线、进退刀方式是否合理、刀具和约束面是否干涉与碰撞等等。
为检查数控程序的正确性,传统上采用试切的方法，但这种方法费工费料，代价昂贵，延长了产品的生产周期。
后来又采用轨迹显示法，即用计算机控制铅笔绘图器，以笔代替刀具，以纸代替毛坯来仿真刀具运动轨迹的二维图形。
这种方法可以显示三轴加工轨迹，也可以检查一些大的错误，但其运动仅限于平面，局限性很大。
为此，人们一直在研究能逐步代替试切的仿真方法，并在试切环境的模型化、仿真计算和图形显示等方面取得了重要进展。
在这种情况下，数控加工的计算机仿真技术应运而生。
仿真技术是复杂系统研究和设计的一种新型、有效工具。
所谓数控加工仿真，是指采用计算机图形学的手段对加工走刀和零件切削过程进行模拟,具有快速、仿真度高、成本低等优点。
数控加工仿真采用
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