基于STEPNC的数控车削加工仿真关键技术研究.pdf

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1、山东大学博士学位论文基于STEP-NC的数控车削加工仿真关键技术研究姓名：陈秀生申请学位级别：博士专业：机械制造及其自动化指导教师：张承瑞20070408摘要墙季●⋯数控技术诞生后的50年问，数控编程都是基于Is06983标准，即采用G，M代码描述如何加工，其本质特征是面向加工过程。近年来的研究和实践表明，基于IS06983的传统数据接口存在现场编程或修改非常困难、产品信息不全、系统阃信息交换困难等缺点，不利于实现数控系统的智能化，已成为阻碍制造系统信息集成的瓶颈，严重制约着数控系统乃至制造业的发展。为此，欧美等发达国家提出了一种新的CAM^CNC接口规范，称为STEP-NC，即为CNC

2、定义的一种与S研狙兼容的新接口标准。STEP-NC遵从STEP(ISO10303)中对几何信息的描述规则，同时又加入了与数控加工有关的工艺信息，并以面向对象的方式通过一系列特征的几何信息和加工要求来描述整个数控加工任务，从而将产品数据交换STEP标准(ISO10303)延伸到数控加工领域，建立起一条贯穿产品设计与制造过程的信息高速公路。STEP-NC的出现对于数控技术的发展乃至整个制造业，将产生深远的影响。STEP-NC取代传统的G、M代码以后，数控加工阶段实际上成为制造信息最集中的阶段，数控系统能够全面了解加工对象、加工资源、条件以及本身运行状况，从而可以实现对加工过程进行智能化控制。

3、本文的研究是基于SⅡ狙小配的智能化数控系统开发的一部分，以车削为研究对象，重点研究了STEP-NC车削数控系统中仿真模块实现的关键技术，为STEP-Nc车削数控系统智能化的实现提供了理论依据。作为STEP-NC数控车削系统智能化决策的依据，仿真模块是STEP-NC数控系统的重要组成模块之一，在对仿真模块在数控系统中所执行的功能进行分析的基础上，提出了基于STEP．Nc的数控车削加工仿真系统的体系结构。整个体系结构由仿真数据准备、仿真建模和仿真运行等三大部分组成。仿真数据准备主要是指进行仿真前所必须进行的数据的处理、加工规划、刀具路径规划等工作。根据建模的目的和作用的不同，仿真建模主要由两

4、部分组成：几何仿真建模和物理仿真建模。物理仿真建模主要包括了切削力、振动、加工质量、加工温度场、刀具磨损等模型的建立。几何仿真建模主要是指几何仿真所需要的几何模型、运动模型、仿真控制模型等的建立。仿真运行和输出是指在仿真环境中运彳亍仿真模型，得出仿真结果．该体系结构为STEP-NC车削加工仿真的研究提供了基础。STEP-NC车削程序的解析、加工规划以及刀具路径规划是进行仿真的前提。基于STEP-NC车削标准和车削程序，对STEP-NC车削程序的解析、工艺规划和刀具路径规划进行了研究。STEP-NC车削程序解析的关键是程序语言向建模仿真Ⅸ山东大学博士学位论文语言的翻译和程序信息的检索，根据

5、EXPRESS语言的语法特点，制定了STEP-NC标准采用的描述方式向仿真建模语言(C++)映射的规则，应用该规则可以将STEP-NC程序的不同数据结构转化为不同的c++类；提出了根据关键字和属性检索STEP-NC车削程序信息的方法，检索得到的信息赋值给C++类对象中的成员变量，从而可以完成程序的解析。根据STEP-NC车削信息中对工艺问题的描述，分析了车削加工规划所涉及的基本问题，采用在工步之间加入一些辅助工步或操作的方法实现了车削工步序列的连续化问题，从而解决了车削加工规划的基本问题。在对几何模型的建立方法进行分析的基础上，根据STEP-NC车削加工的特点，提出了STEP-NC车削仿

6、真工件几何模型的建立方法。将制造特征按照工步进行划分，形成工步制造特征，进行工件几何造型时，将工步制造特征依照其在工件坐标系中的位置和加工后的工件的几何模型叠加在一起，形成工件的初始几何模型，进行加工时，按照工步的执行顺序，依次从初始工件模型上去除每个工步的暴4造特征，形成加工后的工件。采用上述方法，在仿真时可以清晰的表达每个工步制造特征的加工情况，从而解决了车削仿真工件几何建模的基本问题。切削力建模与仿真是STEP-NC车削加工过程物理仿真的基础，根据STEP-NC车削数据模型和数控程序中的信息，建立了适用于STEP-NC车削加工过程的切削力模型。STEP-NC车削程序提供了工件材料、

7、切削用量以及刀具参数等信息，这些信息是影响STEP-NC车削加工过程切削力的主要因素，刀具和工件相对位移的变化将引起切削力的变化，进而引起加工过程中的振动，最终影响到加工质量。论文中的切削力建模过程综合考虑了切削加工过程中工件材料、切削用量、刀具几何参数以及刀具．工件的相对位移等因素，建立了包含上述因素的sTEP小『C切削力的机械模型，模型可以较为全面地反映各因素对s11狙．Nc车削加工切削力的影响，建立了STEP-NC切削力模型仿