数控仿真系统范文

【关键词】网络数控；Java语言；逐点比较法插补；仿真

网络数控系统（NetworkNumericalControl，NNC）是以通讯和资源共享为手段，以车间乃至企业内的制造设备的有机集成为目标，支持ISO-OSI网络互联规范的自主数控系统。Java语言是一种跨平台的面向对象语言，它简单、可移植、与平台无关，具有很强的安全性，并可提供分布性、动态性的支持。同时，Java还有丰富的类库，使程序设计者可以很方便地建立自己的系统。为此，本文采用了具有平立性的Java语言，设计开发了网络数控加工仿真系统，对数控加工过程进行仿真。

1Java简介

Java平台由Java虚拟机（JavaVirtualMachine，简称JVM）和Java应用编程接口（ApplicationProgrammingInterface，简称API）构成。Java应用编程接口为Java应用提供了一个独立于操作系统的标准接口，可分为基本部分和扩展部分。在硬件或操作系统平台上安装一个Java平台之后，Java应用程序就可运行。现在Java平台已经嵌入了几乎所有的操作系统。这样Java程序可以只编译一次，就可以在各种系统中运行。

2Java五大特点

（1）灵活简单。Java没有太高的语法和编程技术上的要求，且Java语言在集成功能程序方面也有着其他编程语言不可比拟的优势，因此常常被作为WEB开发的首选。

（2）Java具有面向对象编程语言的四种基本特征：封装性、多态性、继承性和动态联编。

（3）更好的可靠性和网络安全性。Java语言可以利用自带的机制，阻止其他恶意程序代码的攻击，并利用自带的安全预防机制对网络下载的包、类进行分析得以实现程序的运行。

（4）Java语言可并行操作。在Java的操作环境下，Thread类和Runnable接口的对象通过独特的编写方式和相关的类库等程序操作来创建一种特别的对象——线程。基于这样的编写方式和操作流程，Java语言具有更高的效率，能够多线程一同或者并行工作且互不影响。

（5）动态性。Java语言不仅可以在不影响操作程序的前提下，通过动态的编辑操作将类和包调入到运行的系统环境当中，还可以实时的对包和类进行调用和下载。

3开发平台

（1）操作系统。系统选WindowsXP为软件开发和运行的操作系统，但采用Java语言开发，具有平立性，可以在任一操作系统下运行。

（2）开发工具。系统采用Borland公司开发的集成开发工具Jbuilder9.0，该工具支持可视化编程和面向对象技术。客户通过builder的相关操作，可以得到所需的数据库表的Java类；实现各种各样电子商务平台的开发；结合运用Java语言开发动态WEB，实现图形模式窗口和线程并行操作。

4关键技术的实现

4.1仿真实时性的实现

仿真实时性要求仿真系统的运行满足一定的时间约束条件，使控制仿真时间与机器时间满足规定的约束关系。为了实现加工过程的仿真实时性，系统采用了多线程技术。多线程的支持是Java的一大特点，利用它实现了多个任务的并发执行，提高了插补的运算速度，有效地控制仿真时间，解决了加工过程仿真的实时性问题。

4.2动态仿真的实现

动画制作中最常用的是载入多幅图像，按一定顺序依次显示，形成动画。本文采用Java语言自行绘制图形实现动画。

（1）调用sleep（）方法

为了使连续显示的图像之间的时间间隔保持稳定，调用sleep（）方法实现延迟。在方法中，可以设置延迟的时间。

（2）解决动画演示的过程中的闪烁问题

动画演示的过程，就是屏幕不断刷新的过程，但会产生令人烦恼的闪烁问题。为了解决闪烁问题，本文采用的方法是在动画显示过程中，首先定义构成动画的图像大小相同、位置相同，然后利用缺省的paint模式，使得图像连续显示过程中，后面的图像完全覆盖前面的图像，从而不必要清屏，最后通过删除update（）方法中的清屏语句，消除了动画闪烁。

5数控插补（Interpolation）

所谓插补（Interpolation）就是根据给定进给速度和给定轮廓线性的要求，在轮廓的已知点之间，确定一些中间点的算法。

本系统采用逐点比较法进行数控插补。

5.1逐点比较法直线插补

（1）偏差函数的构造。第一象限的直线插补原理图如图1所示，编程时给出要加工直线的起点和终点，若以直线的起点为原点，则终点坐标为E（Xe，Ye），点P（Xi，Yi）表示刀具的位置。

若点P恰好在直线上，则下式成立

Yi/Xi=Ye/Xe，即XiYe-YiXe=0

若点P恰好在直线上方，则

Yi/Xi>Ye/Xe，即XiYe-YiXe>0

若点P恰好在直线下方，则

Yi/Xi

由上所述，可以取函数F=XiYe-YiXe作为偏差判别的一个函数，此函数称为偏差函数。由偏差函数F（Xi，Yi）的数值就可以判别当前点与直线的相对位置，即

当F（Xi，Yi）=0时，刀具在直线上；

当F（Xi，Yi）>0时，刀具在直线上方；

当F（Xi，Yi）

（2）偏差函数的递推计算。采用偏差函数的递推式，即由前一点计算后一点。若Fi≥0，沿+X方向走一步，则新的坐标和偏差为

Xi+1=Xi+1，Yi+1=Yi

Fi+1=XeYi-（Xi+1）Ye=XeY-XiYe-Ye=Fi-Ye

若Fi≤0，沿+Y方向走一步，则新的坐标和偏差为

Xi+1=Xi，Yi+1=Yi+1

Fi+1=Xe（Yi+1）-XiYe=Xe+XeYi-XiYe=Fi+Xe

（3）终点判别。刀具每进给一步，都要进行一次终点判别，若已经达到终点，插补运算停止，并发出停机或转换新程序段的信号，否则继续进行插补循环。

6加工实例的仿真演示

采用中星数控机床厂的型号为CK6150的数控车床，进行实例验证。利用开发的仿真系统，对第一象限内的直线加工过程进行仿真，仿真结果如图2所示。

图2直线加工仿真实例

7结语

本文采用具有平立性的Java编程语言，以JavaApplet应用程序为载体，解决了仿真过程中的图像闪烁、声音载入等问题，实现了仿真过程的实时性动态仿真，完成了网络数控的二维加工仿真系统的开发。并在CK6150数控车床上，对直线、圆弧加工过程进行试验验证，仿真结果表明系统具有界面友好、计算速度快和平台可移植等优点，具有一定的实用性和应用价值。

参考文献：

数控仿真系统范文篇2

关键词：数控加工；仿真系统；虚拟现实；教学效果

中图分类号：G423.0

文献标识码：A

文章编号：1009-2374(2009)03-0208-02

数控加工技术在机械制造业中的应用广泛，传统的机床操作教学方法效率低、教师工作量大，需要用更新的方法来取代。数控加工仿真系统是理论与实验结合、厂家实际加工制造经验与高校教学训练一体所研发的一种机床控制仿真系统软件，可以满足大批量学生教学需求。数控仿真系统软件还能弥补了教学投入大、消耗多、成本高的缺陷，它可以在微机平台上运行，解决了教学时学生多机床设备少的问题、并为学校节省了大量设备购置经费。数控仿真系统软件可以在微机平台上运行，学生可利用此软件进行仿真操作，会起到真实设备的教学效果。数控加工仿真系统安全、经济实用。能够集中精力帮助学生分析、解决实际问题，保证了教学质量使教学效果得到显著提高。能利用此软件对数控装置进行仿真操作，使学生达到实际操作训练的目的，动态的仿真操作使教学过程易教易学、教学效果显著。

一、数控加工仿真系统的特点

随着虚拟现实技术及计算机技术的发展，出现了可以模拟实际机床加工环境及其工作状态的计算机仿真加工系统，它是一个应用虚拟现实技术于数控加工操作技能培训的仿真软件。各种数控加工仿真教学系统如上海宇龙、北京斐克、南京宇航、广州超软、武汉金银花等不同的数控加工仿真软件，既能单机系统独立运行。又能实现在线运行。采取数控加工仿真教学方法能进一步提高操作者的实际操作技能。实践证明，用这种方式进行教学是非常经济有效的。

1．虚拟数控机床具有以下的功能和特点：(1)虚拟数控机床具有与真实机床完全相同的结构。虚拟数控机床能模仿真实机床的任何功能而不致因为采用某种近似替代而导致某种结构和信息的失真或丢失，并与真实机床有完全相同的界面风格和对应功能，如动态旋转、缩放、移动等功能的实时交互操作，从而为学员的学习和培训提供保证。(2)机床操作全过程仿真。仿真机床操作的整个过程：毛坯定义，工件装夹，压板安装，基准对刀，安装刀具，机床手动操作。(3)丰富多样的刀具库。系统采用数据库统一管理的刀具材料、特性参数库，含数百种不同材料、类型和形状的车刀、铣刀，同时还支持用户自定义刀具及相关特性参数。(4)全面的碰撞检测。手动、自动加工等模式下的实时碰撞检测，包括刀炳刀具与夹具、压板、刀具，机床行程越界，主轴不转时刀柄刀具与工件等的碰撞。出错时会有报警或提示，从而防止了误操作的发生。强大的测量功能。可实现基于刀具切削参数零件粗糙度的测量，能够对仿真软件上加工完成后的工件进行完全自动的、智能化的测量。(5)具有完善的图形和标准数据接口。用户既能在真实的环境中运行虚拟机床，又能观察它的各种运行参数，并能将其他CAD/CAM软件。(6)实用灵活的考试系统。可用于远程网络学习、作业、考试等功能，并实现答卷保存、自动评分、成绩查询和分析等功能，轻松实现无纸化的考核与测评。

2．数控加工仿真系统在教学应用中的意义，数控技术是一门实践性很强的课程，在以往的教学中，由于缺乏必要的设备支持，只能采取课堂教学来“纸上谈兵”单一的课堂教学，单向的信息流动很难让学生有系统，全面的认识。将此仿真软件应用到教学中，具有如下意义：(1)将传统的被动教学变学生参与的主功教学，培养学生的实际动手能力；(2)利用虚拟机床代替实际机床，可消除实际机床加工的危险因素；(3)在计算机上模拟加工过程代替试切，可不消耗材料，降低成本；(4)可有效解决设备不足的问题，使每个学生都可参与其中，极大提高学生的学习兴趣，取得更好的教学效果；(5)满足网络教学和远程培训的需要。

3．数控加工仿真系统特点。通过该软件可以使学生达到实物操作训练的目的，并且安全可靠。通过动态的仿真操作使教学过程易教易学、教学效果显著提高：(1)系统完全模拟真实数控机床的控制面板和屏幕显现，易教、易学，可轻松操作；(2)学生和培训学员可根据自己熟悉的机床任意选择机床设备进行操作；(3)在虚拟环境下对NC代码的切削状态进行检验，操作安全；(4)学生可看到各种机床真实的三维加工仿真过程，并能检查和测量加工后的工件，可以更迅速的掌握数控机床的实操过程；(5)采用虚拟机床替代真实机床进行教学与培训，在降低费用的同时获得更佳的教学和培训效果，使用更经济。其优点在于系统完全模拟真实CNC机床的控制面板和屏幕显现，可轻松操作。在虚拟环境下对NC代码的切削状态进行检验，操作安全。用户可看到真实的三维加工仿真过程，仔细检查加工后的工件，可以更迅速的掌握CNC机床的操作过程，过程逼真。

二、虚拟数控机床平台的构建

数控仿真系统的核心是虚拟数控机床，而虚拟数控机床又是虚拟制造技术中的一个重要的执行单元。数控仿真系统完全模拟真实零件的加工过程，可以检验各种数控指令是否正确，能提供与真实机床完全相同的操作面板，其调试、编辑、修改和跟踪执行等功能也一应俱全，数控加工仿真系统实际上是虚拟环境中数控机床的模型。虚拟数控机床一般是通过以下的构建平台来实现上述功能：

1．NC解释平台。NC解释平台包括NC解释器和NC验证器。任务分配数据库从任务调度中接受数控代码并将其翻译为虚拟机床的部件、刀具等运动的信息，并将其通过计算模块来模拟机床的响应，NC解释器能够被自由地配置从而能够模拟任何一种数控机床的CNC控制器。

2．NC验证器。能够验证NC代码的语法是否正确。

3．刀具库。刀具库应包括一台数控机床所需要的所有刀具。并能自由配置刀具库中的刀具号，从而能模拟任何一种数控机床的换刀形式及切削加工的要求。

4．仿真平台。仿真平台包括刀具轨迹仿真、切削力仿真，加工精度仿真、三维动画仿真、加工工时统计分析，仿真平台是虚拟数控机床的核心技术。操作者可以在虚拟的环境中进行机床运动和切削过程等的仿真，从中获得相关的加工数据。如进给轴的位移量、换刀状态、主轴转速、加速度、进给量、加工时间等。通过加工过程的仿真，了解所设计工件的可加工性，验证NC代码的正确性以及评价和优化加工过程，并通过在线修改NC代码来将其优化。

5．计算平台。计算平台用来完成虚拟数控机床中各种计算，如根据NC代码计算加工零件新的几何形状，根据刀具的材料、运行时间、零件的材料性质和介质的性质计算刀具的补偿量和热补偿量。这些计算结果是虚拟数控机床在应用于虚拟制造过程中的加工方案评价以及可制造性分析所必须的。

6．设计开发平台。虚拟数控机床的设计平台是一个面向对象的数控软件库及其开发环境。通过对数控软件的标准化、规范化研究和其它CAD／CAM软件的数据交换，并对典型的零件进行封装，设计成具有稳定、通用接口的可重复使用的软件。

7．操作运行平台和监控平台。在虚拟环境中完全实现真实机床的操作，让使用者完全感受到真实机床的运行特性。在这些基础上的监控硬件和软件，用来控制简易机床，增加虚拟数控机床的真实感，并且可以进行典型零件的实验性试切加工，让使用者有一种身临其尽的感觉。尤其是在数控教学和培训过程中，初学数控编程者需要大量的编程练习，并进行实际调试。用试切法来检验数控加工程序显然不合理，而且也难于实现。如果利用仿真技术，这些问题可以轻松得到解决，从而避免编程时人为出错或工艺不合理造成工件报废。

三、数控加工仿真系统在教学中的应用

虚拟数控机床强大的网络功能，可实现远程教育，不仅在局域网上具有双向互动的教学功能，还具有基于互联网进行双向互动的远程教学功能，使用数控加工仿真系统软件进行辅助教学，主要从以下几个方面进行探索与实践：

1．课堂教学中采用灵活教学手段，变学生被动学习为主动学习，恰当运用数控加工仿真系统，充分发挥其课堂教学中的作用。教师应十分重视数控加工仿真系统的在教学中的应用方法，摆正数控加工仿真系统在教学中的位置，既不能完全依赖数控加工仿真系统放弃教师在教学中的引导作用，也不能在教学中教师唱独角戏，采用常规的教学模式而忽视数控加工仿真系统的应用，应该科学地、充分地发挥数控加工仿真系统在教学中的作用。

2．科学安排教学内容，循序渐近，掌握数控编程与操作技巧，在教学过程中教学内容的安排可分模块化教学。(1)基础模块，主要讲解与训练最常用的FANUC数控系统中的数控车床、数控铣床、数控加工中心的编程方法、操作及应用，这一模块是教学重点，必须使学生熟练掌握，灵活应用；(2)提高模块。主要讲解与训练SIEMENS数控系统的三种机床的编程与操作，以帮助学生进一步加强在不同数控系统下对不同数控机床的编程方法的理解与应用能力；(3)拓展模块，如讲解国产数控系统中的华中数控系统和广州数控系统中的数控车床的编程与操作方法，扩大学生的知识面，提高学生对不同操作系统、不同操作面板的编程与操作能力，正确进行教学评价，提高学生的学习意识和自觉性。利用数控加工仿真系统的教学方法、教学手段来提高学生的学习兴趣显得尤为重要。

3．恰当运用数控加工仿真系统，充分发挥其课堂教学中的作用，数控加工仿真系统主要应用于数控编程与操作这一理论教学课程，还可作为数控操作技能训练的辅助工具。在操作方面，由于数控加工仿真系统采用了与数控机床操作系统相同的面板和按键功能，并且使用数控加工仿真系统在操作中即使出现人为的编程或操作失误也不会危及机床和人身安全，反而学生还可以从中吸取大量的经验和数训。将理论与实践有机地结合在一起边讲授边练习，使讲过的知识及时应用于实践中，不但可加深学生对理论知识的理解，而且在模拟操作的同时对数控机床的操作方法上也将具备相当水平的实践基础。

数控仿真系统范文

关键词：同步转向系统；数模混合控制；高速开关阀；AMESim仿真；

中图分类号：TU61文献标识码：A

引言：

近些年来，专用汽车和工程车辆逐渐向大型化和重型化方向发展，使得重型和超重型车辆成为研究热点。特别是随着中国高铁建设的加速，高架桥的建设离不开运梁车，提梁机等大型工程机械，这些大型工程机械轮组众多，转向同步要求精度高。多轮同步转向系统的主要优点是在转向时能够保持车辆质心侧偏角基本为零，改善横摆角速度和侧向加速度的瞬态性能指标，使转向更平稳精确。因此对多轮同步转向系统的研究具有重要意义。

多轮同步转向系统的原理

要实现多轮转向同步，这就要求各轮在转向时中心线要汇交于提梁机的回转中心上，车辆绕着这个回转中心转动，多轮同步转向原理图如图1所示。

图1多轮同步转向原理图

以DLT900轮胎式提梁机的多轮转向机构左转5度为例，通过机构尺寸可计算出轮组间的同步关系，取其中两个轮组同步曲线进行分析。图2为DLT900轮组同步转向原理图，图3为轮组机构图。

图2DLT900轮组同步转向原理图

图3DLT900轮组转向机构图

设转向推动缸11（轮组11的转向执行元件）匀速缩回，在5秒内转过5度，则此时转向推动缸缩短44.15mm，转向推动缸活塞直径为135mm，活塞杆直径为90mm，有杆腔工作，通过相关计算可以得出轮组11,12理想的转角同步曲线为如图4所示。

图4轮组1、2理想转角同步曲线

数模混合控制方案分析

2.1数模混合控制液压系统原理图

多轮转向系统一般都是LUDV系统，系统使用最多的控制阀是带压力补偿的电液比例换向阀（例如力士乐的M4、M7系列），这类阀可以在负载变化或压力源变化的情况下输出恒定的流量，性能优异，但价格昂贵。数模混合控制方案是在原系统的基础上进行改进，通过一个主换向阀加两个或多个高速开关阀的模式控制两个或多个转向推动缸代替原有的一个换向阀联控制一个转向推动缸的模式，利用比例阀模拟控制与高速开关阀数字控制相结合的形式，简称数模混合控制。

图5多轮同步转向数模混合控制液压系统

数模混合控制方案以主换向阀联加两个高速开关阀控制两个转向推动缸为例，通过先粗调后精调的模式达到控制目的。首先利用主换向阀调节供给两个转向推动缸的油量，再通过两个高速开关阀的开关动作调节分配到两个推动缸的流量，进而达到控制两个转向推动缸同步的目的，完成粗调的任务，当轮组基本达到所要转向的角度范围时，利用主换向阀与转角编码器的闭环控制，通过高速开关阀分别精调各个轮组，使之精确达到同步位置。

2.2数模混合控制方案控制流程

多轮工程机械在实际应用中，各轮组负载和速度可能都不相同。因此还以DLT900两个轮组同步转向为例，两个转向推动缸的负载不一样，转向的角度也可能不相同，因此不可避免的会出现速度差，为了满足同步要求，两个轮组的转向角度必须满足对应关系。数模混合控制方案的基本控制流程是：主控制阀控制输入的总流量，两个高速开关阀通过开关控制分配到各个转向推动缸上面的流量。数模混合控制方案流程如图6所示。

图6数模混合控制方案控制流程

数模混合控制方案AMESim仿真分析

3.1数模混合控制方案AMESim建模

AMESim为多学科领域复杂系统建模仿真解决方案，引领着世界协同仿真之路。AMESim提供了一个系统工程设计的完整平台，使得用户可以在一个平台上建立复杂的多学科领域系统的模型，并在此基础上进行仿真计算和深入的分析。

在AMESim中的Sketch模式下对DLT900两转向推动缸纵行左转5度进行建模分析，则数模混合控制方案模型如图7所示。

图7数模混合控制方案AMESim建模图

3.2数模混合控制方案仿真分析

进入AMESim中的Parameter模式对系统主要元件的初始参数设定如下：Q流量为8.426L/min，高速开关阀流量20L/min，液压缸活塞直径135mm，活塞杆直径90mm。取控制流程中的允许偏差限k为0.1度，分别设定高速开关阀开关频率为5Hz、10Hz、20Hz、100Hz，在此四种情况下两轮组的同步仿真曲线如图8所示。

a）5Hz时的仿真曲线

b）10Hz时的仿真曲线

C）20Hz时的仿真曲线

d）100Hz时的仿真曲线

图8轮组同步转向仿真曲线

通过轮组同步转向仿真曲线可以得出结论：高速开关阀频率越高，控制性能越好，当高速开关阀频率达到20Hz以上时，系统控制性能可以看出已经基本符合同步要求。

将在高速开关阀开关频率为20Hz、100Hz时的轮组转角同步仿真曲线与理想转角同步曲线进行对比分析，可得出：在仿真状态下，数模混合控制方案不可避免的会出现一定的同步偏差，同步关系达不到理想状态；但也可以看出，在仿真状态下，两轮组的同步偏差并不大，因此可以认为控制效果满足要求。

结语

数模混合控制为多轮同步转向控制系统提供了新的方法，AMESim的建模仿真得出高速开关阀的开关频率直接影响着系统的控制性能，当频率高于20Hz时可以满足控制要求。数模混合控制方案采用廉价的高速开关阀，明显减少了多轮控制系统对高性能的主换向阀的需求数量，提高了性价比，因此数模混合控制方案具有很高的理论意义和实用价值。

参考文献：

[1]王海．900T提梁机的设计与实现[D]．同济大学：机电工程学院，2007（3），4-7．