基于数控加工仿真平台的工艺参数优化系统的研究
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摘要
本文针对数控系统中所集成的加工仿真模块功能单一、不能满足多种加工形式
的仿真需求，根据开放式数控系统的软硬件特性，提出一种可与开放式数控系统
集成的数控加工仿真方案，即根据加工仿真需求，通过对数控系统软件的二次开
发和集成，扩展数控系统中加工仿真模块的功能。同时为了完成常用工艺参数的
存储和工人经验数据的收集，集成一个面向机床的切削加工工艺参数库。在此基
础上，研究了数控程序中工艺参数的自动处理方法。
数控加工的图形仿真能够对实际加工过程进行验证，能有效的减少加工事故，
因而得到广泛的应用。本文设计了程序所需的数据结构和基本运算库，分析了数
控程序的翻译方法，完成了数控程序中刀具轨迹、进给速率和主轴转速等信息的
提取。根据数控铣床的加工特性，建立工件和刀具的数学模型，设计了加工仿真
算法，结合 OpenGL 和Open Inventor，设计开发了数控加工的图形仿真系统，完
成了刀具轨迹的验证和切削过程的仿真，并能记录切削过程中各个状态下的主轴
转速、进给速率、刀具切削宽度和切削深度。
数控机床操作工人一方面需要查询常用的工艺参数，另一方面，他们的在生产
中所积累的经验数据对生产具有重要的指导意义。本文设计了一个面向机床的数
控加工工艺参数数据库，根据机床的加工特性存储常用的参数，将其集成到数控
系统软件中，使得工人能够在数控机床的操作面板上就能完成工艺参数的查询，
并提供数据录入功能，用来完成经验数据的收集。
数控程序中工艺参数的科学性和可靠性将直接影响到产品的质量、生产成本等
关键指标，因而对工艺参数合理的选取和优化具有重要的现实意义。本文根据加
工仿真过程所获得的主轴转速、进给速率、刀具切削宽度和切削深度信息，对数
控程序中进给速率的自动分配方法进行研究，提出了以单位时间内刀具所允许切
削的材料的体积为依据，为数控程序分段分配进给速率的方法，实现了进给速率
的自动优化分配。
最后通过一个加工实例，验证了仿真系统各个模块的功能，通过分析比较，证
明本文提出的进给速率分配策略有效性，同时发现了系统的不足，并提出了改进
方向。
关键词：加工仿真 工艺参数数据库 进给速率优化 LEX 与YACC
ABSTRACT
Aiming at the NC system soft-ware’s deficiency of being unsatisfactory to different
needs of simulation, according to the hardware and software architecture, a solution of
integrating a user-developed simulation system with NC system soft-ware is presented.
Meanwhile, in order to store the cutting machining processing technic parameters and
collect the empirical data of machine operators, a database is also integrated. Base on
the simulation system and the database, the auto-process of NC program is studied.
The computer graphic simulation of NC cutting machining which can verify the
cutting process accurately and prevent accidents, is widely used. The data structures and
algorithms needed during the development of system are designed in the paper, and the
NC program interpreting method is analyzed, so the CLP (cut location point), feed-rate,
spindle-speed and other information contained in the NC program can be extracted.
According to the machining features milling, the mathematic model of work piece and
tools is built, and the simulation algorithm is designed, with the support of OpenGL and
Open Inventor, the tool track verification and cutting process simulation is completed,
and the process technic parameters during the process can be recorded automatically.
The main subject of the paper is to build a numerical control (NC) machining
simulation system that can be integrated with Open-NC-system, based on which a
machine-oriented cutting machining processing technology database is constructed, in
order to implement the NC program verification, front-line manufacturing experiential
data extraction, machining parameters auto-process.
NC machine tools operators often have to query common used parameters and
their empirical data is also of great significance to production. A machine tool oriented
cutting process technic parameters database that can be integrated with NC system
software is designed according to the milling features, so that the operators can query
the information they need just on the control panel of NC system and the empirical data
can also be collected.
The scientificalness and reliability of the cutting process technic parameters in NC
program determine the product quality, production cost and other key factors, so the
selection and optimization of the process technic parameters in NC program is very
important. Based on the information, such as feed rate, spindle-speed, cut-depth and
cut-width of tool, which are gotten from the simulation process, the auto-process
method of feed-rate is studied, and a strategy based on the amount of material removed
in a time unit, of automatically calculating and inserting improved feed rates where
necessary into the NC program is presented, and the auto-distribution of feed-rate is
completed.
Finally, an example is presented to demonstrate the good performance of graphic
machining simulation system. According to analytical comparison, the validity is
proved. Meanwhile, the deficiencies of the system are discovered, and the later work of
this paper is pointed out.
Key Word: Machining simulation, Process technic parameters
database, Feed-rate optimization, LEX and YACC
目 录
中文摘要 ...........................................................................................................................1
ABSTRACT .....................................................................................................................2
第一章 绪论 ........................................................ 1
§1.1 背景和意义......................................................................................................................1
§1.2 数控加工仿真系统和切削参数优化的发展现状................................................ 2
§1.2.1 数控加工仿真系统的发展现状 ...............................................................2
§1.2.2 工艺数据库和切削参数优化的发展现状 ...............................................3
§1.3 本课题的主要工作.......................................................................................................4
第二章 系统分析和系统结构设计 ...................................... 7
§2.1 需求分析.......................................................................................................................... 7
§2.1.1 数控加工的图形仿真 ...............................................................................7
§2.1.2 工艺参数数据库和数控代码的处理 .......................................................8
§2.2 系统的结构设计与实现...............................................................................................9
§2.2.1 数控代码的解析 .......................................................................................9
§2.2.2 数控加工过程的图形仿真 .....................................................................10
§2.2.3 数控加工工艺参数数据库和数控程序的处理 .....................................11
§2.3 开发平台和开发工具................................................................................................. 12
§2.3.1 语法分析器生成工具 ............................................................................12
§2.3.2 开放式图形程序接口 ............................................................................13
第三章 数控代码的解析 ............................................. 15
§3.1 数控代码解析概述......................................................................................................15
§3.2 数控代码解析器工作流程........................................................................................16
§3.2.1 编译器工作的一般流程 .........................................................................16
§3.2.2 目标代码格式 .........................................................................................17
§3.2.3 与语法生成器的结合 .............................................................................18
§3.3 数控程序解析器的功能分析................................................................................... 19
§3.3.1 数控程序的一般结构 .............................................................................19
§3.3.2 数控代码解析器原型的功能要求 .........................................................20
§3.4 数控程序解析器的实现.............................................................................................22
§3.4.1 巴库斯范式(BNF)简介 ...........................................................................22
§3.4.2 数控程序中基本语言元素的识别 .........................................................23
§3.4.3 变量和变量的常数赋值的实现 .............................................................26
§3.4.4 表达式的实现 .........................................................................................27
§3.4.5 控制语句的实现 .....................................................................................30
§3.4.6 语义分析简述 .........................................................................................31
第四章 数控加工过程的仿真 ......................................... 33
§4.1 数控加工仿真的概述................................................................................................. 33
§4.2 仿真系统的基本模块................................................................................................. 33
§4.2.1 数据结构和几何运算库 .........................................................................33
§4.2.2 图形场景建立 .........................................................................................35
§4.3 数控程序和刀具的管理.............................................................................................36
§4.3.1 数控程序的管理 .....................................................................................36
§4.3.2 刀具模型和刀具库 .................................................................................37
§4.3 加工仿真过程的实现................................................................................................. 39
§4.3.1 工件模型 .................................................................................................39
§4.3.2 干涉点的筛选 .........................................................................................41
§4.3.3 节点高度值 Z 的计算............................................................................43
§4.3.4 工艺参数的提取 .....................................................................................44
§4.3.5 工件模型的 Open Inventor 实现.........................................................45
§4.3.6 加工仿真过程的流程 .............................................................................46
§4.4 加工仿真实例...............................................................................................................47
第五章 工艺参数数据库和工艺参数优化 ............................... 52
§5.1 切削工艺参数数据库和工艺参数优化概述........................................................52
§5.2 切削工艺参数数据库的建立................................................................................... 53
§5.2.1 数据库的功能和结构分析 .....................................................................53
§5.2.2 数据库的管理 .........................................................................................55
§5.2.3 输入和输出数据的处理 .........................................................................56
§5.3 进给速率 F 的优化选取.............................................................................................58
§5.3.1 切削工艺参数优化的简述 .....................................................................58
§5.3.2 进给速率优化的策略 .............................................................................58
§5.3.3 进给速率 F 的约束条件和影响因子 .....................................................59
§5.3.4 进给速率 F 的优化选取方法 .................................................................61
§5.3.5 加工实例 .................................................................................................63
第六章 结论和展望 ................................................. 68
参考文献 ............................................................ 69
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ...................... 72
致 谢 .............................................................. 73
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 背景和意义
随着计算机技术的快速发展，机械行业已经发生了革命性的变化，以数控加工
技术为标志的现代金属切削加工技术正进入高速、高精度的新阶段。数控机床作
为现代制造设备的基础装备，已经广泛的应用于宇航、汽车、造船、军工等国民
经济重要领域[1]。而一个国家制造业的发展，仅仅依靠先进的加工设备是不够的，
加工工艺的发展更能反映一个国家的工业基础和制造业的水平。目前，随着 CAPP
和CAM 技术的发展，现代加工工艺的制定效率已经大大提高。如何更好的将 CAPP
和CAM 与数控加工系统集成，对加工制造业的发展将起着重要的意义。
在现代数控加工过程中，数控程序通常由 CAM 系 统 (如CIMATRON ，
MASTERCAM，POWERMILL 等)中的自动编程工具(APT)生成，数控程序生成后，
并不能直接应用到机床上进行加工，需要验证刀具的轨迹，并对工艺参数做必要
的修正。
数控加工的计算机图形仿真由于具有成本低、安全可靠等诸多优点，被广泛的
应用于刀具轨迹的验证。各大数控系统厂商都推出了集成加工仿真功能的数控系
统，或提供了具有加工仿真功能的模块[2]。由于数控系统的主要功能是对运动部件
的运动的数字驱动和控制[3]，其加工仿真功能相对单一，不能够满足不同加工形式
的加工仿真的需要。现代各种开放式数控系统(如SIEMENS SINUMERIK 840D，
HEIDENHAIN iTNC530 等)的硬件结构的 PC 化，系统控制软件的能够运行在多种
操作系统平台下(如Windows)，具有高度的可移植性和扩展性，因而针对不同加工
形式的要求，对数控系统软件的加工仿真功能进行二次开发和扩展，具有可行性
和实际应用价值。
金属切削数据库是对日常切削加工经验参数的科学总结，是选取工艺参数的依
据，具有重要的指导意义。有效的在生产中利用现有数据，以及有效的收集生产
中的经验数据，对实际生产和科学研究都具有重要意义[4]。本文通过为数控系统软
件集成一个切削工艺参数数据库，根据数控机床的加工特性存储常用的参数，使
得工人能够在数控机床的操作面板上就能查询所需的工艺数据，并通过向数据库
添加数据来完成经验数据的收集。
数控程序中进给速率、切削用量等工艺参数的分配在目前主要是通过查阅有关
基于数控加工仿真平台的工艺参数优化系统的研究
2
机械加工工艺手册或者凭操作者的经验确定，自动化程度地，效率低下，因而工
艺参数选择问题对零部件生产加工效率的制约也日渐突出，严重落后于整个行业
的技术水平，不能满足现代技术发展需要。所以，有必要开发一种新型的工艺参
数优化设计方法，它对提高加工效率，降低加工成本起着积极的作用。另外，传
统的加工仿真系统仅仅是一种图形验证，不能反映加工过程中的工艺信息，也不
能够保证加工的可靠性。本文将数控加工仿真系统与工艺参数处理相结合，根据
加工仿真过程所获得的主轴转速、进给速率、刀具切削宽度和切削深度的信息，
对数控程序中进给速率的自动分配方法进行研究，提出了以单位时间内刀具所允
许切削的材料的体积为依据，为数控程序分段分配进给速率的方法，充分挖掘并
扩展了数控加工仿真系统的功能。
§1.2 数控加工仿真系统和切削参数优化的发展现状
§1.2.1 数控加工仿真系统的发展现状
目前国内的数控加工仿真系统种类繁多，有多家公司和多所高校都推出了自己
的加工仿真系统，这些系统多用于教学和培训。如上海宇龙软件工程有限公司的、
南京宇航、浙大辰光等都开发出各自的数控加工仿真系统，这些仿真系统多用于
大专院校的教学和企业员工的培训，在教学和培训方面上已经基本可以满足需要
[5]。它们的主要特性有：1) 能够对数控加工的全过程进行仿真，包括机床参数的
设定、毛坯定义、刀具管理、基准测量、 数控代码处理、面板操作等；2) 支持大
多数主流的数控系统，如 Siemens, FANUC，华中数控等系统；3) 配置要求低，只
需要仿真软件和要求不是很高的微机，并与多种计算机操作系统兼容；4) 操作的
安全性很高，不会因为错误操作而造成人身伤害，更不会损坏机床；5) 不需要原
材料，投入资金少，占地小，不会造成资源的浪费；6) 利用网络可以搭建交流的
平台，为师生的交互提供了方便等。由于这些仿真系统的主要功用是教学和培训，
并不是真正意义上的 CAM 平台，对实际生产缺乏真正指导意义。
在国际上，数控仿真常作为一个功能模块集成在 CAD/CAM 系统中，按照系
统的集成度主要可分为：
1) 高端的通用 CAD/CAM 系统，如 UG、
CATIA、
PRO/E
等，提供了产品整个生命周期内的数字化解决方案，支持从零件建模到根据零件
的几何特征生成数控加工程序，并进行数控加工工程的仿真；2) 用于数控加工的
专业 CAM 软件，如 MASTERCAM，EDGECAD，CIMATRON 等具有功能更为强
摘要：
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摘要本文针对数控系统中所集成的加工仿真模块功能单一、不能满足多种加工形式的仿真需求，根据开放式数控系统的软硬件特性，提出一种可与开放式数控系统集成的数控加工仿真方案，即根据加工仿真需求，通过对数控系统软件的二次开发和集成，扩展数控系统中加工仿真模块的功能。同时为了完成常用工艺参数的存储和工人经验数据的收集，集成一个面向机床的切削加工工艺参数库。在此基础上，研究了数控程序中工艺参数的自动处理方法。数控加工的图形仿真能够对实际加工过程进行验证，能有效的减少加工事故，因而得到广泛的应用。本文设计了程序所需的数据结构和基本运算库，分析了数控程序的翻译方法，完成了数控程序中刀具轨迹、进给速率和主轴转速等...
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