基于VB的数控图形仿真系统开发
摘要：介绍了nc图形仿真系统的界面设计及仿真程序的总体设计方法， 并着重介绍了系统设计与开发过程中nc程序的信息识别、刀具中心轨迹的计算等关键技术。
数控机床的应用越来越广泛，数控加工的整个过程是通过nc加工程序来控制的。无论手工编程或是自动编程所得到的程序都会存在一定的错误，传统方法常采用试切法来验证程序是否正确。若能对nc程序进行仿真，在计算机屏幕上以图形方式模拟nc加工过程，查出程序中的错误并加以修改，可以节省大量费用和时间。因此，采用nc图形仿真系统进行nc代码效验，提高了编程效率。1 开发平台 操作系统本系统在pc机上运行，选用当今流行的windows98或与之兼容的windowsnt作为软件开发和运行的操作系统。 开发工具本软件采用microsoft公司的通用软件开发平台visual basic，该软件支持可视化编程和面向对象技术。2 界面设计界面是用户与应用程序进行交互时的可视部分，在vb程序设计中，利用窗体设计器进行窗体设计可以得到很好的界面。nc图形仿真系统的界面主要包括：标题栏、菜单栏、工具栏、nc程序编辑区和绘图区，可分别通过vb程序中的菜单编辑器，toolbar与imagelist控件、richtextbox等控件进行创建，绘图区用picture-scale（）函数建立。 菜单介绍。菜单项“文件”主要包括打开、创建、保存、另存、打印子菜单，完成对nc加工程序的输入及输出。“编辑”主要包括修改、删除、插入、列表等，可对nc加工程序进行编辑。点击“运行”菜单，出现对话框，询问控制机型及图形输出是工件轮廓还是刀心轨迹（同时输入刀具半径），点击确定后便在绘图区绘图。菜单项“设置”主要包括字体、颜色设置，用于nc程序字体选择及轮廓图形、刀心轨迹的区分。菜单项“查看”则主要包括放大、缩小，可对图形中的细节进行查看。 工具栏。工具栏给用户提供了一个直观的图形界面，用户可通过它直接使用应用程序中zui常见的功能和命令。3 图形仿真程序总体设计nc加工程序通过“文件”菜单输入到计算机后，经过编辑即可选择运行：在有关信息输入后，进入图形仿真程序。其主流程如图1所示。
图1 图形仿真程序总体设计流程图
图2 nc程序信息处理流程图
4 关键技术的处理 nc程序信息识别 刀心轨迹计算 本模块通过对nc程序的*次预处理，取得nc程序中的各种信息，其处理流程如图2所示。方法是逐条查找程序段中的各个字地址位置，并取出其后的数字，赋给相应的数组单元。为了便于处理，采用多个一维数组：而对于多组g指令的nc程序，要采用二维数组g（n，4）。在处理完一条程序段后，要对有续效性的指令进行处理，如g、f、m、s等指令，方法是：具有续效性的，若在本程序段末出现，则令其等于上段相应指令。 编程员在编制nc程序时，若按轮廓编程，则在仿真前要进行刀具中心轨迹的计算，以实现刀具半径的自动补偿。系统在提取nc程序信息后，已将轮廓信息，存放在有关数组中，刀心轨迹的计算需根据工件轮廓数据、刀具半径、刀偏信息及控制机的刀补形式（b刀补、c刀补）进行详细计算。刀具补偿过程分为刀补建立、刀补进行、刀补撤消3个步骤。下面以c刀补为例介绍刀心轨迹的计算方法。 刀补建立 刀补建立过程中的刀具中心运动轨迹由切入程序段形成。切入程序段是由起刀点到切入零件轮廓并形成刀具半径补偿的程序段，该程序段只能是直线段。切入程序段的拐角过渡轨迹（下程序段为直线）如图3所示。其中，o表示起刀点，s表示切入程序段刀具中心轨迹终点，a表示程序轨迹的转折点。建立刀补的计算公式为
左刀补：
xr=-r× y ，yr=r× x
（x2+y2）½ （x2+y2）½
右刀补：
xr=r× y ，yr=-r× x
（x2+y2）½ （x2+y2）½
xr=r×y（x2+y2）½，yr=-r×x（x2+y2）½其中xr，yr为直线刀偏分量。先按照公式求出xr、yr，再根据a点的坐标即可求出s点的坐标。 下程序段为圆弧的刀偏分量xr，yr的计算公式，类似于直线的。
图3 直线段的拐角过渡轨迹
刀补注销 刀补注销与刀补建立类似，刀具中心的运动轨迹由刀具注销程序段形成，注销程序段也只能是直线。其是刀补建立的逆过程。 刀补进行 转接类型及判别。一般数控机床的控制装置所能控制的轮廓轨迹包括直线和圆弧，对于这种数控系统转接方式只有以下四种转接方式：直线接直线，直线接圆弧，圆弧接直线，圆弧接圆弧。 若相临程序段的下段编程矢量与x轴正向的夹角为a2，本段编程矢量与x轴正向的夹角为a2，两者之差为矢量夹角a。根据a 角的正弦值和余弦值以及刀补信息（g41/g42）可将过渡形式分为缩短型、伸长型、插入型等三种形式。
图4 直线接直线转接点的计算
转接点的计算。转接点的计算一般有两种方法：一种是解联立方程组，一种是利用平面解析几何求解。本系统采用矢量求解，如图4，目的是避开复杂的求解和*解的判别过程，并简化了计算，直接由本程序段的起点和终点计算，只求出矢量端点而非求出整个矢量，因此，该方法更为简单。 图4所示为缩短型直线接直线，转接交点在*象限左刀补的情况。利用几何方法可算出无论a点在哪一个象限，对于左刀补，ac 在x，y 轴上的投影acx，acy均为： acx=-r sina1+sina2 ，acy=r cosa1+cosa2
1+cosa 1+cosa
对于右刀补只须把刀具半径取负值即可。 本程序段刀心轨迹为sc，则c点的坐标值为 cx=ax+acx，cy=ay+acy 5 结论 本文介绍了nc程序图形仿真设计的具体方法及关键技术，该系统可以针对不同的nc程序进行快速、直观、正确的验证，操作简单、方便，提高了机床的工作效率。同时，该系统还可用于学生教学及培训等。
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图1 图形仿真程序总体设计流程图
图2 nc程序信息处理流程图
4 关键技术的处理 nc程序信息识别 刀心轨迹计算 本模块通过对nc程序的*次预处理，取得nc程序中的各种信息，其处理流程如图2所示。方法是逐条查找程序段中的各个字地址位置，并取出其后的数字，赋给相应的数组单元。为了便于处理，采用多个一维数组：而对于多组g指令的nc程序，要采用二维数组g（n，4）。在处理完一条程序段后，要对有续效性的指令进行处理，如g、f、m、s等指令，方法是：具有续效性的，若在本程序段末出现，则令其等于上段相应指令。 编程员在编制nc程序时，若按轮廓编程，则在仿真前要进行刀具中心轨迹的计算，以实现刀具半径的自动补偿。系统在提取nc程序信息后，已将轮廓信息，存放在有关数组中，刀心轨迹的计算需根据工件轮廓数据、刀具半径、刀偏信息及控制机的刀补形式（b刀补、c刀补）进行详细计算。刀具补偿过程分为刀补建立、刀补进行、刀补撤消3个步骤。下面以c刀补为例介绍刀心轨迹的计算方法。 刀补建立 刀补建立过程中的刀具中心运动轨迹由切入程序段形成。切入程序段是由起刀点到切入零件轮廓并形成刀具半径补偿的程序段，该程序段只能是直线段。切入程序段的拐角过渡轨迹（下程序段为直线）如图3所示。其中，o表示起刀点，s表示切入程序段刀具中心轨迹终点，a表示程序轨迹的转折点。建立刀补的计算公式为
左刀补：
xr=-r× y ，yr=r× x
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xr=r× y ，yr=-r× x
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xr=r×y（x2+y2）½，yr=-r×x（x2+y2）½其中xr，yr为直线刀偏分量。先按照公式求出xr、yr，再根据a点的坐标即可求出s点的坐标。 下程序段为圆弧的刀偏分量xr，yr的计算公式，类似于直线的。
图3 直线段的拐角过渡轨迹
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图4 直线接直线转接点的计算
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