数控车削虚拟仿真考评系统设计（Java FX）

摘要

　　数控车削虚拟仿真是虚拟实验技术在数字化机械加工实训教学中的一个重要应用,其利用虚拟现实及可视化技术对数控车削加工过程进行模拟仿真。数控车削虚拟仿真系统让每个学生都能体验一个完整的数控车削加工流程和实际车床的操作步骤,不仅可以让学生深刻地理解和掌握具体的车削原理,同时为机械工程实验教学创造了便捷的条件。

　　数控车削虚拟仿真考评是依据制定的评价体系标准对学员编写的NC代码及选择的切削仿真参数进行的#核评价过程。现有不多的数控车床培训及考核系统仅局限于几何仿真,其考核体系缺乏统一标准,而且考核过程也相对繁琐。本文以FANUC数控系统典型轴类零件车削为研究对象,以虚拟车削仿真和考评为研究核心,主要开展的研究工作及成果如下:

　　(1)基于FANUC数控系统代码规则制定了本数控车削虚拟仿真考评系统的词法、语法和语义规则。从NC代码预处理、代码检错和加工信息翻译三方面对NC代码编译器进行设计,并采用Java正则表达式和自顶而下的分析算法开发本系统专用的NC代码编译器。

　　(2)基于ABAQUS二次开发的原理,提出一种交互式修改和执行inp文件的切削力仿真方法,并通过Python后处理脚本动态提取odb文件中的切削力仿真结果。

　　(3)根据车削加工原理和工件表面成形原理,推导车削工件表面理想形貌模型和车刀径向振动模型。利用Matlab/Simulink仿真工件表面三维形貌,并基于表面粗糙度的评定参数和形状公差的误差评定原则分别获取工件的表面粗糙度和形状误差。

　　(4)根据最优化方法建立切削参数优化的数学模型,借助Matlab实现粒子群算法来解决切削参数最优化问题,动态生成指定切削加工条件下的切削参数考核标准,并通过一个数控车削实验来验证切削参数考核标准的可靠性。

　　(5)根据软件工程的理论和方法,对数控车削虚拟仿真考评系统进行功能和结构设计,并构建系统的评价体系。借助JavaFX及相关技术,开发了一个在线可视化的数控车削虚拟仿真考评系统。

　　关键词:JavaFX;数控虚拟车削;交互式仿真;可视化;考评系统

Abstract

　　The virtual simulation of NC turning is an important application of virtual experimenttechnology in the teaching of digital machining,which uses virtual reality and visualizationtechnology to simulate NC turning process. Each student can experience a complete NC turningprocess and the actual lathe steps,which benefits from the virtual simulation system of NCturning, improving their comprehension of the specific turning principle deeply and creating aconvenient conditions on experiment teaching of mechanical engineering at the same time.

　　The evaluation of NC turning virtual simulation is a assessment of the prepared NC codeand the choice of cutting simulation parameters by the participants, which based on the specificevaluation system. A small proportion of the existing NC lathe training and assessment systemsare limited to geometric simulation,lacking a unified standard^ and the assessment process isrelatively complicated. This paper takes the typical shaft parts turning in the FANUC NC systemas the research object with the simulation and evaluation of virtual turning as the research core,and the main research work and achievements are as follows:

　　(1)�塂eveloped the lexical, grammar and semantic rules of the NC turning virtual simulationand evaluation system based on the code rules of FANUC NC system. Designed and developedthe NC code compiler from the three aspects of NC code formatting, code error detection andmachining information translation, using java regular expressions and the top-down analysisalgorithm.

　　(2)�塒roposed a method of cutting force simulation by modifying and executing inp fileinteractively based on the secondary development principle of the ABAQUS software, andextracted the simulation results of cutting force from odb file through Python post-processingscript.

　　(3)�塂erived the ideal surface model of the turning components and the radial vibrationmodel of turning tool based on the principle of turning and surface forming. Simulated thethree-dimensional topography of components surface using Matlab and its integrated toolSimulink, and extracted the surface roughness and shape deviation of the components based onthe assessment parameters of surface roughness and the deviation assessment principles of shapetolerances respectively.

　　(4)�塃stablished the mathematical model of cutting parameter optimization according to theoptimization principle, which is solved by the particle swarm optimization with Matlab, andgenerated the assessment criteria of the cutting parameters dynamically under a specific cuttingcondition of which reliability was verified through a NC turning experiment.

　　(5)�塂esigned the fiinction and structure of the NC turning virtual simulation and evaluationsystem and built the assessment system,and then developed an online visual simulation NCturning virtual simulation and evaluation system based the research of Java FX and the relatedtechnologies.

　　Key words: Java FX; NC virtual turning; Interactive simulation; Visualization; Evaluationsystem

　　本课题结合浙江省信息服务业发展专项项目“基于虚拟制造的数控技术培训及考核专用系统的研发”,提出开展基于JavaFX的数控车削虚拟仿真考评系统设计与开发的研究,旨在解决职业院校、培训机构相关问题,使数控操作人员在正式操作前借助本系统了解车削加工过程、巩固相关理论知识,同时校验和考核学员的NC代码。主要研究内容有以下几个方面:

　　(1)基于Java的FANUC数控系统NC代码编译器开发:根据FANUC数控车削系统的代码规则,订制了本数控车削虚拟仿真考评系统的词法、语法和语义规则。从NC代码预处理、代码检错和加工信息翻译三方面对NC代码编译器进行设计,并采用Java正则表达式和自顶而下的分析算法开发本系统专用的NC代码编译器。NC代码编译器提供译码、切削参数提取和错误计数等功能,同时编译器支持与OpenGL交互。

　　(2)交互式切削力仿真及后处理结果动态获取:基于ABAQUS对45钢切削进行有限元仿真分析,生成inp、rpy、odb等输出文件。通过将NC编译器输出的切削参数动态更新至inp文件中,生成二次开发的可编译文件,并执行ABAQUS　Command指令以实现交互式切削力仿真。最后利用Python后处理脚本动态获取odb数据库文件中的切削力信息。

　　(3)工件表面形貌仿真及其粗糙度与形状误差提取:根据车削工件表面成形原理和振动原理,推导工件表面三维理想形貌和车刀振动的模型。利用Matlab/Simulink分别仿真工件表面理想形貌和车削刀具振动并将两者做矢量叠加形成最终的工件三维形貌,并基于表面粗糙度的评定参数和形状公差的误差评定原则提取工件的表面粗糙度和形状误差。

　　(4)切削参数考核标准制定:根据最优化方法建立了数控车削精加工过程切削参数优化的数学摸型,以切削三要素作为优化变量,最小表面粗糙度为优化目标,采用罚函数法方式实现约束,并利用粒子群算法解决此切削参数最优化问题。借助Matlab实现粒子群算法获取切削参数最优组合作为切削参数的考核标准,并通过一个典型轴类零件数控车削实验来验证切削参数考核标准的可靠性。

　　(5)数控车削虚拟仿真考评系统设计与开发:根据软件工程学的理论和方法对数控车削虚拟仿真考评系统进行系统设计与开发,包括系统设计原则的提出、功能需求模型的构建、总体架构的设计和系统操作流程等。同时,构建了本数控车削虚拟仿真考评系统的评价体系,包括从NC代码通过率、工件表面质量和切削参数选择三方面对学员的NC代码进行考评。系统实现的核心功能包括NC代码校验与解析、交互式切削力仿真、工件表面质量仿真及NC代码在线考评等。

　　数控车削虚拟仿真考评系统设计开发：

数控车削虚拟仿真考评系统总体结构图

数控车削虚拟仿真考评系统流程图

系统登陆界面

用户注册界面

教师后台管理系统界面

刀具信息管理界面

工件仿真信息管理界面

切削参数考核标准管理界面

学术考试信息确认界面

工件信息确认界面

刀具选择界面

目录

　　致谢
　　摘要
　　Abstract�崳�
　　目录
　　1 绪论
　　　　1.1 课题研究背景及意义
　　　　1.2 数控车削虚拟仿真系统的研究现状
　　　　1.3 数控车削虚拟仿真相关技术的研究现状概述
　　　　　　1.3.1 数控车削NC代码编译技术
　　　　　　1.3.2 数控车削切削力仿真
　　　　　　1.3.3 数控车削工件表面形貌仿真
　　　　　　1.3.4 数控车削切削参数优化
　　　　1.4 数控车削虚拟仿真考评系统开发的关键技术
　　　　　　1.4.1 系统开发编程语言的选择
　　　　　　1.4.2�塉ava FX与Matlab交互
　　　　　　1.4.3�塉ava FX与ABAQUS交互
　　　　　　1.4.4�塉ava FX整合MyBatis技术
　　　　　　1.4.5 系统的技术架构
　　　　1.5 论文的主要研究内容
　　2 数控车削虚拟仿真考评系统的NC代码编译器开发
　　　　2.1 引言
　　　　2.2�塏C代码编译器的筒介
　　　　2.3�塅ANUC数控系统的功能字与代码规则
　　　　　　2.3.1 功能字的订制
　　　　　　2.3.2 代码规则的订制
　　　　　　2.3.3 典型数控车削阶梯轴零件加工的NC代码
　　　　2.4 基于Java的FANUC数控系统NC代码编译器开发
　　　　　　2.4.1�塏C代码的预处理
　　　　　　2.4.2 代码检错
　　　　　　2.4.3 加工信息翻译
　　　　2.5 本章小结
　　3 数控车削虚拟仿真考评系统的交互式切削力仿真
　　　　3.1　引言
　　　　3.2 有限元分析方法
　　　　3.3 基于ABAQUS的45钢切削力有限元仿真分析
　　　　　　3.3.1 几何模型
　　　　　　3.3.2 单元选择
　　　　　　3.3.3 网格划分
　　　　　　3.3.4 材料模型
　　　　　　3.3.5 切削模型
　　　　　　3.3.6 有限兀仿真结果与分析
　　　　3.4　ABAQUS　的二次开发
　　　　　　3.4.1�塒ython与ABAQUS的关系
　　　　　　3.4.2�堿BAQUS的对象模型
　　　　　　3.4.3�堿BAQUS二次开发的原理与方法
　　　　3.5 数控车削虚拟仿真考评系统的交互式切削力仿真实现
　　　　　　3.5.1 交互式切削力仿真的原理
　　　　　　3.5.2 交互式切削力仿真结果的动态获取
　　　　3.6 本章小结
　　4 数控车削虚拟仿真考评系统的工件表面形貌仿真
　　　　4.1 引言
　　　　4.2 数控车削轴类工件的表面质量概述
　　　　4.3 数控车削轴类工件表面理想形貌的建模
　　　　　　4.3.1 工件表面理想形貌形成的原理
　　　　　　4.3.2 刀具切削工件表面残余面积
　　　　　　4.3.3 工件表面三维理想形貌模型的建立
　　　　4.4 数控车削动态切削力的建模
　　　　　　4.4.1 动态车削力的分析
　　　　　　4.4.2 动态车削力模型的建立
　　　　4.5 数控车削刀具与工件的相对振动的建模
　　　　　　4.5.1 车削振动的分析
　　　　　　4.5.2 车削振动模型的建立
　　　　4.6 数控车削轴类工件表面形貌仿真的Matlab实现
　　　　　　4.6.1 工件理想表面形貌仿真
　　　　　　4.6.2 刀具相对于工件振动仿真
　　　　　　4.6.3 工件表面粗糙度和形状误差的提取
　　　　4.7 本章小结�崳�
　　5 数控车削虚拟仿真考评系统的切削参数考核
　　　　5.1 引言��
　　　　5.2 切削参数优化的数学模型
　　　　　　5.2.1 优化变量的选取
　　　　　　5.2.2 优化目标函数的建立
　　　　　　5.2.3 约束规则的设定
　　　　　　5.2.4 约束规则的实现
　　　　5.3 基于粒子群算法的切削参数优化
　　　　　　5.3.1 粒子群算法的简介
　　　　　　5.3.2 粒子群算法的原理
　　　　　　5.3.3 粒子群算法的实现步骤
　　　　　　5.3.4 粒子群算法的参数选择
　　　　　　5.3.5 粒子群算法的Matlab实现
　　　　5.4 数控车削虚拟仿真考评系统的切削参数考核标准获取
　　　　5.5 数控车削切削参数考核标准的实验论证
　　　　　　5.5.1 实验的条件
　　　　　　5.5.2 实验切削参数的选择
　　　　　　5.5.3 实验结果的检测与分析
　　　　5.6 本章小结
　　6 数控车削虚拟仿真考评系统的设计与开发
　　　　6.1 引言
　　　　6.2 数控车削虚拟仿真考评系统的设计原则
　　　　6.3 数控车削虚拟仿真考评系统的需求和功能
　　　　6.4 数控车削虚拟仿真考评系统的总体结构和数据流程
　　　　6.5 数控车削虚拟仿真考评系统的评价体系
　　　　6.6 数控车削虚拟仿真考评系统的操作实例
　　　　　　6.6.1 系统登录界面
　　　　　　6.6.2 教师后台管理系统
　　　　　　6.6.2 学生考试操作系统
　　　　6.7 本章小结��
　　7 总结与展望
　　　　7.1 总结
　　　　1.2 展望
　　参考文献