数控系统的计算机仿真课程设计

1、题目：数控系统的计算机仿真

2、要求：(1) NC 代码中包含的代码类型有：

G90 G54（G92） G00 G01 G02 G03 M03 M05 M08 M09 M30

例：下面给出一个具体的图形示意图，NC 代码及其加工轨迹图：

% O0000 N106G0G90G54X10.Y20.M03M08 N108Z50. N110Z10. N112G1Z-1. N114Y15.0 N118G2X15.Y13.09J7.5 N120X20.Y15.I-5.0J5.59 N122G1Y20.0

N126X10. N128G0Z50. N130M5M09 N136M30 %

(2)要求根据NC 代码屏幕模拟加工过程，图形显示位置，坐标值显示，辅助功能状态显示（冷却液和主轴开关量控制模拟显示）。

(3)PC 机模拟加工过程中，要求有实时的驱动三轴步进电机的控制信号、控制冷

图1 工件平面图 图2 加工仿真示意图

却液和主轴转动的开关量输出控制信号。假设信号从计算机并行打印口的数据信号线输出，端口地址为0x378。并行口数据线分配如下（低电平有效）：

表一并行口数据线信号定义

(4)每个学生应在规定时间内，独立完成所选题目。运用VB编程语言，编写计算机软件在WINDOWS实现数控装置的计算机仿真。要求清楚地分析问题、提出算法、确定人机界面、列出流程图，最后用程序验证，完成软件测试，并且提交程序说明书。

1.摘要

从工程的角度来看，仿真就是通过对系统模型的实验去研究一个已有的或设计中的系统，分析复杂的动态对象，仿真是一种有效的方法，可以减少风险，缩短设计和制造的周期并节约投资。计算机仿真就是借助计算机，利用系统模型对实际系统进行实验研究的过程。它随着计算机技术的发展而迅速地发展，在仿真中它有越来越重要的地位。

计算机仿真技术的发展趋势主要表现在两个方面：应用领域的扩大和仿真计算机的智能化。计算机仿真技术不仅在传统的工程技术领域（航空、航天、化工等方面）继续发展，而且扩大到社会经济、生物等许多非工程领域，此外，并行处理、人工智能、知识库和专家系统等技术的发展正影响着仿真计算机的发展。

数控加工仿真利用计算机来模拟实际的加工过程，是验证数控加工程序的可靠性和预测切削过程的有力工具，以减少工件的试切，提高生产效率。

仿真软件界面友好，基本实现了设计任务的要求，通过本软件可以知道在仿真加工刀具的坐标、各轴的工作情况以及辅助电机（冷却液的控制情况）本仿真程序应用的是脉冲插补算法。在仿真过程中应用了两种插补方法：直

线插补，圆弧插补（包括顺时方向插补和逆时方向插补）。

本仿真程序可以实现如下指令的判别和执行：G01,G02, G03, G04,G05，M05，M08 ，M09，M03，M30.

在应用时，编程者只要按照本应用程序的要求输入程序，即可以实现所要求的加工过程的仿真过程。本程序能够判断所输入的程序的正确性，可以对程序进行编辑。

本软件可以从平面和轴测两个视图同时观察仿真过程。

2.算法及原理

插补模块：CNC仿真系统的插补主要包括直线插补和圆弧插补。由于设计要求简易数控机床，因此采取脉冲增量插补（逐点比较法插补）。

逐点比较法是脉冲增量算法最典型的代表，是一种最早的插补算法，该法的原理：CNC细工在控制的过程中，能逐点地计算和判别运动轨迹与给定轨迹的偏差，并根据偏差控制进给轴向给定轮廓靠近，缩小偏差，使加工轮廓逼近给定轮廓。

逐点比较法使以折线来逼近直线或圆弧曲线的，它与规定的直线或圆弧之间的最大误差不超过一个脉冲当量Pulse，因此，只要将脉冲当量取得够小，就可达到加工精度的要求。

2. 1直线插补模块：

2.1.1直线插补偏差计算公式

假设加工如图所示直线OA，取直线起点为坐标原点，直线终点坐标A（Xe，Ye）为已知，即直线OA为给定轨迹。M

补。

若M点在直线OA上，根据平

面几何关系得

K=Ye -0/Xe-0 M •

K1=Ye - Ym / Xe - Xm K=K1

若M 点不在直线OA 上,假设点M K M K1>K 如图所示即:

O X

图 1 直线偏差符号和进给方向 当K1

当K1>K 时，应向+Y 方向走一步。走后新坐标为： Xm+1= Xm Ym+1=Ym+1

按上述公式循环判断下去，直到 Xm=Xe, Ym= Ye

到达终点，停止插补，程序结束。

2.1.2、终点判断的方法

设置变量CountN 减法计数器，在加工之前存入终点坐标值Xe 、Ye ，X 或Y 坐标每进给一步时，就在计数器中、减去1，直到为零，停止插补，到达终点。 2.1.3其它象限的直线插补计算

其它象限其实与第一象限或关于原心对称或关于X 轴对称，所以，只要作符合上的化，程序实现非常方便。

2. 1.4直线插补流程图(见下图)

图3 直线插补流程图

2.1.5直线插补源代码 (见附录)

2. 2 圆弧插补模块

2.2.1圆弧插补偏差计算公式

以第一象限逆圆为例介绍插补公式

如图7所示，要加工圆弧AB ，设圆弧的圆心在原点，并已知圆弧的起点A （Xo,Yo ），终点B(Xe,Ye)，圆弧半径为R 。加工动点M(Xm,Ym)， 它到圆心的距离为Rm 。则有三种情况：

当动点M 在圆上有：02

2

2

=-+R Y X m m

当动点M 在圆内有：

022

2

<-+R Y X m m 当动点M 在圆外有：

022

2

>-+R Y X m m 因此，可定义圆弧偏差判别公式如下：

2

2222

R Y X R R F m m m

m -+=-= 若

≥m F ，应沿-X 轴方向进给一步，到M+1

点，

其坐标值为：11-=+m m X X

m

m Y Y =+1

若

R

X

Y

B(Xe,Ye)

A(Xo,Yo)

M(Xm,Ym)

图 5 逆圆插补示意