电火花线切割的自动编程和仿真系统

洛阳理工学院毕业设计（论文）电火花线切割的自动编程和仿真系统摘 要随着CAD及其相关技术的应用和推广，从根本上改变了传统的产品设计、制造模式，极大地提高了生产效率，创造更多的技术经济效益。数控加工仿真是计算机辅助设计与制造的关键技术之一。电火花线切割加工的仿真技术对于加工精度和加工表面质量分析具有重要意义。为此，本文对电火花线切割加工的几何仿真技术进行了研究。为了实现电火花线切割加工自动编程，本课题完成了基于AutoCAD的数控加工自动编程系统的开发。本文首先简单介绍了自动编程和仿真技术的研究现状和发展趋势，以及目前市场上常用的自动编程和仿真系统。接着详细论述了运用AutoCAD内置二次开发工具Auto Lisp语言、DCL语言，结合国家标准，开发一个新的AutoCAD平台上的命令，来实现零件的自动编程和加工仿真系统。最后给出一个典型零件自动编程实例，并通过该实例介绍了系统的应用方法。本文对从事自动编程系统开发的相关人员具有一定的参考价值，还可供开发AutoCAD的人员和从事电火花线切割零件加工的企业员工参考，开发的软件系统可用于电火花线切割加工自动编程。关键词：数控编程，加工仿真，AutoCAD，Lisp语言 AUTOMATIC PROGRAMMING TECHNOLOGY AND ANALOGUE SYSTEM OF WIRE_CUT ELECTRICAL DISCHARGE MACHININGABSTRACTWith the wide application of CAD/CAM and other related technologies, traditinal design and production methods have been thoroughly innovated, which improves the productivity and brings greater technologic and economic benefit. Wire-Cut Electrical Discharge Machining simulation is the key technology of CAD/CAM. Geometry simulation technique for Wire-Cut Electrical Discharge Machining has important meaning for high precision and surface quality. Based on such a notion, geometry simulation in is studied in this thesis. In order to realize the automatic program of Wire-Cut Electrical Discharge Machining, in this subject we have completed the development of automatic program system of numerical contral machining based on AutoCAD platform. Firstly, this discourse simply introduces research status quo and developing trend of the automatic programming technology and analogue system in common use in present market. Secondly, Uses AutoCAD built-in re-development tool Auto the Lisp language, the DCL language, the union national standards, develops in a new AutoCAD platform the order, may realize the engineering products design parametrization; May realize the automatic programming technology and analogue system. Finally, gives an automatic programming example of a typical part and introduces applying method of this system through this example.This discourse can be used as a reference for professionals engaged in research of automatic programming system, or as a reference for AutoCAD developers or as a reference for employees engaged in Wire-Cut Electrical Discharge Machining of bolt-node sphere. Developed software system can be used for the automatic program of Wire-Cut Electrical Discharge Machining of the bolt-node sphere in spatial steel framework.KEY WORDS: Numerical control programming, processing simulation, AutoCAD, Lisp language9目录前言1第1章 电火花线切割基础知识31.1 电火花线切割加工的原理、特点及应用范围31.2 电火花线切割加工工艺41.3 电火花线切割控制系统和编程技术5第2章 AutoCAD基础知识102.1 AutoCAD简介102.2 AutoCAD特点及功能102.2.1 AutoCAD特点102.2.2基本功能及应用领域11第3章 仿真技术123.1 仿真的定义123.2 仿真分类123.3 仿真工具和方法123.3.1 仿真工具133.3.2 仿真方法133.4 仿真应用和效益143.5 数控加工仿真技术发展史14第4章 LISP语言应用的简介164.1 Lisp语言简介164.2 LISP语言的主要特点164.2.1 LISP语言的优点164.3.1 Auto Lisp和Visual Lisp简介174.3.2 Auto Lisp的数据类型18第5章 电火花线切割自动编程和仿真技术195.1 电火花线切割编程技术的发展195.1.2 语言式编程195.1.3 图形式编程205.1.4 集成式编程205.2实现自动编程的几种可行方案205.3电火花线切割的自动编程215.4 数控线切割仿真的意义235.5 数控线切割仿真系统的组成235.6 小结23第6章 基于AutoCAD平台上线切割加工自动编程系统开发法246.1自动编程系统开发工具的选择246.1.1 数控编程语言的自动编程246.1.2 交互式图形自动编程256.1.3 基于特征的自动编程256.2自动编程系统的开发方法256.3自动编程系统的总体设计266.4基于AutoCAD环境的数控图形自动编程系统276.4.1系统功能简介276.4.2加工代码生成29第7章 基于autocad环境的3b数控加工及应用307.1程序基本结构307.2基本原理30第8章 典型零件的加工及说明328.1典型零件加工仿真328.1.1典型线形零件加工328.1.2典型圆弧形零件的加工348.1.3典型线形圆弧形零件的加工358.2 NC加工代码生成38结 论40谢 辞42附 录44外文资料翻译47前言作为特种加工家族的一员，电火花线切割加工是对传统机械加工方法的有力补冲充和延伸，现已成为机械制造业，特别是模具和工具行业不可或缺的重要加工手段，并正向着自动化、柔性化、精密化、集成化、智能化和最优化方向发展，同时也成为创新设计中实现奇思妙想所不可缺少的工艺方法。目前，数控设备已经大量进入制造业，电火花线切割机床都是数控的，一些数控线切割机床本身具有多种自动编程机的功能，或做到控制机与编程机合二为一。数控编程、加工操作、加工仿真及其维修成为数控电火花线切割加工中的重要组成部分。与之相适应，配套的CAD/CAM软件也得到了迅速的发展，并在近几年经历了一个重新洗牌的过程。现在，人们常把机床的数控化率和数控机床的利用率作为先进制造业的重要标志。而影响数控机床利用率的一个重要因素是数控编程。有资料显示，数控机床停机的20%30%的原因是不能及时编出加工程序所致，因此，数控机床的研究人员都把提高数控系统的自动编程能力作为重要指标。数控零件加工程序的编制是进行数控加工的一个重要步骤，国内外数控加工统计说明，造成数控机床等待约20%30%是编程不及时所致，可见数控编程直接影响着数控机床的加工效率。随着数控技术应用的日益扩大，我国企业在数控自动编程应用方面已有较大发展，目前主要有以下三种自动编程方式。 1.采用数控编程语言的自动编程。最著名的是APT(Automatically Programmed Tools)语言。2.计算机辅助图形设计的自动编程。采用CAD方法，将设计好的零件图形显示在屏幕上，编程人员指定要加工的表面，并回答软件提出的一些问题，诸如对刀点、走刀方式、切削用量参数等，然后由系统进行自动编程，形成刀位数据文件或APT程序，再经后置处理，变成机床所需的NC代码。3.从CAD获取信息的自动编程。编程所需的零件形状信息直接从CAD那里得到，一般利用AutoCAD提供的图形交换文件DXF接口，编程人员只需进行适当工艺处理。由于图纸上给出的零件形状数据往往比较少，而数控系统的插补功能要求有较多的数据才能控制机床。尤其是当数控系统插补功能要求输入的数据与零件形状给出的数据不一致时，就需要进行复杂的数学运算，而在运算过程中可能产生人为的错误。而这些复杂的数学运算可由计算机快速、准确地完成。NC程序作为数控加工的信息载体，其正确与否直接影响零件加工质量。目前实际生产使用的NC程序，在投入加工之前通常采用机床空运行和木模、蜡模的试切，完成NC 程序的检查。该方法加工准备周期长，生产成本增加，难以实现数控机床的高效生产。图形仿真是目前CAD/CAPP/CAM系统中通用的NC检验方法。 第1章 电火花线切割基础知识1.1 电火花线切割加工的原理、特点及应用范围1.电火花线切割加工机床电火花线切割加工是在电火花成形加工基础上发展起来的，它是用线状电极（钼丝或铜丝）通过火花放电对工件进行切割电火花线切割加工机床根据电极。丝运行速度不同分为快走丝和慢走丝两种机床，其组成主要包括：（1）主机：包括床身、坐标工作台、走丝机构等；（2）脉冲电源：把交流电流转换成一定频率的单向脉冲电流；（3）控制系统控制机床运动；（4）工作液循环系统：提供清洁的、有一定压力的工作液。2.电火花线切割的原理数控线切割加工的基本原理与电火花成形加工相同，但加工方式不同，它是用细金属丝作电极。线切割加工时，线电极一方面相对工件不断地往上(下)移动(慢速走丝是单向移动，快速走丝是往返移动)，另一方面，装夹工件的十字工作台，由数控伺服电动机驱动，在x、y轴方向实现切割进给，使线电极沿加工图形的轨迹，对工件进行切割加工。3.电火花线切割加工特点和应用 （1）电火花线切割加工的优点a.适合于机械加工方法难于加工的材料的加工，如淬火钢、硬质合金、耐热合金等；b.线为工具电极，节约了电极设计和制造费用和时间，能方便地加工形状复杂的外形和通孔，能进行套料加工。冲模加工的凸凹模间隙可以任意调节。（2）缺点a.被加工材料必须导电； b.不能加工盲孔。电火花线切割加工的应用线切割广泛用于加工硬质合金、淬火钢模具零件、样板、各种形状复杂的细小零件、窄缝等。如形状复杂、带有尖角窄缝的小型凹模的型孔可采用整体结构在淬火后加工，既能保证模具精度，也可简化模具设计和制造。此外，电火花线切割还可加工除盲孔以外的其它难加工的金属零件。1.2 电火花线切割加工工艺1.电火花线切割加工工艺指标（1）切割速度即单位时间内电极丝中心线在工件上切过的面积总和，快走丝线为4080mm2min，慢走丝可达350mm2min。 （2）切割精度 快走丝线切割精度可达0.0lmm，一般为0.0150.02mm；慢走丝线切割精度可达0.001mm左右。（3）表面粗糙度 快走丝Ra值一般为1.252.5m，最低可0.631.25m；慢走丝线切割的Ra值可达0.3m。2影响工艺指标的主要因素 （1）脉主要参数的影响：a.峰值电流 Ie增大，加工速度提高，但表面粗糙度变差，电极丝损耗比加大甚至断丝。b.脉冲宽度ti加大ti可提高加工速度但表面粗糙度变差。c.脉冲间隔t0t0减小时平均电流增大，切割速度加快，但t0过小，会引起电弧和断丝。（2）电极及其走丝速度的影响：a.电极丝直径的影响 电极直径，一般为 0.030.35mm，电极丝直径越粗，切割速度越快，而且还有利于厚工件的加工。b.电极丝走丝速度的影响 在一定范围内，随着走丝速度的提高，线切割速度也可以提高。但过高，将使电极丝的振动加大、降低精度、切割速度并使表面粗糙度变差，且易造成断丝，一般高速走丝以小于l0ms为宜。（3）工件厚度及材料的影响：工件材料薄，工作液容易进入并充满放电间隙，对排屑和消电离有利，加工稳定性好。但工件太薄，金属丝易产生抖动，对加工精度和表面粗糙度不利。工件厚，工作液难于进入和充满放电间隙，加工稳定性差，但电极丝不易抖动，因此精度和表面粗糙度较好。3.线切割加工工艺过程线切割加工工艺制定的内容主要有以下几个方面：零件图的工艺分析、工艺准备、加工参数的选择。（1）零件图的工艺分析：主要分析零件的凹角和尖角是否符合线切割加工的工艺条件零件的加工精度、表面粗糙度是否在线切割加工所能达到的经济精度范围内。（2）尖角和凹角尺寸分析：a.线电极轨迹与加工面距离l=d2+ 线电极轨迹；b.零件凹角半径：R1l=d2+,零件尖角半径：R2= R1-Z/2 （3）精度和表面粗糙度的分析：加工精度和表面粗糙度应符合要求。4.线电极的选择一般情况下，快速走丝机床常用钼丝作线电极，钨丝或其它昂贵金属丝因成本高而很少用，其它线材因抗拉强度低，在快速走丝机床上不能使用。慢速走丝机床上则可用各种铜丝、铁丝，专用合金丝以及镀层(如镀锌等)的电极丝。5.穿丝孔的确定（1）穿丝孔的尺寸直径一般310mm；（2）穿丝孔的位置。凹模、孔类零件为使切割轨迹短和更于编程，穿丝孔应设在边角处 、在已知坐标尺寸的交点处或型孔中心。 凸模类零件为避免将坯件外形切断引起变形，应按图c在坯料内打穿丝孔（3）工件校正和装夹a.工件校正；b.工件装夹方式。（4）线电极位置的校正a.目视法直接利用目视或借助于放大镜来确定线电极的坐标位置；b.火花法 利用线电极与工件在一定间隙时发生火花放电来确定线电极的坐标位置；c.自动法 利用机床自动找正功能找孔中心。1.3 电火花线切割控制系统和编程技术1.电火花线切割控制系统控制系统在电火花线切割加工中起重要作用。控制系统的稳定性、可靠性、控制精度及自动化程度，都直接影响加工精度和工人的劳动强度。在进行电火花线切割加工过程中，控制系统的主要作用：按加工要求精确地自动控制电极丝相对工件的运动轨迹，使零件获得所需的形状和尺寸；对加工状态进行控制，如控制伺服进给速度、电源装置、工作夜循环系统、走丝机构等，协调各机构的运转；此外还应具有断电记忆、故障报警、安全控制及自诊断功能，以保证正常的稳定切割加工。轨迹控制靠数控编程和控制系统，伺服进给速度控制是根据放电间隙大小与放电状态自动控制的，使进给速度与工件材料的蚀除速度相平衡。数字程序控制（NC控制）电火花线切割的控制原理是把图样上工件的形状和尺寸编制成程序指令，一般通过键盘或使用穿孔纸带或磁带，输给计算机，计算机根据输入指令控制驱动电机，由驱动电机带动精密丝杆，使工件相对于电极丝做轨迹运动。图1-1所示为数字程序控制过程框图。 程序程序输入机构专用计算机插补计算执行机构坐标工作台（放电间隙）图样图1-1 数字程序控制过程图与靠模仿形和光电跟踪仿形控制不同，数字程序控制方式无需制作精密的模板或描绘精确的放大图，而只需根据图样形状和尺寸，经编程后用计算机进行直接控制加工。因此，只要机床的进给精度比较高，就可以加工出高精度的零件，而且生产准备时间短，机床占地面积小。现在绝大多数线切割机床采用数字控制技术，高速走丝电火花线切割机床的数控系统大多采用较简单的步进电机开环系统，而低速走丝线切割机床的数控系统则大多是伺服电动机加码盘的半闭环系统或全闭环数控系统。2.线切割数控编程要点线切割机床的控制系统是按照人的“命令”去控制机床加工的，因此必须事先把要切割的图形，用机器所能接受的“语言”编排好“命令”，并告诉控制系统，这项工作叫做数控线切割编程，简称编程。为了使机器接受指令，必须按一定的格式编写程序，这些格式有3B、4B、5B及ISO和E等，我国使用最多的是3B和ISO格式。（1）3B格式以下介绍我国高速走丝切割机床应用较广的3B程序的编程要点，3B格式的程序段格式见表1-1所示.表1-1 程序格式坐标坐标计数长度计数方向加工指令编程时需用的参数有五个：切割的起点或终点坐标、y值；切割时的计数长度J（切割长度在轴或y轴上的投影长度）；切割时的计数方向G；切割轨迹的类型（加工指令）Z。程序段格式：我国高速走丝数控线切割机床采用统一的五指令3B程序格式：BXBYBJGZ其中 B分隔符，用它来区分、隔离X、Y和J等数码，以免执行指令时发生混淆。B后的数字如为0，则此0可以不写； X、Y加工圆弧时，取圆心作为切割坐标原点，X、Y值为圆弧起点的坐标绝对值；加工直线时，取直线起点作切割坐标的原点，X、Y值为直线终点坐标绝对值。亦可将两者同时放缩相同倍数。编程时均取绝对值，以um为单位； J计数长度，取绝对值，亦以um为单位，要和选计数方向一并考虑。直线的编程时，按计数方向Gx或Gy,取该直线在X轴或Y轴上的投影值，即取X值或Y值；圆弧编程时，亦按计数方向取X或Y轴上的投影值，如果圆弧较长，跨越两个以上象限，则分别取计数方向X轴（或Y轴）上各个象限投影值的绝对值相累加，作为该方向总的计数长度。 G计数方向，分Gx或Gy，即可按X方向或Y方向计数，工作台在该方向每走1um即计数累减1，当累减到计数长度J=0时，这段程序即加工完毕。直线编程时，计数方向按图2-2选：当直线终点坐标（Xe,Ye）在阴影区域（45为界）内，计数方向为Gy，否则为Gx；若正好在45线上，计数方向任取。圆弧编程时，计数方向按图2-3选择：当圆弧终点坐标（Xe,Ye）在阴影区域内，计数方向为Gx，否则为Gy；若正好在45线上，计数方向任取。 （a） （b）图1-2 计数方向选择Z加工指令，分为直线L和圆弧R两大类。直线又按走向和终点所在象限而分为L1、L2、L3、L4四种；圆弧又按第一步进入的象限及走向的顺、逆圆而分为SR1、SR2、SR3、SR4及NR1、NR2、NR3、NR4八种，如图1-3所示。（a） （b） （c） （d） 图1-3 加工指令（2）3B格式编程举例： 设要切割图1-4所示的轨迹，该图形由三条直线和一条圆弧组成，故分四条程序编制（暂不考虑切入路线的程序）。a.加工直线AB。坐标原点取在A点，AB与X轴正重合，X、Y均可作0计，故程序为 BBB40000GxL1b.加工斜线BC。坐标原点取在B点，终点C的坐标值是X=10000，Y=90000，故程序为 B1B9B90000GyL1c.加工圆弧CD。坐标原点应取在圆心O，这时起点C的坐标可用勾股定律算的为X=30000，Y=40000，故程序为 B30000B40000B60000GxNR1d.加工斜线DA。坐标原点应取在D点，终点A的坐标为X=10000，Y=90000，故程序为 B1B9B90000GyL4 实际线切割加工和编程时，要考虑线径补偿量（为钼丝半径与单边放电间隙之和）的影响。 图1-4 要切割的零件图第2章 AutoCAD基础知识2.1 AutoCAD简介AutoCAD是由美国Autodesk欧特克公司于二十世纪八十年代初为微机上应用CAD技术而开发的绘图程序软件包，经过不断的完善，现已经成为国际上广为流行的绘图工具。 AutoCAD具有良好的用户界面，通过交互菜单或命令行方式便可以进行各种操作。它的多文档设计环境，让非计算机专业人员也能很快地学会使用。在不断实践的过程中更好地掌握它的各种应用和开发技巧，从而不断提高工作效率。AutoCAD具有广泛的适应性，它可以在各种操作系统支持的微型计算机和工作站上运行，并支持分辨率由320200到20481024的各种图形显示设备40多种，以及数字仪和鼠标器30多种，绘图仪和打印机数十种，这就为AutoCAD的普及创造了条件。现在最新的版本为：AutoCAD 20102.2 AutoCAD特点及功能2.2.1AutoCAD特点AutoCAD软件具有如下特点：1.具有完善的图形绘制功能。2.有强大的图形编辑功能。3.可以采用多种方式进行二次开发或用户定制。4.可以进行多种图形格式的转换，具有较强的数据交换能力。5.支持多种硬件设备。6.支持多种操作平台7.具有通用性、易用性，适用于各类用户此外，从AutoCAD2000开始，该系统又增添了许多强大的功能，如AutoCAD设计中心（ADC）、多文档设计环境（MDE）、Internet驱动、新的对象捕捉功能、增强的标注功能以及局部打开和局部加载的功能，从而使AutoCAD系统更加完善.2.2.2 基本功能及应用领域基本功能：平面绘图、绘图辅助工具、编辑图形、标注尺寸、书写文字、图层管理功能、三维绘图、网络功能、数据交换、二次开发。 应用领域：工程制图：建筑工程、装饰设计、环境艺术设计、水电工程、土木施工等等；工业制图：精密零件、模具、设备等；服装加工：服装制版；电子工业：印刷电路板设计。广泛应用于土木建筑、装饰装潢、城市规划、园林设计、电子电路、机械设计、服装鞋帽、航空航天、轻工化工等诸多领域。11洛阳理工学院毕业设计（论文）第3章 仿真技术3.1 仿真的定义仿真英文全称是 :Simulation即:使用项目模型将特定于某一具体层次的不确定性转化为它们对目标的影响，该影响是在项目整体的层次上表示的。项目仿真利用计算机模型和某一具体层次的风险估计，一般采用蒙特卡洛法进行仿真。 利用模型复现实际系统中发生的本质过程，并通过对系统模型的实验来研究存在的或设计中的系统，又称模拟。这里所指的模型包括物理的和数学的，静态的和动态的，连续的和离散的各种模型。所指的系统也很广泛,包括电气、机械、化工、水力、热力等系统,也包括社会、经济、生态、管理等系统。当所研究的系统造价昂贵、实验的危险性大或需要很长的时间才能了解系统参数变化所引起的后果时，仿真是一种特别有效的研究手段。仿真的重要工具是计算机。仿真与数值计算、求解方法的区别在于它首先是一种实验技术。仿真过程包括建立仿真模型和进行仿真实验两个主要步骤。3.2 仿真分类仿真可以按不同原则分类:1.按所用模型的类型（物理模型、数学模型、物理数学模型）分为物理仿真、计算机仿真（数学仿真）、半实物仿真；2.按所用计算机的类型（模拟计算机、数字计算机、混合计算机）分为模拟仿真、数字仿真和混合仿真；3.按仿真对象中的信号流（连续的、离散的）分为连续系统仿真和离散系统仿真；4.按仿真时间与实际时间的比例关系分为实时仿真（仿真时间标尺等于自然时间标尺）、超实时仿真（仿真时间标尺小于自然时间标尺）和亚实时仿真（仿真时间标尺大于自然时间标尺）；5.按对象的性质分为宇宙飞船仿真、化工系统仿真、经济系统仿真等。3.3 仿真工具和方法3.3.1 仿真工具主要指的是仿真硬件和仿真软件。仿真硬件中最主要的是计算机。用于仿真的计算机有三种类型：模拟计算机、数字计算机和混合计算机。数字计算机还可分为通用数字计算机和专用的数字计算机。模拟计算机主要用于连续系统的仿真，称为模拟仿真。在进行模拟仿真时，依据仿真模型(在这里是排题图)将各运算放大器按要求连接起来，并调整有关的系数器。改变运算放大器的连接形式和各系数的调定值，就可修改模型。仿真结果可连续输出。因此，模拟计算机的人机交互性好，适合于实时仿真。改变时间比例尺还可实现超实时的仿真。60年代前的数字计算机由于运算速度低和人机交互性差，在仿真中应用受到限制。现代的数字计算机已具有很高的速度，某些专用的数字计算机的速度更高，已能满足大部分系统的实时仿真的要求，由于软件、接口和终端技术的发展，人机交互性也已有很大提高。因此数字计算机已成为现代仿真的主要工具。混合计算机把模拟计算机和数字计算机联合在一起工作，充分发挥模拟计算机的高速度和数字计算机的高精度、逻辑运算和存储能力强的优点。但这种系统造价较高，只宜在一些要求严格的系统仿真中使用。除计算机外，仿真硬件还包括一些专用的物理仿真器，如运动仿真器、目标仿真器、负载仿真器、环境仿真器等。仿真软件包括为仿真服务的仿真程序、仿真程序包、仿真语言和以数据库为核心的仿真软件系统。 仿真软件的种类很多，在工程领域，用于系统性能评估，如机构动力学分析、控制力学分析、结构分析、热分析、加工仿真等的仿真软件系统MSC Software在航空航天等高科技领域已有45年的应用历史。3.3.2 仿真方法主要是指建立仿真模型和进行仿真实验的方法，可分为两大类：连续系统的仿真方法和离散事件系统的仿真方法（见仿真方法）。人们有时将建立数学模型的方法也列入仿真方法，这是因为对于连续系统虽已有一套理论建模和实验建模的方法，但在进行系统仿真时，常常先用经过假设获得的近似模型来检验假设是否正确,必要时修改模型,使它更接近于真实系统。对于离散事件系统建立它的数学模型就是仿真的一部分。3.4 仿真应用和效益仿真技术得以发展的主要原因，是它所带来的巨大社会经济效益。50年代和60年代仿真主要应用于航空、航天、电力、化工以及其他工业过程控制等工程技术领域。在航空工业方面，采用仿真技术使大型客机的设计和研制周期缩短20。利用飞行仿真器在地面训练飞行员，不仅节省大量燃料和经费（其经费仅为空中飞行训练的十分之一），而且不受气象条件和场地的限制。此外，在飞行仿真器上可以设置一些在空中训练时无法设置的故障，培养飞行员应付故障的能力。训练仿真器所特有的安全性也是仿真技术的一个重要优点。在航天工业方面，采用仿真实验代替实弹试验可使实弹试验的次数减少80。在电力工业方面采用仿真系统对核电站进行调试、维护和排除故障，一年即可收回建造仿真系统的成本。现代仿真技术不仅应用于传统的工程领域，而且日益广泛地应用于社会、经济、生物等领域，如交通控制、城市规划、资源利用、环境污染防治、生产管理、市场预测、世界经济的分析和预测、人口控制等。对于社会经济等系统，很难在真实的系统上进行实验。因此，利用仿真技术来研究这些系统就具有更为重要的意义。3.5 数控加工仿真技术发展史数控加工仿真是指数控机床在虚拟环境中的映射，它集制造技术、机床数控理论，计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)和建模与仿真技术于一体。能够凭直觉感知计算机产生的三维仿真模型的虚拟环境，在设计新的方案或更改方案对能够在真实制造之前在虚拟环境中进行零件的数控加工，检查数控程序的正确性、合理性，对加工方案的优劣做出评估与优化，从而最终达到缩短产品开发周期、降低生产成本、提高产品质量和生产效率的目的。它随着计算机技术的发展而迅速地发展，计算机仿真占有越来越重要的地位。从试切环境的模型特点来看，目前数控仿真分几何仿真和力学仿真两个方面。几何仿真不考虑切削参数、切削力及其它物理因素的影响，只仿真刀具工件几何体的运动，以验证NC程序的正确性。它可以减少或消除因程序错误而导致的机床损伤、夹具破坏或刀具折断、零件报废等问题;同时可以减少从产品设计到制造的时间，降低生产成本。切削过程的力学仿真属于物理仿真范畴，它通过仿真切削过程的动态力学特性来预测刀具破损、刀具振动、控制切削参数，从而达到优化切削过程的目的。国外在数控加工过程仿真方面做了许多工作，美国Maylnad大学开发了用于培训数控操作人员的虚拟数控机床仿真器，作为AMT计划的一部分，美国NST也开展了虚拟机床的研究。韩国Turbo-TEK公司开发出面向培训的虚拟数控车削及铣削加工环境，能够实现数控加工的几何仿真并配有声音信息。日本SONY公司研制的FREDAM系统可对球头铣刀加工自由曲面进行三维仿真，并进行干涉、碰撞检查。意大利Bologna大学用B样条曲面建立端铣刀与工作台模型，采用真实感图形显示铣床精加工过程。目前，数控加工过程仿真，尚属以理想几何图形来检验数控代码是否正确的几何仿真，此时刀具和工件均被视为仅具几何形状的刚体，不考虑切削参数，切削力及其它因素对切削加工的影响。15 第4章 Lisp语言应用的简介4.1 Lisp语言简介Lisp 语言最早是在 20 世纪 50 年代末由麻省理工学院（MIT）为研究人工智能而开发的。Lisp 语言的强大使它在其它方面诸如编写编辑命令和集成环境等显示其优势。而 GNU Emacs Lisp 主要由 Maclisp 发展而来，该语言由 MIT 在 20 世纪 60 年代写成。它在某种程度上继承了 Common Lisp，而 Common Lisp 在 20 世纪 80 年代成了一种标准。Lisp 代表 LIST Processing，即表处理，这种编程语言用来处理由括号（即“(”和“)”）构成的列表。 4.2 LISP语言的主要特点4.2.1 LISP语言的优点1LISP具有和图灵机相同的(也就是理论上最高的)计算能力； 在计算机科学的可计算理论中,人们已经证明递归函数和图灵机具有相同的（也就是理论上最高的）计算能力,通常指的是自然数集上的递归函数。这个结论对符号集上的递归函数也成立。J.McCarthy在LISP中设计了一套符号处理函数,它们具有符号集上的递归函数的计算能力,因此原则上可以解决人工智能中的任何符号处理问题。 2数据类型的唯一性,程序与数据的一致性； LISP的数据类型和句法结构简单,甚至简单到具有唯一性和一致性:其数据和程序的表现形式是一样的， 都是用S-表达式一种形式.基本的数据结构是表(表是S-表达式的特例)。 3数据和程序的等价性； LISP的数据和程序不仅类型一致,而且作用也等价；即：程序可作为数据被处理，数据也可作为程序来执行。 4LISP一切功能由函数来实现，程序的运行就是求值； LISP程序的通常形式是一串函数定义，其后跟着一串带有参数的函数调用，函数之间的关系只是在调用执行时才体现出来。 5LISP语言的控制结构以递归为主； 大多数语言使用的控制结构是以循环为主的，有的程序语言允许递归，而LISP以递归形式为主。递归是LISP能力的源泉。当然现在LISP也有循环结构和迭代。 6原子可以有任意多个值(特性值)； LISP非常重要的一个特点是每个文字原子可以加许多特性，每个特性有一个特性表及对应的特性值。由于原子的多值性给使用者带来很多方便，给问题表示带来好处，使LISP很好用。 7LISP具有表的结构形式和规模的灵活性，不必预先设定； 8具有收集无用单元的功能。 4.2.2 LISP语言的主要缺点1初学者不容易习惯LISP的句法结构，特别是多层表的括号配对写法； 2数据类型少(常用的只有表和原子)，使其表达能力受限； 3规范性差(无标准版本，不同的LISP文本间差别较大)； 4程序的可读性不及一般的高级语言； 5执行速度慢。 LISP执行速度慢的原因有几个：(1)一般的 LISP是解释型， 程序边解释边执行当然比编译型慢；(2)LISP的控制结构主要是递归， 递归费时间费空间；(3)内存空间动态变化。LISP不要求用户在程序 中写一些用来指示内存分配的说明语句，全部内存必须动态的分配，直到 没有空间时才开始收集无用单元。 4.3 Auto Lisp和Visual Lisp简介4.3.1 Auto Lisp和Visual Lisp简介LISP(LsitProceessnsiLngaugae)是一种计算机表处理语言，是在人工智能科学领域广泛应用的一种程序设计语言。Auto Lisp是AutoCAD所支持的一种内嵌式高级编程语言，所谓内嵌式就是指Auto Lisp已经集成到AutoCAD软件之中。使用Auto Lisp可以直接调用几乎所有的AutoCAD命令。Auto Lisp语言既具备一般高级语言的基本结构和功能，又具有一般高级语言所没有的强大图形处理功能，在AutoCAD中，用户可十分方便地利用Auto Lisp编程语言对AutoCAD进行二次开发，把自己日常工作中常用的某些操作以命令的形式添加到AutoCAD中，然后用户就可以像使用AutoCAD标准命令一样使用新添加的命令以完成特定的操作。用户还可以直接增加和修改AutoCAD命令，随意扩大图形编辑功能，建立图形库，并对当前图形进行直接访问和修改。Auto Lisp语言最典型的应用之一是实现参数化绘图程序设计，包括尺寸驱动程序和鼠标拖动程序等。Visual Lisp是一种专门用来加速Auto Lisp程序开发的程序软件，现已正式内嵌于AutoCAD2000中。作为新一代Lisp语言，Visual Lisp全面兼容Auto Lisp，并提供一个全新的可视化集成开发环境。它拥有自己的窗口和菜单，但它们与AutoCAD的其它窗口不同。Visual Lisp不能离开AutoCAD而单独运行，如果用户想要使用Visual Lisp，必须首先与AutoCAD中的图形和命令窗口进行交互来响应程序的提示。当Visual Lisp将控制权交给AutoCAD时，如果AutoCAD被最小化了，那么用户需要手工来恢复和激活窗口，因为Visual Lisp不能自动恢复AutoCAD窗口。4.3.2 Auto Lisp的数据类型Auto Lisp支持以下10种数据类型:整数型、实数型、字符串、符号、表、文件描述符、AutoCAD实体名、AutoCAD选择集、内部函数(Auto Lisp子程序)、外部函数(ADS、ARX函数)。18第5章 电火花线切割自动编程和仿真技术5.1 电火花线切割编程技术的发展伴随着机床的应用、发展，对电火花线切割的编程手段也经历了由简单到复杂、由低级到高级的过程。5.1.1 手工编程早期，电火花线切割机床编程主要采用手工编程方式。编程人员必须手工描述要切割的零件形状，计算其个坐标点，根据坐标点来计算加工指令，并将生成的加工指令以手工的方式输入到机床的控制器中，控制机床进行切割。 这种编程方式工作量大、效率低、可靠性差、容易出错，绝大部分的企业现在已经摆脱了这种编程方式。5.1.2 语言式编程随着计算机的日益普及，电火花线切割编程也跨入了计算机时代。首先出现通过计算机编制加工程序的“语言式编程系统”。语言式编程采用类似于数学公式的专用语言来描述被切割零件的形状。根据语言的描述，由计算机通过计算产生线切割机床的加工代码。50年代，MIT设计了一种专门用于机械零件加工程序编制的语言，成为APT（Automatically Programmed Tool）。采用APT语言编制加工程序，具有程序简练，控制灵活等优点，使加工编程从面向机床指令的“汇编语言”级，上升到面向几何元素。这种编程方式中，由于大量的计算由计算机来完成编程人员的主要工作是对零件进行描述，因而比手工编程前进了一步。APT仍有许多不便之处：采用语言定义零件几何形状，难以描述复杂的几何形状，缺乏几何直观性；缺少对零件形状、加工轨迹的直观图形显示和验证手段；难以和CAD数据库和CAPP系统有效连接；效率低，不容易做到高度的自动化、集成化。同时，编程人员必须经过专门的培训，掌握一整套复杂的语言规则，加大了使用的难度。5.1.3 图形式编程针对APT语言的缺点，为了解决上述问题，同时随着计算机绘图技术的发展，出现了所谓的绘图式编程软件。这种编程软件通过在计算机屏幕上以绘图的方式描述被切割的零件，然后根据零件的形状自动计算加工代码。这种方式以直观的绘图代替了专用语言来对零件进行描述，直观、简单。这种编程方式的软件初步解决了以绘图作为切割零件的描述手段，比以往的编程方式有了巨大的进步。但面对快速发展的信息技术及CAD技术，已经不能满足新形势下新的需求。1978年，法国达索飞机公司开始开发三维设计、分析、加工一体化的系统，称为CATIA。随后很快出现了象EUCLID、UGII、INTERGRAPH、Pro/Engineering、MasterCAm及NPU/GNCP等系统，这些系统都有效的解决了几何造型、零件几何形状的显示，交互设计、修改及刀具轨迹生成，走刀过程的仿真显示、验证等问题，推动了CAD和CAM向一体化方向发展。5.1.4 集成式编程到了80年代，在CAD/CAM一体化概念的基础上，逐步形成了计算机集成制造系统（CIMS）及并行工程（CE）的概念。目前，为了适应CIMS及CE发展的需要，数控编程系统正向集成化和智能化方向发展。在集成化方面，以开发符合STEP（Standard for the Exchange of Product Model Data）标准的参数化特征造型系统为主，目前已进行了大量卓有成效的工作，是国内外开发的热点；在智能化方面，工作刚刚开始，还有待我们去努力。近几年来，在政府的大力推动下，CAD技术的应用在国内也已经得到普及，大量的大、中、小以至个体企业已经采用了CAD技术作为设计手段。CAD技术在带给设计者能力、效率的同时，也带来了数据共享、分布设计、网络化等众多的优势，通过网络，设计的数据瞬间可传递到世界各个角落，在任何一方均可按照相同的设计数据进行加工。5.2 实现自动编程的几种可行方案为了实现3B指令格式数控线切割程序的自动编程，并为CAD/CAM的集成打下基础，一般可采用以下三种较为可行的方案：1.采用国内开发的CAD/CAM软件，随着我国CAD应用工程的启动和民族软件产业的发展，产生了一批较适合国情的CAD/CAM软件，如开目CAD、CAXA系列软件等，这些软件可提供3B指令格式线切割程序的自动生成功能。2.在适用的CAD软件环境中（如AutoCAD）开发能生成3B指令格式线切割程序的自动编程软件。3.利用现有的CAD/CAM软件，将自动产生的数控程序格式转换成3B指令格式的线切割程序。 这三种方案在实际应用中各有特点，不同的企业可根据实际情况采用，采用第一种方案最为简单，只需通过少量的软件投资即可实现，但如果企业已应用其它的CAD/CAM软件，那么不仅会增加投资，而且也不一定能与现有的CAD/CAM系统实现很好的集成。由于在通用的CAD软件环境中开发一个较完善的自动编程软件需要实现被加工轮廓的快速选择、加工轨迹图形的自动生成和排序、轨迹数据的自动提取、后处理等一系列功能，对于技术力量不是特别雄厚的企业来说要实现这项工作难度较大，因此，第二个方案较适合由软件开发商或科研机构来完成，不适合面向应用的企业采用，如果企业中已成功地应用了CAD/CAM软件，那么采用第三种只需通过编写与现有CAD/CAM系统之间实现格式转换的程序，即可实现自动编程。由于这种编程工作量小，实现较为容易，不仅拓宽了原有软件的适用范围，而且非常有利于在已有软件环境下CAD/CAM集成，因此从应用的角度来讲，这是一种简单易行的解决方案。5.3电火花线切割的自动编程电火花线切割编程，是根据图样提供的数据，经过分析和计算，编写出线切割机床能接受的程序单。数控编程可分为手工编程和自动编程两类。从分析零件图、确定零件加工工艺过程、数值计算到编写零件加工程序单、制作控制介质、校对程序，整个过程都是由手工完成的，这种编程方法成为手工编程。手工编程通常是根据图纸把图形分解成直线线段和圆弧线段，并且把每段的起点、终点，中心线的交点、切点的坐标一一定出，按这些直线的起点、终点，圆弧的中心、半径、起点、终点坐标进行编程。当零件的形状复杂或具有非圆曲线时，采用手工编程及其复杂，工作量大，而且很容易出错。 为了简化编程工作，利用电子计算机自动编程是必然趋势，近年来已研制出多种自动编程方法。目前，以计算机绘图为基础的自动编程方法（即语言式自动编程和图形交互式自动编程）占主导地位，其方法是根据待加工的零件图形，按照机械作图的步骤，在计算机屏幕上绘出零件图形，编程人员根据屏幕菜单提示的内容反复与计算机对话，选择菜单目录或回答计算机提问，从零件图形的定义、走刀路线的确定到加工参数的选择，整个过程都是在交互方式下完成的，不存在什么编程语言问题。编写出数控加工程序（3B）后，将程序传输给线切割机床。即使是数学知识不多的人也照样能简便地进行这项工作。数控线切割编程自动编程过程如图5-1所示。图5-1 数控线切割自动编程流程图近年来已出现了可输入两种格式（ISO和3B）的自动编程机。 需要指出的是，在一些CNC线切割机床上，本身已具有多种自动编程机的功能，或做到控制机与编程机合二为一，在控制加工的同时，可以“脱机”进行自动编程，国外的低速走丝线切割机床及近年来我国生产的一些高速线切割机都有类似的功能。对一些书法作品或工艺美术作品等具有复杂曲线图形的编程，可以用扫描仪或数码相机直接将图形输入计算机，再经图形处理软件及图形矢量化软件（或图形矢量化功能）处理后，可编译成线切割程序。5.4 数控线切割仿真的意义数控线切割仿真可以减少或消除因程序错误而导致的机床损伤、夹具破坏或钼丝折断、零件报废等问题；同时可以减少从产品设计到制造的时间，降低生产成本。5.5 数控线切割仿真系统的组成数控线切割加工仿真系统由两个模块组成：（1）仿真环境:由线切割机床、工件、夹具钼丝构成。（2）仿真过程：将钼丝与零件视为刚体，不考虑切削参数、切削力等其它物理因素的影响，只通过仿真钼丝、工件几何体的运功来验证NC程序的正确性。5.6 小结利用AutoCAD强大的绘图及数据查询功能，结合数控加工仿真算法，使得数控线切割机床的数控加工仿真简便易行。通过对数控加工进行仿真，能够及早发现程序中的问题，检验设计数据，验证和评价程序的正确性和可靠性，并依据设计数据及时进行修正，使可能出现的损失降至最小。该系统可以有效的避免采用试切法产生的浪费，提高了数控线切割的生产效率，同时，也为CAD/CAM的集成提供了一条途径。第6章 基于AutoCAD平台上线切割加工自动编程系统的开发方法Autodesk公司推出的AutoCAD绘图软件包以其强大的功能风靡全球，尤其是它的菜单系统，高效、直观、交互操作性极好，在工程技术界及微机CAD领域深受用户喜爱。AutoCAD作为一款强大的工程绘图软件，已经成为工程人员工作中不可缺少的重要工具。AutoCAD的主要命令方式是命令行，几乎所有的操作都可以通过相应的键盘命令来完成。除此之外，Autodesk公司还提供了丰富的快捷菜单和工具栏以提高用户的工作效率。但由于用户的专业不同，因此系统缺省的菜单往往不能满足不同专业的需要。如果能够根据自己的需要和习惯来合理的安排菜单的内容和布局，将能够使工作效率大幅度提高。本设计在不改变AutoCAD原有菜单的情况下增加了一个“线切割自动编程”功能。 6.1自动编程系统开发工具的选择由于数控编程在历史上与CAD技术是两个独立发展的技术，因此在很长一段时期内采用了一种类似于高级语言那样的数控编程语言来实现自动编程，后来随着CAD技术的发展，才有了采用计算机辅助图形设计的自动编程方法，再往后才提出从CAD系统中提取出所设计的零件特征参数直接进行自动编程的方法，即CAD/NCP继承的编程方式。目前这几种自动编程方式都在使用。由此可知数控自动编程可以分为:1.采用数控编程语言的自动编程；2.交互式图形自动编程系统；3.基于特征的自动编程系统。6.1.1 数控编程语言的自动编程最著名的是APT语言(Auto matieally programmed Tools)，它用类似于英语的语句来编写程序。APT有四类语句:第一类用来定义零件形状;第二类用来控制刀具运动:第三类用来控制机床功能，并将信息传给后处理程序，转换成加工程