基于VB的数控车削加工仿真系统的研究与开发
基于VB的数控车削加工仿真系统的研究与开发
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针对高校数控教学与培训的实际情况,利用VisualBasic6.0开发出数控车床加工仿真系统,阐述了仿真系统设计的基本框架和几
个关键技术的处理。经过实例验证,该系统运行效果良好,应用方便,完全能够满足教学和培训要求,具有广阔的开发应用前案。
针对高校数控教学与培训的实际情况,利用VisualBasic6.0开发出数控车床加工仿真系统,阐述了仿真系统设计的基本框架和几
个关键技术的处理。经过实例验证,该系统运行效果良好,应用方便,完全能够满足教学和培训要求,具有广阔的开发应用前案。
数控 仿真系统 插补 校验机电工程张少伍 韩江 胡慧萍 [1]铜陵学院机械工程系,安徽铜陵244000
[2]合肥工业大学机械与汽车工程学院,安徽合肥2300092007第六图书馆
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第 24卷 第 11期
2007年 11月
机 电 工 程
M ECH ANICAL ＆ ELECTRICAL ENGINEERING M AGAZINE
V01．24 NO．11
NOV． 2007
基于 VB的数控车削加工仿真系统的研究与开发 木
张 少伍 ，韩 江 ，胡慧 萍
(1．铜陵学院 机械工程系 ，安徽 铜 陵 244000；2．合肥 工业 大学 机械与汽车工程 学院 ，安徽 合肥 230009)
摘 要 ：针 对 高校 数控教 学与培训 的 实 际情 况 ，利 用 Visual Basic 6．0开发 出数 控 车床加 工仿 真 系统 ，阐
述 了仿 真 系统设 计 的基 本框 架和 几 个 关键 技 术 的 处 理 。经 过 实例 验 证 ，该 系统 运行 效 果 良好 ，应 用方
便 ，完全 能够满足 教 学和培 训要 求 ，具 有广 阔的 开发 应 用前案 。
关键词 ：数控 ；仿 真 系统 ；插补 ；校验
中图分 类号 ：TP273 文献标 识码 ：B 文 章编 号 ：1001—4551(2007)11—0035—03
Research and development on sim ulation system of NC turning based on VB
ZHANG Shao—WH ，HAN Jiang ，HU Hui—ping
(1．Department of Mechanical Engineering，Tongling College，Tongling 244000，China；
2．College of Mechanical& Auto Engineering．Hefei University of Technology，HeFei 230009，China)
Abstract：The simulation system of NC turning was designed by Visual Basic 6．0 ，aimed on the actual faction of education and
training． The basic flame and the key technologies about the simulation system ’S design were introduced．An example verifies that
the system is very useful and convenient to learner，which can contents demands for education and training completely，and it
illustrates a good prospect of application and extension．
K ey w ords： num erical control；simulation system ；interpolation；verify
O 前 言
数控 机床 已成 为制造 业实 现 自动化 、柔性化 、集 成
化 生产 的基 础设 备 ，数 控 车削 加 工 在 现代 机 械 制 造业
中的应用 日益广 泛 。据 统 计 ，数 控 车 床是 装 备 量 最 大
的数 控机 床 。数 控车 床 的培训 是学校 职业 技能 培训 的
重点 。但是 数控 车床 价 格 昂 贵 ，因此 在 购 买 少 量 数控
车床 的基础 上 ，再 配置 相应 的仿 真软件 ，这样 既 降低 教
学成本 ，提 高教学 效 果 ，又可 减轻 教师 和学 生 的劳动强
度 ，保 障教学 安全 ? 。
本研 究介 绍笔 者开 发 的华 中数 控 车削加 工仿 真 系
统 。在 Visual Basic 6．0的环 境 下利 用 Windows技 术
和面 向 对 象 的程 序 设 计 方 法 开 发 一 个 可 视 化 仿 真
系统 。
l 软件的总体设计
1．1 基本 功能 框架
为力 求最 大 限度地 真实 再现数 控 车床操 作 的每一
个 细节 ，并充 分利 用 VB强大 的 图形 界 面操 作 功 能 ，可
完全 依 据真实 数 控车床 的 功能结 构来 构建仿 真 软件 的
框架 ，直 接 以仿 真 操 作 面板 作 为交 互 界 面 。软 件 运行
时 ，就相 当于操 作 一 台 真正 的数 控 车 床 。仿 真操 作 系
统基本功能(主菜单)，如图 1所示 。
圄璺 羹 l_
圈 1 基 本 功 能 菜 单
在 图 1中 ，当选 择某 种 功能后 ，仿 真系统 会显 示该
功能 下 的子菜单 ，同样 可 根 据 该 子菜 单 的 内容 选择 所
需要 的功 能 ，则 下 一 子 菜单 又 被 显 示 。要 返 回上一 级
子菜 单 时 ，点击 该 菜单 下 的 F1键 即可 。
1．2 操 作界面 的设 计
界 面是用 户应 用程 序进 行交 互 时 的可 视部 分 。为
再 现华 中数 控车 削操作 界 面 ，在 VB程 序设 计 中 ，可利
用它所提供的窗体 、通用控件及 Active X控件进行设
计 。主 界面 ，如 图 2所 示 。
收稿 13期 ：2007—05—14
基金项 目：安徽省高校青年教师资助项 目(2005jq1239)
作者简介 ：张少伍 (1972～)，男 ，安徽无为人 ，副教授 ，主要从 事先进制造技术与数控技术方面的教学与研 究。
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· 36· 机 电 工 程 第 24卷
2关键 技术 的处理
图 2 主 界 面
2．1 数 控程 序信 息识别 模块 的设 计
一 个完整 的数 控加 工程 序 是 由若 干程 序 段 组 成 ，
在程 序 中表现 为一 行代 码 。 目前 国内外 常用 的程序 格
式是 可变 程 序 段 “字 地 址 格 式 ”。国 际标 准 化 组 织 制
订 的 IS04683．1．1982标 准规 定 的格式 ，如下所 示 ：
N? G? X ± ? Y ±? Z ±? I± ···J± ? K ± ? M? S
? T? F?
上述 格 式 是 按 一 个 程 序 段 最 多 可 能 会 有 3条 G
指令 ，2条 M 指令 考虑 的。对 于这 种格 式 的指令 ，如果
逐 段用 VB代 码描述 会非 常繁琐 且 不利 于应 用 不 同 的
程 序 。本 系 统采 用 外 部 程 序 文 件 读 入 方 法 解 决 加 工
程 序调 用 问题 。这 种 方 法 必 须 将 实 际 加 工 程 序 按 照
数控加工程序 的编制格式 以纯文本的形式 书写并保
存为独 立 的 ．TXT文 件 ，然后 再在 mnuPrograml—
Click()子 过 程 中用 Open语 句 打 开 文 件 ，并 用 Line
Input语 句循 环读 入 ，用 Seek()函数 返 回指 针 的 当前 位
置 ，以便 循 环读取 字符 ，供仿 真主程 序处 理 。 由于本 系
统 只是进 行 图形 仿 真 ，系 统 不 能 识 别 M 指 令 ，且 F、S
指令 速度 也是 默认 的 (但 显示 模 块 上 可 以依 据程 序 的
数值 显示 )。
在零 件加 工程 序调 入 后 ，仿 真 软 件 的工 作 就 转 化
为识别代码 ，即要判别读 入 的是 N、G还是 M 等等。
当读 入 的是 G代 码 时 还 需要 判 别 是 哪 种 功 能 的 G 代
码 。 由于数 控车床 可 加 工 的只 有 直线 和 圆 弧 (包括 顺
圆 、逆 圆 )，其余 曲线 可 由直 线 、圆弧 逼近 而 成 。直 线 、
圆弧 的形 成 过程采 用 数 控插 补 方 法 ，仿 真 软件 无 法 进
行半闭环数控车床 的实际运动反馈控制，这里选用逐
点 比较法形成轨迹 ，使计算简单 。
2．2 程序 校验 模块 的设计
作 为 学生学 习 和练 习 的 仿 真软 件 ，程 序 校 验模 块
有着 非 常重 要 的作 用 ，它 能及 时提 供 错误 信息 。 一般
程序 校 验分 为词法 校验 和语 法校验 。
2．2．1 词 法 校 验
词法校 验 主要针 对 以下几 种错误 类 型 ：非 法字符 、
无 程序 名 、程序无 结束 符 、字 地址 后无 数字等 。检 查方
法 是 以每一 行为单 位 作 为字 符 流 ，完 成 对 用 户 输入 到
文本 框 中 的 NC代码 预处 理工 作 。
rNC代码 的预 处理 基本思 路 为 ：先 将整个 程序 代码
以一 个字 符 串的形式 赋 给变 量 Str00，然后 依 据换 行符
的位 置将 字符 串分 行 ，并将 同一 行 的字符 串赋 给 一 个
数组 变 量 ，利 用 字 符 串 操 作 函 数 Mid(expS，expN1，
expN2)和 Instr(expN，expS1，expS2)对 其 进 行 操 作 。
两种 方法 配合使用 就 可 以针对 每行 出现 的 数 控代 码 ，
检 验该 行字 符 串中有 没 有本 系统 所 规 定 的 字符 出现 ，
从 而完成 词 法校验 。
2．2．2语 法校 验
本 系统数 控程 序 的语 法校 验 相 对 较简 单 ，对 某 些
输入 错误 和无程 序 名 、无结 尾 符 等 错 误 可 以在 词 法 校
验 中查 出 ，而其 他错 误 则是 通 过 程 序 在 运行 过 程 中发
现 。当程 序在运 行 时 ，一旦 发现语 法 错误 ，程序 立 即停
止执行 ，并停 留在 有语 法错 误 的程序 段 。在 本仿 真 中 ，
采用逻 辑判 断进 行语 法校验 。
2．3 显 示模 块 的设计
由于数控 车床 加 工 的 是 回转 体 零 件 ，其 图形 是 关
于 z轴对 称 的。在 仿 真 系统 中 ，依据 逐 点 比较 法插 补
原理 ，由运 算 结 果 产 生 刀具 坐 标 值 ，利 用 VB 的 Timer
控件 实 现刀具 移动 轨迹 的实 时 绘 制 ，这 将 使 刀具 向某
个方 向移 动一个 距 离 。为 真 实表 现 已加 工 工 件 的
形状 ，针对 由 G01、G02、G03插 补 形 成 的 轨 迹 ，同时 采
用 Line控件作 +x～一x间的直线 ，这样就可绘出已
加 工工 件 的实体 形状 。
3 运行实例
首先 打开 仿真 系统 进入 “零 件输 入 程序 界 面 ”，输
入 零件 程序 ，如 图 3所示 。
在执行“程序存储”、“选择 程序”、“循环启动”等
操作后 ，仿真系统执行上述程序 ，生成仿真轨迹 ，如 图
4所 示 。 ·
图 3 输入 零 件 程序 图 4 轨 迹 仿 真
(下转 第 52页)
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机 电 工 程 第 24卷
上传数 据 ；若 没有 传送数 据 的请求 ，则继续 进行 采样 。 经 过 PCI数据总线 实现主机与 DSP之间 的数据传 输 。
4 系统测试与实验 5 结束语
为检 测系 统 的实 际效 果 ，本 研究 利 用 实 验 室 现有
的设备对 DSP与传统的单片机进行 了理论对 比分析 ，
并进 行 了系统运 行和数 据观 测 的实验 。在相 同 的时钟
频率 和芯 片集 成度 下 ，DSP器件 比 16位 单 片机单 指 令
执 行 时 间快 8—1O倍 。完 成 一 次 乘 加 运 算 快 16～30
倍 ，完成 F 算法的速度 比通用微处理器要快 2～3
个数量级。如对于 1024点 的 F 算法。时钟相 同、集
成度相仿的 IBM PC／ATo386和 TMS320C60，运算时间
分别 是 0．3 S和 1．5 ms，速度 相 差 200倍 。硬 件 结 构
使得 DSP的数据 输入／输 出能 力很 强 ，数 据位 宽 、乘 加
器的位宽也 比单片机大 ，进行数字信号处理时不仅速
度 快 ，精 度也 高 ，而且在 相 同的工作 频率 下 ，FFT、编 解
码等常用数字信号处理算法的速度也 比单片机快。轴
承故障诊断系统具体实验线路 。如图 5所示。
图5 轴 承故障诊 断系统线路 图
在被测 轴承上 装有传 感 器 ，机 械运转 时 ，经 过振 动
信号分析仪采集轴承振动信号 ，确定模拟信号 的最大
频 率 ，根 据采 样 定 理 ，得 出 A／D的 采样 频 率 。 在 符合
A／D芯 片 的电压 要 求 情 况 下 ，输 入 到 AD9042进行 采
样 ，采 样后 的值存 储 到 双 口 RAM(OXO0400000开始 地
址)中 ，即外部存储器接 口 CE0，通过存储器映射 ，存放
到 0X80000000开始 的片 内数据 RAM 中 ，然后 执行 下载
到 DSP中的 F 程序，对其进行 F 变换 ，通过程序中
的存储器映射，把频域值存放在 0X80000000开始 的片
内数据 RAM中，通过指针，在 CCS环境下打开 FILEIO，
本 研究 将 高频模／数转 换器 ，DSP和 PCI总线 结合
起来 ，设计 了能广 泛 应用 于 轴 承 故 障诊 断 领 域 的 高速
数据采 集 卡 ，发 挥 了 DSP强 大 的数据 处 理 能力 和 PCI
总线 高 速 数 据 传 输 能 力 。 浮 点 TMS320C6701DSP与
PCI接 口器件 两者 优势 的结 合也 使该 卡 具 有较 好 的 实
时性 和性 价 比。
随着 数字 信 号 处 理 技 术 和计 算 机 技 术 的不 断 发
展 ，基 于 DSP技 术 的数据采 集 与 处理 系 统必 然 会被 业
界广泛 的使 用 ，并 且 在轴 承 故 障诊 断系 统 中具有 较 好
的应用 前景 。
参考 文献 (Reference)：
[1] 盛兆顺．设备 状态 检测 与故 障诊 断技 术及应 用 [M]．北
京 ：化 学 工 业 出版 社 ，2003．
[2] 任丽香．TMS320C6000系列 DSPs的原 理与应用 [M]．北
京 ：电子 工 业 出版 社 ，2000．
[3] 彭启琮 ．DSP与实时数字 信号处 理 [M]．北 京 ：电子科技
大学 出版社 ，1994．
[4] Texas Instruments．TMS320C62x／C67x CPU and Instruction
Set[M]．Texas Instruments，1998．
[5] 闫 玲 ，方开翔 ，姚寿广．基 于 LabVIEW 的多功能数据采
集与信 号 处 理 系 统 [J]．江 苏 科 技 大学 学 报 ，2006，20
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[6] 王宏 ，许飞云 ，贾 民平．基 于 DSP和 PCI总线 的 同步数 据
采集卡设计 [J]．机械制造与 自动化 ，2007，1：98—101．
[7] 谢 超．PC机和 DSP间的几种 通信 方式 [J]．荆 门职 业
技术学 院学报 ，2000，15(3)：8—10．
[8] Texas Instruments．TMs320c6201／c6701 Peripherals [M]．
Texas Instru ments，1998．
[编辑 ：张 翔]
(上接 第 36页 ) ’
4 结束语
在 Windows的环境下 利用 VB开 发数 控 加工 仿 真
系统是 当前应 用 较广 的一种 方法 。本 研 究 介绍 了 NC
程序 图形仿真 设计 的具体 框架 和关 键技术 的处 理 。该
仿真系统能实现数控程序输入 、编辑 、校验及加工轨迹
动态仿真，其所提供的数控车床操作 过程与实际机 床
的操作过程完全一致。同时在显示刀具运动轨迹时还
能显示 当前刀具的位置坐标 、系统工作方式 、运动状态
等。经过实际使用 ，该系统使用 方便 ，运行可靠，达到
了教 学培 训效 果 。
参考文献 (Reference)：
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与液压 ，2005(8)：4—7．
[2] 谭 亲 四．用 VB 6．0开 发数 控仿 真 系统 [J]．机 械 制造 ，
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[4] 乘方工作室．Visual Basic 6．X程序设 计 [M]．西安 ：西安
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[5] 高 华 ，李进京 ．基于 VB的数控 加工 图形仿 真 [J]．机床
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[6] 张 津．基于 VB的数 控 车削 图形仿真 [J]．长沙 电力学
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[编辑：张 翔]
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