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毕业论文开题报告论文 题目：基于UG的XKC6163数控车床建模及仿真 学 院： 机械学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 1.选题的目的和意义：1.1 虚拟制造的产生背景自20世纪70年代以来，世界市场由局部竞争逐步演变成全球范围内的竞争，并具有动态多变的特征，同行业之间、跨行业之间的相互渗透、相互竞争日益激烈。为了适应变化迅速的市场需求，不断提高竞争力，现代制造企业必须解决TQCS难题，即以最快的上市速度(T-TimetoMarket)，最好的质量(Q-Quality)，最低的成本(C-Cost)，最优的服务(S-Service)来满足不同顾客的需求。与此同时，信息技术取得了迅速发展，特别是计算机技术、网络技术、信息处理技术等取得了人们意想不到的进步。二十多年来的实践证明，将信息技术应用于制造业，对传统制造业进行改造，是现代制造业发展的必由之路。进人20世纪90年代，先进制造技术进一步发展，出现了虚拟制造(VM，Virtual Manufacturing)、精益生产(LP，Lean Production)、敏捷制造(AM，Agile Manufacturing)、虚拟企业(VE，Virtual Enterprise)等新概念。在这些诸多新概念中，“虚拟制造”以其高度集成、支持敏捷制造和分工合作的特点引起了人们的广泛关注，不仅在科技界，而且在企业界，成为研究的热点之一。1.2 虚拟数控机床的用途由于数控加工过程隐含在数控程序中，而数控程序中的错误又不容易发现，因此，在实际数控加工过程中，为了校验数控代码的正确性，需要进行反复试切，直至确认数控代码能够完成预定的加工任务，同时数控加工参数也需要反复调试。上述操作不仅使效率降低，占用了机器资源，而且有可能引起刀具碰撞而造成经济损失。目前通常采用计算机图形模拟刀具轨迹显示法和机床试切法对数控程序进行检验。但计算机图形模拟刀具轨迹显示法缺少真实感，刀具与工件的干涉和过切难以发现，而试切法成本高，周期长。采用虚拟现实技术建立的虚拟数控机床，可以为产品设计过程中的可制造性分析提供关键数据，降低成本并缩短开发周期。利用机床加工的全过程与用户的交互功能，还可以对机床操作人员进行培训，并帮助机床制造商向远程客户逼真地演示其产品。1.3 虚拟数控机床的目的：虚拟机床是虚拟制造的执行单元，是虚拟制造的一个底层关键技术和前提条件。分析虚拟制造技术研究现状和存在问题，对虚拟制造的体系结构、实现方法进行了深入的研究。建立了面向生产过程的虚拟制造体系，实现了与AutoCAD图形文件的交换、数控机床程序的识别和刀具轨迹的计算以及开放性的虚拟机床定义系统。使用户可以根据实际需要自由定义虚拟机床实现对制造工艺的仿真与验证。 它的最终目的是为虚拟制造建立一个真是的加工环境，在计算机屏幕上实现加工过程的仿真，以增强制造过程的各级决策和控制能力，优化制造过程。1.4 虚拟数控机床的意义：通过虚拟机床不仅可以全面 逼真的反映现实的加工环境和加工过程，还能对加工中出现的碰撞 干涉提供警报信息，对产品的可加工性 工艺规程的合理性和加工精度进行评估 预测，达到节省资源 避免风险。因此，虚拟机床仿真在实际生产中具有重要的现实意义。1.5 基于WTK的虚拟数控机床WTK(WorldToolKit)是由美国Sense8公司开发的虚拟现实软件程序包。它内含大量的虚拟现实硬件驱动程序，可以方便地连接多种虚拟现实输人输出设置。与设备无关的特性，使它可以广泛应用于普通计算机。强大的图形处理功能，使它能够逼真地模拟虚拟现实环境。因此，WTK在国内正得到越来越广泛的应用。我们结合开放性控制系统的概念，参照当今虚拟机床的研究现状，采用VC+和WTK开发出可由用户自由设定的、能够进行三维切削并可以实时控制的虚拟数控机床。1.6 虚拟数控机床的体系结构数控加工过程仿真主要包括两个部分：数控机床建模和切削过程仿真。数控机床模型主要由机床的硬件(或物理)部分和软件部分组成。硬件部分由机床部件、加工零件、刀具、夹具等构成。软件部分则由NC代码编译器、运动控制器等构成。图1 虚拟数控机床的体系结构虚拟数控机床应具备的特点有：良好的结构、完善的图形接口、完全的符号数据接口、强大的网络支持功能和标准数据格式。以上诸方面决定了虚拟数控机床需要具备合适的体系结构。根据虚拟数控机床的特点，可以将系统的功能模块做如下划分：(1)NC编译模块。为了使虚拟数控机床能够识别NC程序，开发了NC解释模块，它的功能是接受数控代码并将其翻译为机床部件、刀具等运动的信息。(2)运动控制模块。运动控制模块根据NC程序决定机床刀具和各个轴的运动状态，向各个运动部件发送运动指令并采集各轴的反馈信息。(3)操作面板模块。操作面板模块包括真实数控机床的操作面板按钮功能和虚拟数控机床的菜单。(4)切削计算模块。根据工件与刀具的相对位置，进行干涉判断，对发生干涉的工件进行切削计算并重新生成工件模型。(5)机床场景模块。建立虚拟机床的工作环境。1.7 虚拟数控机床功能模块的实现(1)NC解释模块：本系统的G代码按GB8870-88标准编写，NC解释步骤为：由NC编译器逐行读取G代码，建立对应的机床状态字，存入队列。机床状态字包含：坐标增量方式、刀补状态、插补方式等状态信息和本行程序的刀心起点和终点坐标、圆弧圆心坐标、刀补半径等数字信息。读取下一行G代码建立机床状态字，存人队列。计算两行G代码之间的拐点过渡，对增长型的过渡则生成新机床状态字，插人两个状态字之间;对于缩短型的过渡则修改前后的机床状态字。重复一步直到程序结束。(2)运动控制模块：为了扩大系统使用范围，增强系统的通用性，本文是按速度矢量对虚拟机床进行运动控制的。运动控制模块读取机床和刀具位置，由机床状态字可以方便地计算出刀具在任意位置的速度矢量，运动控制模块将速度矢量输出到机床场景模块，对场景中的节点进行运动控制。(3)操作面板模块：操作面板模块采用VC的MFC界面编程技术，实现真实机床操作面板相应的功能。(4)切削计算模块：本文采用表面网格模型建立工件模型，通过对工件和刀具的干涉检验，对切削点进行“塌陷”处理，重绘工件，完成对工件的切削。(5)机床场景模块：采用WTK软件的场景图模型，每个机床部件都是场景图中的节点，包含机床部件的几何模型和材质、纹理及光源等信息。节点的数据结构如图2所示。节点可以接受速度矢量的驱动。将部件节点按传动链连接，从而实现对运动控制模块速度矢量的响应。图2 节点的数据结构2. 国内外数控车床研究现状（文献综述）：（一）引言 从20世纪中叶数控技术出现以来，数控机床给机械制造业带来了革命性的变化。数控加工具有如下特点：加工柔性好，加工精度高，生产率高，减轻操作者劳动强度、改善劳动条件，有利于生产管理的现代化以及经济效益的提高。数控机床是一种高度机电一体化的产品，适用于加工多品种小批量零件、结构较复杂、精度要求较高的零件、需要频繁改型的零件、价格昂贵不允许报废的关键零件、要求精密复制的零件、需要缩短生产周期的急需零件以及要求100%检验的零件。数控机床的特点及其应用范围使其成为国民经济和国防建设发展的重要装备。进入21世纪，我国经济与国际全面接轨，进入了一个蓬勃发展的新时期。机床制造业既面临着机械制造业需求水平提升而引发的制造装备发展的良机，也遭遇到加入世界贸易组织后激烈的国际市场竞争的压力，加速推进数控机床的发展是解决机床制造业持续发展的一个关键。随着制造业对数控机床的大量需求以及计算机技术和现代设计技术的飞速进步，数控机床的应用范围还在不断扩大，并且不断发展以更适应生产加工的需要。本文简要分析了数控机床高速化、高精度化、复合化、智能化、开放化、网络化、多轴化、绿色化等发展趋势，并提出了我国数控机床发展中存在的一些问题。2.1 高速化随着汽车、国防、航空、航天等工业的高速发展以及铝合金等新材料的应用，对数控机床加工的高速化要求越来越高。(1)主轴转速：机床采用电主轴(内装式主轴电机)，主轴最高转速达200000r/min;(2)进给率：在分辨率为0.01m时，最大进给率达到240m/min且可获得复杂型面的精确加工;(3)运算速度：微处理器的迅速发展为数控系统向高速、高精度方向发展提供了保障，开发出CPU已发展到32位以及64位的数控系统，频率提高到几百兆赫、上千兆赫。由于运算速度的极大提高，使得当分辨率为0.1m、0.01m时仍能获得高达24240m/min的进给速度;(4)换刀速度：目前国外先进加工中心的刀具交换时间普遍已在1s左右，高的已达0.5s。德国Chiron公司将刀库设计成篮子样式，以主轴为轴心，刀具在圆周布置，其刀到刀的换刀时间仅0.9s。2.2 高精度化数控机床精度的要求现在已经不局限于静态的几何精度，机床的运动精度、热变形以及对振动的监测和补偿越来越获得重视。(1)提高CNC系统控制精度：采用高速插补技术，以微小程序段实现连续进给，使CNC控制单位精细化，并采用高分辨率位置检测装置，提高位置检测精度(日本已开发装有106脉冲/转的内藏位置检测器的交流伺服电机，其位置检测精度可达到0.01m/脉冲)，位置伺服系统采用前馈控制与非线性控制等方法;(2)采用误差补偿技术：采用反向间隙补偿、丝杆螺距误差补偿和刀具误差补偿等技术，对设备的热变形误差和空间误差进行综合补偿。研究结果表明，综合误差补偿技术的应用可将加工误差减少60%80%;(3)采用网格解码器检查和提高加工中心的运动轨迹精度，并通过仿真预测机床的加工精度，以保证机床的定位精度和重复定位精度，使其性能长期稳定，能够在不同运行条件下完成多种加工任务，并保证零件的加工质量。2.3 功能复合化复合机床的含义是指在一台机床上实现或尽可能完成从毛坯至成品的多种要素加工。根据其结构特点可分为工艺复合型和工序复合型两类。工艺复合型机床如镗铣钻复合加工中心、车铣复合车削中心、铣镗钻车复合复合加工中心等;工序复合型机床如多面多轴联动加工的复合机床和双主轴车削中心等。采用复合机床进行加工，减少了工件装卸、更换和调整刀具的辅助时间以及中间过程中产生的误差，提高了零件加工精度，缩短了产品制造周期，提高了生产效率和制造商的市场反应能力，相对于传统的工序分散的生产方法具有明显的优势。加工过程的复合化也导致了机床向模块化、多轴化发展。德国Index公司最新推出的车削加工中心是模块化结构，该加工中心能够完成车削、铣削、钻削、滚齿、磨削、激光热处理等多种工序，可完成复杂零件的全部加工。随着现代机械加工要求的不断提高，大量的多轴联动数控机床越来越受到各大企业的欢迎。在2005年中国国际机床展览会(CIMT2005)上，国内外制造商展出了形式各异的多轴加工机床(包括双主轴、双刀架、9轴控制等)以及可实现45轴联动的五轴高速门式加工中心、五轴联动高速铣削中心等。2.4 控制智能化随着人工智能技术的发展，为了满足制造业生产柔性化、制造自动化的发展需求，数控机床的智能化程度在不断提高。具体体现在以下几个方面：(1)加工过程自适应控制技术：通过监测加工过程中的切削力、主轴和进给电机的功率、电流、电压等信息，利用传统的或现代的算法进行识别，以辩识出刀具的受力、磨损、破损状态及机床加工的稳定性状态，并根据这些状态实时调整加工参数和加工指令，使设备处于最佳运行状态，以提高加工精度、降低加工表面粗糙度并提高设备运行的安全性;(2)加工参数的智能优化与选择：将工艺专家或技师的经验、零件加工的一般与特殊规律，用现代智能方法，构造基于专家系统或基于模型的“加工参数的智能优化与选择器”，利用它获得优化的加工参数，从而达到提高编程效率和加工工艺水平、缩短生产准备时间的目的;(3)智能故障自诊断与自修复技术：根据已有的故障信息，应用现代智能方法实现故障的快速准确定位;(4)智能故障回放和故障仿真技术：能够完整记录系统的各种信息，对数控机床发生的各种错误和事故进行回放和仿真，用以确定错误引起的原因，找出解决问题的办法，积累生产经验;(5)智能化交流伺服驱动装置：能自动识别负载，并自动调整参数的智能化伺服系统，包括智能主轴交流驱动装置和智能化进给伺服装置。这种驱动装置能自动识别电机及负载的转动惯量，并自动对控制系统参数进行优化和调整，使驱动系统获得最佳运行;(6)智能4M数控系统：在制造过程中，加工、检测一体化是实现快速制造、快速检测和快速响应的有效途径，将测量(Measurement)、建模(Modelling)、加工(Manufacturing)、机器操作(Manipulator)四者(即4M)融合在一个系统中，实现信息共享，促进测量、建模、加工、装夹、操作的一体化。2.5 体系开放化(1)向未来技术开放：由于软硬件接口都遵循公认的标准协议，只需少量的重新设计和调整，新一代的通用软硬件资源就可能被现有系统所采纳、吸收和兼容，这就意味着系统的开发费用将大大降低而系统性能与可靠性将不断改善并处于长生命周期;(2)向用户特殊要求开放：更新产品、扩充功能、提供硬软件产品的各种组合以满足特殊应用要求;(3)数控标准的建立：国际上正在研究和制定一种新的CNC系统标准ISO14649(STEP-NC)，以提供一种不依赖于具体系统的中性机制，能够描述产品整个生命周期内的统一数据模型，从而实现整个制造过程乃至各个工业领域产品信息的标准化。标准化的编程语言，既方便用户使用，又降低了和操作效率直接有关的劳动消耗。2.6 驱动并联化并联运动机床克服了传统机床串联机构移动部件质量大、系统刚度低、刀具只能沿固定导轨进给、作业自由度偏低、设备加工灵活性和机动性不够等固有缺陷，在机床主轴(一般为动平台)与机座(一般为静平台)之间采用多杆并联联接机构驱动，通过控制杆系中杆的长度使杆系支撑的平台获得相应自由度的运动，可实现多坐标联动数控加工、装配和测量多种功能，更能满足复杂特种零件的加工，具有现代机器人的模块化程度高、重量轻和速度快等优点。并联机床作为一种新型的加工设备，已成为当前机床技术的一个重要研究方向，受到了国际机床行业的高度重视，被认为是“自发明数控技术以来在机床行业中最有意义的进步”和“21世纪新一代数控加工设备”。2.7 极端化(大型化和微型化)国防、航空、航天事业的发展和能源等基础产业装备的大型化需要大型且性能良好的数控机床的支撑。而超精密加工技术和微纳米技术是21世纪的战略技术，需发展能适应微小型尺寸和微纳米加工精度的新型制造工艺和装备，所以微型机床包括微切削加工(车、铣、磨)机床、微电加工机床、微激光加工机床和微型压力机等的需求量正在逐渐增大。2.8 信息交互网络化对于面临激烈竞争的企业来说，使数控机床具有双向、高速的联网通讯功能，以保证信息流在车间各个部门间畅通无阻是非常重要的。既可以实现网络资源共享，又能实现数控机床的远程监视、控制、培训、教学、管理，还可实现数控装备的数字化服务(数控机床故障的远程诊断、维护等)。例如，日本Mazak公司推出新一代的加工中心配备了一个称为信息塔(e-Tower)的外部设备，包括计算机、手机、机外和机内摄像头等，能够实现语音、图形、视像和文本的通信故障报警显示、在线帮助排除故障等功能，是独立的、自主管理的制造单元。2.9 新型功能部件为了提高数控机床各方面的性能，具有高精度和高可靠性的新型功能部件的应用成为必然。具有代表性的新型功能部件包括：高频电主轴：高频电主轴是高频电动机与主轴部件的集成，具有体积小、转速高、可无级调速等一系列优点，在各种新型数控机床中已经获得广泛的应用;直线电动机：近年来，直线电动机的应用日益广泛，虽然其价格高于传统的伺服系统，但由于负载变化扰动、热变形补偿、隔磁和防护等关键技术的应用，机械传动结构得到简化，机床的动态性能有了提高。如：西门子公司生产的1FN1系列三相交流永磁式同步直线电动机已开始广泛应用于高速铣床、加工中心、磨床、并联机床以及动态性能和运动精度要求高的机床等; 德国EX-CELL-O公司的XHC卧式加工中心三向驱动均采用两个直线电动机;电滚珠丝杆：电滚珠丝杆是伺服电动机与滚珠丝杆的集成，可以大大简化数控机床的结构，具有传动环节少、结构紧凑等一系列优点。2.10 高可靠性数控机床与传统机床相比，增加了数控系统和相应的监控装置等，应用了大量的电气、液压和机电装置，易于导致出现失效的概率增大;工业电网电压的波动和干扰对数控机床的可靠性极为不利，而数控机床加工的零件型面较为复杂，加工周期长，要求平均无故障时间在2万小时以上。为了保证数控机床有高的可靠性，就要精心设计系统、严格制造和明确可靠性目标以及通过维修分析故障模式并找出薄弱环节。国外数控系统平均无故障时间在710万小时以上，国产数控系统平均无故障时间仅为10000小时左右，国外整机平均无故障工作时间达800小时以上，而国内最高只有300小时。2.11 加工过程绿色化随着日趋严格的环境与资源约束，制造加工的绿色化越来越重要，而中国的资源、环境问题尤为突出。因此，近年来不用或少用冷却液、实现干切削、半干切削节能环保的机床不断出现，并在不断发展当中。在21世纪，绿色制造的大趋势将使各种节能环保机床加速发展，占领更多的世界市场。2.12 多媒体技术的应用多媒体技术集计算机、声像和通信技术于一体，使计算机具有综合处理声音、文字、图像和视频信息的能力，因此也对用户界面提出了图形化的要求。合理的人性化的用户界面极大地方便了非专业用户的使用，人们可以通过窗口和菜单进行操作，便于蓝图编程和快速编程、三维彩色立体动态图形显示、图形模拟、图形动态跟踪和仿真、不同方向的视图和局部显示比例缩放功能的实现。除此以外，在数控技术领域应用多媒体技术可以做到信息处理综合化、智能化，应用于实时监控系统和生产现场设备的故障诊断、生产过程参数监测等，因此有着重大的应用价值。（二） 我国数控机床发展现状及思考我国数控技术的发展起步于二十世纪五十年代，通过“六五”期间引进数控技术，“七五”期间组织消化吸收“科技攻关”，我国数控技术和数控产业取得了相当大的成绩。特别是最近几年，我国数控产业发展迅速，19982004年国产数控机床产量和消费量的年平均增长率分别为39.3%34.9%。尽管如此，进口机床的发展势头依然强劲，从2002年开始，中国连续三年成为世界机床消费第一大国、机床进口第一大国，2004年中国机床主机消费高达94.6亿美元，但进出口逆差严重，国产机床市场占有率连年下降，1999年是33.6%，2003年仅占27.7%。1999年机床进口额为8.78亿美元(7624台)，2003年达27.1亿美元(23320台)，相当于同年国内数控机床产值的2.7倍。国内数控机床制造企业在中高档与大型数控机床的研究开发方面与国外的差距更加明显，70%以上的此类设备和绝大多数的功能部件均依赖进口。由此可以看出国产数控机床特别是中高档数控机床仍然缺乏市场竞争力，究其原因主要在于国产数控机床的研究开发深度不够、制造水平依然落后、服务意识与能力欠缺、数控系统生产应用推广不力及数控人才缺乏等。我们应看清形势，充分认识国产数控机床的不足，努力发展先进技术，加大技术创新与培训服务力度，以缩短与发达国家之间的差距。2.1 不断加强技术创新是提高国产数控机床水平的关键国产数控机床缺乏核心技术，从高性能数控系统到关键功能部件基本都依赖进口，即使近几年有些国内制造商艰难地创出了自己的品牌，但其产品的功能、性能的可靠性仍然与国外产品有一定差距。近几年国产数控机床制造商通过技术引进、海内外并购重组以及国外采购等获得了一些先进数控技术，但缺乏对机床结构与精度、可靠性、人性化设计等基础性技术的研究，忽视了自主开发能力的培育，国产数控机床的技术水平、性能和质量与国外还有较大差距，同样难以得到大多数用户的认可。2.2 制造水平与管理手段依然落后一些国产数控机床制造商不够重视整体工艺与制造水平的提高，加工手段基本以普通机床与低效刀具为主，装配调试完全靠手工，加工质量在生产进度的紧逼下不能得到稳定与提高。另外很多国产数控机床制造商的生产管理依然沿用原始的手工台账管理方式，工艺水平和管理效率低下使得企业无法形成足够生产规模。如国外机床制造商能做到每周装调出产品，而国内的生产周期过长且很难控制。因此我们在引进技术的同时应注意加强自身工艺技术改造和管理水平的提升。2.3 服务水平与能力欠缺也是影响国产数控机床占有率的一个重要因素由于数控机床产业发展迅速，一部分企业不顾长远利益，对提高自身的综合服务水平不够重视，甚至对服务缺乏真正的理解，只注重推销而不注重售前与售后服务。有些企业派出的人员对生产的数控机床缺乏足够了解，不会使用或使用不好数控机床，更不能指导用户使用好机床;有的对先进高效刀具缺乏基本了解，不能提供较好的工艺解决方案，用户自然对制造商缺乏信心。制造商的服务应从研究用户的加工产品、工艺、生产类型、质量要求入手，帮助用户进行设备选型，推荐先进工艺与工辅具，配备专业的培训人员和良好的培训环境，帮助用户发挥机床的最大效益、加工出高质量的最终产品，这样才能逐步得到用户的认同，提高国产数控机床的市场占有率。2.4 加大数控专业人才的培养力度从我国数控机床的发展形式来看需要三种层次的数控技术人才：第一种是熟悉数控机床的操作及加工工艺、懂得简单的机床维护、能够进行手工或自动编程的车间技术操作人员;第二种是熟悉数控机床机械结构及数控系统软硬件知识的中级人才，要掌握复杂模具的设计和制造知识，能够熟练应用UG、PRO/E等CAD/CAM软件，同时有扎实的专业理论知识、较高的英语水平并积累了大量的实践经验;第三种是精通数控机床结构设计以及数控系统电气设计、能够进行数控机床产品开发及技术创新的数控技术高级人才。我国应根据需要有目标的加大人才培养力度，为我国的数控机床产业提供强大的技术人才支撑。4 结语目前，数控机床的发展日新月异，高速化、高精度化、复合化、智能化、开放化、并联驱动化、网络化、极端化、绿色化已成为数控机床发展的趋势和方向。中国作为一个制造大国，主要还是依靠劳动力、价格、资源等方面的比较优势，而在产品的技术创新与自主开发方面与国外同行的差距还很大。中国的数控产业不能安于现状，应该抓住机会不断发展，努力发展自己的先进技术，加大技术创新与人才培训力度，提高企业综合服务能力，努力缩短与发达国家之间的差距。力争早日实现数控机床产品从低端到高端、从初级产品加工到高精尖产品制造的转变，实现从中国制造到中国创造、从制造大国到制造强国的转变。 3.选题研究的内容： （一）、对“虚拟加工”背景下制造产业所面临的机遇 基于STL数据的加工仿真技术：加工过程仿真模块是整个虚拟加工环境的核心，一直是研究的热点。数控加工过程仿真的实质是以待加工零件CAD模型为基础，从工件上减去刀具运动所形成的扫描体的过程，工件和刀具几何模型的建立是实现这一过程的基础和前提。在应用现有CAD/CAM系统进行产品数控编程时，有两种不同的形式：一是直接在CAD系统中进行产品建模，得到CAD模型，然后在模型基础上进行数控编程操作，适用于正向设计的过程。二是利用现有的成熟的CAD软件进行产品建模。为适应实际应用的需求，作者采用基于STL模型的加工过程仿真的方法，常用CAD软件均支持STL模型。STL文件的特点是数据格式简洁、可读性强，由无序三角片构成，组成三角片的顶点数据不具有显式的拓扑关系，数据的冗余量大。加工中基于以下假设：铣削加工毛坯(一般为长方体)的上表面是加工表面;车削毛坯(一般为棒状圆柱体)的内外表面为加工表面;平行于刀轴的一条直线对铣削加工毛坯的上表面的交点有且仅有一个;加工零件的表面形状是由加工过程中毛坯表面上每点的不同坐标值来表征的。该算法的步骤如下：(1)根据应用需要，对组成STL模型的三角片的顶点数据的z坐标由高到低进行排序，建立STL数据的点、线和面间的拓扑结构。(2)根据刀具移动轨迹、刀具种类计算刀具扫描域和刀具扫描面。(3)加工仿真时，刀具包络面沿刀具路径扫过毛坯表面时，刀具包络面离散化点的坐标不断与毛坯待加工表面点的坐标进行比较;如果Z(刀具)Z(毛坯)，则修改毛坯表面与刀具包络面相交点的坐标，以刀具包络面离散化点的坐标来代替毛坯的坐标;若Z(刀具)z(毛坯)，则不产生切削效果。(4)重新计算加工表面坐标修改点与其相邻点组成三角面片的法向量、三角面片的明暗度，再进行局部加工区域的三维真实感图形刷新和渲染，就可以达到实时显示加工过程的效果。由于该方法描述和处理域面的减少，大大地减少了数据存储空间，节省了内存。容量和计算资源;对铣削毛坯而言，只需记录离散化点的序列和z向坐标值;对车削毛坯而言，只需记录离散化点的序列和X、Z向坐标值，同时将三维体素的布尔运算转化为一维的数值比较运算，使计算简单化。该方法还可以对加工零件表面点的坐标值进行统计，计算加工零件的表面粗糙度和分析加工误差。从加工的显示效果看，加工完成后的图形真实感非常强，质感非常明显，球头刀的加工残痕非常清晰。 （二）、对“虚拟加工”背景下制造产业所面临的对策研究 在研究虚拟制造技术的基础上，提出了面向虚拟制造的虚拟数控加工环境，设计出NC代码翻译器。阐述了虚拟加工环境的工作流程、基于层次关系的虚拟加工框架技术、Nc代码翻译器的设计方法、基于STL模型的加工仿真过程等关键技术。该系统能够实时地反映零件虚拟模型的加工成形过程，并进行可加工性分析。近几年，数控技术得到了快速发展，但加工零件的NC代码在实际加工前通常需要进行试切，以检验NC代码的正确性和被加工零件是否达到工艺要求，这一过程不仅周期长、劳动强度大，而且成本高。数控仿真系统是采用计算机建模和仿真技术来模拟实际数控加工环境，从而部分和完全代替了试切环节，减少设计和制造周期及成本。利用数控仿真系统还可以检验数控加工中出现的各种现象。在虚拟制造中，通过对数控机床及系统的建模进而虚拟地仿真数控加工过程，不仅能节省资源、避免风险，而且可以通过真实地模拟机床及加工过程的行为来快速地对机床操作人员进行培训，帮助机床制造商向潜在的远程客户逼真演示其产品。人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时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。系统具有仿真效果真实感强、实时性好的优点。 4.选题研究的技术路线、研究方法和要解决的主要问题： 建立虚拟机床几何模型需要解决如下几方面的问题：(1)模型的层次表达一个虚拟机床可以分解成若干部件和零件，部件又可以进一步细分。在所建机床几何模型中要明确各部件、组件和零件之间的层次关系。(2)基本模型组成机床各主要零部件的基本几何形体，可借助比较完善的三维建模软件(如UG、Pro/E等)，也可通过程序调用一些图形库(如OpenGL)生成。(3)模型定位与装配表达零部件之间的相对位置关系，确定基本模型的空间位置及方向。(4)运动约束定义描述各零部件之间的相对运动关系，确定运动约束。研究技术路线：首先，了解本论题的研究状况，形成文献综述和开题报告。其次，进一步搜集阅读资料并研读文本，做好相关的记录，形成论题提纲。第三，深入研究，写成初稿。最后，反复修改，完成定稿。研究方法： 运用文献分析法、文本细读法、比较法、综合分析法等进行研究。要解决的关键问题： （把自己的关键问题用两句话写下即可）5.研究与写作计划： 2012年3月19日4月2日 撰写开题报告与开题2012年4月2日 5月2日 收集资料，建模及仿真，形成写作提纲2012年5月2日5月30日 深入研究，形成论文初稿 2012年6月1日6月20日 论文修改、定稿、打印、答辩6、参考文献： 1 于成杰, 俞立钧,佘传伏. 数控车床切削仿真的研究 J.机电工程技术, 2006, 35( 2): 16-18. 2 王太勇, 王晓斌, 王国锋, 等. 数控车床仿真系统开发 J.西南交通大学学报, 2003, 38(5): 10-12. 3 葛研军, 施志辉, 卢碧红, 等. 数控车床虚拟制造环境技术研究 J.中国机械工程, 2002, 13( 8): 672-675. 4 黄雪梅, 赵明扬,王启义. 虚拟数控车削仿真系统的研究与开发 J.中国机械工程, 2002, 13( 15): 1336-1338. 5 黄雪梅. 虚拟数控车削物理仿真模型及实用系统的开发 J.机电工程, 2000, 17( 6): 48-49. 6 刘战强, 雷原忠. 微切削加工技术 J. 工具技术,2006, 40( 3): 28- 34. 7 王光建, 梁锡昌. 机械传动零件的加工仿真 J. 现代制造工程, 2005, ( 2): 30- 32. 8 沙智华, 葛研军, 赵 亮, 等.切削加工仿真建模技术研究 J.系统仿真学 报, 2005, 17(4): 789- 792. 7.指导教师意见： 签名： 年 月 日 8.开题审查小组意见： 教研室主任或组长签名： 年 月 日 说明：本表另行装订成册。