辅助编程及仿真发展过程

辅助编程及仿真发展过程1概述数控自动编程技术受到广泛关注，各国的专家学者都在潜心研究自动编程系统。

数控加工是指在数控机床上按事先编制好的程序，对零件进行自动加工的一种加工工艺方法，零件加工的最终效果直接取决于数控程序编制的效率和准确率。

数控编程是目前提高加工精度、表面加工质量、加工效率以及实现生产自动化最重要的一环，在制造业中有应用广泛。

数控编程分为手工编程和自动编程，对于那些程序量大、轨迹计算复杂的零件，根本不可能采用手工编程，即使能编制出加工程序，其低下的效率亦根本不能满足市场的需求。

受飞速发展的技术革命的巨大冲击，传统的机械设计和制造方式发生了根本性的变化，产品的设计生产周期越来越短，逐渐向小批量、多品种、高精高效加工的方向发展。

特别是随着计算机辅助设计和制造(CAD/CAM)技术的推广和计算机数控加工技术的广泛应用，计算机辅助自动编程势在必行。

计算机辅助编程是根据来自CAD的零件几何信息和来自CAPP的零件工艺信息自动生成数控代码的过程。

而现在CAD/CAM(计算机辅助设计及制造)与PDM(产品数据管理)构成了一个现代制造型企业计算机应用的主干。

对于制造行业，设计，制造水平和产品的质量，成本及生产周期息息相关，人工设计，单件生产这种传统的设计与制造方式已无法适应工业发展的要求，采用CAD/CAM的技术已成为整个制造行业当前和将来技术发展的重点。

2数控编程发展阶段自数控机床问世以来，数控编程经历了两个阶段:数控语言编程和CAD/CAM集成编程。

在数控语言编程阶段，为解决数控加工的编程问题，世界各国研究了上百种语言，其中以50年代美国麻省理工学院开发的一种专门用于机械零件的数控编程语言APT(AutomaticallyProgrammedTool)最具有代表性。

APT编程是把用APT语言编写的程序输入计算机，由内部的编译系统自动生成数控加工指令。

APT语言先后经历了APTII,APTIII,APTIN,APT-AC，APTIV/SS等几个发展阶段，能处理二维、三维及多坐标零件的加工。

APT语言的出现使数控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和加工方式的高级语言，具有程序编制简单、走刀路径灵活的特点。

但随着计算机技术及CAD技术的快速发展，其不足之处日益表现出来，它受语言描述能力的限制，对用户的要求较高，难以满足设计与制造一体化的要求。

在CAD/CAM集成编程阶段，借助良好的软件开发平台，可充分利用CAD软件的图形编辑功能，将零件图直接绘制在计算机上，并形成图形文件。

然后输入工艺参数并调用数控编程模块，计算机可以自动进行数据处理、生成数控加工程序。

同时可在屏幕上动态显示刀具的走刀轨迹。

这种方法无须操作者输入数据，因此大大减小了人为误差，最大限度地提高了编程的效率和加工的质量。

由于图形编程系统由零件图直接生成数控加工指令，故可直接利用CAD进行零件图的设计。

20世纪80年代在CAD/CAM一体化概念的基础上，逐渐形成了计算机集成制造系统(CIMS)。

与APT语言相比，它有以下几个特点: 其一，这种编程方法是直接面向零件的几何图形，不需进行复杂的数学计算，不需要用具体的语言描述零件的几何形状，具有直观、简便、准确和便于检查的优点;其二，有利于实现CAD/CAM的一体化。

通常的数控自动编程系统是和相应的CAD软件连在一起的一体化软件系统，既可进行计算机辅助设计，又可以直接调用己设计好的图形;其三，这类软件都可在通用计算机上进行，无需专用的编程机，便于推广，是自动编程系统的发展方向。

由于我国在数控编程系统方面起步较晚，虽然作了大量的工作，但相对于发达国家还有很大差距。

在APT语言的基础上，开发了一些同类的语言，但从总体上看，由于资金技术等主客观因素的限制，研制的许多软件缺乏系统性，还有待于进一步完善，才能更好地服务于机械制造加工等行业。

日益增多的复杂零件的出现和高精高效的加工，对数控自动编程系统提出了越来越高的要求，同时为适应高速加工、并行工程、敏捷制造和CIMS等先进制造技术的发展。

目前的几个比较主流的CAD/CAM系统（1）UGII CAD/CAM系统UGII CAD/CAM系统具有丰富的数控加工编程能力，是目前市场上数控加工编程能力最强的CAD/CAM集成系统之一，其功能包括车削加工编程，型芯和型腔铣削加工编程，轴铣削加工编程等（2）Pro/EPro/E是美国PTC公司研制和开发的软件，它开创了三维CAD/CAM参数化的先河，该软件具有基于特征，全参数，全相关和单一数据库的特点，可用于设计和加工复杂的零件Pro/E系统的核心技术具有以下特点：基于特征，全尺寸约束，尺寸驱动设计修改。

Pro/E已广泛应用于模具，工业设计，航天，玩具等行业，并在国际CAD/CAM/CAE市场上占了较大的份额上述CAD/CAM系统编程中，仍需要编程人员过多地干预才能生成数控源程序。

随着CAPP技术的发展，使数控自动编程成为可能。

系统从CAD数据库获取零件的几何信息，从CAPP数据库获取零件加工过程的工艺信息，然后调用NC源程序生成数控源程序，再对源程序进行动态仿真，如果正确无误，则将加工指令送到机床进行加工。

以下所示为自动编程系统的组成。

3数控自动编程发展趋势进入20世纪90年代以后，随着微电子、自动控制和数控加工技术发展日益迅速，数控自动编程和加工技术呈现出一些新的发展趋势，主要表现在以下几个方面。

(1)集成化程度进一步提高集成化是指将数控编程系统和其他计算机辅助设计系统、加工过程控制系统、质量控制系统，如:CAD,CAE,CAPP,CAM等系统集成到一起，形成一个自动化的CIMS系统，以便实现集成系统内部信息的充分利用，提高产品设计制造过程的效率与质量。

(2)智能化程度进一步增强智能化方面的工作刚刚开始，是指把人类的专业知识融入到集成化的系统中，采用人工智能的方法建立各类知识库，包括专家系统、智能库、自学习功能等。

(3)并行化随着计算机技术和网络技术的发展，特别是Internet技术的普及应用，计算机协同工作得到高度重视，新产品的开发要求相关学科的专家协同工作，形成一种新的工作模式一一群组工作，从而缩短产品的开发周期，降低制造成本，提高产品的质量。

4计算机辅助编程的发展和仿真发展密切联系制造业在国民经济中一般都占有最大的比重，自70年代以来，全球性的市场竞争日益激烈，产品消费结构不断向多元化、个性化方向发展，产品的更新期和交货期都在缩短，一些计算机辅助编程技术都得到快速发展。

系统仿真作为一种重要手段，通常可以渗透到它们当中去，并帮助它们实现集成，从而促进了一些先进制造技术的发展。

“仿真”一词译自英语单词“Simulation”，有时也译作“模拟”，是“模仿真实世界”的意思。

1）系统仿真类型介绍在工程技术界，系统仿真是通过对系统模型实验，去研究一个存在或设计中的系统。

现在计算机仿真已成为系统仿真的一个重要分支，系统仿真很大程度上指的就是计算机仿真。

计算机仿真技术的发展与控制工程、系统工程及计算机工程的发展有着密切的联系。

一方面，控制工程、系统工程的发展，促进了仿真技术的广泛应用；另一方面，计算机的出现以及计算机技术的发展，又为仿真技术的发展提供了强大的支撑。

计算机仿真一直作为一种必不可少的工具，在减少损失、节约经费开支、缩短开发周期、提高产品质量等方面发挥着重要的作用。

2）计算机仿真在制造业的应用和发展现状以及趋势在50年代，最引人注目的仿真领域是火炮控制和飞行控制系统；60年代，是火箭和导弹控制系统；70年代是航天、核能和经济管理系统；到80年代，最引人注目的仿真领域就逐步转向了制造系统，并且呈现出一种生机勃勃的局面。

从本质上讲，仿真技术就是建立仿真模型和对模型实验的一种技术。

计算机仿真过程的实现一般都可由计算机高级语言、仿真语言和仿真软件来完成。

典型的仿真软件有仿真环境、仿真语言和程序包3种形式，其功能覆盖是不完全相同的。

从下到上，大体反映了仿真软件的发展过程。

到80年代中后期，开始出现了一体化仿真环境。

现在，面向制造系统的仿真出现了一体化支撑软件，实现了仿真建模、仿真运行、输出分析的集成环境，仿真监控运用了并发执行机制，在数据库管理的基础上实现了模型数据、实验数据、仿真结果的统一管理，人工智能技术也应用在仿真建模、仿真运行和仿真结果的分析中。

此外，广义制造系统仿真器的出现，实现了对某类制造系统的非语言建模、模型数据驱动等功能。

这类典型的一体化仿真软件有TESS，IBIS；广义仿真器有AUTOMODⅡ，FATOR，GEMS，WITNESS等。

计算机仿真技术作为一门新兴的高技术，其方法学建立在计算机能力的基础之上。

随着计算机技术的发展，仿真技术也得到迅速的发展，其应用领域及其作用也越来越大。

尤其在航空、航天、国防及其他大规模复杂系统的研制开发过程中，计算机仿真一直是不可缺少的工具，它在减少损失、节约经费、缩短开发周期、提高产品质量等方面发挥了巨大作用。

在从产品的设计到制造以至测试维护的整个生命周期中，计算机仿真技术贯穿始终（详见表1）。

从发展的历程来看，仿真技术应用的领域从传统的制造领域（生产计划制定、加工、装配、测试）正向产品设计开发和销售领域扩展。

总的来说，先进制造技术的发展，为计算机仿真的应用提供了新的舞台，也提出了更高的要求，目前仿真技术的应用具有以下特点和趋势：1. 仿真技术的应用范围空前的扩大了。

在仿真的对象及目的方面，已由研究制造对象（产品）的动力学特性，运动学特性，研究产品的加工、装配过程，扩大到研究制造系统的设计和运行，并进一步扩大到后勤供应、库存管理、产品开发过程的组织、产品测试等，涉及到制造企业的各个方面；2. 与网络技术结合所带来的仿真的分布性。

仿真的分布性是由制造的分布性决定的。

敏捷制造、虚拟企业等概念本身就有基于网络实现异地协作的含义；3. 与图形和传感器技术相结合，使仿真的交互性大大增强。

并由此形成了拟实制造（VM: Virtual Manufacturing）、虚拟产品开发（VPD: Virtual Product Development）、虚拟测试（VT: Virtual Test）等新概念；4. 仿真技术应用的集成化。

即综合运用仿真技术，形成可运行的产品开发和制造环境。

就仿真技术应用的对象来看，可将制造业中应用的仿真分为四类：面向产品的仿真；面向制造工艺和装备的仿真；面向生产管理的仿真；面向企业其它环节的仿真。

在本文的第三部分中，将从以上四个方面，介绍计算机仿真在制造业中的具体应用。

除此以外，虚拟现实和拟实制造的概念，集中体现了仿真技术应用的分布、交互和集成化趋势，所以简单加以介绍，作为计算机仿真在制造业中应用的展望。