數(shù)控加工技術(shù)概述, L; ]) {5 r5 C5 }- T. y6 Y
5 x; H& n) l/ g 1數(shù)控編程及其發(fā)展. h# v: f; k4 e6 s5 T H
7 n) d3 p& U! z& U: D4 B5 u 數(shù)控編程是目前CAD/CAPP/CAM系統(tǒng)中最能明顯發(fā)揮效益的環(huán)節(jié)之一,,其在實現(xiàn)設(shè)計加工自動化,、提高加工精度和加工質(zhì)量,、縮短產(chǎn)品研制周期等方面發(fā)揮著重要作用。在諸如航空工業(yè),、汽車工業(yè)等領(lǐng)域有著大量的應(yīng)用,。由于生產(chǎn)實際的強(qiáng)烈需求,國內(nèi)外都對數(shù)控編程技術(shù)進(jìn)行了廣泛的研究,,并取得了豐碩成果,。下面就對數(shù)控編程及其發(fā)展作一些介紹。
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1.1數(shù)控編程的基本概念
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. D( y- \1 i( T. _ j 數(shù)控編程是從零件圖紙到獲得數(shù)控加工程序的全過程,。它的主要任務(wù)是計算加工走刀中的刀位點(cutterlocationpoint簡稱CL點),。刀位點一般取為刀具軸線與刀具表面的交點,多軸加工中還要給出刀軸矢量,。2 ~6 |. W9 z% }6 x1 d2 Q5 l: M$ T, D
$ V/ l: A0 ^% X: W5 q 1.2數(shù)控編程技術(shù)的發(fā)展概況
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為了解決數(shù)控加工中的程序編制問題,,50年代,MIT設(shè)計了一種專門用于機(jī)械零件數(shù)控加工程序編制的語言,,稱為APT(AutomaticallyProgrammedTool),。其后,APT幾經(jīng)發(fā)展,,形成了諸如APTII,、APTIII(立體切削用)、APT(算法改進(jìn),,增加多坐標(biāo)曲面加工編程功能),、APTAC(Advancedcontouring)(增加切削數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng))和APT/SS(SculpturedSurface)(增加雕塑曲面加工編程功能)等先進(jìn)版。; f0 m5 H3 F# n4 P" y8 S, G4 [
采用APT語言編制數(shù)控程序具有程序簡煉,,走刀控制靈活等優(yōu)點,,使數(shù)控加工編程從面向機(jī)床指令的“匯編語言”級,上升到面向幾何元素.APT仍有許多不便之處:采用語言定義零件幾何形狀,,難以描述復(fù)雜的幾何形狀,,缺乏幾何直觀性;缺少對零件形狀,、刀具運動軌跡的直觀圖形顯示和刀具軌跡的驗證手段;難以和CAD數(shù)據(jù)庫和CAPP系統(tǒng)有效連接,;不容易作到高度的自動化,,集成化。
9 c7 E$ Z' t$ }2 q1 ^( U* N h 針對APT語言的缺點,,1978年,,法國達(dá)索飛機(jī)公司開始開發(fā)集三維設(shè)計、分析,、NC加工一體化的系統(tǒng),,稱為為CATIA,。隨后很快出現(xiàn)了象EUCLID,UGII,,INTERGRAPH,,Pro/Engineering,MasterCAM及NPU/GNCP等系統(tǒng),,這些系統(tǒng)都有效的解決了幾何造型,、零件幾何形狀的顯示,交互設(shè)計,、修改及刀具軌跡生成,,走刀過程的仿真顯示、驗證等問題,,推動了CAD和CAM向一體化方向發(fā)展,。到了80年代,在CAD/CAM一體化概念的基礎(chǔ)上,,逐步形成了計算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)及并行工程(CE)的概念,。目前,為了適應(yīng)CIMS及CE發(fā)展的需要,,數(shù)控編程系統(tǒng)正向集成化和智能化夫發(fā)展,。
" S1 X6 d, }0 M% C) S- P 在集成化方面,以開發(fā)符合STEP(StandardfortheExchangeofProductModelData)標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)化特征造型系統(tǒng)為主,,目前已進(jìn)行了大量卓有成效的工作,,是國內(nèi)外開發(fā)的熱點;在智能化方面,,工作剛剛開始,,還有待我們?nèi)ヅΑ?font class="jammer">( X* V5 S% m1 m; l2 ?8 L
. n# f4 M' q; n7 D0 ` 2 NC刀具軌跡生成方法研究發(fā)展現(xiàn)狀6 f1 M. R' a& @: d7 {5 a5 `" ~
$ ?! X3 L X" q. G. S3 [ 數(shù)控編程的核心工作是生成刀具軌跡,然后將其離散成刀位點,,經(jīng)后置處理產(chǎn)生數(shù)控加工程序,。下面就刀具軌跡產(chǎn)生方法作一些介紹。
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2.1基于點,、線,、面和體的NC刀軌生成方法' d$ ^: ~5 K: t
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CAD技術(shù)從二維繪圖起步,經(jīng)歷了三維線框,、曲面和實體造型發(fā)展階段,,一直到現(xiàn)在的參數(shù)化特征造型。在二維繪圖與三維線框階段,,數(shù)控加工主要以點,、線為驅(qū)動對象,如孔加工,,輪廓加工,,平面區(qū)域加工等,。這種加工要求操作人員的水平較高,交互復(fù)雜,。在曲面和實體造型發(fā)展階段,,出現(xiàn)了基于實體的加工。實體加工的加工對象是一個實體(一般為CSG和BREP混合表示的),,它由一些基本體素經(jīng)集合運算(并,、交、差運算)而得,。實體加工不僅可用于零件的粗加工和半精加工,,大面積切削掉余量,提高加工效率,,而且可用于基于特征的數(shù)控編程系統(tǒng)的研究與開發(fā),,是特征加工的基礎(chǔ)。6 z/ D" j0 u! [- }; ]- E
實體加工一般有實體輪廓加工和實體區(qū)域加工兩種,。實體加工的實現(xiàn)方法為層切法(SLICE),,即用一組水平面去切被加工實體,然后對得到的交線產(chǎn)生等距線作為走刀軌跡,。本文從系統(tǒng)需要角度出發(fā),,在ACIS幾何造型平臺上實現(xiàn)了這種基于點、線,、面和實體的數(shù)控加工,。, N8 ~6 s# A9 ~# X) Z0 S& B
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2.2基于特征的NC刀軌生成方法
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參數(shù)化特征造型已有了一定的發(fā)展時期,但基于特征的刀具軌跡生成方法的研究才剛剛開始,。特征加工使數(shù)控編程人員不在對那些低層次的幾何信息(如:點,、線、面,、實體)進(jìn)行操作,,而轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯訉Ψ瞎こ碳夹g(shù)人員習(xí)慣的特征進(jìn)行數(shù)控編程,大大提高了編程效率,。" r( e: r }! C3 d" @
W.R.Mail和A.J.Mcleod在他們的研究中給出了一個基于特征的NC代碼生成子系統(tǒng),,這個系統(tǒng)的工作原理是:零件的每個加工過程都可以看成對組成該零件的形狀特征組進(jìn)行加工的總和。那么對整個形狀特征或形狀特征組分別加工后即完成了零件的加工,。而每一形狀特征或形狀特征組的NC代碼可自動生成,。目前開發(fā)的系統(tǒng)只適用于2.5D零件的加工。
: @! `6 R, j, Y( \# S LeeandChang開發(fā)了一種用虛擬邊界的方法自動產(chǎn)生凸自由曲面特征刀具軌跡的系統(tǒng),。這個系統(tǒng)的工作原理是:在凸自由曲面內(nèi)嵌入一個最小的長方塊,這樣凸自由曲面特征就被轉(zhuǎn)換成一個凹特征,。最小的長方塊與最終產(chǎn)品模型的合并就構(gòu)成了被稱為虛擬模型的一種間接產(chǎn)品模型,。刀具軌跡的生成方法分成三步完成:(1),、切削多面體特征;(2),、切削自由曲面特征,;(3)、切削相交特征,。. h4 x4 _# t$ {4 h
JongYunJung研究了基于特征的非切削刀具軌跡生成問題,。文章把基于特征的加工軌跡分成輪廓加工和內(nèi)區(qū)域加工兩類,并定義了這兩類加工的切削方向,,通過減少切削刀具軌跡達(dá)到整體優(yōu)化刀具軌跡的目的,。文章主要針對幾種基本特征(孔、內(nèi)凹,、臺階,、槽),討論了這些基本特征的典型走刀路徑,、刀具選擇和加工順序等,,并通過IP(InterProgramming)技術(shù)避免重復(fù)走刀,以優(yōu)化非切削刀具軌跡,。另外,,JongYunJong還在他1991年的博士論文中研究了制造特征提取和基于特征的刀具及刀具路徑。7 R- V* w# {' T2 l* r" d- X
特征加工的基礎(chǔ)是實體加工,,當(dāng)然也可認(rèn)為是更高級的實體加工,。但特征加工不同于實體加工,實體加工有它自身的局限性,。特征加工與實體加工主要有以下幾點不同:) ]9 [& h8 B a Q" p
從概念上講,,特征是組成零件的功能要素,符合工程技術(shù)人員的操作習(xí)慣,,為工程技術(shù)人員所熟知,;實體是低層的幾何對象,是經(jīng)過一系列布爾運算而得到的一個幾何體,,不帶有任何功能語義信息,;實體加工往往是對整個零件(實體)的一次性加工。但實際上一個零件不太可能僅用一把刀一次加工完,,往往要經(jīng)過粗加工,、半精加工、精加工等一系列工步,,零件不同的部位一般要用不同的刀具進(jìn)行加工,;有時一個零件既要用到車削,也要用到銑削,。因此實體加工主要用于零件的粗加工及半精加工,。而特征加工則從本質(zhì)上解決了上述問題,;特征加工具有更多的智能。對于特定的特征可規(guī)定某幾種固定的加工方法,,特別是那些已在STEP標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的特征更是如此,。如果我們對所有的標(biāo)準(zhǔn)特征都制定了特定的加工方法,那么對那些由標(biāo)準(zhǔn)特征夠成的零件的加工其方便性就可想而知了,。倘若CAPP系統(tǒng)能提供相應(yīng)的工藝特征,,那么NCP系統(tǒng)就可以大大減少交互輸入,具有更多的智能,。而這些實體加工是無法實現(xiàn)的,;$ k# _# g, g# L6 E$ s
特征加工有利于實現(xiàn)從CAD、CAPP,、NCP及CNC系統(tǒng)的全面集成,,實現(xiàn)信息的雙向流動,為CIMS乃至并行工程(CE)奠定良好的基礎(chǔ),;而實體加工對這些是無能為力的,。
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2.3現(xiàn)役幾個主要CAD/CAM系統(tǒng)中的NC刀軌生成方法分析( e: u2 [$ i' _
4 B% G4 l% K3 j U7 J 現(xiàn)役CAM的構(gòu)成及主要功能, i8 w, ` I# }
- e& y9 p# w2 @% T7 A: [7 ?; f 目前比較成熟的CAM系統(tǒng)主要以兩種形式實現(xiàn)CAD/CAM系統(tǒng)集成:一體化的CAD/CAM系統(tǒng)(如:UGII、Euclid,、Pro/ENGINEER等)和相對獨立的CAM系統(tǒng)(如:Mastercam,、Surfcam等)。前者以內(nèi)部統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式直接從CAD系統(tǒng)獲取產(chǎn)品幾何模型,,而后者主要通過中性文件從其它CAD系統(tǒng)獲取產(chǎn)品幾何模型,。然而,無論是哪種形式的CAM系統(tǒng),,都由五個模塊組成,,即交互工藝參數(shù)輸入模塊、刀具軌跡生成模塊,、刀具軌跡編輯模塊,、三維加工動態(tài)仿真模塊和后置處理模塊。下面僅就一些著名的CAD/CAM系統(tǒng)的NC加工方法進(jìn)行討論,。& l, C, [3 A b. [/ J# q
" J5 U, Y9 H# q& e) a* t UGII加工方法分析+ ~: B7 t- G e" E6 Z! s" s0 g; a
一般認(rèn)為UGII是業(yè)界中最好,,最具代表性的數(shù)控軟件。其最具特點的是其功能強(qiáng)大的刀具軌跡生成方法,。包括車削,、銑削、線切割等完善的加工方法,。其中銑削主要有以下功能:4 `( `' ~8 L L- ^; H1 T' l
,、PointtoPoint:完成各種孔加工;
r% z3 A7 R+ o5 U 、PanarMill:平面銑削,。包括單向行切,,雙向行切,環(huán)切以及輪廓加工等,;7 m7 Y! r- K) t6 l' N
、FixedContour:固定多軸投影加工,。用投影方法控制刀具在單張曲面上或多張曲面上的移動,,控制刀具移動的可以是已生成的刀具軌跡,一系列點或一組曲線,;
2 g4 H4 i0 r1 _6 _9 Z; e+ X: ` ,、VariableContour:可變軸投影加工;5 `7 ]' \# p. f" u3 v9 f
,、Parameterline:等參數(shù)線加工,。可對單張曲面或多張曲面連續(xù)加工,;$ l2 O& e2 | E/ H4 ^, d. V
,、ZigZagSurface:裁剪面加工;% `" C+ Q( m0 f8 u2 X
,、RoughtoDepth:粗加工,。將毛坯粗加工到指定深度;
9 u/ a1 W' u, ]' \! } ,、CavityMill:多級深度型腔加工,。特別適用于凸模和凹模的粗加工;
4 r4 q- g* p' R! `0 Q ,、SequentialSurface:曲面交加工,。按照零件面、導(dǎo)動面和檢查面的思路對刀具的移動提供最大程度的控制,。
: k" f5 N+ g/ D4 v EDSUnigraphics還包括大量的其它方面的功能,,這里就不一一列舉了。) e% ^# T* v: U' | g- F- R5 ?
* U" g1 n3 N; j STRATA加工方法分析( j, G% D" j) @! `( j, U
STRATA是一個數(shù)控編程系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境,,它是建立在ACIS幾何建模平臺上的,。9 o ~, d; T! ]5 \0 x" z9 J
它為用戶提供兩種編程開發(fā)環(huán)境,即NC命令語言接口和NC操作C++類庫,。它可支持三軸銑削,,車削和線切割NC加工,并可支持線框,、曲面和實體幾何建模,。其NC刀具軌跡生成方法是基于實體模型。STRATA基于實體的NC刀具軌跡生成類庫提供的加工方法包括:
# g4 _* S5 C- b; T) { ProfileToolpath:輪廓加工;
, t. p2 T1 @3 Z( Q9 v8 b AreaClearToolpath:平面區(qū)域加工,;
& R- Z2 u' ~0 J SolidProfileToolpath:實體輪廓加工,;- i3 k" u: A$ Y5 j0 [9 R" A
SolidAreaClearToolpath:實體平面區(qū)域加工;
, z r- x' N' l2 l! r$ Z SolidFaceToolPath:實體表面加工,;
8 t. H g5 c+ C% m b- i0 o+ t SolidSliceToolPath:實體截平面加工,;+ r6 x1 b3 n" I% J. ]+ z
LanguagebasedToolpath:基于語言的刀具軌跡生成。" }3 d. Z6 r/ c: Q" b! X7 [; z7 x
其它的CAD/CAM軟件,,如Euclid,Cimitron,CV,CATIA等的NC功能各有千秋,,但其基本內(nèi)容大同小異,沒有本質(zhì)區(qū)別,。
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2.4現(xiàn)役CAM系統(tǒng)刀軌生成方法的主要問題
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按照傳統(tǒng)的CAD/CAM系統(tǒng)和CNC系統(tǒng)的工作方式,,CAM系統(tǒng)以直接或間接(通過中性文件)的方式從CAD系統(tǒng)獲取產(chǎn)品的幾何數(shù)據(jù)模型。CAM系統(tǒng)以三維幾何模型中的點,、線,、面、或?qū)嶓w為驅(qū)動對象,,生成加工刀具軌跡,,并以刀具定位文件的形式經(jīng)后置處理,以NC代碼的形式提供給CNC機(jī)床,,在整個CAD/CAM及CNC系統(tǒng)的運行過程中存在以下幾方面的問題:* W: |( c9 i) C7 t' ]' i9 s
CAM系統(tǒng)只能從CAD系統(tǒng)獲取產(chǎn)品的低層幾何信息,,無法自動捕捉產(chǎn)品的幾何形狀信息和產(chǎn)品高層的功能和語義信息。因此,,整個CAM過程必須在經(jīng)驗豐富的制造工程師的參與下,,通過圖形交互來完成。如:制造工程師必須選擇加工對象(點,、線,、面或?qū)嶓w)、約束條件(裝夾,、干涉和碰撞等),、刀具、加工參數(shù)(切削方向,、切深,、進(jìn)給量、進(jìn)給速度等),。整個系統(tǒng)的自動化程度較低,。
6 S3 c- H2 I6 \& l7 z5 D( H. a4 s1 n 在CAM系統(tǒng)生成的刀具軌跡中,同樣也只包含低層的幾何信息(直線和圓弧的幾何定位信息),,以及少量的過程控制信息(如進(jìn)給率,、主軸轉(zhuǎn)速,、換刀等)。因此,,下游的CNC系統(tǒng)既無法獲取更高層的設(shè)計要求(如公差,、表面光潔度等),也無法得到與生成刀具軌跡有關(guān)的加工工藝參數(shù),。
/ G' _) k2 M/ k% V1 I CAM系統(tǒng)各個模塊之間的產(chǎn)品數(shù)據(jù)不統(tǒng)一,,各模塊相對獨立。例如刀具定位文件只記錄刀具軌跡而不記錄相應(yīng)的加工工藝參數(shù),,三維動態(tài)仿真只記錄刀具軌跡的干涉與碰撞,,而不記錄與其發(fā)生干涉和碰撞的加工對象及相關(guān)的加工工藝參數(shù)。/ H- r2 Z# e3 g) }4 i- ^# B8 h, y
CAM系統(tǒng)是一個獨立的系統(tǒng),。CAD系統(tǒng)與CAM系統(tǒng)之間沒有統(tǒng)一的產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型,即使是在一體化的集成CAD/CAM系統(tǒng)中,,信息的共享也只是單向的和單一的,。CAM系統(tǒng)不能充分理解和利用CAD系統(tǒng)有關(guān)產(chǎn)品的全部信息,尤其是與加工有關(guān)的特征信息,,同樣CAD系統(tǒng)也無法獲取CAM系統(tǒng)產(chǎn)生的加工數(shù)據(jù)信息,。這就給并行工程的實施帶來了困難 。
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# t" d3 l( ?1 I8 {( m0 m( Y 3數(shù)控仿真技術(shù)
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. I2 j# u5 [. o. s 3.1計算機(jī)仿真的概念及應(yīng)用; \. U6 _ Z" \1 S( @- `
- f9 y$ R* |* A4 D& V- F4 e0 |- q 從工程的角度來看,,仿真就是通過對系統(tǒng)模型的實驗去研究一個已有的或設(shè)計中的系統(tǒng),。分析復(fù)雜的動態(tài)對象,仿真是一種有效的方法,,可以減少風(fēng)險,,縮短設(shè)計和制造的周期,并節(jié)約投資,。計算機(jī)仿真就是借助計算機(jī),,利用系統(tǒng)模型對實際系統(tǒng)進(jìn)行實驗研究的過程。它隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而迅速地發(fā)展,,在仿真中占有越來越重要的地位,。計算機(jī)仿真的過程可通過圖1所示的要素間的三個基本活動來描述:
3 U) c" U: x5 {$ Z 建模活動是通過對實際系統(tǒng)的觀測或檢測,,在忽略次要因素及不可檢測變量的基礎(chǔ)上,,用物理或數(shù)學(xué)的方法進(jìn)行描述,從而獲得實際系統(tǒng)的簡化近似模型,。這里的模型同實際系統(tǒng)的功能與參數(shù)之間應(yīng)具有相似性和對應(yīng)性,。
3 Y" E' V/ D/ ^9 h; o% m) F5 M 仿真模型是對系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型(簡化模型)進(jìn)行一定的算法處理,使其成為合適的形式(如將數(shù)值積分變?yōu)榈\算模型)之后,,成為能被計算機(jī)接受的“可計算模型”,。仿真模型對實際系統(tǒng)來講是一個二次簡化的模型。
1 A. q6 V; N% B2 o 仿真實驗是指將系統(tǒng)的仿真模型在計算機(jī)上運行的過程。仿真是通過實驗來研究實際系統(tǒng)的一種技術(shù),,通過仿真技術(shù)可以弄清系統(tǒng)內(nèi)在結(jié)構(gòu)變量和環(huán)境條件的影響,。% _$ p! {& L7 `/ Y4 }" F) d
計算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)在兩個方面:應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大和仿真計算機(jī)的智能化。計算機(jī)仿真技術(shù)不僅在傳統(tǒng)的工程技術(shù)領(lǐng)域(航空,、航天,、化工等方面)繼續(xù)發(fā)展,而且擴(kuò)大到社會經(jīng)濟(jì),、生物等許多非工程領(lǐng)域,,此外,并行處理,、人工智能,、知識庫和專家系統(tǒng)等技術(shù)的發(fā)展正影響著仿真計算機(jī)的發(fā)展。6 M M1 d3 G; M2 `: G* I
數(shù)控加工仿真利用計算機(jī)來模擬實際的加工過程,,是驗證數(shù)控加工程序的可靠性和預(yù)測切削過程的有力工具,,以減少工件的試切,提高生產(chǎn)效率,。
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3.2數(shù)控仿真技術(shù)的研究現(xiàn)狀" T4 Y6 j' X" w0 K' P, o
4 W* C0 D. x4 s 數(shù)控機(jī)床加工零件是靠數(shù)控指令程序控制完成的,。為確保數(shù)控程序的正確性,防止加工過程中干涉和碰撞的發(fā)生,,在實際生產(chǎn)中,,常采用試切的方法進(jìn)行檢驗。但這種方法費工費料,,代價昂貴,,使生產(chǎn)成本上升,增加了產(chǎn)品加工時間和生產(chǎn)周期,。后來又采用軌跡顯示法,,即以劃針或筆代替刀具,以著色板或紙代替工件來仿真刀具運動軌跡的二維圖形(也可以顯示二維半的加工軌跡),,有相當(dāng)大的局限性,。對于工件的三維和多維加工,也有用易切削的材料代替工件(如,,石蠟,、木料,、改性樹脂和塑料等)來檢驗加工的切削軌跡,。但是,試切要占用數(shù)控機(jī)床和加工現(xiàn)場,。為此,,人們一直在研究能逐步代替試切的計算機(jī)仿真方法,,并在試切環(huán)境的模型化,、仿真計算和圖形顯示等方面取得了重要的進(jìn)展,目前正向提高模型的精確度,、仿真計算實時化和改善圖形顯示的真實感等方向發(fā)展,。1 I; u- a, X7 W5 n2 \/ ], w
從試切環(huán)境的模型特點來看,目前NC切削過程仿真分幾何仿真和力學(xué)仿真兩個方面,。幾何仿真不考慮切削參數(shù),、切削力及其它物理因素的影響,只仿真刀具工件幾何體的運動,,以驗證NC程序的正確性,。它可以減少或消除因程序錯誤而導(dǎo)致的機(jī)床損傷、夾具破壞或刀具折斷,、零件報廢等問題,;同時可以減少從產(chǎn)品設(shè)計到制造的時間,降低生產(chǎn)成本,。切削過程的力學(xué)仿真屬于物理仿真范疇,,它通過仿真切削過程的動態(tài)力學(xué)特性來預(yù)測刀具破損、刀具振動,、控制切削參數(shù),從而達(dá)到優(yōu)化切削過程的目的,。
9 h7 T; P: H' W; d: C' } 幾何仿真技術(shù)的發(fā)展是隨著幾何建模技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的,,包括定性圖形顯示和定量干涉驗證兩方面。目前常用的方法有直接實體造型法,,基于圖像空間的方法和離散矢量求交法,。9 G5 y2 x1 m8 j9 W! g* c- s
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3.3直接實體造型法+ Z8 Z$ R# T+ b. z/ ?
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這種方法是指工件體與刀具運動所形成的包絡(luò)體進(jìn)行實體布爾差運算,工件體的三維模型隨著切削過程被不斷更新,。7 h- g L7 \" d+ }
Sungurtekin和Velcker開發(fā)了一個銑床的模擬系統(tǒng),。該系統(tǒng)采用CSG法來記錄毛坯的三維模型,利用一些基本圖元如長方體,、圓柱體,、圓錐體等,和集合運算,,特別是并運算,,將毛坯和一系列刀具掃描過的區(qū)域記錄下來,然后應(yīng)用集合差運算從毛坯中順序除去掃描過的區(qū)域,。所謂被掃過的區(qū)域是指切削刀具沿某一軌跡運動時所走過的區(qū)域,。在掃描了每段NC代碼后顯示變化了的毛坯形狀。+ b9 T) Y! Y( v7 _3 A
Kawashima等的接合樹法將毛坯和切削區(qū)域用接合樹(graftree)表示,,即除了空和滿兩種結(jié)點,,邊界結(jié)點也作為八叉樹(octtree)的葉結(jié)點,。邊界結(jié)點包含半空間,結(jié)點物體利用在這些半空間上的CSG操作來表示,。接合樹細(xì)分的層次由邊界結(jié)點允許的半空間個數(shù)決定,。逐步的切削仿真利用毛坯和切削區(qū)域的差運算來實現(xiàn)。毛坯的顯示采用了深度緩沖區(qū)算法,,將毛坯劃分為多邊形實現(xiàn)毛坯的可視化,。
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用基于實體造型的方法實現(xiàn)連續(xù)更新的毛坯的實時可視化,耗時太長,,于是一些基于觀察的方法被提出來,。
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x) Z* S1 W# i. V* B; O 3.4基于圖像空間的方法2 g* Q2 Q2 [$ s5 e& `
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這種方法用圖像空間的消隱算法來實現(xiàn)實體布爾運算。VanHook采用圖象空間離散法實現(xiàn)了加工過程的動態(tài)圖形仿真,。他使用類似圖形消隱的zbuffer思想,,沿視線方向?qū)⒚骱偷毒唠x散,在每個屏幕象素上毛坯和刀具表示為沿z軸的一個長方體,,稱為Dexel結(jié)構(gòu),。刀具切削毛坯的過程簡化為沿視線方向上的一維布爾運算,見圖3,,切削過程就變成兩者Dexel結(jié)構(gòu)的比較:
4 x3 P! g7 w( L, b/ S. t CASE1:只有毛坯,,顯示毛坯,break,;
" ^- G. s2 e- n) Q% Q3 C- t) I! a CASE2:毛坯完全在刀具之后,,顯示刀具,break,;
, q6 O* @4 ?7 E" _1 m1 q CASE3:刀具切削毛坯前部,,更新毛坯的dexel結(jié)構(gòu),顯示刀具,,break,;
( n$ R% J2 P# U# B9 s CASE4:刀具切削毛坯內(nèi)部,刪除毛坯的dexel結(jié)構(gòu),,顯示刀具,,break;
, t3 _+ D4 K8 ]. k CASE5:刀具切削毛坯內(nèi)部,,創(chuàng)建新的毛坯dexel結(jié)構(gòu),,顯示毛坯,break,;* H) ? k( R$ y- b/ a+ |. H
CASE6:刀具切削毛坯后部,,更新毛坯的dexel結(jié)構(gòu),顯示毛坯,,break,;" [. }1 Z* u2 J9 S E6 D
CASE7:刀具完全在毛坯之后,,顯示毛坯,break,;) a7 T; r5 ]+ w9 v
CASE8:只有刀具,,顯示刀具,break,。 : x9 G( ]) }! |5 }# l6 k& F& A& e
這種方法將實體布爾運算和圖形顯示過程合為一體,,使仿真圖形顯示有很好的實時性。
" B$ d" ]+ ^2 o3 @8 h9 R/ | Hsu和Yang提出了一種有效的三軸銑削的實時仿真方法,。他們使用zmap作為基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),,記錄一個二維網(wǎng)格的每個方塊處的毛坯高度,即z向值,。這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)只適用于刀軸z向的三軸銑削仿真,。對每個銑削操作通過改變刀具運動每一點的深度值,很容易更新zmap值,,并更新工件的圖形顯示,。" ? \% X, D. x* J
r4 x! b1 h6 V/ E2 v 3.5離散矢量求交法- z& x& z; u6 G A" ^0 I6 _
' W( b; d) l/ p& L 由于現(xiàn)有的實體造型技術(shù)未涉及公差和曲面的偏置表示,而像素空間布爾運算并不精確,,使仿真驗證有很大的局限性,。為此Chappel提出了一種基于曲面技術(shù)的“點矢量”(pointvector)法。這種方法將曲面按一定精度離散,,用這些離散點來表示該曲面,。以每個離散點的法矢為該點的矢量方向,延長與工件的外表面相交,。通過仿真刀具的切削過程,計算各個離散點沿法矢到刀具的距離s,。 1 N# j w8 b7 r4 ?" Z u
設(shè)sg和sm分別為曲面加工的內(nèi),、外偏差,如果sg< S < SM說明加工處在誤差范圍內(nèi),,S < SG則過切,,S>sm則漏切。該方法分為被切削曲面的離散(discretization),、檢測點的定位(location)和離散點矢量與工件實體的求交(intersection)三個過程,。采用圖像映射的方法顯示加工誤差圖形;零件表面的加工誤差可以精確地描寫出來,。
9 r7 }9 t s' h' w 總體來說,,基于實體造型的方法中幾何模型的表達(dá)與實際加工過程相一致,使得仿真的最終結(jié)果與設(shè)計產(chǎn)品間的精確比較成為可能,;但實體造型的技術(shù)要求高,,計算量大,,在目前的計算機(jī)實用環(huán)境下較難應(yīng)用于實時檢測和動態(tài)模擬�,;趫D像空間的方法速度快得多,,能夠?qū)崿F(xiàn)實時仿真,但由于原始數(shù)據(jù)都已轉(zhuǎn)化為像素值,,不易進(jìn)行精確的檢測,。離散矢量求交法基于零件的表面處理,能精確描述零件面的加工誤差,,主要用于曲面加工的誤差檢測,。- `' `& E8 U, r5 Z/ Q
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