數(shù)控加工技術(shù)概述9 @" |. a- r3 K* ]5 P4 d$ P/ }
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1數(shù)控編程及其發(fā)展) ^! o: o2 l- e! y! m
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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(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)加工自動(dòng)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(shí)際的強(qiáng)烈需求,，國(guó)內(nèi)外都對(duì)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(duì)數(shù)控編程及其發(fā)展作一些介紹,。
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7 H4 h% ~7 r# ^. I 1.1數(shù)控編程的基本概念
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/ X A: z8 N1 y7 Q) V% M2 Y 數(shù)控編程是從零件圖紙到獲得數(shù)控加工程序的全過(guò)程,。它的主要任務(wù)是計(jì)算加工走刀中的刀位點(diǎn)（cutterlocationpoint簡(jiǎn)稱CL點(diǎn)）。刀位點(diǎn)一般取為刀具軸線與刀具表面的交點(diǎn),，多軸加工中還要給出刀軸矢量,。( u, {# t6 \ }8 Y' {3 x+ @
( T! X5 S/ o: R3 U4 F; Z 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(wèn)題，50年代,，MIT設(shè)計(jì)了一種專門用于機(jī)械零件數(shù)控加工程序編制的語(yǔ)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(kù)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,。
8 i6 w7 f* t8 ]9 a) a 采用APT語(yǔ)言編制數(shù)控程序具有程序簡(jiǎn)煉,，走刀控制靈活等優(yōu)點(diǎn)，使數(shù)控加工編程從面向機(jī)床指令的“匯編語(yǔ)言”級(jí),，上升到面向幾何元素.APT仍有許多不便之處：采用語(yǔ)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(duì)零件形狀、刀具運(yùn)動(dòng)軌跡的直觀圖形顯示和刀具軌跡的驗(yàn)證手段,；難以和CAD數(shù)據(jù)庫(kù)和CAPP系統(tǒng)有效連接,；不容易作到高度的自動(dòng)化，集成化,。( s( m7 G% w% k B, T2 }1 D
針對(duì)APT語(yǔ)言的缺點(diǎn),，1978年,，法國(guó)達(dá)索飛機(jī)公司開(kāi)始開(kāi)發(fā)集三維設(shè)計(jì)、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(jì),、修改及刀具軌跡生成，走刀過(guò)程的仿真顯示,、驗(yàn)證等問(wèn)題,，推動(dòng)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(jì)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。; V7 `( |0 r9 ` z
在集成化方面,，以開(kāi)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(guó)內(nèi)外開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn),；在智能化方面,，工作剛剛開(kāi)始，還有待我們?nèi)ヅΑ?br />
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2 NC刀具軌跡生成方法研究發(fā)展現(xiàn)狀
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+ e" n8 o' X, _+ }+ n# M 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(diǎn),，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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( T! x9 E2 l d' M 2.1基于點(diǎn),、線、面和體的NC刀軌生成方法
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- O2 R. D3 V' ]( H4 t CAD技術(shù)從二維繪圖起步,，經(jīng)歷了三維線框,、曲面和實(shí)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(diǎn),、線為驅(qū)動(dòng)對(duì)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(shí)體造型發(fā)展階段，出現(xiàn)了基于實(shí)體的加工,。實(shí)體加工的加工對(duì)象是一個(gè)實(shí)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(yùn)算（并、交,、差運(yùn)算）而得,。實(shí)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(kāi)發(fā)，是特征加工的基礎(chǔ),。
8 u6 D0 {* c$ X' l! ^- N 實(shí)體加工一般有實(shí)體輪廓加工和實(shí)體區(qū)域加工兩種,。實(shí)體加工的實(shí)現(xiàn)方法為層切法（SLICE），即用一組水平面去切被加工實(shí)體,，然后對(duì)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(tái)上實(shí)現(xiàn)了這種基于點(diǎn),、線,、面和實(shí)體的數(shù)控加工。9 ?, Y, D- R& P: T0 K6 q
. p9 p/ f3 [- K$ W6 _& a2 Q! J, R; h 2.2基于特征的NC刀軌生成方法+ D+ C2 }. T. n6 Y" L# W
' _! T9 G6 Z$ O) _& [/ a 參數(shù)化特征造型已有了一定的發(fā)展時(shí)期,，但基于特征的刀具軌跡生成方法的研究才剛剛開(kāi)始,。特征加工使數(shù)控編程人員不在對(duì)那些低層次的幾何信息（如：點(diǎn)、線,、面,、實(shí)體）進(jìn)行操作，而轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯訉?duì)符合工程技術(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,。
8 y6 R3 t$ K) U9 H: R W.R.Mail和A.J.Mcleod在他們的研究中給出了一個(gè)基于特征的NC代碼生成子系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)的工作原理是：零件的每個(gè)加工過(guò)程都可以看成對(duì)組成該零件的形狀特征組進(jìn)行加工的總和,。那么對(duì)整個(gè)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(dòng)生成。目前開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)只適用于2.5D零件的加工,。0 R6 M/ ~4 a, O
LeeandChang開(kāi)發(fā)了一種用虛擬邊界的方法自動(dòng)產(chǎn)生凸自由曲面特征刀具軌跡的系統(tǒng),。這個(gè)系統(tǒng)的工作原理是：在凸自由曲面內(nèi)嵌入一個(gè)最小的長(zhǎng)方塊，這樣凸自由曲面特征就被轉(zhuǎn)換成一個(gè)凹特征,。最小的長(zhǎng)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,。
( W1 F1 Z0 m' F+ f; Q5 H1 l f JongYunJung研究了基于特征的非切削刀具軌跡生成問(wèn)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(guò)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(duì)幾種基本特征（孔,、內(nèi)凹,、臺(tái)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(guò)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,。3 \7 ]$ n4 r6 x, l- v# p5 W
特征加工的基礎(chǔ)是實(shí)體加工,，當(dāng)然也可認(rèn)為是更高級(jí)的實(shí)體加工。但特征加工不同于實(shí)體加工,，實(shí)體加工有它自身的局限性,。特征加工與實(shí)體加工主要有以下幾點(diǎn)不同：
0 b0 Z0 p: p+ L/ L7 }5 u8 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(shí)體是低層的幾何對(duì)象,，是經(jīng)過(guò)一系列布爾運(yùn)算而得到的一個(gè)幾何體,，不帶有任何功能語(yǔ)義信息；實(shí)體加工往往是對(duì)整個(gè)零件（實(shí)體）的一次性加工,。但實(shí)際上一個(gè)零件不太可能僅用一把刀一次加工完,，往往要經(jīng)過(guò)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(shí)一個(gè)零件既要用到車削，也要用到銑削,。因此實(shí)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(wèn)題；特征加工具有更多的智能,。對(duì)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(duì)所有的標(biāo)準(zhǔn)特征都制定了特定的加工方法,，那么對(duì)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(shí)體加工是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的；: X5 e6 [. E$ F {5 g& Q
特征加工有利于實(shí)現(xiàn)從CAD,、CAPP,、NCP及CNC系統(tǒng)的全面集成，實(shí)現(xiàn)信息的雙向流動(dòng),，為CIMS乃至并行工程（CE）奠定良好的基礎(chǔ),；而實(shí)體加工對(duì)這些是無(wú)能為力的。: E# b. e2 x q6 c
, A; K# b. ]; t9 J, G' x9 ^2 W 2.3現(xiàn)役幾個(gè)主要CAD/CAM系統(tǒng)中的NC刀軌生成方法分析8 |! k ?+ O8 a5 p5 G, x( _
1 ]5 O7 t" ]0 w; q, N* J# Q3 G 現(xiàn)役CAM的構(gòu)成及主要功能* D2 @' ?$ m P; B" L! f
0 a' d& y0 `! e- E( n( c w w4 V, n; C 目前比較成熟的CAM系統(tǒng)主要以兩種形式實(shí)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(duì)獨(dú)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(guò)中性文件從其它CAD系統(tǒng)獲取產(chǎn)品幾何模型。然而,，無(wú)論是哪種形式的CAM系統(tǒng),，都由五個(gè)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(dòng)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,。# [/ ?" k. p- \* w: _& ?' M
, [/ s% w+ c9 k: q UGII加工方法分析; {" V8 P: `6 k! C# _
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(diǎn)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：3 \9 S2 r8 }- v7 l0 u
,、PointtoPoint：完成各種孔加工；9 o Q* P' i) d; {
,、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；
* g2 @9 X4 p' A0 A# U ,、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(dòng)，控制刀具移動(dòng)的可以是已生成的刀具軌跡,，一系列點(diǎn)或一組曲線,；
6 \8 E, L3 K: V N9 F a. L 、VariableContour：可變軸投影加工,；
6 ~( M- I: @( U8 u ,、Parameterline：等參數(shù)線加工�,？蓪�(duì)單張曲面或多張曲面連續(xù)加工,；
1 R( R& L- ^4 @6 J 、ZigZagSurface：裁剪面加工,；
$ ?; O/ @: J- ~4 |5 y4 q4 v0 D ,、RoughtoDepth：粗加工。將毛坯粗加工到指定深度,；
8 \( o2 v: f* p8 ?& Z4 n& N ,、CavityMill：多級(jí)深度型腔加工。特別適用于凸模和凹模的粗加工,；
3 _ E# ~" l/ a& {- } ,、SequentialSurface：曲面交加工。按照零件面,、導(dǎo)動(dòng)面和檢查面的思路對(duì)刀具的移動(dòng)提供最大程度的控制,。2 P2 c& S' @* I K3 X
EDSUnigraphics還包括大量的其它方面的功能，這里就不一一列舉了,。
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! _$ `3 ^+ U3 @$ N4 c* F STRATA加工方法分析
* _; |; q2 H* A7 Z# \ STRATA是一個(gè)數(shù)控編程系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境,，它是建立在ACIS幾何建模平臺(tái)上的。2 z ]2 F# I/ }# m6 f8 ~$ g
它為用戶提供兩種編程開(kāi)發(fā)環(huán)境,，即NC命令語(yǔ)言接口和NC操作C++類庫(kù),。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(shí)體幾何建模,。其NC刀具軌跡生成方法是基于實(shí)體模型。STRATA基于實(shí)體的NC刀具軌跡生成類庫(kù)提供的加工方法包括：
) Z% j# i4 O3 p! E' ? ProfileToolpath：輪廓加工,；
5 I0 M( a6 P' L+ s2 _( D- p AreaClearToolpath：平面區(qū)域加工,；
; L3 W. [% k+ V f SolidProfileToolpath：實(shí)體輪廓加工；
0 {1 V9 \7 @5 O" u! R8 ~ M4 t' l SolidAreaClearToolpath：實(shí)體平面區(qū)域加工,；# Q5 }: Z" i4 S/ K$ x/ V+ ^
SolidFaceToolPath：實(shí)體表面加工,；
1 P6 d7 c) T& C: Z2 I2 w P: Q3 c2 @0 K SolidSliceToolPath：實(shí)體截平面加工；7 d1 v1 c I( R( _( Q
LanguagebasedToolpath：基于語(yǔ)言的刀具軌跡生成,。9 l, H! A9 i6 Q! B/ ]
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(méi)有本質(zhì)區(qū)別,。9 z8 r- |$ X6 C/ U
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2.4現(xiàn)役CAM系統(tǒng)刀軌生成方法的主要問(wèn)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(guò)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(diǎn),、線、面,、或?qū)嶓w為驅(qū)動(dòng)對(duì)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(gè)CAD/CAM及CNC系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中存在以下幾方面的問(wèn)題：2 l- H m v2 X' S5 t2 `, f
CAM系統(tǒng)只能從CAD系統(tǒng)獲取產(chǎn)品的低層幾何信息，無(wú)法自動(dòng)捕捉產(chǎn)品的幾何形狀信息和產(chǎn)品高層的功能和語(yǔ)義信息,。因此,，整個(gè)CAM過(guò)程必須在經(jīng)驗(yàn)豐富的制造工程師的參與下，通過(guò)圖形交互來(lái)完成,。如：制造工程師必須選擇加工對(duì)象（點(diǎn),、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(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)化程度較低,。
3 k, q/ s2 }! ^$ S8 l 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(guò)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(wú)法獲取更高層的設(shè)計(jì)要求（如公差、表面光潔度等）,，也無(wú)法得到與生成刀具軌跡有關(guān)的加工工藝參數(shù),。 j* ]4 j; D! f
CAM系統(tǒng)各個(gè)模塊之間的產(chǎn)品數(shù)據(jù)不統(tǒng)一，各模塊相對(duì)獨(dú)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(dòng)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(duì)象及相關(guān)的加工工藝參數(shù),。) K% q3 q+ ?) u( B5 R
CAM系統(tǒng)是一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)。CAD系統(tǒng)與CAM系統(tǒng)之間沒(méi)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(wú)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(shí)施帶來(lái)了困難 ,。
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3數(shù)控仿真技術(shù)4 r h7 e) t, l! q. e
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3.1計(jì)算機(jī)仿真的概念及應(yīng)用
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從工程的角度來(lái)看,，仿真就是通過(guò)對(duì)系統(tǒng)模型的實(shí)驗(yàn)去研究一個(gè)已有的或設(shè)計(jì)中的系統(tǒng)。分析復(fù)雜的動(dòng)態(tài)對(duì)象,，仿真是一種有效的方法,，可以減少風(fēng)險(xiǎn)，縮短設(shè)計(jì)和制造的周期,，并節(jié)約投資,。計(jì)算機(jī)仿真就是借助計(jì)算機(jī)，利用系統(tǒng)模型對(duì)實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的過(guò)程,。它隨著計(jì)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(lái)越重要的地位。計(jì)算機(jī)仿真的過(guò)程可通過(guò)圖1所示的要素間的三個(gè)基本活動(dòng)來(lái)描述：" y, X6 t3 i) m& t6 t) B7 z
建�,；顒�(dòng)是通過(guò)對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的觀測(cè)或檢測(cè),，在忽略次要因素及不可檢測(cè)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(shí)際系統(tǒng)的簡(jiǎn)化近似模型,。這里的模型同實(shí)際系統(tǒng)的功能與參數(shù)之間應(yīng)具有相似性和對(duì)應(yīng)性。$ y- T+ i- f+ Q- g1 L3 _5 h
仿真模型是對(duì)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型（簡(jiǎn)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\(yùn)算模型）之后,，成為能被計(jì)算機(jī)接受的“可計(jì)算模型”,。仿真模型對(duì)實(shí)際系統(tǒng)來(lái)講是一個(gè)二次簡(jiǎn)化的模型。
. b3 R* U+ M) `3 ~ 仿真實(shí)驗(yàn)是指將系統(tǒng)的仿真模型在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的過(guò)程,。仿真是通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)研究實(shí)際系統(tǒng)的一種技術(shù),，通過(guò)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。4 }( N0 R: \1 f3 O
計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大和仿真計(jì)算機(jī)的智能化,。計(jì)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(huì)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(shí)庫(kù)和專家系統(tǒng)等技術(shù)的發(fā)展正影響著仿真計(jì)算機(jī)的發(fā)展,。& X$ y" m+ N+ i& E
數(shù)控加工仿真利用計(jì)算機(jī)來(lái)模擬實(shí)際的加工過(guò)程,，是驗(yàn)證數(shù)控加工程序的可靠性和預(yù)測(cè)切削過(guò)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3 D$ k8 Z/ k" ?! N8 g+ J5 Z
. Q4 W9 I4 ]% Q- D 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(guò)程中干涉和碰撞的發(fā)生,，在實(shí)際生產(chǎn)中，常采用試切的方法進(jìn)行檢驗(yàn),。但這種方法費(fèi)工費(fèi)料,，代價(jià)昂貴，使生產(chǎn)成本上升,，增加了產(chǎn)品加工時(shí)間和生產(chǎn)周期,。后來(lái)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(lái)仿真刀具運(yùn)動(dòng)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(duì)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(shù)脂和塑料等）來(lái)檢驗(yàn)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(chǎng)。為此,，人們一直在研究能逐步代替試切的計(jì)算機(jī)仿真方法,，并在試切環(huán)境的模型化、仿真計(jì)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(jì)算實(shí)時(shí)化和改善圖形顯示的真實(shí)感等方向發(fā)展。
8 o: _. [% @% O( u. z6 r 從試切環(huán)境的模型特點(diǎn)來(lái)看,，目前NC切削過(guò)程仿真分幾何仿真和力學(xué)仿真兩個(gè)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(yùn)動(dòng),，以驗(yàn)證NC程序的正確性。它可以減少或消除因程序錯(cuò)誤而導(dǎo)致的機(jī)床損傷,、夾具破壞或刀具折斷,、零件報(bào)廢等問(wèn)題；同時(shí)可以減少?gòu)漠a(chǎn)品設(shè)計(jì)到制造的時(shí)間,，降低生產(chǎn)成本,。切削過(guò)程的力學(xué)仿真屬于物理仿真范疇，它通過(guò)仿真切削過(guò)程的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性來(lái)預(yù)測(cè)刀具破損,、刀具振動(dòng),、控制切削參數(shù),，從而達(dá)到優(yōu)化切削過(guò)程的目的,。, f! I* @ f/ j/ w3 p
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(yàn)證兩方面,。目前常用的方法有直接實(shí)體造型法,，基于圖像空間的方法和離散矢量求交法。7 E! H U5 Q! N7 f8 w
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3.3直接實(shí)體造型法" `! L. T5 E6 b# W9 _- ~' @; _
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這種方法是指工件體與刀具運(yùn)動(dòng)所形成的包絡(luò)體進(jìn)行實(shí)體布爾差運(yùn)算,，工件體的三維模型隨著切削過(guò)程被不斷更新,。# y4 g8 H _( H* u# ~3 L) A1 W9 v
Sungurtekin和Velcker開(kāi)發(fā)了一個(gè)銑床的模擬系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用CSG法來(lái)記錄毛坯的三維模型,，利用一些基本圖元如長(zhǎng)方體,、圓柱體、圓錐體等,，和集合運(yùn)算,，特別是并運(yùn)算，將毛坯和一系列刀具掃描過(guò)的區(qū)域記錄下來(lái),，然后應(yīng)用集合差運(yùn)算從毛坯中順序除去掃描過(guò)的區(qū)域,。所謂被掃過(guò)的區(qū)域是指切削刀具沿某一軌跡運(yùn)動(dòng)時(shí)所走過(guò)的區(qū)域,。在掃描了每段NC代碼后顯示變化了的毛坯形狀。
- x7 a- M' p. J Kawashima等的接合樹(shù)法將毛坯和切削區(qū)域用接合樹(shù)（graftree）表示,，即除了空和滿兩種結(jié)點(diǎn),，邊界結(jié)點(diǎn)也作為八叉樹(shù)（octtree）的葉結(jié)點(diǎn)。邊界結(jié)點(diǎn)包含半空間,，結(jié)點(diǎn)物體利用在這些半空間上的CSG操作來(lái)表示,。接合樹(shù)細(xì)分的層次由邊界結(jié)點(diǎn)允許的半空間個(gè)數(shù)決定。逐步的切削仿真利用毛坯和切削區(qū)域的差運(yùn)算來(lái)實(shí)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(shí)現(xiàn)毛坯的可視化。
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用基于實(shí)體造型的方法實(shí)現(xiàn)連續(xù)更新的毛坯的實(shí)時(shí)可視化,，耗時(shí)太長(zhǎng),，于是一些基于觀察的方法被提出來(lái)。
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3.4基于圖像空間的方法
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: L2 m2 ~' [0 |$ Q; B 這種方法用圖像空間的消隱算法來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)體布爾運(yùn)算,。VanHook采用圖象空間離散法實(shí)現(xiàn)了加工過(guò)程的動(dòng)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(gè)屏幕象素上毛坯和刀具表示為沿z軸的一個(gè)長(zhǎng)方體,，稱為Dexel結(jié)構(gòu)。刀具切削毛坯的過(guò)程簡(jiǎn)化為沿視線方向上的一維布爾運(yùn)算,，見(jiàn)圖3,，切削過(guò)程就變成兩者Dexel結(jié)構(gòu)的比較：
$ V7 \& w9 N7 K1 L CASE1：只有毛坯，顯示毛坯,，break,；
3 q6 L- b" _. S' ~8 ] CASE2：毛坯完全在刀具之后，顯示刀具,，break,；, C! [* w, R- k m) ^( x
CASE3：刀具切削毛坯前部，更新毛坯的dexel結(jié)構(gòu),，顯示刀具,，break；
* C$ E( S8 K+ Q l& ^5 c 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,；
6 b7 U/ d5 v" f/ J( n- Q 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,；
: p( S3 u m2 u: p" \ CASE6：刀具切削毛坯后部,，更新毛坯的dexel結(jié)構(gòu)，顯示毛坯,，break,；0 q* ~. p: K9 C
CASE7：刀具完全在毛坯之后，顯示毛坯,，break,；
5 b. a+ Q+ N- c1 g" [/ P3 x2 D CASE8：只有刀具，顯示刀具,，break,。
/ e) f- ~ A+ e9 @' ^8 l 這種方法將實(shí)體布爾運(yùn)算和圖形顯示過(guò)程合為一體，使仿真圖形顯示有很好的實(shí)時(shí)性,。
- j* ?& A2 E2 N0 p7 S; j Hsu和Yang提出了一種有效的三軸銑削的實(shí)時(shí)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(gè)二維網(wǎng)格的每個(gè)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(duì)每個(gè)銑削操作通過(guò)改變刀具運(yùn)動(dòng)每一點(diǎn)的深度值,，很容易更新zmap值,，并更新工件的圖形顯示。; h4 O( Z5 V# D
Z h$ R' N4 h+ { 3.5離散矢量求交法
1 n* `" u5 j1 p% F1 I( F' k
, t% Z, o. R1 g6 x! M 由于現(xiàn)有的實(shí)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(yùn)算并不精確,，使仿真驗(yàn)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(diǎn)矢量”(pointvector)法,。這種方法將曲面按一定精度離散,，用這些離散點(diǎn)來(lái)表示該曲面。以每個(gè)離散點(diǎn)的法矢為該點(diǎn)的矢量方向,，延長(zhǎng)與工件的外表面相交,。通過(guò)仿真刀具的切削過(guò)程,，計(jì)算各個(gè)離散點(diǎn)沿法矢到刀具的距離s,。
9 F! }4 i4 C* @ 設(shè)sg和sm分別為曲面加工的內(nèi)、外偏差,，如果sg< S < SM說(shuō)明加工處在誤差范圍內(nèi),，S < SG則過(guò)切，S>sm則漏切,。該方法分為被切削曲面的離散(discretization),、檢測(cè)點(diǎn)的定位（location）和離散點(diǎn)矢量與工件實(shí)體的求交(intersection)三個(gè)過(guò)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(xiě)出來(lái),。
4 h+ d* c* H% Z! P9 I 總體來(lái)說(shuō),，基于實(shí)體造型的方法中幾何模型的表達(dá)與實(shí)際加工過(guò)程相一致，使得仿真的最終結(jié)果與設(shè)計(jì)產(chǎn)品間的精確比較成為可能,；但實(shí)體造型的技術(shù)要求高,，計(jì)算量大，在目前的計(jì)算機(jī)實(shí)用環(huán)境下較難應(yīng)用于實(shí)時(shí)檢測(cè)和動(dòng)態(tài)模擬,�,；趫D像空間的方法速度快得多，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)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(cè)。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(cè)。
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發(fā)表于 2005-11-17 21:54:59
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