數(shù)控加工技術(shù)概述& G1 T( j* h- H- R" t* _
, r$ I5 b. E( W: D0 d 1數(shù)控編程及其發(fā)展
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. r' v# P0 V" l3 s 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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# v: L3 x9 G7 ~% ]7 E9 |8 r4 O 1.1數(shù)控編程的基本概念
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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。( |! K3 x) v9 L% K) t
7 G; h s9 a- m6 F$ }" d 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 k2 ~& ~/ a) m3 J2 S0 V2 z
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。; Z% E% k9 h7 Y9 k5 z/ F
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。# ^# P3 p% n' `
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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8 R& g8 W. k- q: Y% q 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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2.1基于點(diǎn),、線,、面和體的NC刀軌生成方法
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6 L4 @9 F- J8 O 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),。
2 [ @8 X, v+ N1 z# f 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,。
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2.2基于特征的NC刀軌生成方法. |, I/ ]' N5 k2 E2 l: a9 m
2 n5 h, M& t' R; A+ }1 v: ? 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,。' e" U4 [, L. |6 y4 B+ J
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,。
/ r% X5 k" y0 n) m 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,。 v) L9 b2 j" k
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,。8 [6 U3 X% C% o$ c# r5 c
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：
3 @* H9 y* ?; L( L! [ 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；7 g4 o- f9 Y$ |8 \
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,。
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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
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現(xiàn)役CAM的構(gòu)成及主要功能
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9 T7 b2 b) S. Q h, N( f8 E, j- h% t N 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,。( Z% S' B$ @& K2 e1 A n1 L4 A
- A& I2 }! d7 c# y3 S% y; G UGII加工方法分析
# b9 g) U+ r) O1 d7 b+ S1 ~ 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：
% \/ M) d. Z4 H/ `7 c3 N- O" Q 、PointtoPoint：完成各種孔加工,；
, x5 g0 R" }' B+ z! h. G) A ,、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；
* ~# X& ], ]" f ,、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,；
* w1 g/ u1 k3 q 、VariableContour：可變軸投影加工,；
- V! {$ f2 a) m( a ,、Parameterline：等參數(shù)線加工�,？蓪�(duì)單張曲面或多張曲面連續(xù)加工,；
$ s/ |: x/ S. ?- _' j 、ZigZagSurface：裁剪面加工,；
R4 f9 S6 J% @# z1 L% c: P ,、RoughtoDepth：粗加工。將毛坯粗加工到指定深度,；
, `: p- L5 k5 I( i$ j ,、CavityMill：多級(jí)深度型腔加工。特別適用于凸模和凹模的粗加工,；
5 C* Y! O5 k( c U ,、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,。! B1 h. V4 F; q, T# y* z( k
EDSUnigraphics還包括大量的其它方面的功能,，這里就不一一列舉了。9 U% F' `9 X. C6 R
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STRATA加工方法分析
. F$ V& s$ g0 Z2 q. X6 N 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,。" ^- ]( B5 o7 [- A
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：
1 M" |# X& \5 M' g ProfileToolpath：輪廓加工,；
5 }" M: D. i' Y! ]" s6 K7 B AreaClearToolpath：平面區(qū)域加工,；
[% f: @, `4 M SolidProfileToolpath：實(shí)體輪廓加工；& E. ?2 @6 s' O/ `$ z, ?
SolidAreaClearToolpath：實(shí)體平面區(qū)域加工,；
q/ G5 n; `) W% w* ^ SolidFaceToolPath：實(shí)體表面加工,； u& ]" y8 `$ j; U' f/ n
SolidSliceToolPath：實(shí)體截平面加工；
4 n% a' i; K, }+ V: v& _3 s- D- U& I) ~ LanguagebasedToolpath：基于語(yǔ)言的刀具軌跡生成,。
/ k8 k( {9 r$ b4 j* @6 w( u( Z 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,。1 Q- i2 m9 S: ^! } |: A" y0 F
4 [5 a# ?/ s: u. {! t( F4 z; s 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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: a: K% {! L. v7 ~& t9 K 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：) P- O n$ J3 [5 |3 v% y
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,。( B7 x! v: ]8 f
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),。
+ x ?0 v- U) ^/ q0 X9 a 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),。( q) Q5 A+ O! o$ F' k2 `0 e0 M
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 。; _) c1 s# y+ X3 }$ o8 E
# w: ^, y8 d9 S 3數(shù)控仿真技術(shù); E! B! K, P4 R$ `5 O7 O6 Z
0 f3 X: f$ n+ k 3.1計(jì)算機(jī)仿真的概念及應(yīng)用8 R& u1 }/ r/ o3 _8 i3 r: w S$ H
L. O* e8 j8 Q3 r 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：4 F3 v) J) U& `5 M, n
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,。$ e7 N# e T8 o. A, @/ }
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,。
8 ^6 ~$ r$ w+ G3 h- j( l 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,。
+ j: n! `2 V9 `! W5 E 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。- T. }* S$ a8 w# W+ u) s
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,。2 p6 s8 E2 o5 f2 v8 y
( E+ B0 s* Q5 e4 E; U3 C/ P9 k 3.2數(shù)控仿真技術(shù)的研究現(xiàn)狀
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- m% Z' Y$ W8 @& o; p# q8 J4 o 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。
& t' M" k( b4 p: `7 `, q+ N! ]+ 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,。4 c' J/ S: }5 k; Y- X( r
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,。8 i6 m- x5 R0 k; R$ g9 a, X
7 R- P' ^, e: d# ]4 v. N4 g 3.3直接實(shí)體造型法
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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。
) J- Z; q: I: ^- C 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,。! P6 e: O8 L5 O# S
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(diǎn),，邊界結(jié)點(diǎn)也作為八叉樹（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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& C3 ^! s7 }4 H3 K% c( j 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),。0 x1 w0 m5 c4 ]( ]
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3.4基于圖像空間的方法 W- m* B+ m/ v a/ l
* n( N+ N. l' J+ F/ Q 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：
1 ~9 |7 C( i+ i. i) d3 ?+ X/ g& x CASE1：只有毛坯,，顯示毛坯，break,；: P3 ^2 u4 I6 a# X
CASE2：毛坯完全在刀具之后,，顯示刀具，break,；
/ n( ]) a7 A( x8 n' ^$ i% Y CASE3：刀具切削毛坯前部,，更新毛坯的dexel結(jié)構(gòu),，顯示刀具，break,；6 R h4 Q% {% J) e" Z
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,；
3 T. W3 L) f5 Y) X- S* V! ?9 j+ Q3 ~ 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；/ b/ B O/ ~7 o8 l
CASE6：刀具切削毛坯后部,，更新毛坯的dexel結(jié)構(gòu)，顯示毛坯,，break,；
: i( `: t) P9 W, t/ s" {* [ CASE7：刀具完全在毛坯之后，顯示毛坯,，break,；2 {% [4 w; Y/ M# ?5 q+ |5 g8 C2 `0 Y: e
CASE8：只有刀具，顯示刀具,，break,。 ' ]; [2 g1 \. K4 l' H, G: q
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,。3 J2 a0 A# f" h7 q0 X9 Y+ B
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。
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' p5 _& q: \- | 3.5離散矢量求交法4 \; e6 {3 G: v$ ~( `
) _8 X, |4 ~8 S 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。 5 B/ T: e. x' W1 d
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出來(lái)。
$ G% \/ ` m% a% I: ]9 y 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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