許小娟（蘇州高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校,江蘇　蘇州　215000）

?

基于三維實(shí)體的數(shù)控加工仿真系統(tǒng)的研究

許小娟
（蘇州高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校,江蘇蘇州215000）

摘 要：本文提出插補(bǔ)離散算法、刀具半徑補(bǔ)償算法兩種數(shù)控加工仿真系統(tǒng)較為常用的刀具軌跡算法。同時(shí)從零件實(shí)體模型的建立、材料去除的算法等四方面分析了如何建立數(shù)控加工仿真系統(tǒng)，以便提高工業(yè)生產(chǎn)的工作效率。

關(guān)鍵詞：三維實(shí)體；加工仿真系統(tǒng)；建立方法

數(shù)控加工仿真系統(tǒng)中運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)已經(jīng)逐漸成為教學(xué)和生產(chǎn)過程的重要發(fā)展趨勢。CAD/CAM當(dāng)中的重要組成部分之一便是數(shù)控加工，然而CAD/CAM的集成過程極為復(fù)雜。因此，施工人員在實(shí)際施工當(dāng)中，利用CAD/CAM/NC正式加工零件之前應(yīng)先對(duì)零件進(jìn)行試切。以往施工人員使用木模、蠟?zāi)Ｗ鳛樵囼?yàn)工件，但這會(huì)耗費(fèi)大量的人力、物力，延長了生產(chǎn)時(shí)間，生產(chǎn)效率也隨之下降。因此，生產(chǎn)企業(yè)開始在生產(chǎn)當(dāng)中使用數(shù)控加工仿真系統(tǒng)，以便代替試切工作，從而縮減生產(chǎn)周期，為企業(yè)節(jié)省大量的成本。

1　數(shù)控加工使用的刀具軌跡算法

1.1插補(bǔ)離散算法

設(shè)計(jì)人員首要解決的問題便是如何對(duì)刀具以及工件的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，數(shù)控加工仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在系統(tǒng)當(dāng)中設(shè)計(jì)兩個(gè)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)，并使兩個(gè)坐標(biāo)相互協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，可形成平面曲線。而對(duì)空間曲線以及立體曲線，則需要設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)三個(gè)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)，并使其協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。生產(chǎn)人員使用設(shè)備在進(jìn)行工件加工時(shí)，只需按照流程將有關(guān)產(chǎn)品的信息錄入設(shè)備當(dāng)中即可對(duì)數(shù)控裝置進(jìn)行控制。所輸入的信息也能夠通過計(jì)算的方法計(jì)算，但是隨著曲線階次的提高，計(jì)算也更為復(fù)雜，因此數(shù)控加工基本不將這種計(jì)算方式用作控制信息的輸入。插補(bǔ)離散算法是較為常用的刀具軌跡算法，具體有以下三方面內(nèi)容：

第一，直線插補(bǔ)。設(shè)存在刀具在空間內(nèi)進(jìn)行直線移動(dòng)（如圖1所示），該直線起點(diǎn)為點(diǎn)P0，坐標(biāo)為（X0，Y0，Z0），終點(diǎn)為Pe，坐標(biāo)為（Xe，Ye，Ze），刀具直線運(yùn)動(dòng)的速度表示為F，插補(bǔ)周期用T標(biāo)示，直線插補(bǔ)的核心是計(jì)算各個(gè)插補(bǔ)周期之中輪廓步長在坐標(biāo)軸之上的投影分量。系統(tǒng)會(huì)將插補(bǔ)直線作為空間向量，則此時(shí)有以下公式：

由上述公式可知，F(xiàn)在在3個(gè)軸上的投影分別為Fx=Fcosα、 Fy=Fcosβ、Fz=Fcosγ。之后，數(shù)控加工設(shè)備會(huì)計(jì)算周期與速度投影分量的乘積，所得到的值即為各個(gè)坐標(biāo)軸在某一生產(chǎn)周期當(dāng)中的運(yùn)動(dòng)步長（ΔX，ΔY，ΔZ），直線插補(bǔ)過程中，各個(gè)周期內(nèi)坐標(biāo)軸變化的總是一個(gè)定量，故而插補(bǔ)過程中，i+1的動(dòng)點(diǎn)坐標(biāo)如下：

通常情況下，插補(bǔ)最后一步與下一個(gè)輪廓步長之間存在差異，因此設(shè)計(jì)人員可將終點(diǎn)坐標(biāo)Pe（Xe，Ye，Ze）直接選作最終的插補(bǔ)點(diǎn)坐標(biāo)，以便確保插補(bǔ)精度。

1.2圓弧插補(bǔ)

數(shù)控加工設(shè)備在使用圓弧插補(bǔ)需以滿足精度為前提，利用數(shù)條切線、弦以及內(nèi)外均差割線形成近似于圓弧的線。其中，利用數(shù)條切線逼近圓弧可能會(huì)導(dǎo)致圓弧存在與計(jì)算存在偏差，因此無法使用。就目前而言，圓弧插補(bǔ)算法不斷豐富，其中有二階梯遞歸算法、直接函數(shù)法以及角度逼近圓弧算法。以二階梯遞歸算法為例。在遞歸函數(shù)中進(jìn)行采樣插補(bǔ)的實(shí)現(xiàn)形式便是通過遞歸計(jì)算軌跡曲線參數(shù)方程，因?yàn)槠湟罁?jù)之前已知的插補(bǔ)點(diǎn)進(jìn)行插補(bǔ)，故而稱其為遞歸插補(bǔ)法。

2　三維實(shí)體的數(shù)控加工仿真系統(tǒng)建立與應(yīng)用

2.1時(shí)空仿真的基本流程與功能

三維NC加工仿真系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)檢測NC代碼是否具有有效性，同時(shí)檢查代碼是否正確。尤其需要注意加工過程當(dāng)中所進(jìn)行的碰撞檢驗(yàn)，其會(huì)向使用者以及設(shè)計(jì)人員直觀準(zhǔn)確地體現(xiàn)設(shè)計(jì)成果，以便使用者對(duì)產(chǎn)品有所了解，設(shè)計(jì)人員也能夠觀察設(shè)計(jì)成果當(dāng)中的不足，進(jìn)而對(duì)部分零件進(jìn)行修改或是替換。

數(shù)控方針模塊具有以下功能。

第一，能夠使機(jī)床、工件、刀具以及夾具等生產(chǎn)用物品具象化，建立其三維模型，便于使用者以及設(shè)計(jì)人員觀察。

第二，運(yùn)動(dòng)仿真可由NC代碼進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

第三，及時(shí)向工作人員反映生產(chǎn)過程中，各個(gè)部件的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，以便機(jī)械在發(fā)生故障之后，生產(chǎn)人員能夠及時(shí)排查問題。

第四，數(shù)控加工仿真系統(tǒng)能夠完成自動(dòng)換刀。

第五，系統(tǒng)可對(duì)碰撞檢測過程進(jìn)行干預(yù)。

2.2零件實(shí)體模型的建立

數(shù)控三維加工的零件表面形狀并不規(guī)則，且較為復(fù)雜多變，如部分零件的曲面呈不規(guī)則的形狀。以車削加工類零件為例，該類工件的表面以回轉(zhuǎn)體居多，定義于軸心方向上平面所做的投影，其曲線也為對(duì)稱的自由曲線。該類曲線一般可由插值方程、擬合方程以及參數(shù)方程等數(shù)學(xué)方程方式進(jìn)行表達(dá)，往往不能使用較為統(tǒng)一的數(shù)學(xué)方式表達(dá)與處理。設(shè)計(jì)人員可利用建立工件三維實(shí)體模型的表達(dá)方式進(jìn)行表達(dá)，該方法儲(chǔ)存其零件實(shí)體特征構(gòu)成中各種幾何信息的方法是以節(jié)點(diǎn)為結(jié)構(gòu)體類型的鏈表類。以便數(shù)控加工仿真系統(tǒng)能夠完成與其他設(shè)備進(jìn)行信息共享。

針對(duì)車削加工當(dāng)中的零件來說，工作人員可將零件按照各部分形狀之間的差異分為圓柱面、球面以及圓臺(tái)面，為了數(shù)控加工便捷，工作人員可認(rèn)為零件整體便是由圓臺(tái)以及圓周構(gòu)成。針對(duì)成型曲面，工作人員可通過離散，將其分為圓柱以及圓臺(tái)，使得零件整體結(jié)構(gòu)的描述相同。而針對(duì)柱面段，工作人員只需確認(rèn)柱面段的具體長度、內(nèi)外直徑以及一端的Z坐標(biāo)位置，便能夠確認(rèn)這一柱面段的具體形狀。

工作人員將構(gòu)成零件各個(gè)特征部分作為節(jié)點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)注，將屬性相同的節(jié)點(diǎn)封存于同一個(gè)結(jié)構(gòu)體中，各節(jié)點(diǎn)都包含對(duì)該特征階段的描述信息。之后建立一個(gè)鏈表將結(jié)構(gòu)體內(nèi)的節(jié)點(diǎn)串聯(lián)，各節(jié)點(diǎn)的儲(chǔ)存順序需自左端點(diǎn)起向沿Z軸方向呈升序排列。設(shè)計(jì)人員按照上述方式能夠使不同特征對(duì)外擁有統(tǒng)一的接口。數(shù)控加工仿真系統(tǒng)將各節(jié)點(diǎn)信息統(tǒng)一儲(chǔ)存于鏈表結(jié)構(gòu)當(dāng)中，便能夠獲得較為完整的零件表面信息，便于之后進(jìn)行三維效果的呈現(xiàn)以及求交運(yùn)算。

2.3材料去除的算法

工作人員在對(duì)工件進(jìn)行加工過程中，可將工件分為幾個(gè)部分，即分為多個(gè)節(jié)點(diǎn)。之后只需檢查刀具的運(yùn)動(dòng)所坐標(biāo)，便能夠?yàn)g覽鏈表內(nèi)部的信息，從而確定哪些節(jié)點(diǎn)加工已然結(jié)束，對(duì)該節(jié)點(diǎn)進(jìn)行修改。同時(shí)也可以增加或刪減部分節(jié)點(diǎn)，之后便能夠得到整個(gè)工件。具體方法如下：第一，生產(chǎn)人員將指針移動(dòng)至表頭，此時(shí)觀察指針是否從表頭移動(dòng)至表尾。第二，若指針尚未到表尾，生產(chǎn)人員觀察節(jié)點(diǎn)長度是否等于零。第三，若長度為零，生產(chǎn)人員可將該節(jié)點(diǎn)刪除，之后將指針向下移動(dòng)。第四，若節(jié)點(diǎn)長度不為零，生產(chǎn)人員可對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行修改，或是添加刀具的位置信息，插入新的節(jié)點(diǎn)，之后繼續(xù)將指針向下移動(dòng)。第五，經(jīng)過上述步驟之后，指針可以自表頭移動(dòng)至表尾，此時(shí)生產(chǎn)人員可將工件具象化，并建立該工件的三維模型，將工件完成呈現(xiàn)出來。

2.4干涉和碰撞的檢查

NC代碼的正確性需借由干涉以及碰撞的檢查進(jìn)行檢驗(yàn)，檢查內(nèi)容主要為夾具、機(jī)床非移動(dòng)部件等非加工部位是否受到檢測刀具以及機(jī)床等移動(dòng)部件的影響。數(shù)控加工仿真系統(tǒng)是借由NC代碼驅(qū)動(dòng)刀具進(jìn)行加工，因此若移動(dòng)部件對(duì)非加工部件產(chǎn)生影響與干涉，則此處的NC代碼會(huì)及時(shí)向使用者進(jìn)行反饋，使用者可通過反饋的信息進(jìn)行修改。工作人員在檢查過程中將以下幾點(diǎn)作為依據(jù)進(jìn)行判斷：其一，加工過程當(dāng)中，是否存在部分刀具為空走刀。其二，刀具切削部分是否會(huì)干涉已然加工完成的工件，出現(xiàn)過切的現(xiàn)象。其三，刀具當(dāng)中非切削部分是否與工件表面存在碰撞的現(xiàn)象。工作人員在使用數(shù)控加工仿真系統(tǒng)進(jìn)行生產(chǎn)過程中，需注意對(duì)NC代碼正確性的檢測，不可忽視這一工作，導(dǎo)致后續(xù)生產(chǎn)工作無法順利進(jìn)行。

3　結(jié)束語

如今，數(shù)控加工技術(shù)已廣泛運(yùn)用于生產(chǎn)加工當(dāng)中，對(duì)我國工業(yè)生產(chǎn)也起到了促進(jìn)作用。對(duì)工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)而言，數(shù)控技術(shù)仿真系統(tǒng)的應(yīng)用為企業(yè)減少了大量的成本，同時(shí)提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率。就本文研究來看，基于三維實(shí)體的數(shù)控加工仿真系統(tǒng)不僅具有重要使用價(jià)值，且可以對(duì)數(shù)控代碼生成和校驗(yàn)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真和計(jì)算，進(jìn)而避免出現(xiàn)干涉和碰撞等，最終大力提升加工效率。所以，這套系統(tǒng)對(duì)于實(shí)驗(yàn)、加工、生產(chǎn)以及教學(xué)研究都具有不可替代的重大意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]彭健鈞,郭銳鋒,張世民.數(shù)控加工仿真系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[J].小型微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng),2010(06):1240-1244.

[2]張瑋,鄭力.數(shù)控加工仿真系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].機(jī)械制造,2010(09):7-8.

[3]王占禮,董超,胡艷娟.數(shù)控加工仿真系統(tǒng)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2013(05):41-45.

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.03.234