基于三維實體的數(shù)控加工仿真系統(tǒng)的研究

許小娟（蘇州高等職業(yè)技術學校,江蘇　蘇州　215000）

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基于三維實體的數(shù)控加工仿真系統(tǒng)的研究

許小娟
（蘇州高等職業(yè)技術學校,江蘇蘇州215000）

摘 要：本文提出插補離散算法、刀具半徑補償算法兩種數(shù)控加工仿真系統(tǒng)較為常用的刀具軌跡算法。同時從零件實體模型的建立、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。

關鍵詞：三維實體；加工仿真系統(tǒng)；建立方法

數(shù)控加工仿真系統(tǒng)中運用計算機圖形學技術已經(jīng)逐漸成為教學和生產(chǎn)過程的重要發(fā)展趨勢。CAD/CAM當中的重要組成部分之一便是數(shù)控加工，然而CAD/CAM的集成過程極為復雜。因此，施工人員在實際施工當中，利用CAD/CAM/NC正式加工零件之前應先對零件進行試切。以往施工人員使用木模、蠟模作為試驗工件，但這會耗費大量的人力、物力，延長了生產(chǎn)時間，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插補離散算法

設計人員首要解決的問題便是如何對刀具以及工件的運動進行控制，數(shù)控加工仿真系統(tǒng)設計人員在系統(tǒng)當中設計兩個運動坐標，并使兩個坐標相互協(xié)調(diào)運動，可形成平面曲線。而對空間曲線以及立體曲線，則需要設計人員設計三個運動坐標，并使其協(xié)調(diào)運動。生產(chǎn)人員使用設備在進行工件加工時，只需按照流程將有關產(chǎn)品的信息錄入設備當中即可對數(shù)控裝置進行控制。所輸入的信息也能夠通過計算的方法計算，但是隨著曲線階次的提高，計算也更為復雜，因此數(shù)控加工基本不將這種計算方式用作控制信息的輸入。插補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。設存在刀具在空間內(nèi)進行直線移動（如圖1所示），該直線起點為點P0，坐標為（X0，Y0，Z0），終點為Pe，坐標為（Xe，Ye，Ze），刀具直線運動的速度表示為F，插補周期用T標示，直線插補的核心是計算各個插補周期之中輪廓步長在坐標軸之上的投影分量。系統(tǒng)會將插補直線作為空間向量，則此時有以下公式：

由上述公式可知，F(xiàn)在在3個軸上的投影分別為Fx=Fcosα、 Fy=Fcosβ、Fz=Fcosγ。之后，數(shù)控加工設備會計算周期與速度投影分量的乘積，所得到的值即為各個坐標軸在某一生產(chǎn)周期當中的運動步長（ΔX，ΔY，ΔZ），直線插補過程中，各個周期內(nèi)坐標軸變化的總是一個定量，故而插補過程中，i+1的動點坐標如下：

通常情況下，插補最后一步與下一個輪廓步長之間存在差異，因此設計人員可將終點坐標Pe（Xe，Ye，Ze）直接選作最終的插補點坐標，以便確保插補精度。

1.2圓弧插補

數(shù)控加工設備在使用圓弧插補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導致圓弧存在與計算存在偏差，因此無法使用。就目前而言，圓弧插補算法不斷豐富，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)中進行采樣插補的實現(xiàn)形式便是通過遞歸計算軌跡曲線參數(shù)方程，因為其依據(jù)之前已知的插補點進行插補，故而稱其為遞歸插補法。

2　三維實體的數(shù)控加工仿真系統(tǒng)建立與應用

2.1時空仿真的基本流程與功能

三維NC加工仿真系統(tǒng)主要負責檢測NC代碼是否具有有效性，同時檢查代碼是否正確。尤其需要注意加工過程當中所進行的碰撞檢驗，其會向使用者以及設計人員直觀準確地體現(xiàn)設計成果，以便使用者對產(chǎn)品有所了解，設計人員也能夠觀察設計成果當中的不足，進而對部分零件進行修改或是替換。

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，便于使用者以及設計人員觀察。

第二，運動仿真可由NC代碼進行驅(qū)動。

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

第四，數(shù)控加工仿真系統(tǒng)能夠完成自動換刀。

第五，系統(tǒng)可對碰撞檢測過程進行干預。

2.2零件實體模型的建立

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)學方程方式進行表達，往往不能使用較為統(tǒng)一的數(shù)學方式表達與處理。設計人員可利用建立工件三維實體模型的表達方式進行表達，該方法儲存其零件實體特征構成中各種幾何信息的方法是以節(jié)點為結構體類型的鏈表類。以便數(shù)控加工仿真系統(tǒng)能夠完成與其他設備進行信息共享。

針對車削加工當中的零件來說，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、球面以及圓臺面，為了數(shù)控加工便捷，工作人員可認為零件整體便是由圓臺以及圓周構成。針對成型曲面，工作人員可通過離散，將其分為圓柱以及圓臺，使得零件整體結構的描述相同。而針對柱面段，工作人員只需確認柱面段的具體長度、內(nèi)外直徑以及一端的Z坐標位置，便能夠確認這一柱面段的具體形狀。

工作人員將構成零件各個特征部分作為節(jié)點進行標注，將屬性相同的節(jié)點封存于同一個結構體中，各節(jié)點都包含對該特征階段的描述信息。之后建立一個鏈表將結構體內(nèi)的節(jié)點串聯(lián)，各節(jié)點的儲存順序需自左端點起向沿Z軸方向呈升序排列。設計人員按照上述方式能夠使不同特征對外擁有統(tǒng)一的接口。數(shù)控加工仿真系統(tǒng)將各節(jié)點信息統(tǒng)一儲存于鏈表結構當中，便能夠獲得較為完整的零件表面信息，便于之后進行三維效果的呈現(xiàn)以及求交運算。

2.3材料去除的算法

工作人員在對工件進行加工過程中，可將工件分為幾個部分，即分為多個節(jié)點。之后只需檢查刀具的運動所坐標，便能夠瀏覽鏈表內(nèi)部的信息，從而確定哪些節(jié)點加工已然結束，對該節(jié)點進行修改。同時也可以增加或刪減部分節(jié)點，之后便能夠得到整個工件。具體方法如下：第一，生產(chǎn)人員將指針移動至表頭，此時觀察指針是否從表頭移動至表尾。第二，若指針尚未到表尾，生產(chǎn)人員觀察節(jié)點長度是否等于零。第三，若長度為零，生產(chǎn)人員可將該節(jié)點刪除，之后將指針向下移動。第四，若節(jié)點長度不為零，生產(chǎn)人員可對節(jié)點進行修改，或是添加刀具的位置信息，插入新的節(jié)點，之后繼續(xù)將指針向下移動。第五，經(jīng)過上述步驟之后，指針可以自表頭移動至表尾，此時生產(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行檢驗，檢查內(nèi)容主要為夾具、機床非移動部件等非加工部位是否受到檢測刀具以及機床等移動部件的影響。數(shù)控加工仿真系統(tǒng)是借由NC代碼驅(qū)動刀具進行加工，因此若移動部件對非加工部件產(chǎn)生影響與干涉，則此處的NC代碼會及時向使用者進行反饋，使用者可通過反饋的信息進行修改。工作人員在檢查過程中將以下幾點作為依據(jù)進行判斷：其一，加工過程當中，是否存在部分刀具為空走刀。其二，刀具切削部分是否會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)進行生產(chǎn)過程中，需注意對NC代碼正確性的檢測，不可忽視這一工作，導致后續(xù)生產(chǎn)工作無法順利進行。

3　結束語

如今，數(shù)控加工技術已廣泛運用于生產(chǎn)加工當中，對我國工業(yè)生產(chǎn)也起到了促進作用。對工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)而言，數(shù)控技術仿真系統(tǒng)的應用為企業(yè)減少了大量的成本，同時提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率。就本文研究來看，基于三維實體的數(shù)控加工仿真系統(tǒng)不僅具有重要使用價值，且可以對數(shù)控代碼生成和校驗的各項數(shù)據(jù)進行仿真和計算，進而避免出現(xiàn)干涉和碰撞等，最終大力提升加工效率。所以，這套系統(tǒng)對于實驗、加工、生產(chǎn)以及教學研究都具有不可替代的重大意義。

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