數(shù)控加工仿真技術(shù)的研究現(xiàn)狀與展望

賈曉麗

摘要：數(shù)控加工仿真技術(shù)是在計(jì)算機(jī)環(huán)境下模擬實(shí)際的數(shù)控加工過(guò)程，該技術(shù)一般是依靠仿真軟件的支持，采用三維實(shí)體仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)，為數(shù)控代碼的檢驗(yàn)、刀路軌跡的驗(yàn)證、干涉碰撞的檢測(cè)等提供有效依據(jù)。本文論述了在數(shù)控加工仿真中所應(yīng)用的數(shù)控代碼譯碼、三維建模、動(dòng)畫(huà)過(guò)程仿真及干涉碰撞檢測(cè)幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，并介紹了數(shù)控加工仿真技術(shù)的研究現(xiàn)狀，最后對(duì)數(shù)控加工仿真技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

Abstract： NC machining simulation technology is to simulate the actual NC machining process by the computer technology， generally based on the support of simulation software， and it uses three-dimensional solid simulation technology， provides the basis for the NC code verification， tool path trajectory verification， and collision and interference detection. This paper discusses several key technologies in NC machining simulation， including NC code decoding， 3D modeling， and animation process simulation and collision and interference detection. Then the paper introduces the current research status of NC machining simulation technology. Finally， the development trend of NC machining simulation technology is prospected.

關(guān)鍵詞：數(shù)控加工仿真;三維建模;動(dòng)畫(huà)仿真

Key words： NC machining simulation;3D modeling;animation simulation

中圖分類號(hào)：TG659 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）13-0143-03

0 引言

數(shù)控技術(shù)已發(fā)展成為工業(yè)現(xiàn)代化的基礎(chǔ)和重要組成部分[1]。為確保數(shù)控加工過(guò)程的正確性，數(shù)控程序在編制后，需要進(jìn)行正確性檢驗(yàn)。以避免在加工過(guò)程中因程序出錯(cuò)造成過(guò)切、欠切、碰撞或干涉等問(wèn)題。如果在機(jī)床實(shí)際加工之前通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)數(shù)控加工過(guò)程進(jìn)行模擬，不僅能夠快速、安全、有效地評(píng)估數(shù)控程序的正確性，而且還可以驗(yàn)證工藝加工路線是否合理，避免在實(shí)際加工過(guò)程中出現(xiàn)因工藝或程序問(wèn)題導(dǎo)致的各種異?，F(xiàn)象，從而可以顯著縮短零件的制造和輔助加工時(shí)間，提高生產(chǎn)效率，增強(qiáng)加工過(guò)程的安全性。

1 數(shù)控加工仿真實(shí)現(xiàn)過(guò)程

數(shù)控加工仿真的本質(zhì)是在計(jì)算機(jī)環(huán)境下模擬實(shí)際的數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)。在技術(shù)上主要分為幾何仿真和物理仿真。只研究刀具與工件幾何體的運(yùn)動(dòng)，以驗(yàn)證NC程序的正確性的是幾何仿真。而物理仿真是在幾何仿真的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對(duì)切削過(guò)程中切削力、切削熱、切屑形狀、零件加工變形和刀具磨損等的進(jìn)行仿真模擬。

目前數(shù)控加工仿真技術(shù)主要是以幾何仿真為主，幾何仿真是以數(shù)控代碼作為驅(qū)動(dòng)源，利用三維建模技術(shù)和過(guò)程仿真技術(shù)，首先生成刀具移動(dòng)的軌跡數(shù)據(jù)，然后利用軌跡形狀與被加工的幾何體進(jìn)行一系列求交運(yùn)算;再生成坐標(biāo)數(shù)據(jù)和加工后零件形狀參數(shù)等中間結(jié)果;最后通過(guò)三維建模和動(dòng)畫(huà)技術(shù)將過(guò)程結(jié)果依次顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上。這一過(guò)程如圖1所示。

根據(jù)圖1中對(duì)數(shù)控仿真流程的分析，可知要實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)實(shí)加工過(guò)程的模擬，涉及到的技術(shù)有數(shù)控代碼處理技術(shù)、三維圖形建模技術(shù)、動(dòng)畫(huà)仿真技術(shù)和碰撞干涉檢測(cè)技術(shù)[2]，目前以上技術(shù)都已被公認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工仿真的關(guān)鍵技術(shù)。各技術(shù)在數(shù)控加工仿真過(guò)程中關(guān)系如圖2所示。

1.1 數(shù)控代碼處理技術(shù)

計(jì)算機(jī)無(wú)法直接識(shí)別數(shù)控代碼，首先需要利用編譯器對(duì)數(shù)控源程序進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可以執(zhí)行的中間結(jié)果，作為加工仿真的驅(qū)動(dòng)源，因此數(shù)控系統(tǒng)中的數(shù)控代碼編譯模塊是系統(tǒng)的重要模塊[3]。

數(shù)控代碼編譯器執(zhí)行過(guò)程主要分為三步：數(shù)控代碼檢錯(cuò)、數(shù)控代碼翻譯和刀心軌跡計(jì)算，如圖3所示。檢錯(cuò)是指對(duì)數(shù)控代碼的詞法、語(yǔ)法和語(yǔ)義進(jìn)行分析。翻譯是從數(shù)控代碼中提取出控制機(jī)床運(yùn)動(dòng)的有關(guān)命令和狀態(tài)信息，得到刀心軌跡位移數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，最后這些數(shù)據(jù)在動(dòng)畫(huà)技術(shù)的支持下驅(qū)動(dòng)機(jī)床模型運(yùn)動(dòng)。具體實(shí)現(xiàn)流程如圖3所示。

1.2 三維建模技術(shù)

在數(shù)控加工仿真技術(shù)中，幾何模型的建立是實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工過(guò)程仿真的前提條件，采用的建模方法不同，得到的仿真結(jié)果也各有不同，因此研究者試圖在尋找正確、簡(jiǎn)單的建模方法，從而達(dá)到簡(jiǎn)化計(jì)算、加快仿真速度、提高仿真精度的目的[4]。

數(shù)控加工仿真三維模型的建立主要分為兩大類。第一類是建立加工環(huán)境模型，比如機(jī)床床身、刀具和夾具等，這類模型的主要特點(diǎn)是模型是不隨著仿真過(guò)程發(fā)生改變，對(duì)于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的要求較低，通常在加工仿真系統(tǒng)中對(duì)這類模型采用直接實(shí)體造型或借助三維建模軟件生成，如圖4所示。第二類是加工形體模型，這種模型的特點(diǎn)是在加工過(guò)程中隨著刀具的運(yùn)動(dòng)，形狀是不斷變化的。研究者對(duì)第二類模型的建模方法進(jìn)行了大量研究，目前在常用的建模方法有體素法、邊界法、直接實(shí)體造型法、三角面片離散法等。實(shí)體素法和邊界法計(jì)算簡(jiǎn)單，但是不適合復(fù)雜零件模型建立，直接實(shí)體造型后布爾運(yùn)算量大，建模速度慢，三角面片離散法適用范圍廣，可以很好地提高仿真精度，但存在模型數(shù)據(jù)點(diǎn)多的問(wèn)題，如圖5所示。

1.3 動(dòng)畫(huà)仿真技術(shù)

動(dòng)畫(huà)仿真過(guò)程的實(shí)現(xiàn)是數(shù)控加工仿真的核心技術(shù)之一，其仿真效果直接影響最終仿真結(jié)果的好壞。在動(dòng)畫(huà)仿真過(guò)程研究中主要從刀具運(yùn)動(dòng)軌跡和材料去除過(guò)程兩方面進(jìn)行仿真研究。

加工過(guò)程動(dòng)畫(huà)仿真的關(guān)鍵是動(dòng)畫(huà)實(shí)現(xiàn)技術(shù)。計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫(huà)的方式很多，目前在仿真系統(tǒng)中大多采用幀動(dòng)畫(huà)和雙緩存技術(shù)作為加工過(guò)程的動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)，首先將刀具位置和工件顯示模型的每幀畫(huà)面顯示在后緩沖區(qū)，再由后緩存區(qū)傳遞存入前緩存區(qū)，前緩存區(qū)畫(huà)面作為電腦屏幕上的顯示畫(huà)面，編程實(shí)現(xiàn)依次將畫(huà)面從后緩沖區(qū)拷貝到前緩存區(qū)，從而就可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫(huà)序列播放。

1.4 碰撞干涉檢測(cè)技術(shù)

碰撞干涉檢測(cè)技術(shù)也是數(shù)控加工仿真實(shí)現(xiàn)的重要內(nèi)容[5]。在數(shù)控加工仿真中應(yīng)用的主要是三維空間碰撞干涉檢測(cè)技術(shù)，在三維空間下，動(dòng)態(tài)碰撞檢測(cè)主要采用基于圖象空間的碰撞檢測(cè)和基于物體空間的碰撞檢測(cè)兩種算法，前者首先是通過(guò)對(duì)三維模型在二維平面進(jìn)行投影，同時(shí)在深度上利用深度緩存進(jìn)行計(jì)算，從而判斷碰撞是否發(fā)生;后者主要是利用三維模型幾何特征進(jìn)行求交計(jì)算，根據(jù)求交結(jié)果判斷是否發(fā)生碰撞干涉。

2 數(shù)控加工仿真技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

到目前為止，國(guó)內(nèi)外對(duì)數(shù)控加工仿真的研究主要以幾何仿真為主，并且正逐漸由幾何仿真向物理仿真方向過(guò)渡，在幾何仿真研究方面相對(duì)成熟，而物理仿真正處于發(fā)展的初始階段，下面分別對(duì)國(guó)內(nèi)外的具體研究狀況進(jìn)行介紹。

2.1 數(shù)控加工幾何仿真

國(guó)外學(xué)者在幾何仿真研究上開(kāi)始比較早，最初仿真算法采用整體布爾減，此方法計(jì)算難度大，且無(wú)法精確確定刀具掃描體。在1990年由Jerard和Chappel等人在數(shù)控仿真研究中逐步提出了曲面離散法建模算法。之后Oliver和Goodman進(jìn)一步優(yōu)化了離散法。另外Hsu和Yang在此基礎(chǔ)上采用了一種基于Z-Map數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的離散模型建立和等角投影顯示的方法，在圖形顯示速度方面得到很大提高[7]。

近年來(lái)國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)數(shù)控加工仿真技術(shù)的研究也越來(lái)越多，尤其在許多高校和研究所都在該技術(shù)研究上有所成就。清華大學(xué)開(kāi)發(fā)了通用加工過(guò)程仿真器（GMPS），采用八叉樹(shù)單球組合模型，實(shí)現(xiàn)了碰撞干涉的快速檢測(cè)。西北工業(yè)大學(xué)研究了利用不同顏色來(lái)顯示區(qū)分離散面片，實(shí)現(xiàn)圖形的消隱效果，但與真實(shí)效果間還存在較大差距。東北大學(xué)研究了一種基于光線跟蹤的數(shù)車加工仿真系統(tǒng)，系統(tǒng)功能不全，還有待進(jìn)一步完善。南京航空航天大學(xué)采用了基于精確掃描體構(gòu)造的驗(yàn)證仿真算法，基于ACIS平臺(tái)，開(kāi)發(fā)了SupermanCAD/CAM2000車/銑仿真模塊[8]。

2.2 數(shù)控加工物理仿真

物理仿真的研究是在幾何仿真的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，是對(duì)數(shù)控仿真模擬準(zhǔn)確性的進(jìn)一步研究。在物理仿真過(guò)程當(dāng)中，還要考慮加工過(guò)程中的切削力、切削熱、切屑參數(shù)、零件變形和刀具磨損狀態(tài)等物理因素，因此仿真過(guò)程也更復(fù)雜。由于目前機(jī)床加工機(jī)理還在不斷的研究中，且各種物理因素相互影響，因此建立準(zhǔn)確的物理仿真數(shù)學(xué)模型就更加困難，仿真物理加工過(guò)程也更難[6]。目前，對(duì)物理仿真的研究大多還是選其中一個(gè)或幾個(gè)方面進(jìn)行，還無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)所有物理因素的仿真和分析。在物理仿真方面，國(guó)外研究比國(guó)內(nèi)要先進(jìn)很多，在國(guó)外已經(jīng)形成幾款可以簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)物理仿真的專業(yè)軟件，有 Third Wave AdvantEdge、Deform3D 等。

3 展望

雖然數(shù)控加工仿真技術(shù)在幾何仿真和物理仿真方面都已取得一定成果，但是總體效果與實(shí)際加工還有很大差距，許多理論與實(shí)際問(wèn)題還有待進(jìn)一步解決，在今后，數(shù)控仿真技術(shù)主要會(huì)在以下幾個(gè)方面有所發(fā)展：

①仿真過(guò)程真實(shí)化準(zhǔn)確化發(fā)展。隨著仿真技術(shù)的發(fā)展，將物理仿真技術(shù)涉及的切屑、切削力、切削熱、零件加工變形預(yù)測(cè)、刀具磨損等因素集合到仿真系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)幾何仿真和物理仿真的完美結(jié)合，真正全面準(zhǔn)確地揭示數(shù)控加工過(guò)程本質(zhì)。

②仿真過(guò)程網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到數(shù)控加工仿真過(guò)程中，可以使數(shù)控仿真系統(tǒng)與其它計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換與共享，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)CAD/CAM/CAPP/PDM/ERP等系統(tǒng)間的無(wú)縫對(duì)接，并且能夠得到基于網(wǎng)絡(luò)的各種遠(yuǎn)程數(shù)控服務(wù)的支持，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程在線編程、遠(yuǎn)程數(shù)控加工仿真及遠(yuǎn)程在線控制等。

③完善仿真結(jié)果的評(píng)價(jià)體系。對(duì)仿真后的結(jié)果進(jìn)行尺寸精確測(cè)量、表面精度預(yù)測(cè)等結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，這也是目前預(yù)感亟需研究解決的問(wèn)題。

④仿真過(guò)程的智能化發(fā)展。將仿真系統(tǒng)與并行處理、人工智能、機(jī)器人應(yīng)用、云計(jì)算等技術(shù)相結(jié)合，開(kāi)發(fā)具有高智能的數(shù)控仿真系統(tǒng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

數(shù)控加工仿真技術(shù)已取得了一定的進(jìn)展，該技術(shù)在減少加工缺陷、提高生產(chǎn)效率、指導(dǎo)實(shí)際加工過(guò)程方等面發(fā)揮了重要作用。隨著數(shù)控加工精度和加工效率要求的提高，數(shù)控程序會(huì)越來(lái)越復(fù)雜，這就對(duì)數(shù)控加工仿真技術(shù)的發(fā)展進(jìn)一步提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)和要求，因此，數(shù)控仿真技術(shù)研究的重要性將日漸顯著。

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