（机械制造及其自动化专业论文）数控加工中心切削过程仿真系统的研究与开发.pdf

中文摘要 科学技术的高速发展，加速了制造业的变革。数控技术成为现代制造技术的 核心技术，虚拟制造技术作为数控技术得以推广普及和发展的必要补充，成为众 多科研工作者关注的一个方向。本文在分析和研究现有研究成果的基础上，应用 虚拟仿真技术针对于立式加工中心的特点，主要对以下几个方面进行了深入的研 究。 1 本系统设计了虚拟数控系统，采用层次化建模方式，将机床分解成部件、 零件和基本体素，组成机床的多级装配树，实现机床的几何建模。根据机床 的实际结构构建自动换刀装置( a t c ) 几何模型和换刀控制系统。 2 研究n c 数控程序代码的分析处理方法和编译原理，并结合数控系统的 编程规范设计了虚拟数控系统的n c 数控程序代码编译器。 3 在分析刀具和零件特点的基础上，利用m i c r o s o f ta c t i v ed a t ao b j e c t s ( a d o ) 数控库知识，实现了对刀具零件的管理功能，能够快速完成对刀具、 零件的查找、编辑、添加和删除。 4 创新的提出z 向变化自相似动态四叉树( z - q u a d t r e e s ) 除料算法，来建 立零件模型和刀具仿真模型。 关键词：虚拟制造几何建模换刀装置四叉树0 p e n g l a b s t r a c t t h eh i 曲s p e e dd e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yh a sa c c e l e r a t e dt h e c h a n g eo fm a n u f a c t u r e t h en u m e r i c a lc o n 拄o lt e c h n i q u ei sb e c o m i n gt h ek e r n e l t e c h n i q u eo fm o d e mm a n u f a c t u r et e c h n o l o g y v m u a lm a n u f a c t u r et e c h n o l o g ya s n e c e s s a r yc o m p l e m e n t a r i t i e so fg e n e r a l i z ea n dd e v e l o p m e n ti nn ct e c h n o l o g y , w h i c h b e c o m e sar e s e a r c hg o a l ，w k i c hs c i e n t i f i cr e s e a r c h e rp a ya t t e n t i o nt oi t i nt h i sp a p e r , b a s e d0 1 1t h ea n a l y s e sa n di n v e s t i g a t i o no fc u r r e n ta c h i e v e m e n t so fv e r t i c a lm i l l i n g c e n t e r , f l l r t h e l - r e s e a r c hh a sb c c ud o n ei nt h ef o l l o w i n ga s p e c t s 1t h ev i r t u a ln cs y s t e mi sd e s i g n e d ，d i s a s s e m b l em a c h i n i n gc e n t e ri n t op a r t s ， a c c e s s o r ya n dc o m p o n e n t sb yh i e r a r c h i c a lm o d e l i n gf u n c t i o n t h e s et h r e e p a r t sc o m p o s et h et h r e el e v e l sa s s e m b l i n gt r e eo ft h em a c h i n et o o l s ，a n di n t h i sw a y , t h eg e o m e t r ym o d e l i n go fv e r t i c a lm i l l i n gc e n t e ri sf o u n d e d a c c o r d i n gt ot h es m a c t u r ec o n s t r u c tt h eg e o m e t r i cm o d e lo fa u t o m a t i ct o o l s c h a n g e ra n da t c c o n t r o ls y s t e m 2t h ea n a l y s i sp r o c e s s i n gm e t h o da n dt h et r a n s l a t i o np r i n c i p l eo ft h en c n u m e r i c a lc o n t r o lc o d ea n da c c o r d i n gt ot h en u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m s s t a n d a r dt od e s i g nt h ev i r t u a ln u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e mc o m p i l e r l ss t u d i e d 3b a s e do na n a l y z i n gt h ec h a r a c t e ro ft o o l sa n dp a r t s ，u s e st h ed a t a - b a s e k n o w l e d g eo fm i c r o s o f ta c t i v ed a t a0 b j e e t s ( a d o ) ，t h i sm o d u l ec a n r e a l i z e dt h em a n a g e m e n tf u n c t i o nf o rc u t t i n gt o o l sa n dp a r t s ，i tc a n a c c o m p l i s ht h el o o k u p ，e d i t i n g ，a d d i n ga n dd e l e t i n g 4i n n o v a t i o nr z - q u a d l r e e s ) a l g o r i t h mi sp r o p o s ei n n o v a t i v e l yt oe l i m i n a t e m a t e r i a lo fs i m u l a t i o np a r t s ，a n dt h e s i m u l a t i o nm o d e lo f p a r t sa n dt h ec u t t i n g t o o li se s t a b l i s h e d k e yw o r d s ：v i r t u a lm a n u f a c t u d n g ，g e o m e t r ym o d e l i n g ，a u t o m a t i ct o o l c h a n g e r , q u a d t r e e ，o p c n g l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨叠盘茎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 擗嗽a 车吣f 九 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨奎盘茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁壹盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文 签字日期 导师签名 签字日咖年2 月f 词法分析程序口3 l 作为编译程序的输入部分，是整个编译工作的基础。它的 任务是依次扫描源程序输入串中的各个字符，从中识别一系列具有独立含义 的最小基本语法单元，并构造相应的符号，从而把源程序变换成等价的内部 表示形式的程序。 语法分析程序它是编译过程的核心部分，其基本任务是在词法分析识别出 单词符合串的基础上，根据语言的语法法则描述该语言的上下外无关文法， 分析源程序的语法结构，并在分析过程中，对源程序进行语法检查，判定程 序的语法结构是否符合语法规则，n c 程序的语法规则相对比较简单，下面列 举几个固定的规则： ( 1 ) 同组不同行。如g 4 1 ( 左刀补) 与g 4 2 ( 右刀补) ，若出现在同行，被视为 语法错误加以拒绝，以免系统进一步处理时“左”“右”为难； ( 2 ) 圆弧插补指令g 0 2 、6 0 3 必须有相应圆心坐标匹配； ( 3 ) 程序调用指令p 与子程序执行次数l 匹配；7 ( 4 ) 是否在使用g 0 1 、g 0 2 前已经使用f 指令对进给速度进行初始化； ( 5 ) 螺纹切削g 3 3 必须与螺距k 匹配。 。 根据上面的分析，n c 程序的编制必须符合一定的语法规则。如果n c 程序中 含有不符合数控系统语法规则的程序段，就应作为错误处理。最后产生相应的编 译程序的内部中间表示，以提供下一阶段编译处理使用。 语义分析的任务是分析源程序含义，并作相应的语义处理，即分析语法成分 的含义和功能。 在经过语义分析程序处理后，虽然源程序可以直接翻译为目标语言代码，但 第四章数控n c 代码编译器的研究 大多数编译程序采用独立于机器的、介于源语言和机器语言之间的中间语言 代码。 采用中间代码的优点洲是 由于它独立于机器的特点，便于进行与机器无关的代码优化工作； 因为一种中间表示可以为生产多种不同类型的目标机的目标代码服务， 所以使编译程序改变目标机更容易； 以中间语言为界面，编译前端和后端的接口更清晰，使编译程序的结构 在逻辑上更为简单明确# 优化程序是对n c 代码中的一些加工参数进行变换，从而生成更加有效的目 标代码； 目标代码生成程序作为编译程序的最后一个阶段，其功能是将输入的中间 代码、符号转变成等价的目标代码。 4 4 2 虚拟数控系统编译器的功能和原则 n c 代码编译器的主要功能是从n c 代码中提取控制机床部件运动的有关命令 动作和状态信息，将运动的数据按照位移和速度的变化化分成一系列时问片段， 计算出各时间片段的机床坐标的位移，从而驱动机床模型的运动，实现n c 代码 驱动的加工过程仿真。 在实现编译程序( 或编译器) 时，应遵循以下几个原则t ( 1 ) 在设计和实现编译程序时，一般采用将词法分析与语法分析工作完全 分开的完全独立的实现方式。 ( 2 ) 若有代码优化过程处理，则此优化过程应遵循等价、有效和合算三原 则。 ( 3 ) 尽可能在编译程序的各部分都有相应的错误检测程序，最好这些程序 具有自动修改错误的能力，这样有利于编译过程的下一阶段的执行和对一些关系 重大的错误进行提前曝光，从而提高编译程序的工作效率。 4 5 错误处理模块 一个程序，尤其是大型软件的程序，其中难免包含有错误，程序中错误一般 有以下三类： ( 1 ) 词法，语法错误即语言中不符合词法或语法规则的错误。例如出现非法 字符，关键字拼写错误、标点符合有错等。 第四章数控代码编译器的研究 ( 2 ) 语言错误指语言中不符合语义规则。 ( 3 ) 违反环境限制的错误 仿真系统必须具有相应的识别错误n c 代码的能力。此功能由检错规则定义 实现，检错规则来源于n c 代码定义，加工要求及工艺规范。由于在编译系统 中的各个部分都有可能需要进行程序诊断，且所涉及的内容或项目又非常的广 泛。因此，到目前为止尚无统一的方法能系统的解决整个程序诊断方面的问题。 通常的做法是化整为零，即分别在编译程序的每个部分插入一些进行程序诊断方 面工作的程序段落，则这各段落的总体就构成了系统的错误检测和处理程序。 4 6 代码数据处理模块 在数控加工过程仿真系统中，n c 代码的数据提取就是从n c 程序中挖掘出仿 真模块所需刀位点信息，即插补加工前走刀首末点刀具位置和插补类型。根据数 控切削加工过程的特点，仿真系统中解释过程遵循以下四条准则： ( 1 ) 上一段走刀的终点是下一段的起点； ( 2 ) 选择刀尖轨迹为控制对象； ( 3 ) 按机床坐标系译码与计算； ( 4 ) 模态代码直到同组的模态代码出现一直有效。 完整的数据处理过程除了提取与仿真有关的动作及状态信息外，还要进行刀 具半径补偿计算、对直线和圆弧进行插补计算等，在完成坐标变换后将生成n c 信息坐标文件，它是切削过程仿真的驱动数据。数据处理模块流程图如图4 2 所 示。 n c 程序的编译过程是先建立一个与数控代码程序段格式相对应的结构对象， 将此对象作为一个临时的数据缓冲区，将程序段中的数控加工信息依次读出，经 解释变换后写入n c 加工信息文件中，作为仿真加工的指令和数据。编译程序支 持对子程序的编译，同时也支持程序注释行的存在，其具体的解释过程如下： ( 1 )逐行读入n c 程序，屏蔽掉注释字符和注释代码段，根据n c 程序的 有效字符检查规则进行字符有效性检查； ( 2 )将一行n c 程序分解成有效字符与数字的组合，再进行其他规则检 查，有错误，则提示错误并退出： ( 3 )执行语义分析与坐标变换，将变换结果写入坐标n c 加工信息文件； 重复执行( 1 ) 、( 2 ) 、( 3 ) ，直到数控代码结尾。 第四章数控眦代码编译器的研究 4 7 本章小结 图4 - 2 数据处理模块结构框图 通过对数控代码编译器的研究，讨论了编译器的种类，对代码的处理方式。 并确定了数控仿真系统编译器的设计原则和各模块功能。 第五章刀具数据库的设计与管理 5 i 引言 第五章刀具数据库的设计与管理 早期的数控制造系统的刀具管理都较简单，后来随着科学技术的不断发展， 世界各国自动化程度的提高，各大企业纷纷采用加工中心生产线。同时，在现在 的生产模式中，以多品种、工艺复杂的产品居多，这必然使得刀具的数量大幅度 的增加，刀具管理的重要性就显现出来。在加工中心中，刀具管理是一项重要任 务，它不仅为智能制造技术系统和p d m e r p 系统提供有效的技术支持，而且可 为制造业进行网络化的虚拟制造技术研究与开发奠定技术基础，是关系到加工产 品的技术先进性、质量可靠性、供货周期、制造成本的关键环节。 本章采用v i s u a lb a s i c 语言的数据库接口技术，数据库程序设计是v i s u a l b a s i c 应用程序设计中的一个重要部分，v i s u a lb a s i c 提供了强大的数据库功能， 用户可以使用r d o 、d a o 、a d o 等接口方式访问数据库。其中a d o 可以方便 的提供执行以下操作的方式： 连接访问数据源，同时，可确定对数 据源的所有更改是否已成功或没有 发生； 指定访问数据源的命令，同时可带变 量参数，或优化执行； 执行命令； 如果这个命令使数据源按表中的行 。的形式返回，则将这些行存储在易于 检查、操作或更改的缓存中； 适当情况下，可使用缓存行的更改内 容来更新数据源； 提供常规方法检测错误。 基于以上原因，本章采用m i c r o s o f t a c t i v ed a t ao b j e 埘s ( a d o ) 嘲数据访问接 口，调用a c c e s s 数据库实现对刀具库、 夹具库和工件库的管理建模。 图5 - i 刀具数据库结构框架 第五章刀具数据库的设计与管理 5 2 刀具库 5 2 1 刀具数据管理的框架结构 刀具数据库框架如图5 1 所示，其主要提供了以下功能 ( 1 ) 、对大量的刀具数据进行有效的管理，包括对刀具数据的添加、查询、修改 和删除。 ( 2 ) 、提供刀具参数，给刀具几何仿真模块，实现刀具仿真可视化。 ( 3 ) 、为数控加工过程仿真中铣刀的外形和验证条件提供必要的刀具参数。 5 2 2 刀具库数据库的建立 1 ) 刀具数据库的建立 数据库技术已经成为先进信息技术的重要组成部分，是现代计算机信息系统 和计算机应用系统的基础和核心。数据库技术最初产生于2 0 世纪6 0 年代中期， 根据数据模型的发展，可以划分为三个阶段：第一代的网状、层次数据库系统； 第二代的关系数据库系统；第三代的以面向对象模型为主要特征的数据库系统。 目前数据库领域中应用关系型数据库的较多，关系模型具有严格的数学基础， 抽象级别较高，而且简单清晰，便于理解和使用。关系数控模型是以集合论中关 系的概念为基础发展起来的，一个关系实质上是一个二维表，它由一组记录组成。 作为一个关系的二维表，必须满足以下条件： 表中每一列必须是基本数据项( 即不可再分解) 。 表中每一列必须具有相同的数据类型( 例如字符型或数值型) 。 表中每一列定义唯一的一个名称。 表中不应有内容完全相同的行。 行的顺序与列的顺序不影响表格中所表示的信息的含义。 关系数据库以其完备的理论基础、简洁的数据模型、透明的查询语言和方便 的操作方法，为广大的用户使用，并且很多大型软件都支持。因此本文采用关系 数据模型建立数据库来管理刀具，刀具库的结构如图5 2 ； 其中，几何参数属性表包括与刀具几何形状有关的参数，如直径、长度、刀 具形式、刀柄类型、各种角度等参数。性能参数表包括与加工性能有关的参数， 如切削深度、切削速度、进给量等范围参数。 2 ) 刀具数据库的管理一 在设计关系数据库的时候，我们首先要遵循以下几个规则： 第五章刀具数据库的设计与管理 刀具库 i i i 端铣刀 立铣刀圆柱形铣刀 i 几何参数属性表性能参数属性表 图5 - 2 刀具库结构 数据库中的每一个表必须具备上述表的基本条件。 表中的数据必须规。 在设计数据库表时必须规范化。 满足数据完整性要求。 数据库模型建立后，对它进行管理操作主要包括以下功能：添加、查询、删 除、修改。 图5 - 3 刀具数据库功能结构 3 、铣刀的计算机建模一 刀具数据库不仅仅是存储刀具信息，并对这些信息进行简单的添加、查询、 删除、修改等操作，它还为刀具的几何仿真提供了必要的参数，刀具虚拟仿真为 操作者提供了逼真的动态图形，增强了整个系统的真实性。为了能够对铣刀进行 建模必须能够准确地从刀具库提取出两组必要的信息：1 ) 参与切削的微元( 为计 算瞬时切削层参数，把连续切削部分分解成有限多个微元) 数目与分布；2 ) 各切 削微元的切屑厚度。获取这两组信息的关键是建立一个适用于仿真技术的刀具模 第五章刀具数据库的设计与管理 型。该刀具模型要求具有精确的铣刀轮廓和切削刃形状曲线。 5 3 工件数据库 图5 - 5 铣刀建模 在虚拟仿真系统中，进行加工过程仿真实际上就是对刀具模型和工件模型之 间的位置计算。因此，必须先对毛坯工件进行定义，确定工件的形状、大小。建 立一个工件数据库，然后就可以对工件进行添加、删除、修改和查询等操作。 图5 - 6 工件数据库界面 3 6 第五章刀具数据库的设计与管理 5 4 夹具库 对工件进行定义 后，需要选择一定机 床夹具和一定装夹 方式对工件进行装 夹定位。机床夹具是 机床上用以夹紧固 定工件( 和引导刀 具) 的一种装置。其 作用是将工件定位， 以使工件获得相对 于机床和刀具的正 确位置，并把工件可 靠地夹紧。因此，必 须设计夹具数据库 模块来对工件进行 装夹。 图5 7 工件数据库结构图 图5 - 8 夹具设置界面 第五章刀具数据库的设计与管理 5 5 本章小结 本章通过对数据库的讨论和分析，采用a d o 数据编程模型建立仿真系统的刀 具数据库。通过对数据库的操作，可以实现对刀具参数的添加、修改、查询和删 除等操作，和对刀具的实体几何建模。同时设计了工件数据库、夹具数据库，能 够对工件的定义和装夹，为下章介绍的切削过程仿真提供必要的参数信息。 - 3 8 第六章切削加工过程动态仿真的研究 6 1 引言 第六章切削加工过程动态仿真的研究 目前，进行的机械加工过程仿真，主要有两种情况：一种是从研究金属切削 的角度出发，仿真某具体切削过程内部各因素的变化过程，研究其切削机理，供 生产实际与研究应用；另一种则是将加工过程仿真作为系统的一部分，重点在于 构造完整的虚拟制造系统。这两种方式的仿真方法是相同的，即首先对加工艺系 统建立连续变化模型，然后用数学离散方法将连续模型离散为离散点，通过分析 这些离散点的物理因素变化情况来仿真加工过程。本章主要研究后者，加工过程 的仿真是虚拟仿真的核心问题之一，加工过程仿真的效果直接影响整个系统的优 劣，它主要包括以下三个方面： ( 1 ) 刀具运动轨迹仿真，此时只是刀具按加工轨迹围绕毛坯运动，目的是直 观检验刀具运动轨迹的合理性。 ( 2 ) 机床运动过程仿真，此时将工件安装在机床工作台上，刀具运动轨迹分 解为机床各运动部件的运动，目的是直观检验刀具与机床部件及机床部件问的碰 撞和干涉。 ( 3 ) 材料去除过程仿真，此时刀具按其运动轨迹对毛坯进行材料切除，目的 是模拟实际的切削过程，生成产品加工结果模型，对加工精度和可加工性进行评 估。 在加工过程仿真开展以来的几十年研究时间里，提出了多种关于铣削加工过 程的仿真算法。这些算法大部分都采用到了整体离散( 亦称单元分解) 的思想，所 谓整体离散，就是将一个复杂形状的几何形体分解为一系列小的简单形体( 称为 体素) 来表示。 这些方法归纳起来，可以分为三类：直接实体造型法、基于图像空间的方法 和离散矢量求交法 ( 1 ) 直接实体造型法 第六章切削加工过程动态仿真的研究 直接实体造型法是指工件体与刀具运动所形成的包络体进行实体布尔差运 算，工件体的三维模型随着切削过程不断更新，因此，直接实体造型法一般应用 于由体素构造法或边界表示法表示的实体造型系统中。 s u n g u r t e k i n 和v e l c k e r 嗍开发了一个铣床的模拟系统。该系统采用c s g 法 来记录毛坯的三维模型，利用一些基本图元如长方体、圆柱体、圆锥体等。通过 集合运算，特别是并运算，将毛坯和一系列刀具扫描过的区域记录下来，然后应 用集合差运算从毛坯中顺序除去扫描过的区域。所谓被扫描过的区域是指切削刀 具沿着某一轨迹运动时所走过的区域。在扫描了每段n c 代码后显示变化了的毛 坯形状。 k a w a s h i m a 等的接合树法将毛坯和切削区域用接合树( 鲫l m ) 表示，即 除了空和满两种结点，边界结点也作为八叉树嘲( o c t r ) 的叶结点。边界结点 包含半空间，结点物体利用在这些半空间上的c s g 操作来表示。接合树细分的 层次由边界结点允许的半空间个数决定。逐步的切削仿真利用毛坯和切削区域的 差运算来实现。毛坯的显示采用了深度缓冲区算法，将毛坯划分为多边形实现毛 坯的可视化。 对于加工代码量很大的复杂零件进行加工仿真，基于实体的仿真方法计算量 巨大。而对于车削加工仿真软件来说，由于毛坯与零件一般均为旋转体，布尔运 算较为简单，因此常常采用基于实体的方法。 ( 2 ) 、基于图像空间的方法 基于图像空间的方法是用图像空间的消隐算法来实现布尔运算。v a nh o o k u 蝴 采用图像空间离散法来实现了加工过程的动态图形仿真。他使用类似图形消隐z b u f f e r 思想，沿视线方向将毛坯和刀具离散，在每个屏幕象素上毛坯和刀具 表示为沿z 轴的一个长方体，称为d e x e l 结构。刀具切削毛坯的过程简化为沿 视线方向上的一维布尔运算，切削过程就变成两者d e x e l 结构的比较。 这种方法将实体布尔运算和图形显示过程合为一体，使仿真图形显示有很 好的实时性。 h s u 和y a n g 提出了一种有效的三轴铣削的实时仿真方法。他们使用z _ n m p 作为基本数据结构，记录一个二维网格的每个方块处的毛坯高度，即z 向值。这 种数据结构只适用于刀轴z 向的三轴铣削仿真。对每个铣削操作通过改变刀具运 动每一点的深度值，很容易更新zm a p 值，并更新工件的图形显示。 ( 3 )离散矢量求交法 离散矢量求交法是由c h a p p e l 口1 提出的种基于曲面技术的“点一矢量” ( p o i n t - v e c t o r ) 法。这种方法将曲面按一定精度离散，用这些离散点来表示该曲 第六章切削加工过程动态仿真的研究 面。以每个离散点的法向矢量为该点的矢量方向，延长与工件的外表面相交，通 过仿真刀具的切削过程，计算各个离散点沿法向矢量到刀具的距离，这就好似曲 面上长满了草，因此离散矢量求交法又被称之为“割草法”。与基于实体造型的 仿真方法相比较，离散方法避免了复杂的实体模型表示和布尔运算，方法简单且 计算效率高。复杂零件的铣削加工仿真软件则采用离散的方法。离散矢量求交法 基于零件的表面处理，能精确描述零件面的加工误差，主要用于曲面加工的误差 检测。 6 2 目前常用的对于工件毛坯建模的算法 ( 1 ) 、动态八叉树算法 动态八叉树的思想：将立方体 由自相似八叉树动态表示。在立方 体未检测到碰撞之前，被表示为一 个立方体，当被检测到碰撞，即被 分解成八个子立方体；然后计算遍 历刀具与哪一个立方体发生碰撞 的区域，再将发生碰撞区域中的立 方体分解成八个子立方体，未发生 碰撞的区域不进行分解。当某一子 单元的体积等于刀具与该单元的 重叠区域时，停止这一子单元的分 解，并将这个子单元设置为空，同 时，当某一子立方体己分解得足够 图6 1 多层次分解过程 小时，也停止这一子立方体的分解，并将其设置为空( 如图6 1 所示) ，如此递 归地分解下去，直到所有分解结束为止。八叉树数据模型通常应用在三轴以上的 加工仿真中。 ( 2 ) 、z - m a pm 算法 z - m a p 的基本思想是，针对三轴联动数控铣削的特点，将毛坯在机床坐标z 轴方向上离散。在实体造型的基础上，采用将工件划分为很小的长方体体素来实 现这种模型，如图6 2 所示。采用m x n 阶的矩阵来表示工件毛坯，矩阵中每一 个元素代表一个小长方体，元素的下标代表小长方体的位置，元素的值代表小长 方体的高度，即： 第六章切削加工过程动态仿真的研究 b = b l lb 1 2 b 2 l b 笠 b n lb 止 b i m b 2 m b m 图6 2 基于z - 脚的模型例如，可以用3 2 0 x 2 0 0 的矩阵( 假定 其中各元素的值为8 0 ) 来代表3 2 0 2 0 0 x 8 0 的工件毛坯( 单位衄) 。当刀具在 毛坯上运动的时候，只需要按照刀具路径修改毛坯上表面z 轴的坐标，在进行真 实感渲染，就可以达到实时显示加工过程的效果。 ( 3 ) 、三角片嘲离散法 三角片离散法，将毛坯上表面 离散为均匀点阵，再将这些点阵连 接成三角网格，如图6 - 3 所示程序运 行时，不断地按照刀具路径修改上 表面点阵的高度，再对三角网格进 行真实感渲染，以此仿真数控加工 时材料的去除过程。 在使用三角片离散法进行加工 图6 3 毛坯的三角片离散 仿真的过程中，每仿真一条代码，修改点阵高度的计算时间相对于材料去除过程 的动态显示所花的时间而言，只占很少的一部分，所以影响仿真速度的关键在于 材料去除过程的动态显示速度，减少离散点的 数量虽然可以明显地提高仿真速度，但这是以 牺牲仿真精度和图像的显示质量为代价的，一 个相当精细的三角网格模型往往包含数十万 甚至更多的三角片，如果每仿真一条代码都重 绘模型中的所有三角片，将极大地影响仿真速 度。 6 3 切削过程仿真模块的总体结构 数控加工过程仿真过程包括几何仿真和 物理仿真两部分几何仿真将刀具与零件视为 刚体，不考虑切削参数、切削力及其他因素对图6 _ 4 加工过程仿真 第六章切削加工过程动态仿真的研究 切削加工的影响，只是对数控程序进行翻译，产生刀具位置数据，并以此数据驱 动机床运动部件和刀架运动刀具对工件进行虚拟切削，同时检查是否有碰撞、 干涉嘲 本课题创新提出z 向变化的自相似动态四叉树实体建模法进行实体造型， 建立加工过程的几何仿真模型。为了便于分析和研究，将复杂的仿真功能模块大 致分成两大核心部分：造型模块和仿真模块。造型模块又分为工件造型和刀具造 型，工件造型主要以基本体素为直接的操作对象，用来对基本体素进行布尔运算 和对毛坯进行离散化处理以及记录体素之间的相互关系。仿真显示主要提供三维 图形显示界画，负责动画处理和图形显示。 6 4z 向变化的动态自相似四叉树实体建模( z q u a d t r e e s ) 四叉树是一种常用的数据结构，它通常主要应用于对二维空间的描述，它的 基本思想是先把一幅图像和一幅栅格地图等分成四部分，如果检查到了某各子区 域都是相同的值，则这个区域就不再分割，否则把这个区域再往下分割成四个子 区域这样递归地分割，直到每个区域都只含有相同的值或达到预定的递归次数。 本文提出在四叉树数据结构的基础上与z 向的高度相结合的算法来表示三维工 件模型，从而实现数控仿真毛坯建模。 根据三轴联动数控铣削加工所具有如下特点吲： 毛坯的上表面是唯一的加工表面； 刀具轴向方向上的射线与加工表面的交点唯一( 对于有通孔的零件可以补 上一张假想的平面，使得毛坯上表面连续) ； 加工工件的上表面可通过离散体素的不同高度来表达。 从上述特点中，可以认为在三轴数控加工中，刀具的每一个刀步都是在x y 平面主要是直线和圆弧运动，辅以z 轴的运动。因此在刀具切削过程中， 没有必要计算每个刀步的真实扫描 体，只要找出每个刀步发生切削关系 的点，并根据该点刀具中心的z 值确 定毛坯的高度，从而实现加工过程仿 真。 6 4 1 毛坯模型的建立 在数控铣削加工中，毛坯的形状 o ( 2 ) 在) 【1 平面上，工件单元立法体中心与刀具中心的距离小余刀具半径 与被加工工件体素外接圆半径的和，即 五2+b 2 sq 脚 +r 蝴 ) 式中4 2 + 曰2 工件单元立法体中心与刀具中心的距离， r 。，是刀具半径，矗。翻。 是体素外接圆的半径。 其中条件( 1 ) 是先决条件，如果条件( 1 ) 不满足，条件( 2 ) 就不需要判 断。 体素z 向高度发生变化验证条件 ( 1 )刀具与工件发生碰撞，且该体素达到预定显示精度。 ( 2 )刀具与工件发生碰撞，且该体素被刀具所包围。即在x y 平面上， 刀具中心到体素中心的距离小于刀具半径与体素外接圆半径的差。 将单位体素动态自相似四叉树的分裂表示 将毛坯初始化后，就可根据切削条件动态加工，将长方体( 体素) 由自相似 四叉树动态表示。当体素未检测到碰撞之前，被静态表示为一个体素，当被检测 到碰撞，即被动态分解成四个子体素；然后计算遍历刀具链表与哪一个体素发生 碰撞的区域，再将发生碰撞区域中的体素分解成四个子体素，未发生碰撞的区域 不进行分解。当某一子单元的截面被刀具截面所包容时，停止这一子单元的分解， 同时，当某一子立方体己分 解得足够小时，也停止这一 子立方体的分解，并将这个 子单元的z 值设置为刀具链 表中z 高度值( 如图6 - 9 所 示) ，如此递归地分解下去， 直到所有分解结束为止。 综上所述，基于动态四 叉树工件的仿真加工过程如 下： ( 1 ) 、把刀具信息存入刀具 图6 - 9 基本体素动态四叉树分裂示意图 第六章切削加工过程动态仿真的研究 链表； ( 2 ) 、把毛坯信息存入毛坯链表中； ( 3 ) 、在n c 代码的控制下，毛坯和刀具发生相对运动； ( 4 ) 、遍历刀具和毛坯链表，判断毛坯和刀具是否发生碰撞。入碰撞则( 5 ) ； ( 5 ) 、判断体素是否到达预定的精度。如达到精度，该体素不再分裂，该体素z 向高度发生变化i ( 6 ) 、判断体素是否完全被刀具所包含。如被包含，该体素不再分裂，该体素z 向高度发生变化； ( 7 ) 、如果不是5 、6 情况，体素分裂，把分裂后的子体素数据插入毛坯链表并 把分裂过的体素信息从毛坯链表中删除，返回4 。 6 6 实例 图6 - 1 1 是采用本文提出的z 向动态 变化四叉树算法的铣削加工过程中材料 被切除的过程，从铣削加工仿真过程的 显示效果来看，加工真实感好，金属表 面有光泽，质感明显，图像变化流畅， 特别是仿真速度快，拟实性强，从而进 一步说明了本文提出的z 向动态变化自 相似四叉树算法的正确性、实用性和可 行性。 6 7 本章小结 图6 - 1 0 数控加工动态仿真实倒 本章通过对零件实体建模技术的研究，提出了基于动态自相似四叉树算法和 刀具分层建模方法，实现对加工过程的动态仿真。 第七章结论与展望 7 1 结论 第七章结论与展望 本文在分析和讨论现有的科学成果的基础上，采用模块化的设计思想和设计 理念，主要在完成以下几方面的工作： ( 1 ) 通过对加工中心的结构和加工特性、特点的研究，设计了模块化 的仿真系统模型。 ( 2 ) 通过对现有的技术成熟的几何建模方法的分析，采用边界表示法 - r 印) 和体素构造法( c s g ) 相结合的混合模式对仿真机床进行 几何建模。同时，在分析加工中心运动特征的基础上，确定虚拟 加工中心的运动模型。 ( 3 ) 运用v b 6 0 超强的数据库接口技术，通过a d o 接口访问数据库， 从而构建了刀具数据库模块、夹具数据库模块和工件数据库模 块。 ( 4 ) 通过对现有的零件实体建模技术的分析，创新的提出了基于动态 自相似四叉树( z - q u a d t r ) 算法，对零件进行实体建模。同时， + 创新的提出了用分层法构建圆头铣刀模型。确定零件和刀具模型 的数据结构，论述两个模型在仿真加工过程碰撞的验证条件、分 裂条件和变化条件。并通过实例验证基于动态自相似四叉树 ( z - q u a d t r ) 算法的可行性、有效性和正确性。 7 2 展望 进入新的世纪以后，随着我国综合国力的进一步增强和世界贸易组织( g r 0 ) 的加入，我国经济全面与国际接轨，大批跨国企业抢滩登陆，在国内高起点设厂， 将生产加工向中国转移，我国正在成为全球最重要的制造业中心。这既是二个机 遇，又是三个挑战。即对人才的挑战，对技术的挑战和对环境的一个挑战。 ， 面对这些挑战，基于虚拟制造的数控加工仿真技术可以有效的在一定程度上 解决上述问题，虚拟制造是虚拟现实技术和计算机仿真技术在制造领域的综合发 展及应用，是敏捷制造的核心技术。虚拟仿真机床不仅为建立虚拟制造系统奠定 基础，而且可以在以下几方面发挥积极作用： ( 1 ) 培训n c 代码编程人员和机床操作人员： 第七章结论与展望 ( 2 ) 数控设备选型： ( 3 ) 评估加工精度； ( 4 ) 检验n c 代码： ( 5 ) 评估产品的可加工性： ( 6 ) 评估工艺规程的合理性。 另外，绿色制造的提出是人们日益重视环境保护的必然选择，发展不能以环 境污染为代价，国际制造业的实践表明，通过改进整个制造工艺来减少废弃物，要 比处理工厂处理己经排放的废弃物大大节省开支，因此，当绿色制造发展到一定阶 段时，在虚拟制造技术中必定要集成绿色制造这一部分利用虚拟制造技术可以实 现虚拟产品开发、虚拟装配、虚拟测试、机床和模具的虚拟设计、虚拟材料加工 工艺、虚拟加工过程仿真等等，虚拟制造可以减少对资源的浪费，提高资源的利 用率。 总之，虽然数控仿真技术还有一些不足，技术还不十分成熟，但是由于各行 各业对它有着巨大的需求，它必将会变得越来越完善，有广阔的发展前景和开发 空间。 5 0 参考文献 参考文献 1 席俊杰，虚拟制造技术的应用及发展研究，郑州航空工业管理学院学报2 0 0 1 ， 1 9 ( 3 ) ：7 2 7 3 。 ( 2 】陈晓川，张暴暴，刘晓冰等，虚拟制造技术研究概况综述，机械制造 1 9 9 8 1 2 ：8 1 0 3 】王启义，葛研军，施恚辉等，数控车削虚拟加工环境全景仿真技术，先进制 造技术，2 0 0 1 ，3 0 ( 1 ) ；3 9 4 0 4 黄雪梅，高国利，虚拟制造的机械加工过程仿真，组合机床与自动化加工技 术，2 0 0 4 ，1 1 5 牛占文，徐燕申，岩田一明等，虚拟制造系统的研究与开发策略 6 郑盛梓，桂贵生，虚拟数控加工过程的研究，组合机床与自动化加工技术 2 0 0 0 ( 1 ) ：2 0 2 1 ，4 5 。 7 马玉林，孙宏伟，基于质量保证的数控切削仿真技术研究与展望，制造业自动 化，2 0 0 0 ，2 2 ( 4 ) ：1 6 1 9 8 罗圆智，熊清华，李小平，数控加工仿真系统的研究与实现，武汉化工学院 学报，2 0 0 1 ，2 3 ( 2 ) ：6 4 6 7 9 m i c h a e lj y o u n g ，v i s u a lc + + 6 从入门到精通，北京： 1 9 9 9 电子工业出 版社 1 0 r i c h a r ds w r i g h t ，j r 。m i c h a e ls w e e t ，0 p e n g l 超级宝典，北京：2 0 0 1 人 民邮电出版社 1 1 昊梦强，李福秋，张树森o p e n g l 在齿轮三维造型中的应用，辽宁工程 技术大学学报( 自然科学版) 2 0 0 1 ，63 4 1 3 4 3 1 2 高蓉、王治森基于v i s u a lb a s i c6 的数控车削仿真系统现代制造技术 2 0 0 4 。1 0 ：1 3 1 3 李军峰，五坐标数控机床的加工仿真，计算机辅助设计与制造，2 0 0 2 ( 1 ) ； 3 2 3 5 1 4 梁宏宝，钟诗胜，王知行，虚拟加工环境建造的关键技术研究，中国机械 工程2 0 0 1 ，1 2 ( 1 ) ：1 2 5 0 1 2 5 2 1 5 沈春龙，张友良，三维虚拟加工环境及其关键技术的研究，计算机辅助设 计与图形学报，2 0 0 l ，1 5 ( 1 0 ) ：8 9 0 8 9 4 1 6 王晓斌，王太勇，王国锋等，基于v r 技术的三维数控仿真系统研究，机械 动力学专集2 0 0 3 年1 1 1 1 1 3 参考文献 1 7 刘晓辉，郑金兴，张铭钧，面向虚拟制造的数控加工仿真系统的研究与实 现机床与液压 2 0 0 5 ，2 ：2 9 3 2 1 8 穆塔里夫阿赫迈德，尼加提依米提，郑力，基于i d e a s 的加工中心换 刀机械手运动仿真，现代制造工程，2 0 0 3 ( 9 ) ：4 1 4 3 1 9 张生芳，通用数控代码编译器研究；硕士；大连铁道学院；2 0 0 2 0 6 0 6 2 0 姚习武，w i n d o w s 平台下数控代码解释系统得研究与实践，机械设计与制 造工程2 0 0 0 ，2 8 ( 3 ) ：，2 4 2 5 2 1 韩铁强，范亚平，韩铁平数控加工仿真技术的研究计算机技术应用，20 05 3 2 ( 1 ) ：3 0 - - 3 5 2 2 余雅娜数控加工动态仿真系统代码编译器的研究与实现，硕士；南京航空 航天大学；2 0 0 1 0 3 0 。 2 3 付振山，霍孟友，数控加工程序的语法和仿真检查，工具技术2 0 0 4 ，3 8 ( i i ) ：5 6 5 8 2 4 陈火旺，钱家骅，孙永强，程序设计编译原理，国防科学技术大学2 0 0 0 2 5 刘萌， v i s u a lb a s i c 中文版实用教程，北京：2 0 0 3 中国铁道出版社 2 6 s u n g u r t e k i nu a v e l c k e r 船。g r a p h i c a ls i m u l a t i o na n da u t o m a t i c v e r i f i c a t i o no fn cm a c h i n i n gp r o g r a m si e e et r a n s a c t i o n so nr o b o t i c sa n d a u t o m a t i o n ，1 9 8 6 ，4 ：1 5 6 1 6 5 2 7 吴宏、杜建铭、负敏，基于混合式八叉树模型的数控加工几何仿真，系统 仿真学报，2 0 0 4 ，1 6 ( 4 ) ：7 3 3 7 3 5 2 8 h o o kt v r e a l t i m es h a d e dn cm i l l i n gd i s p l a yc o m p u t e rg r a p h i c ，1 9 8 6 ， 2 0 ( 4 ) ：1 5 2 0 2 9 陈涛，叶佩青，汪劲松，数控加工过程的计算机仿真技术研究，计算机应 用研究，2 0 0 4 ，2 1 ( 9 ) ：1 9 4 1 9 5 1 9 8、 3 0 汤幼宁，黎长荣，图像空间基于深度元素模型的数控加工几何仿真研究 西安电子科技大学学报，1 9 9 6 ，9 ：3 4 0 3 4 6 3 1 l a ntc h a p p e l ，t h eu