（机械电子工程专业论文）VRMT4数控加工仿真系统的关键技术研究与开发.pdf

v r m t - 4 数控；b n 3 仿真系统关键技术研究与开发 摘要 随着市场需求的变化及信息技术的发展，将信息技术应用于制造业是现代 制造业发展的必由之路。虚拟制造及计算机仿真的出现正好满足了现代制造企 业的需要。针对机械加工行业的发展现状，作者以数控加工中心为仿真对象， 设计开发了一个基于第三方图形显示平台的数控加工仿真系统。本系统通过 v c + + 与u g o p e na p i 的联合开发，实现了n c 代码的仿真及加工过程中刀具 与机床附加零部件及工件的碰撞与干涉检查。本系统具备n c 代码检查、翻译 功能，能生成无干涉刀具轨迹，能进行加工过程中刀头与机床附加零部件的碰 撞检查。论文重点研究了虚拟制造环境的装配建模技术，分析了装配误差的产 生及校正方法，解决了采用直接实体造型法显示速度慢。实时性差的问题，具 有较强的实用性。 关键词虚拟制造，数控加工仿真，虚拟装配，干涉检查 v r m t - 4 数控加工仿真系统关键技术研究与开发 a b s t r a c t w i t ht h ec h a n g eo f 血em a r k e td e m a n d sa n dt h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y , i t sn e c e s s a r ya n dc r i t i c a lf o rt h ed e v e l o p m e n to f m o d e ：mm a n u f a c t u r i n g i n d u s t r i e st oa p p l yi tt e e h n o l o g y t h e i re v o l v e m e n ta n da p p l i c a t i o na r ed e s c r i b e di n t 1 1 i sp a d e ra n d 血el a t t e ri m p o r t a n tr o l ei nn u m e r i c a lc o n t r o lp r o c e s si ss t r e s s e d i n v i e wo ft h ed e v e l o p m e n ts i t u a t i o no fm e c h a n i c a li n d u s t r y , w i t ht h en u m e r i c a lc o n t r o l m a c h i n ec e n t e ra sas i m u l a t e do b j e c t ，t h ep a p e rf u l f i l l san u m e r i c a lc o n t r o lp r o c e s s s i m u l a t i o ns y s t e mb a s e do nt h et h i r dp a r t yg r a p h i c sd i s p l a yp l a t f o r m ，w h i c hr e a l i z e s t h es i m u l a t i o no fn cc o d e sa n dt h ee x a m i n a t i o no nc o l l i s i o na n di n t e r f e f e n c e b e t w e e nt h ec u r e ra n dw o r k p i e c e sa t t a c h e dt ot h em a c h i n et 0 0 1 d u et oi t sn cc o d e e x a m i n a t i o na n dt r a n s l a t i o nf u n c t i o n s 、t h i ss y s t e mc a nb o t hc r e a t en o n i n t e r f e r e n c e c u tp a t ha n dp e r f o r mc o l l i s i o ne x a m i n a t i o no nt h ec u r e ra n dt h ep a r t si nm a c h i n e t o o l s i nc o n c l u s i o n ，t h i sp a p e rf o c u s e so nt h em o d e l i n gt e c h n o l o p yo fa s s e m b l yi n v i r t u a lm a n n f a c t u r i n ge n v i r o n m e n t s a n a l y z e st h ec a u s eo f a s s e m b l y e r r o ra n dg i v e s i t sr e v i s ea r i t h m e t i c a n ds o l v e st h ep r o b l e m so fl o wd i s p l a ys p e e da n dr e a lt i m eb y t h ee n t i t ym o d e l i n gm e t h o d t h i ss y s t e mc a l lb ew i d e l ya p p l i e di np r o d u c t i o n k e y w o r d s ：v i r t u a lm a n u f a c t u r i n g ，n u m e r i c a lc o n t r o lm e c h i n i n gs i m u l a t i o n ，v i r t u a l a s s e m b l y ，i n t e r f e r i n gi n s p e c t i o n i l v r m t - 4 数控加工仿真系统关键技术研究与开发 第一章绪论 1 1 虚拟制造技术的产生背景及发展现状 1 1 1 虚拟制造技术的产生背景 自七十年代以来，市场需求由过去传统的相对稳定的特征逐步演变成动态 多变的特征，由过去的局部竞争演变成全球范围内的竞争；同行业之间、跨行 业之间的相互渗透、相互竞争日益激烈。为了适应现代市场变化日益迅速的需 求，提高企业竞争力，现代的制造企业必须解决t q c s 难题，即以最快的投放 市场速度( t t i m et om a r k e t ) ，最好的质量( q q u a l i t y ) ，最低的成本( c c o s t ) ， 最优的服务( s s e r v i c e ) 来满足不同顾客的需求。 与此同时，信息技术取得了迅速发展，特别是计算机技术、计算机网络技 术、信息处理技术等取得了人们意想不到的进步。二十多年来的实践证明，将 上述技术应用于制造业，进行传统制造业的改造，是现代制造业发展的必由之 路。上世纪八十年代初，先进制造技术尤其是以信息集成为核心的计算机集成 制造系统( c i m s ，c o m p m e ri n t e g r a 沱dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 开始得到实施；八 十年代末，以过程集成为核心的并行工程( c e ，c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ) 技术进一 步提高了制造水平；进入九十年代，先进制造技术进一步向更高水平发展，出 现了虚拟制造( v m ，v i r t u a lm a n u f a c t u r i n g ) 、精益生产( l p ，l e a n p r o d u c t i o n ) 、 敏捷制造( a m ，a g i l em a n u f a c t u r i n g ) 、虚拟企业( v e ，v i r t u a lf m t e r p r i s e ) 等新理 念。 在这些新理念中，“虚拟制造”引起了人们的广泛关注，不仅在科技界， 而且在企业界，虚拟制造都已经成为研究的热点之一。原因在于，尽管虚拟制 造的出现只有短短的几年时间，但它对制造业的革命性影响却很快地显示了出 来，已经出现了许多成功的应用范例“1 。 1 1 。2 虚拟制造技术的研究现状 虚拟制造心1 是利用计算机仿真与虚拟现实技术，在高性能计算机及高速网 络的支持下，采用群组协同工作，通过模型来模拟和预估产品功能、性能及可 v r m t - 4 数控加工仿真系统关键技术研究与开发 加工性等各方面的问题，实现产品制造的本质过程，包括产品的设计、工艺规 划、加工制造、性能分析、质量检验，并进行过程管理与控制。 虚拟制造系统基本上不消耗资源和能量，也不生产实际产品，而是将产品 的设计结果、开发与实现过程在计算机上模拟、实现，与实际制造相比较，它 具有如下主要特征： 夺敏捷性。开发的产品( 部件) 可存放在计算机里，不但大大节省仓储 费用，更能根据用户需求或市场变化快速改型设计，快速投入批量生 产，从而能大幅度压缩新产品的开发时间，提高质量，降低成本。 夺协同性。可使分布在不同地点、不同部门的不同专业人员在同一个产 品模型上同时工作，相互交流，信息共享，减少大量的文档生成及其 传递的时间和误差，从而使产品开发以快捷、优质、低耗响应市场变 化。 夺全生命周期可预见性。产品与制造环境是虚拟模型，在计算机上对虚 拟模型进行产品设计、制造、测试，甚至设计人员或用户可“进入” 虚拟的制造环境检验其设计、加工、装配和操作，而不依赖于传统的 原型样机的反复修改。 因此，近几年，工业发达国家均致力于虚拟制造的研究与应用。1 。在美国， n i s t ( n a t i o n a li n s t i t u t eo f s t a n d a r d sa n d t e c h n o l o g y ) 正在建立虚拟制造环境，波 音公司与麦道公司联手建立了m d a ( m e c h a n i c a ld e s i g na u t o m a t i o n ) ，德国的 d a r m s t a t t 技术大学f r a u n h o f e r 计算机图形研究所，加拿大的w a t e r l o o 大学，比 利时的虚拟现实协会等均先后成立了研究机构，开展虚拟制造技术的研究。在 我国，清华大学、北京航空航天大学、哈尔滨工业大学等科研教学单位也已经 开展了这一领域的研究工作。当前我国虚拟制造应用的重点研究方向是基于我 国国情，进行产品的三维虚拟设计、加工过程仿真和产品装配仿真。随着研究 的不断深入和相关技术的发展，虚拟制造必将得到日益广泛的应用。 数控加工仿真是虚拟制造的底层关键技术，也是数控技术、仿真技术、与 虚拟现实技术等先进技术的交叉应用学科之一。数控机床加】：零件是靠数控指 令程序控制完成的。为确保数控程序的正确性，防止加工过程中干涉和碰撞的 发生，在实际生产中，常采用试切的方法进行检验。但这种方法费工费料，代 价昂贵，使生产成本上升，增加了产品加工时间和生产周期。后来又采用轨迹 显示法，即以划针或笔代替刀具，以着色板或纸代替工件来仿真刀具运动轨迹 的二维图形，有相当大的局限性。对于工件的三维和多维加工，也有用易切削 的材料代替工件( 如石蜡、木料、树脂和塑料等) 来检验加】：的切削轨迹的， 2 v r m t - 4 数控加工仿真系统关键技术研究与开发 这种方法的缺点是要占用数控机床和加工工作地。数控加工仿真是利用计算机 来模拟实际的加工过程，验证数控加工程序的可靠性和预测切削过程的有力工 具，能减少工件的试切，提高生产效率。不仅如此，数控加工要求操作人员既 要熟悉数控编程指令、c n c 的功能，又要了解机床的性能，数腔加工的这些特 点决定了传统的技术培训方式需要的设备条件比较难以实现，而将数控加工仿 真系统用做培训则可以解决这个问题，因此数控加工仿真培训越来越受到人们 的重视。人们直在研究能逐步代替试切的计算机仿真方法，：并在使制造环境 的模型化、仿真计算和图形显示等方面取得了重要的进展，目前正向提高模型 的精确度、仿真计算实时化和改善图形显示的真实感等方向发喂。在开发方法 上，综合起来有下面几种：直接实体造型法、基于图像空间的方法、离散矢量 求交法。这几种方法各有优缺点，基于实体造型的方法中几何模型的表达与实 际加工过程相致，使得仿真的最终结果与设计产品间的精确比较成为可能。 但实体造型的技术要求高，计算量大，在目前的计算机实用环境下较难应用于 实时检测和动态模拟。基于图像空间的方法速度快得多，能够实现实时仿真， 但由于原始数据都己转化为像素值，不易进行精确的检测。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。 国外在数控加工仿真方面作了许多工作“1 ，如美国m a r y l a n d 大学开发- f m 于培训数控操作人员的虚拟主控仿真器，韩国t u r b o - t e k 公司开发出面向培训 的虚拟数控车削及铣削加工环境，能够实现数控加工的几何仿真，日本索尼公 司研制的f r e d a m 系统可以对球头铣刀加工自由曲面进行三维仿真，并进行 干涉碰撞检查等。 国内在这方面也开展了诸多工作，并取得重要成果“1 。如华中理工大学开 发的n c p v s s 系统，具有数控铣削加工过程仿真功能，通过生成刀具轨迹e h - - 维动画显示数控加工过程。同济大学研制的数控程序微机动画仿真系统以二维 图形方式动态模拟加工过程，能满足生产现场实时性需要。哈尔滨工业大学的 n c m p s 系统可建立集成的数控加工仿真环境，实时显示三维多轴数控加工过 程。清华大学的c i m s 工程研究中心开发的“通用加工过程仿真器”已经在多 家企业得到应用。国内对数控加工过程仿真尚处于跟踪、消化阶段，所涉及的 仿真系统主要集中在2 2 5 轴，对三轴及三轴以上的数控加工过程仿真一般仅局 限于某一个或某一类特定实例上。 v r m t - 4 数控加工仿真系统关键技术研究与开发 1 2 论文选题的意义 数控机床是制造业不可缺少的高新技术基础设备。我国许多数控机床是由 传统机床改造而来的经济型数控机床，功能尚不完善；大量的数控加工程序还 要靠手工编程或半自动的方式生成，完全采用实际切削的方法实现数控加工程 序的检验成本高、危险系数大，尤其对复杂曲面类零件，加工：难度更大，因此 对数控加工仿真软件的需要也更加迫切。所以，将计算机仿真技术应用到制造 业，根据实际需要研究开发满足一定要求的数控加工仿真系统具有重要意义。 针对目前的这种状况，本论文主要研究基于n c 代码的数控加工过程仿真， 包括n c 代码的录入、检查和翻译的实现技术，并考虑制造环境对加工过程的 影响，创建虚拟的三维制造环境。本仿真系统主要解决了采用球头铣刀加工自 由曲面的过程中刀具和机床、夹具及工件的干涉检查问题，对产生干涉的刀位 点，计算干涉量，采用提升刀其的办法修正刀具矢量，形成正确的刀位轨迹。 最后利用基于第三方图形显示平台的方法实现仿真结果的三维真实感模型显 示。 1 3 本文的研究目标和内容 1 3 1 研究目标 就目前的状况来看，n c 切削过程仿真分几何仿真和力学仿真两个方面“1 。 几何仿真不考虑切削参数、切削力及其它物理因素的影响，只仿真刀具一工件几 何体的运动，以验证n c 程序的正确性。切削过程的力学仿真属于物理仿真范 畴，它通过仿真切削过程的动态力学特性来预测刀具破损、刀具振动、控制切 削参数，从而达到优化切肖n 过程的目的。本文所研究的仿真系统主要是为了检 验数控程序的正确性，并考虑制造环境，进行干涉检查，属于几何仿真的范畴。 几何仿真技术的发展是随着几何建模技术的发展而发展的，包括定性图形 显示和定量干涉验证两方面。目前数控加工仿真的研究大量集中在刀具轨迹方 面，对于三坐标以下的零件加工来说，效果是令人满意的。但是对于三坐标以上 的数控设备来讲，仅仅检查刀具轨迹是不够的，还需对机床加：【过程进行仿真， 以检验加工过程中刀具过切、刀具与夹具及机床的碰撞等，国内对于数控机床 加工仿真的研究主要集中在具体应用对象方面，在具体的技术实现上有应用 v r m t - 4 数控n i 仿真系统关键技术研究与开发 o p e n g l 显示动画技术实现的，也有应用部分c a d c a m 系统的仿真模块实现 的，但在机床加工仿真的通用性方面，做的研究相对较少。 结合国内外数控加工仿真技术的研究成果及已有仿真方法的不足之处，本 论文研究的目标是针对具有附加第四轴的数控加工中心开发出一个数控加工仿 真系统( 简称做v r m t 4 ) ，实现以下功能：能对输入的数控代码进行检查和翻 译，提取其中的工艺信息和刀位点信息；能根据给定的工艺信息、刀位点信息 判断加工过程中是否存在干涉，对存在干涉的情况通过计算干涉量、提升刀具 的方法来消除干涉；能实现制造环境的虚拟装配，检查并消除装配过程中的碰 撞，分析装配误差的产生及消除方法；能修改数控程序，显示仿真结果。 1 3 2 研究内容 由于数控加工仿真系统的开发涉及c a d c a m 基础理论，三维建模，干涉 碰撞检查、虚拟制造等特定领域应用背景知识等多学科、多领域的知识综合和 集成，工作量巨大，虽然也有一些研究涉猪该方面，但是要想获得一个较为成 熟、易于推广的软件系统，还需付出不懈的努力。作者本着从简单到复杂的原 则，研究了数控加工仿真的关键技术，具体内容涉及以下几个方面； ( 1 ) 研究n c 程序的检查和校验技术，程序校验内容分为n c 程序结构检 查、语法检查和词法的检查。使检查后的程序没有错误，并能适用于特定的数 控系统。 ( 2 ) 研究用球头铣刀加工自由曲面的无干涉刀轨生成算法及其实现，包括 曲面片的离散、干涉区域的初步判断、单个干涉点及凸干涉的处理以及加工不 足区域的后续处理。其中干涉判断和干涉量的计算是重点。 ( 3 ) 研究在u g 软件的图形显示平台下，通过u g 二次开发创建虚拟制造 环境的方法和步骤，包括三维c a d 建模、装配模型树的建立和虚拟装配。并采 用包围盒检测算法实现了装配过程中的碰撞检查。此外，还研究了装配误差的 产生及消除方法。 ( 4 ) 研究仿真结果的图形显示技术。通过v i s u a lc + + 与u g o p e n a p i 的 混合编程实现仿真过程的三维真实感模型显示，并通过一些增加用户菜单实现 仿真结果的详细观察。 v 对v l t - 4 数控加工仿真系统关键技术研究与开发 1 4 论文的组织结构 为实现数控系统的仿真软件开发，根据本文的研究目标和研究内容，将论 文分成以下几个部分： 第一章绪论 主要介绍虚拟制造技术的概况，数控加工仿真的作用、研究现状和论文选 题的意义，以及本论文的研究目标和研究内容。 第二章v r m t - 4 数控加工仿真系统概述 主要介绍v r m t - 4 数控加工仿真系统的整体框架，包括以下三部分：n c 代码的检查、无干涉刀轨的生成、虚拟制造环境的创建和仿真结果的显示。 第三章数控程序预处理模块的实现技术 主要介绍n c 代码的分析、优化的方法和步骤，包括n c 代码检验的内容， 错误信息的输出，并通过v i s u a lc + + 编程实现数控程序的编辑、修改、翻译及 信息提取。 第四章干涉检查算法的实现及干涉量的计算 介绍了曲面加工中干涉检查算法的研究，干涉判断及干涉量的计算，最后 通过抬刀生成无干涉刀轨。 第五章虚拟建模及仿真图形显示的实现 主要介绍了制造环境的虚拟建模及仿真动画的显示模块的开发流程，采用 基于第三方图形显示平台的方法，利用v i s u a lc + + 与u g o p e na p i 的混合编程 实现了数控加工过程的真实感仿真。 第六章系统运行实例 以叶片曲面的加工为例，对系统的运行结果进行了分析。 第七章论文总结 对课题的研究工作进行总结，提出课题中需要改进的方面和进一步研究的 设想。 1 5 本章小结 本章介绍了虚拟制造技术的产生背景及研究现状；计算机仿真的概念、数 控加工仿真的重要性和研究现状。在此基础上分析了课题选题的意义，提出了 本论文的研究目标和研究内容。 v r m t - 4 数控加工仿真系统关键技术研究与开发 第二章v r m t 一4 数控加工仿真系统概述 作为一个基于n c 代码的数控加工仿真系统，需要包含许多功能模块。其 中数控程序的处理和信息提取是仿真的必要准备： 作，在此基础上才能进行干 涉碰撞检查和仿真结果的三维真实感模型显示。本章的主要内容是分析系统的 总体工作流程，设计每一部分的功能。 2 1 v r m t - 4 数控加工仿真系统模型 2 1 1 基于n c 代码的数控加工仿真系统工作流程 基于n c 代码的数控加工过程仿真是以n c 代码指令集及其相应的参数为 信息源的仿真。它包括两部分：第一部分是n c 程序的语法检查及信息提取； 第二部分是数控加工过程仿真，即以n c 程序为基础，考虑制造环境，模拟加 工过程，实现干涉碰撞检查。为此，首先要读入数控程序，对数控程序进行词 法、语法检查，然后提取数控程序中的工艺信息和刀位点信息，对工艺信息进 行检查，修改其中的错误信息，而对刀位点信息进行提取加工，另存为一个刀 位点文件，用于干涉碰撞检查。然后创建一个能满足一定加工要求的数控加工 工艺系统模型，本系统主要包括数控加工中心的基座、工作台、附加第四轴、 组合夹具、顶尖、尾架等的虚拟建模，从建模模块提取工艺系统各组成部件的 位置信息和几何信息，结合第一部分得到的工艺信息和刀位点信息进行加工过 程中刀具和工件的过切干涉检查以及刀具和制造环境的碰撞检查，计算过切干 涉量，修正刀位点，得到无干涉刀轨。最后进行仿真图形的三维真实感模型显 示。系统框图如图2 1 所示。 图2 1 基于n c 代码的数控加工仿真系统工作示意图 7 v r m t - 4 数控加工仿真系统关键技术研究与开发 在整个系统的工作过程中，数控程序的处理是仿真的起点，提供仿真所需 的工艺信息和刀位点信息，三维建模和干涉碰撞检查是仿真的主要内容，为仿 真结果的显示做好准备，最后通过三维图形显示仿真结果。 2 1 2 系统的功能模块划分 本系统采用模块化结构设计，数控加工过程仿真系统的实现需要三个主要 功能模块，包括数控程序预处理模块、仿真图形的三维真实感模型显示模块和 干涉碰撞检查模块，最后把各模块联成一个整体来运行。 ( 1 ) 数控程序预处理模块。这是对数控程序进行检查与信息提取的模块， 其中包括数控程序的读入、检查，并从校验后的程序中提取加： 工件的位置参 数、刀具矢量等信息供后续模块使用。 ( 2 ) 仿真图形的三维真实感模型显示模块。这一模块通过分析仿真所需的 加工环境，建立机床几何体和夹具、刀具以及毛坯等的几何模型，通过虚拟装 配形成数控加工环境的三维实体模型。然后系统按照干涉检查模块的无干涉刀 轨动态的模拟加工过程，实现加工过程仿真。 ( 3 ) 干涉碰撞检查模块。这一模块主要是利用前面得到的： 件位置信息和 刀具矢量信息进行干涉检查，对存在干涉的情况计算干涉量，并通过提升刀具 来避免干涉，得到无干涉的刀具轨迹。 下面分别介绍各模块的工作原理、实现方案和开发工具的选择。 2 2v r m t - 4 数控加工仿真系统组成模块介绍 2 2 1 数控程序预处理模块 数控程序预处理模块包括数控程序读入模块、工艺信息检查修改模块和信 息提取及刀位点存储模块，具体内容主要是根据数控程序的特点来设计的。下 面分析一下数控程序指令的构成。 数控加工程序由若干程序段构成，程序段则是按照一定顺序排列、能使数 控机床完成某特定动作的一组指令，每个指令由地址字符和数字所组成。如某 程序段以n 开头，以l f 结束( 不同控制系统结束标志不同) ，0 0 1 表示直线 插补指令，m 0 6 表示更换刀具指令，x 2 0 0 表示x 向位移为2 0 r a m ( 在位移单位 v r m t - 4 数控加工仿真系统关键技术研究与开发 一定的情况下) ，f 1 0 0 表示刀具进给速度为1 0 0 “m i n ( 在速度单位定的情况下】 等。依靠这些指令，使刀具按直线、圆弧或其它曲线运动，控制主轴旋转、启 停，冷却液开关等。若干程序段就组成了能完成某零件加工的完整程序。数控 程序段的格式及各部分说明见表2 1 。 表2 1 数控程序段格式 机能地址范围意义备注 程序号 p1 9 9 9 9指定程序号、对不同的机 子程序号床类型第三 顺序号 n0 0 0 0 9 9 9 9 程序段号列的范围会 准备功能 g0 0 9 9指令动作方式有差异 坐标字x y 2 y i j 刚 0 0 0 1 9 9 9 9 9 9 9坐标运动指令 a b c 进给速度 f 1 2 4 0 0 ( m m m i n )进给速度指令 主轴转速 s10 0 8 0 0 0 ( r r a i n )主轴转速指令 刀具功能t 1 9 6刀具指令 辅助功能 m0 0 9 9辅助指令 由表2 1 可以看出，数控程序中包含的加工信息主要有：系统坐标信息、 程序段信息、g 指令程序信息、进给速度、主轴转速、m 指令程序信息、刀具 信息等。此外还有工件的设计信息、加工工艺信息、设备信息等。仿真系统以 文本的形式读入数控程序，并从中提取上述信息，运用数控程序检查及翻译模 块对这些信息进行处理。 数控程序检查即按照数控系统的编程规定及有关数控加工的常识，对数控 程序进行词法检查、语法检查、语义分析，从而检查出该数控程序的词法错误、 语法错误及逻辑错误。经过检查阶段，若数控程序未被检查出上述错误，则进 入翻译阶段。 数控程序翻译即根据数控程序中包含的信息提取仿真所需的数据，驱动刀 具及机床模型运动，实现数控程序驱动的加工过程仿真。由于数控程序翻译模 块的目标是为加工过程仿真模块提供必要的运动和状态信息，与此无关的数控 程序信息则可以不考虑。比如某些g 代码和m 代码，它们的功能是设置一些机 床状态，还有一些代码，它们的功能是用于用户的观察与查询，或用于机床自 身的检测，这些动作与状态，根本无法在加工过程仿真模块中表现出来，这些 信息在进行数控程序翻译时都可以不考虑。 9 ! 坚! ! 塑塞塑三堕塞墨竺羞壁垫苎塑壅兰茎垄 2 2 2 干涉碰撞检查模块 数控加工中刀具轨迹的生成是一项重要且难度较大的技术，尤其刀具加工 轨迹的无干涉处理技术，更是自由曲面数控加工技术中的难点和热点。无干涉 刀具加工轨迹生成算法的优劣将决定刀具加工轨迹生成的质量和效率。从几何 与运动学的角度看，数控加工中的干涉问题可以归纳为咀下两方面： ( 1 ) 刀具与工件的过切干涉。包括加工面初始刀位点的计算、干涉量的 计算、无干涉刀轨的生成等。 ( 2 ) 刀具与机床附件及工夹具的碰撞。 通常干涉是指在加工曲面时刀具切入了曲面上应该保留的部分，又称为啃 切。另外，由于加工过程中刀柄与夹具、工件之间也可能发生干涉，这种于涉 通常又称作碰撞，这也是仿真过程中要考虑的内容。干涉现象所产生的后果轻 则影响加工形状精度、尺寸精度、位置精度和表面质量，重则损坏工件、刀具 及机床设备。自动干涉检查不仅要检查出刀具在每个刀位是否与零件、夹具存 在干涉碰撞，好的数控加工仿真系统还要能通过抬刀、调整刀具矢量来消除干 涉，自动生成无干涉的刀位轨迹。 自由曲面因其形状复杂，数控加工方法的选择及无干涉刀位的计算都比较 困难，要根据实际情况而定“”。在曲面的局部内凹区域及组合曲面的交线附 近，曲面的法矢量变化过大，加工时刀具易与零件产生干涉。因此，合理选择 刀具及完善的干涉处理很重要，既要能对由此导致的过切削区域进行处理，也 要能对欠切削区域进行有效的后续加工处理。在三轴及多轴加：【中，端铣刀和 球头刀的加工效果有明显的区别，当曲面形状复杂，曲率变化较大时，建议使 用球头刀。用球头刀加工自由曲面的优点是适应性广，尤其是在被加工曲面的 最小曲率半径非常小的情况下，球头刀有不可替代的优势，能尽可能的避免过 切。因此，本系统以在数控加工中心上用球头刀加工自由曲面：勾例，研究用截 面线法生成无干涉刀轨的算法和实现过程。 采用截平面法生成初始刀位点时要充分考虑走刀步长及行距对加工误差的 影响，根据走刀步长和行距把曲面离散成一系列适当的三角平面片，刀具和工 件曲面的过切干涉就转化为刀具曲面与三角片的相关性测试问题。在判断出干 涉现象存在之后，还要计算干涉量以修正刀具矢量，形成无干涉的刀位轨迹， 用于仿真结果显示。为计算干涉量需要对数控程序的分析结果：进行处理，分别 读入其中的刀具矢量坐标值及球头刀半径值，再根据曲面的初始位置计算刀具 1 0 v r l v t 4 数控加工仿真系统关键技术研究与开发 与三角片的干涉量。对球头刀来说，就是计算刀具球头中心到三角片的距离 通过三角片法矢量与z 轴夹角及球头半径之间的关系可以很容易的得到干涉 量。把这个干涉量记录f 来，用来修正刀具球头中心位置坐标。 对于刀具与机床环境及工夹具，主要是考虑机床和工件的安全而对其进行 碰撞检查。这里的碰撞主要指在加工过程中刀柄和机床几何体以及夹具、尾架 等可能会发生的碰撞。碰撞检查在加工大型空间曲面时尤为重要。结合加工零 件的机床、夹具、刀具等装置，在机床上采用连续或单步控制模拟加工过程， 检查刀头和刀柄与工件和夹具是否有碰撞和干涉。对于可能发生碰撞的部位， 可单步向前和向后控制便于仔细观察， 要检查刀具参考点是否移出指定区域。 以便改进工艺方案和加工方法a 此外还 一般来说，刀具的可行域已经在机床设 计时就被限制在一定的范围内了，对于本系统而言，由于机床具有附加第四轴 及组合夹具等，因此刀具的可行域要在原有基础上加以限制。 2 2 。3 仿真图形的三维真实感图形显示模块 这是数控加工仿真系统的核心部分，涉及到系统的图形显示效果、显示速 度及实用性方面。下面论证设计方案的确定及开发步骤。 在三维实体模型的数控加工过程仿真系统开发过程中，仿真图形的三维真 实感模型显示。1 是一项关键技术。目前所采用的仿真方法主要有以下三种： 夺二维平面或将三维简化为二维平面的图形仿真。 令基于三维空间真实感的自开发图形仿真。 夺基于第三方三维图形显示平台的图形仿真。 其中第一种方法比较容易，采用一般高级语言所具有的图形绘制函数即可 实现，图形显示仅进行二维平面上点、线、圆弧和区域填充等操作，不需考虑 实体和使图形能够产生真实感的环境光源的控制，对于回转体类加工如车削和 平面加工如线切割等较适用，但是仿真效果不真实直观，这是它最大的缺点， 难以被操作者接受。此种方法目前已很少采用。 第二种方法是基于三维空间真实感的自开发图形仿真。该方法通常采用 v c + + 编程语言和o p e n g l 高级图形库来实现三维图形及环境光源的控制和显 示，仿真图形具有较好的真实感，且能实现与w i n d o w s 系统的无缝集成。缺点 是编程方法比较复杂，需要投入大量的人力和物力去开发，生成的仿真结果也 难以使人完全满意特别是图形复杂时，图形的显示速度和动画的连续性较差， v r m t - 4 数控j d i 仿真系统关键技术研究与开发 仿真图形的可视性需进一步提高。复杂零件多坐标数控加工时，对于毛坯、夹 具等模型的建立和刀具的切削过程显示都有较大的难度。 第三种方法就是基于第三方三维图形显示平台的图形仿真。目前已有众多 的高级的c a d c a m 软件为用户进行二次开发提供了开发方法和接口，例如 u g 、p r o e 、c a t i a 等著名的大型c a d c a m 软件就提供了m sv c + + 的开发 方法和接口，通过v c + + 或者v b 等编程工具即可对三维图形的显示和生成加 以控制。由于这些高级的c a d c a m 软件采用了先进的图形内核，显示图形有 很好的逼真感和令人满意的显示速度，甚至可以生成静态照片级的渲染图，满 足了仿真系统的图形显示要求。开发者无须考虑环境光源、材质等影响真实感 的因素，大大降低了用v c 编程的强度和难度；工件毛坯直接由设计过程调用， 具有完全的真实形状，仿真结果直观易懂：仿真图形易于控制，具有旋转、放 大、剖切和加工过程记录等特点。 美国u g s 公司的u n i g r a p h i c s ( 以下简称u g ) 软件是一套优秀的以机械产 品为主的c a d c a e c a m 一体化软件，应用范围非常广泛。它具有强大的图形 内核，显示图形效果好，还提供方便的二次开发工具，其中u g 向p e na p i 是 一种c c + + 语言的二次开发工具。用户在购买了u g 软件后，针对自身产品的 特点进行一些二次开发以提高产品的设计效率，缩短产品设计周期，使设计符 合国家标准等。u g 软件的这些特点决定了它可以作为本仿真系统的第三方图 形显示平台。 综上所述，本系统采用第三种方法，选择功能强大的v i s u a lc + + 作为开发 工具，以u g 软件作为第三方的图形显示平台，在微机上通过v c 和u g o p e n a p i 的混合编程来实现仿真模型的创建和显示。可以在v c 中调用u g o p e n a p i 函数，利用本系统可以形成基于u g 图形界面的三维仿真实感模型，并能 对三维图形的显示和生成加以控制。 本模块主要包括图2 1 中的仿真环境虚拟建模、刀库及组合夹具标准件库 的建立和仿真图形显示三部分。u g o p e na p i 中有模型创建、访问和修改的一 系列函数，通过它们可以产生用户自定义的几何特征，完成加工环境的建模。 本系统在对装配工件及装配夹具的建模时充分考虑了系统面向虚拟装配加工仿 真这一特点，因此在建造几何模型时，把与装配及干涉碰撞无关的孔、销、倒 角等特征忽略，这样既减少了开发工作量，又不影响仿真的最后实现。在本系 统中，首先通过三维软件建立刀具和组合夹具的标准图形库，对其他装配几何 体，为它们创建必备的基本体素，然后调用u g o p e na p i 函数对它们进行装 配操作，u g o p e na p i 提供对装配对象的访问、创建配合关系、组件阵列和引 v r m t - 4 数控加工仿真系统关键技术研究与开芨 用集操作等功能，还能够遍历装配模型树、查询装配组件参数，通过这些功能 即可完成虚拟制造环境的创建。 2 3 仿真系统软件实现的总体构想 本软件的设计目标是可以在一个统一的仿真界面中实现数控程序的录入、 编辑、修改和加工过程的图形仿真，同时能够显示数控程序检查和仿真过程中 的干涉碰撞等错误信息。因此本软件采用文档视图结构，v c + + 的文档视图结 构提供了灵活的框架结构，可以根据自己的需要建立应用程序框架。该框架窗 口具有标准的菜单栏和工具栏，在此基础上增加自己的菜单，编写相应代码来 实现数控程序检查、仿真干涉检查和仿真图形显示之间的数据传递。数控程序 编辑窗口和图形仿真窗口的同时显示可以通过双视图窗口来实现，数控程序编 辑窗口由c e d i t v i e w 类派生，该类已经具备了文本的浏览、输入、编辑功能， 并生成统一自定义格式的目标文件供加工图形仿真时采用。仿真图形显示模块 可以接收从数控程序中提取的信息，用该信息驱动机床和刀具的运动，并通过 与u g 图形显示界面交互的方式来实现加工过程的三维真实感模型仿真。u g 软件的特征建模功能非常强大，而这些功能几乎都可以利用u g o p e na p i 来 实现，使仿真图形的建模得到简化。而u g o p e na p i 的开发环境就是v c + + ， 因此，通过二者的混合编程，完全可以开发出一个界面友好，功能完善的数控 加工仿真系统，刚好适合本系统的需要。 2 4 软件开发环境的选择和开发方法介绍 本系统的软件开发主要是通过v i s u a lc h 和u g o p e na p i 的混合编程来 实现的。u g o p e na p i 是u g 与外部应用程序之间的接口，它是u g 提供的一 系列函数和过程的集合。通过c 语言编程来调用这些函数或过程，能够实现： 对u g 模型文件及相应模型进行操作，包括建立u g 模型、查询模型对象、建 立并遍历装配体、创建工程图等。能够在u g 主界面创建交互式程序界面、创 建并管理用户定义对象等。这些函数和过程分别在$ u g u b a s e d i r u g o p e n 目录下的头文件中定义。 u g o p e na p i 在微机平台上的开发工具是m i c r o s o f tv i s u a lc + + ，u g o p e n a p i 本身也有u i s t y l e r 及u f _ u i 等工具可以实现应用程序用户界面的开发，这 两种方法应该在开发中灵活掌握。下面首先介绍u g o p e na p i 界面程序的结 构及运行原理，在此基础上说明如何实现在u g o p e na p i 应用程序开发中使 用m f c 开发用户界面。 v r m t - 4 数控加工仿真系统关键技术研究与开发 2 4 1u g o p e n a p i 界面程序的运行原理 使用u i s t y l e r 开发u g o p e na p i 应用程序界面时，一般分为两部分： u n i g r a p h i c s 应用程序和界面程序。它们之间的调用关系如图2 ，2 所示。图中的 双向箭头表示两者之间可以相互调用，按照箭头从上到下的方向构成了在 u n i g r a p h i c s 中调用界面的过程，反方向则构成了在界面中调用u n i g r a p h i c s 功能 的过程。 l f u m g r a p h i c 8 i 土 u t f i g r a p h l c s 接口 0 界面程序接口 工 接目醇分 毒 用户界面 u a i 筝 e p h i c s 应用程序 界面程序 图2 2u g o p e na p i 界面程序的功能调用关系 界面程序的功能是显示用户界面，实现用户与u n i g r a p h i c s 之间的交互。它 通过动态链接库的方式被u n i g r a p h i c s 下的应用程序调用。它所实现的功能可以 分为下面两部分： 1 4 ( 1 ) 接口部分。实现被外部应用程序的调用、卸载以及提供给u n i g r a p h i c s 应用程序的接口。 ( 2 ) 用户界面。实现用户所需的界面及用户与u n i g r a p h i c s 之间的交互功 能。 u n i g r a p h i c s 应用程序所实现的功能可以分为下面两部分 ( 1 ) u n i g r a p h i c s 接口。实现应用程序被u n i g r a p h i c s 调用、卸载以及调用 标准的u g o p e na p i 。 ( 2 ) 调用界面程序。界面程序的加载、卸载、查找、设置函数接日以及 显示用户界面等。 v r m t - 4 数控加工仿真系统关键技术研究与开发 2 4 2u g o p e n a p i 下m f c 应用的实现方法 u g o p e na p i 没有公开提供对m f c 的接口，但是它支持一些w i n 3 2 的函 数，如l o a d l i b r a r y 0 用于加载动态链接库，f r e e l i b r a r y 0 用于卸载动态链接库， g e t p r o a d d r e s s 0 用于查找函数接口地址等。它们都在头文件a f x w i n h 中声明。 u n i g r a p h i c s 应用程序通过这些函数加载和卸载界面程序，查找界面程序提供的 函数入口，从而使u n i g r a p h i c s 应用程序能够调用界面程序。界面程序是动态链 接库，被主程序加载之后与主程序共享地址空间，所以能够与主程序实现函数 调用。界面程序通过指针来调用u n i g r a p h i c s 的功能，具体的实现方法是：由 u n i g r a p h i c s 应用程序通过调用界面程序提供的函数接口将主函数的地址传递给 界面程序，从而使界面程序能够调用u n i g r a p h i c s 的功能。 在本仿真系统的实现过程中，先通过u g o p e n a p i 编程在u g 界面下实现 仿真系统制造环境的创建，得到各部件模型的坐标位置信息，用于干涉检查和 仿真图形的显示，再利用v i s u a lc + + 6 。0 开发工具控制三维图形的显示结果。 2 5 本章小结 本章首先介绍了v r m t 4 数控加工仿真系统的总体工作流程，分析了各组 成模块的功能和实现方法。在此基础上介绍了v i s u a lc + + 及u g o p e na p i 作为 软件开发工具的一些相关概念及如何实现v i s u a lc + + 和u g o p e na p i 的混合 编程。在下面几章里将会按模块功能详细介绍怎样通过v i s u a lc + + 及u g o p e n a p i 编程来实现基于n c 代码的仿真系统开发。 v r m t 4 数控加工仿真系统关键技术研究与开发 第三章数控程序预处理模块的实现技术 数控加工过程仿真是以数控程序为信息源的仿真，因此必须首先读入数控 程序并进行词法检查和语法检查。再提取其中的工艺信息和刀位点信息，通过 合理的数据存储处理，用于干涉检查，形成无于涉的刀位轨迹。本章主要讨论 这一系列技术的实现。 3 1 数控程序的录入和信息提取 数控程序录入模块的功能是提供一个输入和编辑数控程序的环境，录入的 数控程序将用于信息的提取和仿真加工中刀具轨迹的计算以及机床状态的控 制。 由于数控程序是由多行文本构成的，所以仿真系统采用文本文件来保存数 控程序，并能够对数控程序进行编辑和修改。这在v c 开发环境下可以通过创 建继承c e d i t v i e w 类的视图窗口来实现。在该视图窗口中可以输入和编辑多行 文本，同时它还具有常规的剪切、复制、粘贴等操作。这些功能刚好满足数控 程序录入的需求。 为进行数