精密光学产品虚拟加工的数控工具外文文献翻译、中英文翻译

附录一材料加工技术杂志140（2003）211-216.精密光学产品虚拟加工的数控工具WB.Lee,D.Gao*,C.F.Cheung,J.G.Li工业和系统工程系，香港理工大学，HungHom，香港，香港，中国公共关系摘要在本论文中，提出了超精密金刚石车削的虚拟加工系统（VMS），并讨论了该系统中数控刀具轨迹编译器的功能。区别于基于刀位数据文件的商业CAD/CAM软件，本文所开发的虚拟加工系统是基于数控程序开发的。在该系统中，采用实际机床的数控程序来控制虚拟机床。数控刀具轨迹编译器包括词法和词义分析，语法和语义解析，驱动代码生成等几部分。本文以制造衍射透镜的模具衬垫作为研究实例，阐述了所开发的虚拟加工系统的性能。关键词：虚拟制造，数控刀具轨迹，金刚石车削，光学产品引言虚拟制造（VM）是一项新兴技术，区别于对实物的真实操作，该技术包含了建模，模拟和人工智能等计算机制造活动1。最近几年来，许多研究工作2-9一直致力于研究虚拟加工的框架，图形界面和可视化算法。实际生产前的模拟可以提高生产效率。已做的研究工作为优化生产活动，提高生产效率提供了工具。但很很好有人注意到数控刀具轨迹编译有助于数控机床的数控代码在执行前被验证。数控刀具轨迹编译器是虚拟加工系统中最重要的功能模块之一。本文中的虚拟加工系统应用于超精密金刚石车削光学产品，本文详细讨论了该系统中轨迹编译器的设计。2虚拟加工系统和虚拟加工系统的优势超精密光学产品的传统设计和制造方法2如图1（a）所示。在图1（a）中，设计、原型、评价的过程在本质上是个迭代累试的过程。这些步骤不仅昂贵，而且费时。在虚拟加工中，产品从设计到实际投入生产的过程中，设计和资源优化的可行性可以先于任何制造资源、任何昂贵的废料产生前被给予考虑（图1（b）。（a）超精密光学产品的传统设计和制造方法（b）超精密光学产品的虚拟加工设计和制造方法图1精密光学产品的传统方法与制造方法的比较图2所示为虚拟加工系统的功能模块，该虚拟加工系统应用于金刚石精密切削光学产品。首先将光学产品的技术要求设计导入到光学产品的设计与最优化功能模块，使用如ZEMAX软件包等的计算机辅助光学设计软件设计光学产品的技术要求。然后数控程序生成功能模块使用如刀具轨迹生成器（TPG）软件包等的计算机辅助软件生成该光学产品的数控程序。该数控程序在数控刀具轨迹编译功能模块被验证。如果在数控程序中有任何词法和语法错误，错误信息会反馈到数控程序生成功能模块，从而修改该数控程序。这一过程将一直继续到没有错误存在。驱动虚拟单点金刚石切削（SPDT）的命令代码也在此时产生。在虚拟的单点金刚石切削模块中，执行三维（3D）图形仿真；评估切削用量，例如切削速度，主轴转速和切削深度。像干涉和碰撞这些切削错误会在该模块中被检测到。如果有干涉或碰撞发生，那么将重新设置切削用量或者修改数控程序。在虚拟检测功能模块中，已加工的虚拟透镜被给予评价。该评估结果反馈到光学产品设计和最优化功能模块，用于改善透镜的设计，直到获得满意的透镜。最后，合格透镜的设计和制造信息被输出到实际的生产过程。即迭代的设计、加工、评估过程完全由虚拟加工系统所完成，而没有任何废料产生。虚拟制造方法的主要过程示意图如图3所示。图2虚拟加工系统的功能模块图3虚拟教工的主要过程示意图3虚拟加工系统中的数控刀具轨迹编译模块数控程序的生成主要是通过两个模块：一个模块是计算机辅助制造（CAM）模块，CAM模块根据所设计的零件、刀具路径计算出刀具的运动轨迹；另一个模块是机床控制器独立刀具位置数据（CLDATA）文件的输出结果，刀具位置数据文件在数控后处理模块中产生，用于运行具体的数控程序的文件。这两个步骤依旧涉及大量的人为干预和指导。在数控程序中始终有可能存在错误，如出现意外事故，词汇错误，语法错误，加工参数错误，刀具和夹具之间的干涉等错误。尽管像Unigraphics和MASTERCAM等的商业CAD/CAM软件可以执行刀具轨迹模拟，但是他们往往是根据刀具位置数据文件。本文中所开发的虚拟制造系统是基于数控程序的系统。在虚拟加工系统中，真实机床的数控代码控制机床三维图形模型运动。数控加工刀具轨迹编译器通常负责检查数控程序和计算用来驱动虚拟机床的驱动命令代码。刀具位置编译（CLT）的实施是很简单的，而且刀具位置数据文件直接提供了刀具位置。此外，这些刀具位置数据文件没有语法和语义错误。然而因为数控刀具轨迹编译器包括词法和词义分析，语法和语义解析，驱动代码的产生等功能，所以数控刀具轨迹编译的实施比刀具位置编译要困难的多。图4所示为拟议的数控刀具轨迹编译器的框架。它由三个主要部分组成。第一部分是预处理器，它是用来进行预处理工作的，如省去评论和空格有助于阅读。但是预处理器不负责驱动机床运动。第二部分主要是由词法分析仪和语法分析器组成，它们分别检查数控程序中的词汇和语法错误。每当需要新的口令时，语法解析将调用词法分析仪，然后词法分析仪将返回给语法分析器和该口令相关的词位。数控刀具轨迹编译的第二部分将逐句地检查数控程序。在数控程序中，如果有任何词汇或语法错误被发现，该数控系统不仅会报告错误的位置和类型，而且会给出一些纠正错误的建议。该数控编译的第三部分是基于数控程序对切削轨迹进行插补。第三部分将输出刀具位置信息的同时输出机床状态，例如机床的主轴转速，刀具号，冷却条件等。第三部分有助于驱动虚拟机床。图4数控刀具翻译的骨架3.1.词法分析仪和语法解析器（LASP）设计词法分析仪和语法解析器是为了检查数控程序中的词法和语法错误。词法分析仪和语法解析器的工作流程说明如图5。词法分析仪首先从数控程序中读取数控代码（被命名为块），然后按单刀金刚石切削G代码的标准符号表逐句检查NC代码。如果有像字符错误、地址错误这样的词法错误被发现，计算机屏幕上将会显示出错误以及错误所在的位置，同时将错误报告保存。接下来，将已分析过的数控块输入到语法解析器模块，在语法解析器模块中检查NC程序的语法错误。如果发现有例如错误的主轴速度，错误的刀具号等语法错误，那么错误和错误的位置也会显示和保存。词法分析和语法解析的过程将一直重复分析其他的数控块，直到分析完所有的数控程序中所有的数控块。如果分析和解析的结果表明，程序中仍然存在某些错误，数控程序应当再次被纠正和编辑。直到在该数控程序没有发现任何错误，如上所述的编辑过程才停止重复。最后，已校正的数控程序将进入下一部分，从而生成驱动代码。图5词法分析仪和原发解析器的工作流程图3.2.虚拟单刀金刚石切削的代码生成器数控程序是一个用于控制数控机床工作的指令集。该程序包括一些块，这些块包含块编号、预备功能、坐标值、进给功能，主轴功能、刀具功能、辅助功能等的信息。代码生成器的作用是根据数控代码找出相关信息用来驱动虚拟机床。G代码通常被分成不同的组。不同组的G代码可以被同一个块多次调用。除非这些被分组的G代码在同组中被代替，否则分组后的G代码都是模块化且一直有效的。其他的G代码只有在指定的块中有效，也并非模块化的。在这个虚拟加工中，G代码由下面的结构（classCGCommand）代表，如图6所示。在数控程序中，classCGCommand结构方便了G命令的校正过程。图6classCGCommand的结构图7所示是带刀具半径补偿的刀具轨迹插补说明图。实线代表着工件的轮廓，虚线代表刀具轨迹。结果表明，在计算机的缓存中同时需要两个块的信息，用来计算点2附近的补偿值（点2是工件的角点）。图7带刀具半径补偿的刀具轨迹插补图8所示是生成虚拟单刀金刚石切削驱动代码的过程。已模块化的G代码和一些像X、Z这样的词，通常在最开始被写入，并且除非它们被改变，否则在以后的数控代码中它们将被省略。为了能在计算机中执行刀具轨迹的插补，应按照块结构的格式填写数控代码。计算机同时读入两个块，从而进行带刀具半径补偿的刀具轨迹插补。为了确定点2和点3的坐标，以及以何种方式对在点2附近进行刀具轨迹插补，需要预处理块2和块1。块1是基于SPDT机床控制规范的刀具轨迹插补计算，详细说明见图9。所求插补结果用来驱动虚拟机床。图8生成驱动代码的过程图9执行块1的过程4实例研究在本论文中，插入一个衍射透镜模具衬垫的制造作为实例，用来说明VMS中数控刀具轨迹编译模块的性能。图10是衍射透镜模具衬垫的设计技术要求。根据此设计技术要求产生待加工模具的数控程序。加工模具衬垫之前，在所开发的虚拟SPDT系统中验证数控程序和模拟衬垫的可加工性。图11所示是数控程序的检查结果。图11（a）是在NC程序中有语法错误的情况。检查结果不仅指出错误的位置和类型，而且建议出纠正方法。图11（b）所示是没有任何错误的数控程序的检查结果。图12（a）所示是被模拟的刀具轨迹，图12（b）和图12（c）所示是被加工模具衬垫的2维和3维模型。它们均表明数控刀具轨迹的编译可以有效的履行其职能。图10模具衬垫的设计技术要求图11数控程序的检查结果5结论本文阐述了一种概念性的超精密金刚石车削的虚拟加工系统，并详细讨论了虚拟加工系统中数控刀具轨迹编译器模块。数控刀具轨迹编译器包括词法和词义分析，语法和语义分析，驱动代码生成等部分。由于所开发的虚拟加工系统是由数控程序控制，所以可以在实际生产之前确保数控代码的正确性。通过引用实例（衍射透镜模具衬垫的制造）说明数控刀具轨迹编译器的性能。模拟仿真结果表明，数控刀具轨迹编译功能可以有效的发挥其职能。（a）刀具轨迹（b）加工衍射透镜的模拟结果（c）已加工模具沉淀的三维模型图12加工衍射透镜的模拟结果感谢作者在此表示诚挚的感谢驻中国香港特别行政区的研究资助局对本项目的财政资助。17参考文献1M.Onosato，K.Iwata.通过集成产品模型和工厂模式对虚拟制造系统的开发.机械工程研究所，42（1），（1993）475-4782C.F.Cheung，W.B.Lee.金刚石精密的虚拟加工的检查系统的框架.J.Mater.Process出版社.119（2001）27-403岩田光，米小野里，光寺本，第大崎.虚拟制造虚拟加工系统作为集成制造资源的先进信息基础.机械工程研究所.46（1）（1997）335-3384K.I.Lee，S.D.Noh.虚拟制造系统工程活动的测试床.机械工程研究所.46（1）（1997）347-3505S.Ho，S.Sarma，Y.Adachi.刀具和环境之间的实时分析与干预.电脑辅助设计.33（2001）935-9476Y.C.Chung，J.W.Park，H.Y.Shin，B.K.Choi.广义数控加工的表面建模.计算机辅助设计.30（1998）5