数控加工过程仿真系统的研究

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作者：康飞 周玉杰 佟丽萍 吴明华 陈洪涛

内容提要：本文针对当前CAD／CAPP／CAM系统NC仿真功能的弱点，深入研究了NCSIM的关键技术，提出了NCSIM系统的总体结构方案，实施了以平扫体和旋转体为基本体素的新的碰撞与干涉检验求交算法，创立了一种适合于微机的快速消隐算法，在此基础上，研制了可直接通过NC代码驱动仿真加工过程的NCSIM系统。

0．应用背景
加工零件的NC代码在投入实际的加工之前通常需要进行试切，以检验NC代码的正确性和被加工零件是否达到设计要求。这一过程周期长、成本高、劳动强度大，而且占用了加工设备的工作时间。采用计算机建模和仿真技术来模拟实际的数控加工环境并对加工过程进行仿真分析可以帮助设计人员在实验室就可以检查制造中的问题，以部分或者完全取消试切环节，从而减少设计和制造周期和费用。利用仿真器还可以检查数控加工中出现的各种危险，如存在于刀具与工件、夹具、工作台之间的碰撞、干涉和过切现象，甚至检查工件装夹的不合理及加工参数的不合理等问题，减轻了数控编程和操作人员的劳动强度。
在我国，数控技术的应用表现出不同的层次差别，从完全的手工编程到完全采用计算机实现零件设计及工艺和加工NC代码的生成都有相当大的覆盖面。目前不少高档先进的CAD／CAPP／CAM系统都提供了一定的NC仿真功能，用于检查刀具切削过程的正确性，检查过切和干涉现象等，但直接通过NC代码来驱动仿真加工过程的方法和软件还很少。而在大量使用半手工数控编程的我国制造业，采用NC代码驱动仿真加工过程以检验NC代码的正确性是迫切需要的。特别是，如果能将仿真软件直接嵌入到实际的加工系统中使其成为实际加工的支撑环境，将具有更为重要的意义。
目前国内不少工厂购买了各种加工中心设备，仿真系统的开发将对这些工厂的加工自动化提供技术支撑，更重要的是，本研究开发的加工过程仿真技术同样可应用于其他类型的加工中心，甚至可成为开发国产加工中心的配套产品的基础，以便大大提高国产加工中心的附加值。
1．研究内容
数控仿真作为对编程系统生成的NC代码正确性检验的手段，应全面支持多轴数控镗铣加工和多轴车削加工过程的仿真；另外本系统也可单独作为NC程序检验软件以检验手工或半手工编程的NC程序。通过对加工环境的建模，用三维图形展示数控加工过程，并借助几何模型作为分析手段检查加工过程中出现的各种问题。其主要技术指标是：
（1）数控车床加工过程动态仿真
支持车床及车削中心的建模，工件和刀具的建模；加工过程中机床和刀具的运动及切削过程的仿真；刀具与工件、卡盘、尾架等之间的碰撞干涉检验。
（2）镗铣加工中心动态仿真
支持镗铣加工中心的建模，工件和刀具的建模；点位加工中机床和刀具的运动仿真；刀具与工件、夹具、托盘等之间的碰撞干涉检验。
（3）数控铣多轴加工动态仿真
支持镗铣加工中心的建模，工件和刀具的建模；多轴加工中曲面加工的动态显示；刀具与工件、夹具、托盘等之间的碰撞干涉检验。
4）先进性
强调数控加工环境的详细描述，提供加工环境的建模手段；加工过程由NC代码直接驱动，支持手工修改的NC代码；在较精确的形体表示下，实现快速的三维图形显示加工过程动画。
5）实用性和经济性
用三维图形直观展示加工环境及加工的各种设置；支持手工及半手工编程的NC代码；可部分承担NC编程和操作员的培训工作。
由于实现了数控加工过程仿真，保证了数控编程的质量，减少了试切的工作量和劳动强度，提高了编程的一次成功率，缩短了产品设计和加工周期，大大提高生产效率，在数控加工行业推广，可产生巨大的经济和社会效益。
数控仿真主要研究和解决了以下关键技术：
（1）几何建模，用于对加工中心设备和被加工工件及其装夹方式进行几何定义；
（2）NC代码的翻译转换；
（3）加工过程快速动画仿真；
（4）加工过程中各种危险的检验。
本文将扼要介绍数控加工过程仿真系统所采用的关键技术。
2．加工任务的建立
一个完整的加工任务需配置或定义以下项目：
（1）使用的加工中心设备（如果没有替代的模型，须自行建模）；
（2）工件和夹具在托盘上的装夹方案（建模装配而成）；
（3）NC加工所需的相对坐标系定义（如果NC程序要求预置）；
（4）加工所用的刀库信息；
（5）NC代码文件。
加工过程仿真中，除了驱动机床部件的运动外，还有一些动作如装卸刀具、托盘及换刀操作都用到装配树的操作，并需要对装配节点附加必须的辅助信息。
机床装配信息、机床定义和刀库链信息在加工过程仿真中的关系都是必备的。为干涉检验准备的工件、夹具、托盘和刀具、主轴的BREP信息被变换到托盘所在的坐标系下。
3．碰撞和干涉检验
碰撞和干涉检验在这里主要检验刀具和主轴相对于非加工部件如夹具、工件的非加工部位、加工工作台的干涉现象，也可用来检验由用户指定的物体之间的干涉现象，由于加工过程由NC代码驱动，干涉出现位置的NC代码信息可及时反馈提交用户进行检查和修改。
干涉检查结果需进行分析按以下判据得出结论：
（1）刀具切削部件与加工好的部件有干涉为过切；
（2）刀具非切削部位与物体干涉为碰撞；
（3）进给速度快时的切削为碰撞；
（4）主轴不转时的干涉或切削为碰撞。
我们采用形体求交的方法进行干涉的定性检查。如果两个形体之间存在交集，就认为他们互相干涉，在数控仿真建模过程中采用的体素定义方法不是通常所说的BOX、CYLINDER、CONE、SPHERE、TORUS等等，而是平扫体和旋转体等，他们本身就可能表示很复杂的形状。由于都是二维半的形体，不需要进行布尔运算就可以通过一个展开步骤生成BREP，这一过程是简单的，只需按BREP数据结构逐个的添入数据即可。
虽然没有在这里使用布尔运算构造工件和夹具的几何描述，在某种意义上使几何定义的能力受到一定的限制。这一限制并没有传播给碰撞和干涉检验算法。在本算法中，工件和夹具不是以整体的信息参与求交计算的，而是个别地进行的。在论证这种方法的好处之前，先叙述求交算法的基本步骤：
（1）将待计算的刀具和主轴形体的坐标系转换到工件坐标系下，工件的几何信息已经在装夹时计算出；
（2）对任一对求交形体A和B作包围和干涉检查，若不干涉，无需进一步求交，转（4）；
（3）将A的所有棱边和B的所有面进行求交计算，若出现交点在面片内，判定为形体相交，退出，否则进入下一步；
（4）取下一对求交形体，转（2）。
大多数情况下，在刀具没有深入工件加工的情况下，仅包围盒的检查就可以排除大多数的相交情况。该算法又具有通用性，因为它是基于BREP表示的。我们采用让刀具和当前工步已加工好的状态件作干涉计算，若发生干涉，则一定会出现过切。大多数情况下，在刀具没有深入工件加工的情况下，仅包围盒的检查就可以排除大多数的求交比较。
将工件和夹具的信息分散成交简单的多个BREP描述用于干涉检验中的求交计算，可以提高检验的速度，这是分类枚举和多路思想的体现。简单的信息便于计算和减少不必要的计算，而只要能够判断，立即做出计算，避免出现将刀具和工件的所有面进行求交计算的机会。
该算法又具有通用性，因为它是基于BREP表示的。以后的系统将支持有布尔运算生成工件和夹具的描述，或有其它CAD系统的数据接口提供几何描述，干涉检验算法不会受到限制。
需要说明的是，边界描述是用多面体逼近实际的形体的，这一近似性使得在描述孔和曲面时产生一定的误差。增大离散等分数的方法并不明智，因为这使得求交计算的效率大大降低。我们分析到这一问题主要在钻孔、铰孔、镗孔、攻丝和孔的铣削加工中出现，如果适当减小刀具的直径，便可以避免由于离散化误差引起干涉检验的错误报警。
分析加工的内容、性质和加工的切削参数等辅助信息，再分析刀具相对于工件的位置关系，可以检查进给速度过快或突变造成的刀具破坏。
4．快速消隐算法
数控仿真子系统基于画家算法提出并实现了一种快速隐藏线面消除的算法。首先我们介绍一下Newell-sancha的画家算法。该算法是一种以确定平面优先级为基础的画家算法，其基本原理是，把景中所有多边形按深度列出优先次序，远离观察点的和被遮挡的多边形的优先级较靠近观察点的平面图，确定了优先级后，从优先级较高的平面开始，逐个地将多边形扫描转换到桢缓冲存储器中，后画的多边形覆盖先画的，从而产生正确的消隐图。算法的核心问题是如何确定多边形显示的优先级，因而确定优先级的方法直接影响着消隐的效率。在Newll-sancha算法中引入了平面丛的概念，平面丛是景内各平面的任意集合，任意二平面丛之间的平面片之间不存在相互遮挡的现象。为了确定平面丛必须找出分割平面，每个分割平面把两个平面丛分割，而不与二者之中的任一平面相交。划分平面丛的原则是每个种都能产生消隐的图像。显然使用了平面丛后，面排序算法的效率显著增高，但是，动态寻找分割平面的过程却相当复杂，有些甚至根本无法实现。
现在我们来分析层次分割实体几何表示（HDSG）模型的特殊性。HDSG是由两类体素平扫体和旋转体在空间装配而成的，按照HDSG的要求，体素之间不存在相互遮挡的情况，也就是说体素之间是可以确定显示优先度的。如果我们把每个体素划分为一个平面丛，又可能找到一个分割平面把二者分割开来。这样，基于Newell-Sancha的画家算法我们独创了一种适合于微机的快速消隐算法。该算法主要解决两个方面的问题：
（1）对单个体素的显示进行可见性分析，消除单体平面片中被遮挡的部分；
（2）以体素为单位，确定体素之间的显示优先顺序。该算法能够实现正确消隐的条件是
（1）构成体素的发生线不相互交叉；
（2）多个体素之间不存在互相遮挡的现象；
（3）两体素的最小外接凸包之间不相互干涉。
当以上条件不满足时，可能出现局部的错误消隐。

主要参考文献
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