基于設(shè)計(jì)模型的數(shù)控仿真驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)研究

基于設(shè)計(jì)模型的數(shù)控仿真驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)研究

節(jié)省準(zhǔn)備的加工準(zhǔn)備技術(shù)有助于減少零件的切割，節(jié)約成本，提高工作效率，在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮重要作用。這一直是calgar技術(shù)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。CAD技術(shù)取得了非常廣泛的應(yīng)用,并衍生出新的發(fā)展空間,如醫(yī)學(xué)CAD,建筑CAD,電氣CAD和服裝CAD。在CAD技術(shù)得到廣泛應(yīng)用的同時(shí),CAM技術(shù)逐漸成為工程應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)商和科研機(jī)構(gòu)的研究重點(diǎn)和熱點(diǎn),并努力將CAM軟件向商品化和套裝化推進(jìn)。作為CAM技術(shù)中的關(guān)鍵組成技術(shù)之一的數(shù)控加工仿真驗(yàn)證技術(shù)成為CAM技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。以往數(shù)控加工仿真和驗(yàn)證通過(guò)兩種途徑來(lái)仿真數(shù)控加工:一種是通過(guò)繪制刀具的刀位軌跡,另一種是通過(guò)去除材料。前一種方法不需要將刀具同毛坯求交,對(duì)計(jì)算機(jī)的內(nèi)存和計(jì)算機(jī)的計(jì)算效率要求不高;能夠檢查出NC代碼的錯(cuò)誤,但不能自動(dòng)檢查刀具的干涉和碰撞。后一種方法需要將刀具同毛坯求交;不僅能夠檢查NC代碼的錯(cuò)誤,而且能夠檢驗(yàn)刀具的干涉和碰撞,但是對(duì)計(jì)算機(jī)的內(nèi)存和計(jì)算效率有較高的要求。這里的干涉和碰撞主要指刀具的過(guò)切、刀具和加工環(huán)境的碰撞以及刀具移動(dòng)過(guò)程中同已加工面的干涉。實(shí)體數(shù)控仿真是數(shù)控仿真發(fā)展的重要方向。實(shí)體數(shù)控仿真有很多優(yōu)勢(shì),如對(duì)實(shí)體可進(jìn)行多角度觀察,對(duì)加工毛坯進(jìn)行剖視觀察,對(duì)加工毛坯進(jìn)行尺寸和角度的度量;實(shí)體模型具有更多的幾何信息,如體積、幾何形心。但是快速布爾求交,快速刷新顯示速度依然是實(shí)體仿真的瓶頸。國(guó)內(nèi)對(duì)解決實(shí)體仿真的速度問(wèn)題還沒(méi)有找到較好的辦法。硬件的能力不可估量,但是在沒(méi)有出現(xiàn)高速硬件之前,為了能夠利用實(shí)體模型的特點(diǎn),有必要換一個(gè)角度來(lái)研究和實(shí)現(xiàn)支持實(shí)體的數(shù)控仿真驗(yàn)證。也為實(shí)體數(shù)控仿真的發(fā)展開(kāi)辟一個(gè)新的途徑。因而本文提出基于設(shè)計(jì)模型的實(shí)體數(shù)控仿真干涉檢查新方法,以一種新的視角來(lái)研究和實(shí)現(xiàn)實(shí)體數(shù)控仿真驗(yàn)證。1新方法原理的總結(jié)和優(yōu)勢(shì)1.1仿真驗(yàn)證模塊設(shè)計(jì)模型,即在實(shí)體造型系統(tǒng)中,設(shè)計(jì)出的零件模型,夾具模型,以及工作臺(tái)模型。以往數(shù)控仿真軟件,如Vericut、VNC和N-See2000均基于毛坯,即用刀具與毛坯求交來(lái)實(shí)現(xiàn)刀具的切削加工仿真。位于加工區(qū)域內(nèi)毛坯上任一點(diǎn),需要經(jīng)過(guò)多次切削才能獲得加工結(jié)果。假設(shè)刀具在某一點(diǎn)上進(jìn)行n次切削才能獲得該點(diǎn)的加工結(jié)果,那么在完成該點(diǎn)加工前的(n-1)次加工結(jié)果對(duì)工程設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)并不重要,對(duì)設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō),所需要的就是第n次數(shù)控仿真加工的結(jié)果,只有第n次數(shù)控加工的結(jié)果才能反映數(shù)控加工結(jié)果的好壞,因而對(duì)于前n-1次的結(jié)果在數(shù)控仿真驗(yàn)證中不需要顯示。為此不用毛坯與刀具求交,而用零件設(shè)計(jì)模型和加工環(huán)境(碰撞因素)的元素集合體同刀具求交,即基于設(shè)計(jì)模型來(lái)檢查過(guò)切、干涉和碰撞,記錄發(fā)生干涉的NC代碼行號(hào)。零件設(shè)計(jì)模型和加工環(huán)境的元素集合體,本文定義為干涉元素集合體,即可能引起干涉的元素的設(shè)計(jì)模型的組合體(參見(jiàn)圖1)。在實(shí)體造型系統(tǒng)中,設(shè)計(jì)零件和夾具,建造工作臺(tái)模型。在仿真驗(yàn)證模塊中,調(diào)入零件設(shè)計(jì)模型、夾具和工作臺(tái)等干涉元素模型,建立干涉元素集合體。定義刀具參數(shù),建造刀具實(shí)體;讀入NC代碼,用NC代碼驅(qū)動(dòng)刀具切削干涉元素集合體,通過(guò)將刀具掃掠體和干涉元素集合體作布爾交運(yùn)算判斷有無(wú)過(guò)切和碰撞,若交不為空,對(duì)工作臺(tái)和夾具等干涉元素而言,則發(fā)生碰撞干涉。而對(duì)零件,若交集為點(diǎn)線集,表示刀具恰好加工到設(shè)計(jì)尺寸,不發(fā)生過(guò)切;若交集為實(shí)體集,則發(fā)生過(guò)切干涉。根據(jù)刀具掃掠體和干涉元素集合體布爾求交所得非空交集表示的元素的體積是否為零區(qū)分點(diǎn)線集和實(shí)體集。若交為空,則不發(fā)生過(guò)切和碰撞。對(duì)因發(fā)生過(guò)切和碰撞新生成的面,著色顯示以增強(qiáng)視覺(jué)效果。實(shí)驗(yàn)證明該方法能夠檢查出刀具過(guò)切以及刀具同夾具、工作臺(tái)等干涉元素集合體的碰撞。1.2新方法的優(yōu)勢(shì)(1)有利于實(shí)現(xiàn)實(shí)體數(shù)控仿真驗(yàn)證以設(shè)計(jì)模型代替毛坯與刀具求交,使計(jì)算機(jī)程序易實(shí)現(xiàn),最主要的是,減少了布爾求減次數(shù),降低了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)修改頻率,從而可以節(jié)約計(jì)算機(jī)內(nèi)存、提高程序和系統(tǒng)運(yùn)行效率,有利于實(shí)現(xiàn)實(shí)體數(shù)控仿真驗(yàn)證。(2)基于psg的數(shù)控仿真驗(yàn)證與刀具求交的是一個(gè)可能引起干涉的元素集合體,有機(jī)床工作臺(tái)、夾具?？梢愿鶕?jù)需要在數(shù)控仿真中加入其他干涉元素,可對(duì)元素集合體進(jìn)行一定操作,如調(diào)整夾具位置和尺寸。有更多機(jī)會(huì)去考慮其他干涉元素,從而提高零件設(shè)計(jì)和加工質(zhì)量,以及夾具的設(shè)計(jì)質(zhì)量。此外這種方法有助于實(shí)現(xiàn)半成品零件的數(shù)控加工仿真驗(yàn)證,支持不規(guī)則毛坯的數(shù)控加工仿真驗(yàn)證。兼容性好:這種方法可以運(yùn)用到以往的數(shù)控仿真所有方法中,只是元素集合體的表達(dá)不盡相同,可以基于精確B-rep或CSG實(shí)體表達(dá),也可以基于Dexel模型和pixel模型表達(dá)。這種方法不會(huì)影響速度同精度之間的矛盾平衡,因而在提高速度上同樣可利用以前的所有方法。2新方法的實(shí)驗(yàn)2.1驗(yàn)證模塊cdk試驗(yàn)中設(shè)計(jì)模型均為實(shí)體模型,仿真驗(yàn)證模塊基于ACIS幾何造型平臺(tái)開(kāi)發(fā),該模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。將干涉元素集合體導(dǎo)入驗(yàn)證模塊(參圖2),用NC代碼驅(qū)動(dòng)刀具與干涉元素集合體求交,若交不為NULL,則發(fā)生干涉,記錄NC代碼行號(hào),著色干涉區(qū)域。刀具和干涉元素集合體的模型如圖1所示。干涉元素集合體在CAD軟件中設(shè)計(jì)完成,根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要,將需要檢查的元素加到零件設(shè)計(jì)模型中,最后以文件形式存放。刀具實(shí)體構(gòu)造,加工干涉檢查,記錄錯(cuò)誤代碼行號(hào)均由仿真驗(yàn)證模塊完成。2.2干涉元素單體在圖3和圖4中,離散精度均為1mm,驗(yàn)證速度均為8mm/間隔掃掠,NC代碼行數(shù)均為236,所用時(shí)間均為75s。在圖5和圖6中,離散精度均為1mm,驗(yàn)證速度均為15mm/間隔掃掠,NC代碼行數(shù)為836,所用時(shí)間為258s。干涉元素集合體是用南京航空航天大學(xué)SupermanCAD/CAM2000造型和生成相應(yīng)的數(shù)控加工代碼。注:以上離散精度、驗(yàn)證速度的定義參見(jiàn)2.3.4改善實(shí)體仿真驗(yàn)證速度2.3實(shí)驗(yàn)和解決方案2.3.1圖形編碼接口目前CAD軟件很多,如AutoCAD、Pro/Engineering、CATIA、UG等,它們的圖形格式不盡相同,因而仿真驗(yàn)證模塊必須支持多種CAD文件格式。通常有兩種解決方案,一、開(kāi)發(fā)不同圖形格式的接口,適應(yīng)多CAD系統(tǒng)的要求;二、以一種圖形格式作為仿真驗(yàn)證系統(tǒng)認(rèn)可的圖形格式,一方面目前的CAD軟件可以將圖形保存為不同格式的圖形文件。另一方面通用圖形格式轉(zhuǎn)換器的研制和開(kāi)發(fā),如Spatial公司的3DInterOpTranslators。試驗(yàn)中以Spatial公司的ACIS(*.sat)格式作為仿真驗(yàn)證系統(tǒng)支持的中介圖形格式。2.3.2坐標(biāo)系原點(diǎn)的確定自動(dòng)編程軟件,在計(jì)算刀軌時(shí)設(shè)定了自己的坐標(biāo)原點(diǎn),即程序的編程原點(diǎn)。而CAD軟件,在設(shè)計(jì)零件時(shí),也設(shè)定了自己的坐標(biāo)原點(diǎn),即模型的設(shè)計(jì)原點(diǎn)?；谠O(shè)計(jì)模型的數(shù)控仿真驗(yàn)證,要求設(shè)計(jì)原點(diǎn)和編程原點(diǎn)一致,否則不能獲得正確的驗(yàn)證結(jié)果。為了保證正確的驗(yàn)證結(jié)果,務(wù)必使集合體的設(shè)計(jì)坐標(biāo)原點(diǎn)與程序的編程原點(diǎn)一致。這樣對(duì)自動(dòng)編程軟件有個(gè)要求,即以設(shè)計(jì)坐標(biāo)原點(diǎn)作為程序的編程原點(diǎn)生成刀軌,或者提供兩個(gè)坐標(biāo)原點(diǎn)轉(zhuǎn)換坐標(biāo)數(shù)據(jù),以在仿真驗(yàn)證模塊中調(diào)整元素集合體的位置。2.3.3加工半徑的使用數(shù)控機(jī)床的類(lèi)別很多,所用控制系統(tǒng)不完全相同,后置處理方法不完全相同,因而相應(yīng)NC代碼的格式和表示也不完全相同。例如NC代碼起始和終止標(biāo)記,有用“%”表示,有用“;”表示;圓弧加工半徑有用R指定,有用IJK指定,而IJK數(shù)值有的表示圓心的絕對(duì)坐標(biāo),有的表示圓心對(duì)起點(diǎn)的相對(duì)坐標(biāo),有的則表示起點(diǎn)對(duì)圓心的相對(duì)坐標(biāo),有的則表示圓弧半徑在X、Y、Z坐標(biāo)方向上的投影值。可見(jiàn)對(duì)NC代碼的解釋翻譯是個(gè)難點(diǎn),本文采用一個(gè)通用NC代碼翻譯器來(lái)解決這一難點(diǎn)。2.3.4設(shè)計(jì)離散精度設(shè)置器實(shí)體數(shù)控仿真驗(yàn)證中最為關(guān)鍵的就是速度問(wèn)題。提高實(shí)體仿真驗(yàn)證速度的有兩種方案:一是在仿真驗(yàn)證系統(tǒng)中放置一個(gè)開(kāi)關(guān)以控制布爾求交是否進(jìn)行。這樣做的目的是,在不可能干涉的區(qū)域不求交,在可能干涉的區(qū)域求交,以提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。二是用離散位置的刀具實(shí)體的組合來(lái)代替刀具掃掠體與干涉元素集合體求交,以提高程序的效率,如圖7所示。程序中設(shè)一離散精度設(shè)置器,在細(xì)節(jié)區(qū)域任意加大驗(yàn)證力度,如圖8所示。實(shí)驗(yàn)中采用了該方法。離散精度定義為離散兩個(gè)刀位點(diǎn)間掃掠路徑的等分步長(zhǎng),單位為mm。驗(yàn)證速度定義為每次掃掠刀具掃過(guò)的掃掠路徑長(zhǎng)度,大小為離散精度倍數(shù),單位為mm/掃掠。通過(guò)調(diào)節(jié)本文所定義驗(yàn)證速度和離散精度,來(lái)改善實(shí)體仿真驗(yàn)證速度。3干涉碰撞實(shí)驗(yàn)本文以一種新視角來(lái)研究和實(shí)現(xiàn)實(shí)體數(shù)控仿真驗(yàn)證,提出了數(shù)控仿真驗(yàn)證的新方法,以干涉元素集合體來(lái)代替毛坯與刀具求交,根據(jù)求交的結(jié)果判斷干涉碰撞是否發(fā)生。該方