1 引言

傳統(tǒng)的加工仿真方法是通過直觀的圖形顯示來進(jìn)行數(shù)控程序的加工仿真和干涉碰撞檢查，即在計(jì)算機(jī)上用線框模擬刀具沿刀具路徑在工件上的加工過程。近年來，隨著微型計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，基于實(shí)體造型的三維數(shù)控仿真技術(shù)在工程上的應(yīng)用日益廣泛，有文獻(xiàn)研究了在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下，應(yīng)用多媒體技術(shù)進(jìn)行數(shù)控加工仿真的技術(shù)。這些新的加工仿真技術(shù)的出現(xiàn)使數(shù)控程序的加工仿真進(jìn)人一個(gè)新的階段。

本文針對(duì)數(shù)控車削加工仿真進(jìn)行了研究并建立了數(shù)控車削動(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)。

2 數(shù)控車削加工仿真流程

本文設(shè)計(jì)的數(shù)控車削仿真系統(tǒng)既可以對(duì)手工編制的單機(jī)數(shù)控車削程序進(jìn)行仿真，也可以作為CAD/CAPP/CAM集成制造系統(tǒng)中的一個(gè)子系統(tǒng)，對(duì)集成制造系統(tǒng)自動(dòng)產(chǎn)生的數(shù)控車削程序進(jìn)行仿真。該系統(tǒng)可以完成對(duì)子程序的處理，允許運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)的續(xù)效代碼和注釋行的存在，并且支持多種數(shù)控代碼格式，是一個(gè)通用的數(shù)控車削NC 程序仿真系統(tǒng)，其工作流程如圖1所示。

圖1 數(shù)控車削加工仿真系統(tǒng)的工作流程

數(shù)控車削加工仿真系統(tǒng)包括四個(gè)部分：NC代碼詞法和語法分析、刀具加工軌跡仿真、刀具加工過程仿真和刀具加工過程中的干涉碰撞檢查。具體的仿真過程是：首先仿真系統(tǒng)通過對(duì)NC程序進(jìn)行兩次掃描分析，完成對(duì)NC程序的編譯解釋和對(duì)NC程序的語義分析與坐標(biāo)變換，此后，生成一個(gè)NC坐標(biāo)信息文件；其次NC坐標(biāo)文件解釋程序從NC坐標(biāo)信息文件中讀取加工仿真所需的刀具信息、刀具運(yùn)動(dòng)指令及坐標(biāo)信息，并從刀具庫中讀取相應(yīng)的加工刀具信息；最后調(diào)用相應(yīng)的加工仿真算法，完成零件的刀具軌跡仿真、加工過程仿真和干涉碰撞檢查等仿真過程。在加工仿真時(shí)．既可以進(jìn)行數(shù)控代碼的全過程仿真，也可以進(jìn)行單工步加工仿真，具有很大的靈活性。

3 NC程序的編譯解釋

1. NC程序格式


2. NC程序詞法和語法分析


3. NC程序編譯解釋


數(shù)控程序是由數(shù)控指令組成的，一般一條數(shù)控指令完成一個(gè)操作功能，NC程序是由若干條數(shù)控指令按照一定的結(jié)構(gòu)構(gòu)成的。一個(gè)完整的數(shù)控加工程序是由若干程序段組成的。常用的程序段格式有：固定順序程序段格式、有分隔符的固定順序程序段格式和字地址程序段格式。目前常采用字地址程序段格式，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織制定了字地址程序段格式ISO-6983-1-1 982標(biāo)準(zhǔn)，其形式為
N… G… X±… Z±… I±… J±… K±… M… S… T… F…
其中G指令、M指令及F、S、T指令代碼描述數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)方式、加工類型、主軸狀態(tài)、冷卻液的開關(guān)、進(jìn)給速率、主軸轉(zhuǎn)速的設(shè)置和刀具的選擇等。X、Z、I、J、K為坐標(biāo)指令字，分別描述刀心位置坐標(biāo)值及加工軌跡中圓弧的圓心坐標(biāo)等。
對(duì)NC程序解釋編譯是按照數(shù)控程序的書寫規(guī)則進(jìn)行的。詞法和語法分析的實(shí)質(zhì)是將NC程序與ISO數(shù)控程序標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行匹配檢查，針對(duì)FUNAC數(shù)控系統(tǒng)設(shè)置了20多條檢查規(guī)則，例如：



• NC程序有效字符：%，N, G, M, T, F, S, X, Y, Z, I, J, K, R, 0～9, (,), /;


• 第一行必須是%或注釋行；


• G代碼后必須是兩位數(shù)字，并且一定是有效代碼．如G00、G01、G02、G50、G92等；


• 同組G代碼在同一段中不能同時(shí)存在，如G01與G02或G03等不能同時(shí)出現(xiàn)在同一程序段內(nèi)；


• M代碼后必須是兩位數(shù)字，并且一定是有效代碼，如M01、M02、M08等：


• T代碼后必須是數(shù)字，且符合TXXYY格式，其中XX值不能大于刀庫容量，YY竹值不能大于刀具補(bǔ)償號(hào)容量；


• S代碼后必須是數(shù)字，且必須在主軸轉(zhuǎn)速范圍之內(nèi)；




…
NC程序的編譯過程是先建立一個(gè)與數(shù)控代碼程序段格式相對(duì)應(yīng)的Vbuffer類對(duì)象，把此對(duì)象作為一個(gè)臨時(shí)緩沖區(qū)，將程序段中的數(shù)控加工信息依次讀出，經(jīng)解釋變換后寫入NC坐標(biāo)信息文件中，該文件是刀具軌跡仿真的驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的方法逐行順序讀人數(shù)控代碼，故系統(tǒng)支持坐標(biāo)字和數(shù)控指令字續(xù)效代碼的處理。







圖2 刀具運(yùn)動(dòng)軌跡仿真算法流程

4 仿真行為

1. 刀具軌跡的動(dòng)態(tài)加工仿真


2. 零件加工過程動(dòng)態(tài)仿真


3. 零件加工過程干涉碰撞檢查


刀具軌跡動(dòng)態(tài)仿真是根據(jù)要進(jìn)行仿真的數(shù)控代碼，在計(jì)算機(jī)屏幕上動(dòng)態(tài)顯示刀具軌跡，以運(yùn)動(dòng)軌跡的方式來直觀顯示零件具體的加工過程；進(jìn)行刀具軌跡動(dòng)態(tài)仿真時(shí)，順序讀入NC坐標(biāo)信息文件，獲取數(shù)控指令(直線、圓弧指令等)和命令參數(shù)(起點(diǎn)、終點(diǎn)和圓心坐標(biāo)等)，然后執(zhí)行相應(yīng)的軌跡處理：對(duì)于直線和圓弧命令，則要根據(jù)其起止運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)，進(jìn)行直線和圓弧的插補(bǔ)運(yùn)算，得到運(yùn)動(dòng)過程中離散的中間點(diǎn)的坐標(biāo)值，然后動(dòng)態(tài)顯示刀具運(yùn)動(dòng)軌跡。刀具運(yùn)動(dòng)軌跡仿真算法流程如圖2所示。
為了清楚地表達(dá)刀具的軌跡運(yùn)動(dòng)過程，仿真畫面將顯示零件毛坯、零件外形輪廓、夾具、起刀點(diǎn)、刀具運(yùn)動(dòng)軌跡、退刀點(diǎn)和輔助加工信息等。并用不同的顏色來表示不同的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡。刀具軌跡加�。悍抡娴膬�(yōu)點(diǎn)是可以簡單直觀地檢測(cè)刀具運(yùn)動(dòng)軌跡的正確性，計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)較少，顯示速度快，故可獲得很好的動(dòng)態(tài)顯不效果。











(a)	(b)
圖3 加工過程動(dòng)態(tài)仿真車削加廠模型


為了實(shí)時(shí)顯示加工刀具的形狀和運(yùn)動(dòng)過程，需建立一個(gè)刀具切削加工模型。為簡化建模過程，對(duì)于車削刀具，將標(biāo)準(zhǔn)(ISO)刀具和非標(biāo)準(zhǔn)刀具統(tǒng)一成標(biāo)準(zhǔn)的切削模型，圖3a為粗、精車刀和螺紋刀，圖3b為切槽刀其中k_r為主偏角，k_r'為副偏角，E_r為刀尖角，t_w為槽刀寬度；同時(shí)建立一加工刀庫配置文件來管理各種刀具的幾何與物理描述數(shù)據(jù)在進(jìn)行加工過程仿真時(shí)，根據(jù)數(shù)控代碼中的指令，在刀庫配置文件中選擇相應(yīng)的刀具，在夾具資源庫中選擇相應(yīng)的夾具和夾緊方式，真實(shí)地反映加工過程，以觀察刀具和夾具的干涉和碰撞情況。
加工過程動(dòng)態(tài)仿真算法流程和刀具運(yùn)動(dòng)軌跡仿真算法流程是一致的(圖2所示)，不同的是刀具運(yùn)動(dòng)軌跡仿真是用“運(yùn)動(dòng)點(diǎn)”來動(dòng)態(tài)顯示刀具軌跡，而加工過程動(dòng)態(tài)仿真算法是用“刀具模型”顯示刀具軌跡，并實(shí)時(shí)顯示毛坯的去除過程。根據(jù)切削加工模型，當(dāng)?shù)毒咛幱谇邢骷庸み\(yùn)動(dòng)時(shí)，用背景色填充刀具切削部分來進(jìn)行加工過程仿真：該方法只適用于二維車削的平面仿真情況，與毛坯的形狀無關(guān)，亦不需額外的判斷和計(jì)算過程，對(duì)汁算機(jī)的性能要求不高，微機(jī)的顯示速度完全可以滿足實(shí)時(shí)性的要求。
二維車削加工干涉碰撞是指，由于數(shù)控指令錯(cuò)誤或刀具參數(shù)選擇不當(dāng)而造成的刀具與工夾具之間及刀具和己加工表面或待加工表面發(fā)生干涉碰撞的情況。干涉碰撞檢查算法是，在任一加工時(shí)刻，將切削刀具包圍輪廓和靜止件(機(jī)床和夾具等)包圍輪廓作二維布爾運(yùn)算，如有相交情況，則說明該加工工步位置有碰撞清況發(fā)生，需修改加工指令。







圖4 加工過程中刀具的干涉碰撞檢查示意圖








圖5 干涉檢查算法流程


具體的干涉碰撞檢查算法，是在插值點(diǎn)將加工刀具的主偏角和副偏角與直線傾斜角度比較，對(duì)于圓弧段輪廓，則與該插值點(diǎn)在圓弧輪廓的切線的傾斜角進(jìn)行比較，并區(qū)分順圓和逆圓兩種情況。以右車刀切外輪廓為例，其對(duì)于直線和圓弧的干涉檢查如圖4所示。檢查結(jié)果將寫入一個(gè)干涉報(bào)告中，圖4中，k_r為主偏角．k_r'為副偏角，E_r為刀尖角，A為與切削加工方向相反的傾斜角，B為與切削加工方向相同的傾斜角。當(dāng)A>k_r時(shí)，刀具副切削刃和零件表面發(fā)生干涉，當(dāng)180°+B<180°-k_r時(shí)，刀具的主切削刃和零件表面發(fā)生干涉，這時(shí)將發(fā)生過切現(xiàn)象二對(duì)于不同的加工方向和加工輪廓，上述判別式應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。
零件加工過程干涉碰撞檢查的算法流程如圖5所示。

5 結(jié)語

零件加工動(dòng)態(tài)模擬仿真可以比較真實(shí)地反映出實(shí)際的切削加工過程，不僅可檢查數(shù)控代碼的正確性，還可以檢查加工過程中刀具與工件、刀具與機(jī)床以及刀具與夾具之間是否有干涉(碰撞或過切)現(xiàn)象，如果仿真過程中發(fā)現(xiàn)刀具軌跡錯(cuò)誤或有干涉現(xiàn)象產(chǎn)生，可以馬上停止，并對(duì)加工程序?qū)嵤┬拚�，保證了加工質(zhì)量。