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隨著并行工程、敏捷制造、虛擬制造等先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，要求在制造之前就能預(yù)測產(chǎn)品的加工過程的情況和產(chǎn)品質(zhì)量。在實(shí)際數(shù)控加工之前，對(duì)數(shù)控代碼(NC代碼)進(jìn)行仿真，驗(yàn)證加工代碼的可行性和最優(yōu)性，因而可以直觀地顯示切削過程并預(yù)測切削結(jié)果，為優(yōu)化切削工藝、選擇加工參數(shù)提供依據(jù)變的越來越重要。 數(shù)控加工的仿真分為幾何仿真和物理仿真兩部分。幾何仿真的主要目的是驗(yàn)證刀具路徑的正確性，驗(yàn)證加工代碼是否可行，并為物理仿真提供必要的切削幾何信息，如材料去除體積、切削速度、軸向切削深度等。物理仿真主要是力學(xué)仿真，它是虛擬數(shù)控加工過程仿真的核心部分，其內(nèi)涵就是綜合考慮實(shí)際切削中的各種因素，建立與實(shí)際切削擬合程度高的數(shù)學(xué)模型，從真正意義上實(shí)現(xiàn)虛擬加工與實(shí)際加工的“無縫連接”，滿足虛擬數(shù)控加工的沉浸感和交互感。 在各種商用軟件中，已有了許多不同的幾何仿真軟件，國內(nèi)許多研究團(tuán)隊(duì)也在不斷的嘗試開發(fā)新的算法來提高幾何仿真顯示的準(zhǔn)確度與效率。其中，以Dassault公司Delmia中的Visual NC在幾何仿真方面處理的比較優(yōu)秀。 在物理仿真方面，雖然已有了一些商用軟件可以進(jìn)行仿真，國內(nèi)也有一些研究團(tuán)隊(duì)致力于物理仿真的研究，但是，這方面的研究仍舊沒有完善。 2.數(shù)控加工中的幾何仿真 數(shù)控加工的幾何仿真是指根據(jù)刀具運(yùn)動(dòng)的軌跡與刀具的外型對(duì)工件進(jìn)行切除的模擬過程。傳統(tǒng)的方法是使用試切法，即使用便宜的材料使用實(shí)際的機(jī)床進(jìn)行切削，以檢測是否存在碰撞或是干涉。這種方法費(fèi)用高耗時(shí)長，降低了生產(chǎn)效率。 現(xiàn)在利用計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)控加工過程的模擬,即利用計(jì)算機(jī)模擬刀具沿著加工路徑與被加工工件(毛坯)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)對(duì)加工中的刀具移動(dòng)、切削等過程的監(jiān)控和對(duì)加工代碼正確性的驗(yàn)證。這種方法大大的縮短了生產(chǎn)的準(zhǔn)備時(shí)間。常用的方法有兩種：離散法和實(shí)體造型法。 2.1離散法 離散法通常包括視向離散法和三角片離散法兩種。 基于圖像空間的視向離散法是較為常見的方法,其基本工作原理是:沿視線方向離散工件和刀具,取二者中最前的顏色作為布爾運(yùn)算的結(jié)果并直接寫入光柵顯示器的顯示緩存。由于只在視線方向上作一維布爾運(yùn)算,并且運(yùn)算與顯示合二為一,所以這種方法有很高的實(shí)時(shí)性。其缺點(diǎn)是:因?yàn)槊鞯脑紨?shù)據(jù)都已經(jīng)轉(zhuǎn)化為像素值,而這些像素點(diǎn)是依賴于顯示屏幕的,所以對(duì)加工結(jié)果無法進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、放大等操作,同時(shí)難以進(jìn)行加工誤差檢驗(yàn)。 另一種方法為三角片離散法。三角片離散法是指，將工件用三角片離散化，將上表面離散為均勻點(diǎn)陣，再將這些點(diǎn)陣連接成三角網(wǎng)格。當(dāng)模擬切削時(shí)，根據(jù)刀具的高度不斷的改變上表面點(diǎn)陣的高度，再對(duì)三角網(wǎng)格進(jìn)行真實(shí)感渲染，以此仿真數(shù)控加工的過程。 在三角片離散法中，其關(guān)鍵是三角片的精度與計(jì)算速度間的矛盾。即，三角片越密集，圖象的清晰準(zhǔn)確度越高，而運(yùn)算速度越慢，相反，三角片越稀疏，圖象準(zhǔn)確度越低，但運(yùn)算速度卻可以加快。基于這個(gè)矛盾，[1]中提出了在有必要精確描述的形狀復(fù)雜的區(qū)域多使用三角片，而在形狀簡單的區(qū)域少使用三角片的方法。再[2]中也使用了區(qū)域搜索所需重繪的三角形的方法來提高運(yùn)算效率，并提出了評(píng)定三角片算法的三個(gè)指標(biāo)：緊致性、保守性和評(píng)估效率。 離散法較實(shí)體造型法效率通常要高許多，基本都可以實(shí)現(xiàn)顯示的實(shí)時(shí)性，但由于將實(shí)體向平面離散，使得結(jié)果中缺乏了許多工件原有的三維信息。 2.2實(shí)體造型法 實(shí)體造型法可以提供三維形體最完整的幾何和拓?fù)湫畔ⅲ梢赃M(jìn)行準(zhǔn)確的過程仿真和刀位軌跡驗(yàn)證。仿真中的模型有精確模型和近似模型，其中精確模型包括GSC與B-rep,近似模型包括八叉樹，單元體等。在早期的實(shí)體仿真中，主要對(duì)精確模型進(jìn)行操作。在體素構(gòu)造表示中，切削可以看做是一個(gè)布爾減的過程，邊界表示法中，切削可以看做工件表面的重構(gòu)數(shù)控加工的可視化仿真 但是這些表示方式的計(jì)算復(fù)雜度太高，（CSG的復(fù)雜度是n4，其中n是走刀求交的次數(shù)）一些基于近似模型的方法也被引入實(shí)體造型法中，如[3]中提到的Cuboid-array模型方法，就是一種基于八叉樹的模型的變形。另一方面一些與離散法相結(jié)合的仿真方法，空間離散表示法。在這類方法中，將工件所在的空間劃分成具有簡單數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基本元素，如Z-Buffer,G-Buffer,Dexel等，由此簡化工件模型與刀具掃描之間的布爾運(yùn)算操作，從而提高了效率。 總體上說，實(shí)體造型法的效率要低于離散法，不過，實(shí)體造型法保留了三維實(shí)體的完整的幾何信息和拓?fù)湫畔ⅲ梢詾橄乱徊降挠^察和物理仿真提供有效的數(shù)據(jù)，而不是如離散法，只是單純的生成圖片效果的仿真效果。隨著計(jì)算機(jī)速度的不斷增加，實(shí)體造型法將得到越來越廣泛的運(yùn)用。 3.數(shù)控加工中的物理仿真 物理仿真主要是力學(xué)仿真，研究工件在切削時(shí)的物理狀態(tài)，只有對(duì)物理仿真的機(jī)理研究透徹，才能真正意義上的滿足虛擬制造的目的，即實(shí)際加工過程在計(jì)算機(jī)上的真實(shí)映射。 物理仿真的主要內(nèi)容包括切削力仿真、加工誤差仿真、切屑的生成過程仿真、刀具的偏移、變形和磨損仿真、及數(shù)控切削機(jī)床的振動(dòng)與溫度仿真等。 切削力是物理仿真中的基本因素，通常被認(rèn)為單位時(shí)間材料去除率的函數(shù)。據(jù)此可得到刀具大致的受力情況，之后再用有限元法進(jìn)行進(jìn)一步處理得到切削力在刀具上的具體分布。 影響工件加工誤差的因素主要為定位誤差，其他影響因素還包括機(jī)床運(yùn)動(dòng)精度誤差、刀具尺寸誤差、主軸便移、導(dǎo)軌變形、夾緊力、刀具、零件熱變形和彈性變形誤差及加工方法引起的誤差等。根據(jù)這些誤差的影響程度大小不同，加入權(quán)值的概念，進(jìn)行模糊綜合評(píng)判即可得加工精度的總誤差。 切削生成過程的實(shí)時(shí)仿真是虛擬數(shù)控與實(shí)際加工“無縫連接”和同步顯示的主要環(huán)節(jié)，切削的生成、卷取、折斷以及生成的形狀受很多因素的影響，如刀具的幾何形狀、切削液、工件和刀具的材料，以及刀具與工件的受力情況。研究表明，當(dāng)切削厚度很小時(shí)，切削厚度與切削力呈線性關(guān)系。 刀具的磨損和偏移會(huì)很大的影響到數(shù)控加工的加工誤差和產(chǎn)品質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，每單位進(jìn)給距離與單位面積的刀具磨損體積與切削溫度和壓應(yīng)力有關(guān)。將刀具簡化為懸臂梁，其主要受力為刀頭受到的切削力，經(jīng)計(jì)算即可得到刀具的偏移。 加工溫度是影響刀具和工件加工屬性的一個(gè)重要因素，其中磨削和車削的加工過程是連續(xù)的，較易用公式描述，而銑削是間歇性切削，需要用一些修正來進(jìn)行描述。 動(dòng)力可能引起的振動(dòng)也將影響工件的加工表面精度。對(duì)機(jī)床振動(dòng)的實(shí)時(shí)仿真可以提供避免或減少振動(dòng)的依據(jù)，合理的選擇加工條件。對(duì)機(jī)床振動(dòng)的影響中，有兩個(gè)比較顯著的因素：（1）機(jī)床、工件及刀具和隨切削力向量的位置和方向變化的系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)。（2）與切削力相關(guān)的加工材料、刀具形狀和材料、切削狀況、刀具磨損類型和磨損量等變化的動(dòng)力學(xué)行為。 切屑和刀具面的摩擦力影響著切屑的形狀、系統(tǒng)的溫度等許多因素。摩擦力在刀具切削刃進(jìn)入工件到離開工件的時(shí)間內(nèi)是變化的，切削摩擦力的大小與系統(tǒng)溫度之間相互影響，這就需要互相協(xié)調(diào)這幾個(gè)因素，而得到最優(yōu)的加工效果。 給出的這些因素只是在數(shù)控加工中會(huì)影響到最后工件質(zhì)量的一些因素，這些因素之間也會(huì)相互影響，有些也會(huì)成為設(shè)計(jì)中需直接考慮的因素，所以在綜合考慮這些因素的時(shí)候應(yīng)當(dāng)相互協(xié)調(diào)以得到最佳的加工結(jié)果。 4.數(shù)控仿真在商用軟件中的運(yùn)用 在許多常見的商用軟件中已經(jīng)有了較為完善的數(shù)控幾何仿真的功能，下面對(duì)Dassault公司的兩個(gè)可以進(jìn)行數(shù)控加工幾何仿真的軟件進(jìn)行一些簡單的介紹。 4.1 Catia中的數(shù)控幾何仿真 Catia作為Dassualt公司推出的大型CAD造型軟件以被人們所熟知，它不僅包括了強(qiáng)大的CAD造型功能，也包含了強(qiáng)大的CAM功能和基本的CAE功能。在它的CAM功能中，可以進(jìn)行數(shù)控加工的幾何可視化仿真。 Catia中的可視化仿真是在G/M代碼生成之前，僅限于對(duì)刀具與工件間是否發(fā)生碰撞，以及所設(shè)定的路徑是否能夠進(jìn)行準(zhǔn)確完全的加工進(jìn)行檢驗(yàn)。 其具體過程如下：在確定需加工的工件與加工參數(shù)和確定刀具參數(shù)后生成刀具軌跡，通過這個(gè)軌跡對(duì)工件進(jìn)行切削，將切削過程的工件減少的狀況經(jīng)可視化處理后反饋給用戶。 在這個(gè)過程中，工件固定，而刀具相對(duì)于工件移動(dòng)，當(dāng)?shù)毒吲c工件相交時(shí)，從工件中減去相交的部分。這個(gè)過程只考慮到了刀具與工件的局部干涉，而當(dāng)?shù)毒叩姆乔邢鞑糠峙c工件碰撞時(shí)則不會(huì)顯示。且工件固定而刀具移動(dòng)有時(shí)并不符合實(shí)際的加工狀況，也沒有將機(jī)床與刀具或工件的碰撞考慮進(jìn)去。故這個(gè)仿真過程只是一個(gè)大概的初步的仿真過程。 4.2Visual NC中的數(shù)控幾何仿真 Dassualt的Delmia中的Visual NC模塊提供了一個(gè)全面的具體的幾何仿真過程，將機(jī)床的實(shí)際狀況考慮了進(jìn)去，并使用符合所用機(jī)床的G/M代碼進(jìn)行控制，真正的實(shí)現(xiàn)了幾何上的所見即所得。 在Visual NC中，使用的是B-rep模型，將物體用幾何信息與拓?fù)湫畔⒚枋觥Ｊ褂眠@種模型進(jìn)行切削仿真時(shí)的復(fù)雜度為n或n2，刀具與工件切削的過程可以看作幾何信息與拓?fù)湫畔⒌闹匦逻\(yùn)算。在模型的建立時(shí)，只產(chǎn)生點(diǎn)，線，面，多邊形等簡單的簡單的元素，可以降低模型的復(fù)雜程度。另一方面，它在建立模型時(shí)提供了近似精度的選擇。如：在建立圓的模型時(shí)，它會(huì)詢問構(gòu)成圓的頂點(diǎn)數(shù)，用戶可以通過設(shè)置這個(gè)選項(xiàng)來控制所出圖形與真實(shí)圓的相似程度（設(shè)置３個(gè)頂點(diǎn)為三角形，４個(gè)為正方形，當(dāng)點(diǎn)的數(shù)目足夠大時(shí)，就可以近似表現(xiàn)一個(gè)圓）。 其仿真過程的第一部是機(jī)床模型的建立，因?yàn)樵赩isual NC中將機(jī)床的實(shí)際情況考慮到數(shù)控加工過程中，所以需要建立機(jī)床模型。機(jī)床模型可以通過其自帶的CAD功能建立，也可以由其他系統(tǒng)中生成導(dǎo)入，必須注意的時(shí)，導(dǎo)入的文件在Visual NC中為一個(gè)整體，仍需進(jìn)一步進(jìn)行關(guān)聯(lián)的設(shè)置。機(jī)床模型分為兩個(gè)大的部分，固定部分與運(yùn)動(dòng)部分。一般來說，在模型的建立時(shí)，需要將機(jī)床的各個(gè)運(yùn)動(dòng)部分分開，但是固定部分可以作為一個(gè)整體。在運(yùn)動(dòng)部分的建立時(shí)應(yīng)該注意其原點(diǎn)的X,Y,Z方向，因?yàn)檫@將是它的運(yùn)動(dòng)控制方向和同機(jī)床其他部分關(guān)聯(lián)時(shí)的方向。在模型建立后應(yīng)該對(duì)各運(yùn)動(dòng)部分進(jìn)行運(yùn)動(dòng)關(guān)聯(lián)，設(shè)置它的運(yùn)動(dòng)方向和在MIMIC語言中的軸的序號(hào)，并設(shè)置各個(gè)部分在其進(jìn)給方向上可以運(yùn)動(dòng)的最大范圍。 第二步需要設(shè)置工件、刀具和夾具，工件、刀具和夾具都可由實(shí)體轉(zhuǎn)變而成，刀具中又細(xì)分為切削部分和刀柄部分，一般刀具由這兩部分組成，只有切削部分與工件相交才會(huì)進(jìn)行切削。在工件刀具和夾具都設(shè)置好后需要對(duì)各部分的碰撞進(jìn)行設(shè)置。一般來說，將機(jī)床與工件、刀具和夾具的全部進(jìn)行碰撞檢測即可，當(dāng)發(fā)生碰撞時(shí)，碰撞部分會(huì)被加亮。 在系統(tǒng)的幾何外型都設(shè)置完畢后，需要對(duì)機(jī)床的控制進(jìn)行設(shè)置，其設(shè)置的語言為MIMIC語言，它通過控制機(jī)床的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)屬性等因素來控制機(jī)床的移動(dòng)，在使用適當(dāng)?shù)腗IMIC語言后，虛擬機(jī)床對(duì)所給G/M代碼的反應(yīng)程度應(yīng)當(dāng)與實(shí)際相同。 在全部設(shè)置完畢后可以導(dǎo)入數(shù)控代碼對(duì)其進(jìn)行加工仿真，仿真過程中，可以對(duì)工件的切削過程，刀具的運(yùn)動(dòng)情況，是否發(fā)生干涉，機(jī)床是否超出運(yùn)動(dòng)范圍等狀況進(jìn)行檢測，并可以在得到結(jié)果后對(duì)工件進(jìn)行測量，以檢驗(yàn)工件加工后所得的尺寸是否符合加工的要求（不含工件的誤差）。 從整體上看，Visual NC對(duì)數(shù)控加工的幾何仿真已經(jīng)做到了比較完善的地步，在幾何仿真所希望得到的數(shù)據(jù)及效果都已經(jīng)被考慮進(jìn)去，加入了機(jī)床的設(shè)置使的系統(tǒng)具有更大的適應(yīng)性。且在顯示速度方面也能滿足實(shí)時(shí)顯示的要求。 5.總結(jié) 數(shù)控加工的仿真是現(xiàn)代化制造中的一個(gè)重要過程，它為實(shí)際的生產(chǎn)過程提供了可靠的依據(jù)和質(zhì)量的保證。在對(duì)幾何仿真的過程中，研究主要集中在運(yùn)算的效率與顯示精度的綜合最優(yōu)化中。在對(duì)物理仿真的過程并沒有過于完善的研究，商用軟件中的仿真也并沒有專門的模塊，只是有限元的運(yùn)用。對(duì)物理仿真的研究還有很大的空間。 |
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