并联机床数控加工过程仿真方法的开发

作者：王哲 王知行 钟诗胜

欢迎访问e展厅 展厅 1 加工中心/FMS展厅 车铣加工中心, 铣削加工中心, 钻铣加工中心, 镗铣加工中心, 五轴加工中心, ... 摘要：针对六自由度数控铣床—并联机床的数控加工，本文提出一种新的加工过程仿真算法。该算法基于观察坐标系，利用扫描线算法在精度范围内表示工件和刀具，从而将复杂的三维布尔运算简化为一维布尔运算。笔者在微机上利用VC++，根据这种新算法，开发出并联机床数控加工过程仿真系统，实现了并联机床数控加工过程仿真。 关键词：并联机床；数控加工；仿真；布尔运算；集成 并联机床作为一种新型数控机床，同传统的串联数控机床差别较大，因此，其数控部分需要单独开发，与其配套的CAD/CAM系统也同样如此。我们针对自行开发的并联机床的 数控系统，开发了一套CAD/CAM系统，并实现了CAD/CAM之间的无缝集成。本文主要介绍CAM的核心部分——数控加工过程仿真。它主要用来验证加工复杂曲面刀位的正确性。传统的刀位验证方式为试切法，这种验证方式耗时长、成本高。因此，应用仿真加工过程以验证刀位的正确性具有重要的现实意义。 目前，模拟去除材料过程的基本方法可分为两类：基于造型的方法［1，2］和基于视觉坐标的方法［3，4］。基于造型的加工过程仿真法具有较高的表示精度，仿真结果能和设计 零件进行精确的精度检验，但这种方法数据结构复杂，计算量大，并且受到造型可靠性的制约。基于视觉坐标的加工过程仿真法能较快地、甚至实时地仿真切削过程，但用这种方法进行仿真视向固定，仅限于三坐标加工过程仿真。笔者基于观察坐标系，采用扫描线算法开发了并联机床的加工过程仿真系统，实现多坐标数控加工过程仿真。 1 算法描述 1.1 建立观察坐标系 观察坐标系的建立是以用户的观察方向Vo作为观察坐标系的Z轴Zv方向，在世界坐 标系下分别确定观察坐标系的坐标原点Ov和一个参考方向——向上矢量Vr，则观察坐标系可由下式确立： Xv=Vo×Vr Yv=-Xv×Vo Zv=Vo 1.2 工件和刀具的表示 将工件及刀具形体表面基于自身坐标系进行三角形网格离散，形成各自的面链表， 其数据结构如下： struct Face { file://三角平面顶点坐标 double P［3］［3］; file://三角平面法矢 double Normal［3］; struct Face *next; } 将工件和刀具形体变换到观察坐标系后，用扫描线算法计算每一三角形网格对应的深度值。根据三角形网格的法向矢量，计算出其颜色值，最后形成扫描链表来表示工件和刀具。其数据结构如下： struct Scan { file://扫描线位置坐标 double x,y; file://扫描线与三角形平面交点链表 struct Vertex { file://形体标志 int Flag; file://扫描线与形体交点深度值 double z; file://交点颜色值 int C［3］； struct Vertex *next } struct Scan* next; } 扫描线算法流程为[5]： while (扫描线链表!=NULL) { 扫描线帧缓冲区fbuffer置成背景色； 扫描线Z缓冲区zbuffer置成最小Z值； while (面链表!=NULL) { 求当前三角平面与当前扫描线的交点值； if(三角平面在该处的Z值大于zbuffer在该处的值) { 用三角平面在该处的Z值代替zbuffer在该处的值； 用三角平面在该处的亮度值取代fbuffer在该处的值； } } 同一扫描线上的Z值进行排序； 用fbuffer内容显示当前扫描线； } 通常情况下，仿真加工时都将工件置于静止的状态，因此，工件的表示只生成一次，而刀具的表示每次都要根据新刀位点重新生成。 1.3 材料去除过程的仿真 在实际加工中，切削工件成型的过程，实质就是不断地从工件实体上去除刀具深入到工件内部 材料的过程，这一过程可以用实体间布尔差来描述。由于工件和刀具都是利用扫描 线算 法表示，因此，可以采用同一扫描线上工件和刀具之间的布尔差运算来表示材料的去除过程，这样就把复杂费时的三维布尔差运算简化为一维的布尔差运算，避免了复杂的求交运算，增强了实时效果[6]。 一维布尔差运算过程如下： 图1所示为扫描线与工件、刀具的交点按深度排序的排列情况。这里仅列出以下几种： ①说明扫描线仅与刀具相交，因此刷新显示时，去掉两个C点而显示背景；②表明刀具对工件进行切削，但刀具在工件内部刷新显示时看不见刀具；③表示S点被切削掉，刷新显示时去掉前两个点，即C、S点；④表明刀具没有切削工件，刷新显示时去掉两个C点。 材料去除仿真过程流程如图2所示。 2 仿真实例 笔者利用Visual C++在微机上开发出并联机床加工过程仿真系统，实现了以上算法。利用该 仿真系统，对制氧机上的叶轮进行仿真。 图3为叶轮的毛坯和指状铣刀，均为回转体，因此建模比较简单。对于毛坯，根据哈尔 滨制氧机厂提供的叶轮图纸，将其母线进行NURBS曲线造型后，绕自身轴线旋转即形成毛坯 实体；对于指状铣刀，其母线由一段直线和圆弧构成，其造型过程与毛坯相同。图4为仿真 加工过程，图5为实际加工过程照片。 3 结论 采用观察坐标系利用扫描线法进行加工过程仿真具有以下优点： (1)数据结构简单； (2)布尔运算快。由于用一维布尔差运算 代替三维布尔差运算，因此，具有较快的运算速度； (3)实现实时加工过程动画和真实感显示； (4)可以从不同角度观看仿真过程。如果要从另外一个角度看，只要重新生成一次即可。 参考文献： ［1］ Sungurtekin U A， Voelcker H B. Graphical simulation & automatic verific ation of NC machining programs［A］. IEEE int. conf. on Robotics and Automation ［C］. San Francisco,1986，1:156-165. ［2］ Kawashima Y, Itoh K, Ishida T. A flexible quantitative method for NC ma chini ng verification using a space-division based solid method［J］. The Visual Compu ter, 1991,7:149-157. ［3］ Wang W P，Wang K K. Realtime verification of multi-axis NC programs wit h raster graphics［A］．IEEE int. conf. on Robotics and Automation［C］. San Fra cisco, 1986，1：166-171. ［4］ Van Hook J. Realtime shaded NC milling display［J］． Computer Graphics( Proc. SIGGRAPH). 1986, 20(4):15-20. ［5］ 孙家广，等. 计算机图形学［M］.北京： 清华大学出版社，1998.500-502. ［6］ 李建广.复杂曲面多坐标数控加工通用仿真验证方法的研究［D］. 哈尔滨：哈尔滨 工业大学，1997.(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (12/1/2004)