基于設計模型的數控仿真驗證實驗研究

節省準備的加工準備技術有助于減少零件的切割，節約成本，提高工作效率，在工業生產中發揮重要作用。這一直是calgar技術領域的研究重點。CAD技術取得了非常廣泛的應用,并衍生出新的發展空間,如醫學CAD,建筑CAD,電氣CAD和服裝CAD。在CAD技術得到廣泛應用的同時,CAM技術逐漸成為工程應用軟件開發商和科研機構的研究重點和熱點,并努力將CAM軟件向商品化和套裝化推進。作為CAM技術中的關鍵組成技術之一的數控加工仿真驗證技術成為CAM技術發展的關鍵。以往數控加工仿真和驗證通過兩種途徑來仿真數控加工:一種是通過繪制刀具的刀位軌跡,另一種是通過去除材料。前一種方法不需要將刀具同毛坯求交,對計算機的內存和計算機的計算效率要求不高;能夠檢查出NC代碼的錯誤,但不能自動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代碼的錯誤,而且能夠檢驗刀具的干涉和碰撞,但是對計算機的內存和計算效率有較高的要求。這里的干涉和碰撞主要指刀具的過切、刀具和加工環境的碰撞以及刀具移動過程中同已加工面的干涉。實體數控仿真是數控仿真發展的重要方向。實體數控仿真有很多優勢,如對實體可進行多角度觀察,對加工毛坯進行剖視觀察,對加工毛坯進行尺寸和角度的度量;實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體仿真的瓶頸。國內對解決實體仿真的速度問題還沒有找到較好的辦法。硬件的能力不可估量,但是在沒有出現高速硬件之前,為了能夠利用實體模型的特點,有必要換一個角度來研究和實現支持實體的數控仿真驗證。也為實體數控仿真的發展開辟一個新的途徑。因而本文提出基于設計模型的實體數控仿真干涉檢查新方法,以一種新的視角來研究和實現實體數控仿真驗證。1新方法原理的總結和優勢1.1仿真驗證模塊設計模型,即在實體造型系統中,設計出的零件模型,夾具模型,以及工作臺模型。以往數控仿真軟件,如Vericut、VNC和N-See2000均基于毛坯,即用刀具與毛坯求交來實現刀具的切削加工仿真。位于加工區域內毛坯上任一點,需要經過多次切削才能獲得加工結果。假設刀具在某一點上進行n次切削才能獲得該點的加工結果,那么在完成該點加工前的(n-1)次加工結果對工程設計人員來說并不重要,對設計人員來說,所需要的就是第n次數控仿真加工的結果,只有第n次數控加工的結果才能反映數控加工結果的好壞,因而對于前n-1次的結果在數控仿真驗證中不需要顯示。為此不用毛坯與刀具求交,而用零件設計模型和加工環境(碰撞因素)的元素集合體同刀具求交,即基于設計模型來檢查過切、干涉和碰撞,記錄發生干涉的NC代碼行號。零件設計模型和加工環境的元素集合體,本文定義為干涉元素集合體,即可能引起干涉的元素的設計模型的組合體(參見圖1)。在實體造型系統中,設計零件和夾具,建造工作臺模型。在仿真驗證模塊中,調入零件設計模型、夾具和工作臺等干涉元素模型,建立干涉元素集合體。定義刀具參數,建造刀具實體;讀入NC代碼,用NC代碼驅動刀具切削干涉元素集合體,通過將刀具掃掠體和干涉元素集合體作布爾交運算判斷有無過切和碰撞,若交不為空,對工作臺和夾具等干涉元素而言,則發生碰撞干涉。而對零件,若交集為點線集,表示刀具恰好加工到設計尺寸,不發生過切;若交集為實體集,則發生過切干涉。根據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分點線集和實體集。若交為空,則不發生過切和碰撞。對因發生過切和碰撞新生成的面,著色顯示以增強視覺效果。實驗證明該方法能夠檢查出刀具過切以及刀具同夾具、工作臺等干涉元素集合體的碰撞。1.2新方法的優勢(1)有利于實現實體數控仿真驗證以設計模型代替毛坯與刀具求交,使計算機程序易實現,最主要的是,減少了布爾求減次數,降低了拓撲結構修改頻率,從而可以節約計算機內存、提高程序和系統運行效率,有利于實現實體數控仿真驗證。(2)基于psg的數控仿真驗證與刀具求交的是一個可能引起干涉的元素集合體,有機床工作臺、夾具。可以根據需要在數控仿真中加入其他干涉元素,可對元素集合體進行一定操作,如調整夾具位置和尺寸。有更多機會去考慮其他干涉元素,從而提高零件設計和加工質量,以及夾具的設計質量。此外這種方法有助于實現半成品零件的數控加工仿真驗證,支持不規則毛坯的數控加工仿真驗證。兼容性好:這種方法可以運用到以往的數控仿真所有方法中,只是元素集合體的表達不盡相同,可以基于精確B-rep或CSG實體表達,也可以基于Dexel模型和pixel模型表達。這種方法不會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新方法的實驗2.1驗證模塊cdk試驗中設計模型均為實體模型,仿真驗證模塊基于ACIS幾何造型平臺開發,該模塊結構如圖2所示。將干涉元素集合體導入驗證模塊(參圖2),用NC代碼驅動刀具與干涉元素集合體求交,若交不為NULL,則發生干涉,記錄NC代碼行號,著色干涉區域。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軟件中設計完成,根據實際生產需要,將需要檢查的元素加到零件設計模型中,最后以文件形式存放。刀具實體構造,加工干涉檢查,記錄錯誤代碼行號均由仿真驗證模塊完成。2.2干涉元素單體在圖3和圖4中,離散精度均為1mm,驗證速度均為8mm/間隔掃掠,NC代碼行數均為236,所用時間均為75s。在圖5和圖6中,離散精度均為1mm,驗證速度均為15mm/間隔掃掠,NC代碼行數為836,所用時間為258s。干涉元素集合體是用南京航空航天大學SupermanCAD/CAM2000造型和生成相應的數控加工代碼。注:以上離散精度、驗證速度的定義參見2.3.4改善實體仿真驗證速度2.3實驗和解決方案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、開發不同圖形格式的接口,適應多CAD系統的要求;二、以一種圖形格式作為仿真驗證系統認可的圖形格式,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換器的研制和開發,如Spatial公司的3DInterOpTranslators。試驗中以Spatial公司的ACIS(*.sat)格式作為仿真驗證系統支持的中介圖形格式。2.3.2坐標系原點的確定自動編程軟件,在計算刀軌時設定了自己的坐標原點,即程序的編程原點。而CAD軟件,在設計零件時,也設定了自己的坐標原點,即模型的設計原點。基于設計模型的數控仿真驗證,要求設計原點和編程原點一致,否則不能獲得正確的驗證結果。為了保證正確的驗證結果,務必使集合體的設計坐標原點與程序的編程原點一致。這樣對自動編程軟件有個要求,即以設計坐標原點作為程序的編程原點生成刀軌,或者提供兩個坐標原點轉換坐標數據,以在仿真驗證模塊中調整元素集合體的位置。2.3.3加工半徑的使用數控機床的類別很多,所用控制系統不完全相同,后置處理方法不完全相同,因而相應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數值有的表示圓心的絕對坐標,有的表示圓心對起點的相對坐標,有的則表示起點對圓心的相對坐標,有的則表示圓弧半徑在X、Y、Z坐標方向上的投影值。可見對NC代碼的解釋翻譯是個難點,本文采用一個通用NC代碼翻譯器來解決這一難點。2.3.4設計離散精度設置器實體數控仿真驗證中最為關鍵的就是速度問題。提高實體仿真驗證速度的有兩種方案:一是在仿真驗證系統中放置一個開關以控制布爾求交是否進行。這樣做的目的是,在不可能干涉的區域不求交,在可能干涉的區域求交,以提高系統運行效率。二是用離散位置的刀具實體的組合來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。程序中設一離散精度設置器,在細節區域任意加大驗證力度,如圖8所示。實驗中采用了該方法。離散精度定義為離散兩個刀位點間掃掠路徑的等分步長,單位為mm。驗證速度定義為每次掃掠刀具掃過的掃掠路徑長度,大小為離散精度倍數,單位為mm/掃掠。通過調節本文所定義驗證速度和離散精度,來改善實體仿真驗證速度。3干涉碰撞實驗本文以一種新視角來研究和實現實體數控仿真驗證,提出了數控仿真驗證的新方法,以干涉元素集合體來代替毛坯與刀具求交,根據求交的結果判斷干涉碰撞是否發生。該方