数控加工仿真系统的开发及在教学中的应用

    引言

    随着我围经济的飞速发展，我国制造业装备的自动化水平在不断提高，数控机床的拥有量及在机床中所占的比重大幅度地增加。如何有效地发挥数控机床的使用效率、提高加工质量一直是人们追求的目标。在进行零件数控加工过程中，零件本身的可加工性和数控程序的质量是影响零件加工质量的关键因素。数控程序投人实际加工之前，都必须进行有效的检验。检验数控程序的方法主要有手工检验、试切检验、轨迹显示和计算机仿真等。其中计算机仿真是近年来发展较快，也足最行之有效的方法。本文在综合分析国内外研究现状的基础，对数控加工仿真的若干关键技术进行了研究，以此为基础建立了数控加工仿真系统并应用到教学中。学生利用此系统可以在计算机上模拟加工环境和数控加工的过程，完成NC程序的校验，发现干涉(主要是刀具与工件之间)和过切现象，修改NC程序，通过实际参与，弥补课堂教学的不足。另外，此系统也可用予生产实际。减少加工失误、返工，缩短研制周期，节约资金，提高产品质量和生产效率。
   
    l数控加工仿真系统总体结构
   
    以Windows2000为开发平台，采用Microsoft Visual C++软件及三维图形软件标准接口OpenGL为开发工具。以华中I型数控铣床、沈阳机床厂的CK6136H数控车床为仿真系统原趔进行系统开发。系统仿真模块包括建立虚拟加工环境、NC代码翻译、材料去除过程仿真、碰撞干涉检验等。其仿真的对象不仅有刀具和工件，还包括夹具、工作台、刀库、机床等加工环境，并进行声音、光照效果仿真等。
   

    2虚拟加工环境
   
    虚拟加工环境由虚拟机床、工件、刀具及夹具等的几何模型和虚拟机床运动模型等组成。本文以虚拟机床几何模型的建立为例说明，虚拟机床的几何模型是一个装配体。在几何模型的建造过程中，要对每个组成部分(包括床身、主轴箱、立柱和工作台等)独立建模，运动模型是建立在装配模型基础上的。装配模型中定义了各零部件之间的相对位置和装配层次关系，它反映了部件间的相互约束关系。对于零部件间装配的表达首先应当表达零部件拓扑关系。拓扑关系表达零部件问的连接性、层次性。
   
    本文采用分层树来表达零部件间的层次关系，如图l所示。几何模型有两个层次，第一层存储机床零部件几何模型之间的装配关系，第二层用于存储机床零部件几何模型的几何信息和拓扑信息。图2是采用B-Rep造型方法构造虚拟机床零部件的几何模型，并根据模型间的装配关系采用CSG法组装而成的一台完整虚拟机床。
   
    虚拟机床的运动是通过动画方式实现的。本文采用实时动画的方式利用OpenGL的双缓存技术一边计算一边在计算机终端上产生动画．不仅交互能力强，还根据用户要求寅时改变画面。 
   

    3材料去除过程仿真
   
    材料去除过程仿真利用计算机图形技术通过动画实现．首先将工件模型按照精度要求进行离散，然后由Nc代码翻译模块汁算出刀具下一步的刀位坐标．生成刀具扫描体模型，确定扫捕体区域内可能发生切削的离散点，计算离散点g向矢量和刀具扫描体交点的z向坐标值，根据计算结果更新工件模型数据，调用实体湿示程序将加工后的工件模型显示在屏幕上，完成材料去除全过程。在这一过程中涉及毛坯模型的离散、刀具扫描体的生成以及毛坯模型和刀具扫描体的布尔运算等关键技术，其中毛坯模型离散是核心。毛坯模型离散常用基于三角网格的方法，它将毛坯表面离散为规则的三角片，即将工件毛坯的上表面离散为均匀点阵，再将这些点阵构造成三角形网格模型。图3所示的铣削模型是在均匀离散的基础上，考虑了曲面曲率和刀具半径的影响，进行了非均匀离散。
   

    4碰撞干涉检验
   
    将碰撞干涉检测分为粗检、细检和精检等三个步骤，采用改进的基于FDH包围盒法对碰撞干涉进行细检，通过包嗣盒层次树的建立和遍历以及包围盒的相交测试和基本体素的相交测试，确定两个物体是否相交。该算法不仅可以检测凸多面体，还可以检测凹多面体，具有检测速度快及实时性好的优点。网4所示为相交测试算法演示，周5所示为仿真系统中碰撞干涉检测实例。
   

    5数控加工仿真系统在教学中的应用
   
    5．1数控加工仿真系统的使用界面
   
    图6所示为三轴数控铣削仿真系统用户界面，车削和铣削加工系统界面类似。图中数控信息、控制面板和加工仿真三个窗口在屏幕上同时显示，并可以通过菜单栏和工具栏上的相应命令或按钮对机床运动和加工仿真进行控制。其中加工仿真窗口是最大的，用于显示机床、刀具运动和材料去除动态过 程;数控信息窗口显示NC文件的内容，可通过滚动条来显示全部文件的内容，加工时显示正在加上的NC代码;控制面板窗口是与实际机床一致的，面板上的各功能键和实际机床的也是一一对应的，同时也可在菜单栏和工具栏上找到与其功能一致的命令。另外，还添加了仿真系统中特有的功能子菜单，例如NC代码读取、编辑、存储，定义毛坏尺。
   

    5.2数控加工仿真系统在教学应用中的意义
   
    数控技术是一门实践性很强的课程，在以往的教学中，由于缺乏必要的设备支持，只能采取课堂教学来"纸上谈兵"单一的课堂教学，单向的信息流动很难让学生有系统，全面的认识。将此仿真软件应用到教学中，具有如下意义:
   
    5.2.1将传统的被动教学变学生参与的主功教学，培养学生的实际动手能力。
    5.2.2利用虚拟机床代替实际机床，可消除实际机床加工的危险因素。
    5.2.3在计算机上模拟加工过程代替试切，可不消耗材料，降低成本。
    5.2.4可有效解决设备不足的问题，使每个学生都可参与其中，极大提高学生的学习兴趣，取得更好的教学效果。
    5.2.5满足网络教学和远程培训的需要。