基于三维实体的数控加工仿真系统的研究

许小娟（苏州高等职业技术学校,江苏　苏州　215000）



基于三维实体的数控加工仿真系统的研究

许小娟
（苏州高等职业技术学校,江苏苏州215000）

摘 要：本文提出插补离散算法、刀具半径补偿算法两种数控加工仿真系统较为常用的刀具轨迹算法。同时从零件实体模型的建立、材料去除的算法等四方面分析了如何建立数控加工仿真系统，以便提高工业生产的工作效率。

关键词：三维实体；加工仿真系统；建立方法

数控加工仿真系统中运用计算机图形学技术已经逐渐成为教学和生产过程的重要发展趋势。CAD/CAM当中的重要组成部分之一便是数控加工，然而CAD/CAM的集成过程极为复杂。因此，施工人员在实际施工当中，利用CAD/CAM/NC正式加工零件之前应先对零件进行试切。以往施工人员使用木模、蜡模作为试验工件，但这会耗费大量的人力、物力，延长了生产时间，生产效率也随之下降。因此，生产企业开始在生产当中使用数控加工仿真系统，以便代替试切工作，从而缩减生产周期，为企业节省大量的成本。

1　数控加工使用的刀具轨迹算法

1.1插补离散算法

设计人员首要解决的问题便是如何对刀具以及工件的运动进行控制，数控加工仿真系统设计人员在系统当中设计两个运动坐标，并使两个坐标相互协调运动，可形成平面曲线。而对空间曲线以及立体曲线，则需要设计人员设计三个运动坐标，并使其协调运动。生产人员使用设备在进行工件加工时，只需按照流程将有关产品的信息录入设备当中即可对数控装置进行控制。所输入的信息也能够通过计算的方法计算，但是随着曲线阶次的提高，计算也更为复杂，因此数控加工基本不将这种计算方式用作控制信息的输入。插补离散算法是较为常用的刀具轨迹算法，具体有以下三方面内容：

第一，直线插补。设存在刀具在空间内进行直线移动（如图1所示），该直线起点为点P0，坐标为（X0，Y0，Z0），终点为Pe，坐标为（Xe，Ye，Ze），刀具直线运动的速度表示为F，插补周期用T标示，直线插补的核心是计算各个插补周期之中轮廓步长在坐标轴之上的投影分量。系统会将插补直线作为空间向量，则此时有以下公式：

由上述公式可知，F在在3个轴上的投影分别为Fx=Fcosα、 Fy=Fcosβ、Fz=Fcosγ。之后，数控加工设备会计算周期与速度投影分量的乘积，所得到的值即为各个坐标轴在某一生产周期当中的运动步长（ΔX，ΔY，ΔZ），直线插补过程中，各个周期内坐标轴变化的总是一个定量，故而插补过程中，i+1的动点坐标如下：

通常情况下，插补最后一步与下一个轮廓步长之间存在差异，因此设计人员可将终点坐标Pe（Xe，Ye，Ze）直接选作最终的插补点坐标，以便确保插补精度。

1.2圆弧插补

数控加工设备在使用圆弧插补需以满足精度为前提，利用数条切线、弦以及内外均差割线形成近似于圆弧的线。其中，利用数条切线逼近圆弧可能会导致圆弧存在与计算存在偏差，因此无法使用。就目前而言，圆弧插补算法不断丰富，其中有二阶梯递归算法、直接函数法以及角度逼近圆弧算法。以二阶梯递归算法为例。在递归函数中进行采样插补的实现形式便是通过递归计算轨迹曲线参数方程，因为其依据之前已知的插补点进行插补，故而称其为递归插补法。

2　三维实体的数控加工仿真系统建立与应用

2.1时空仿真的基本流程与功能

三维NC加工仿真系统主要负责检测NC代码是否具有有效性，同时检查代码是否正确。尤其需要注意加工过程当中所进行的碰撞检验，其会向使用者以及设计人员直观准确地体现设计成果，以便使用者对产品有所了解，设计人员也能够观察设计成果当中的不足，进而对部分零件进行修改或是替换。

数控方针模块具有以下功能。

第一，能够使机床、工件、刀具以及夹具等生产用物品具象化，建立其三维模型，便于使用者以及设计人员观察。

第二，运动仿真可由NC代码进行驱动。

第三，及时向工作人员反映生产过程中，各个部件的实际运行状态，以便机械在发生故障之后，生产人员能够及时排查问题。

第四，数控加工仿真系统能够完成自动换刀。

第五，系统可对碰撞检测过程进行干预。

2.2零件实体模型的建立

数控三维加工的零件表面形状并不规则，且较为复杂多变，如部分零件的曲面呈不规则的形状。以车削加工类零件为例，该类工件的表面以回转体居多，定义于轴心方向上平面所做的投影，其曲线也为对称的自由曲线。该类曲线一般可由插值方程、拟合方程以及参数方程等数学方程方式进行表达，往往不能使用较为统一的数学方式表达与处理。设计人员可利用建立工件三维实体模型的表达方式进行表达，该方法储存其零件实体特征构成中各种几何信息的方法是以节点为结构体类型的链表类。以便数控加工仿真系统能够完成与其他设备进行信息共享。

针对车削加工当中的零件来说，工作人员可将零件按照各部分形状之间的差异分为圆柱面、球面以及圆台面，为了数控加工便捷，工作人员可认为零件整体便是由圆台以及圆周构成。针对成型曲面，工作人员可通过离散，将其分为圆柱以及圆台，使得零件整体结构的描述相同。而针对柱面段，工作人员只需确认柱面段的具体长度、内外直径以及一端的Z坐标位置，便能够确认这一柱面段的具体形状。

工作人员将构成零件各个特征部分作为节点进行标注，将属性相同的节点封存于同一个结构体中，各节点都包含对该特征阶段的描述信息。之后建立一个链表将结构体内的节点串联，各节点的储存顺序需自左端点起向沿Z轴方向呈升序排列。设计人员按照上述方式能够使不同特征对外拥有统一的接口。数控加工仿真系统将各节点信息统一储存于链表结构当中，便能够获得较为完整的零件表面信息，便于之后进行三维效果的呈现以及求交运算。

2.3材料去除的算法

工作人员在对工件进行加工过程中，可将工件分为几个部分，即分为多个节点。之后只需检查刀具的运动所坐标，便能够浏览链表内部的信息，从而确定哪些节点加工已然结束，对该节点进行修改。同时也可以增加或删减部分节点，之后便能够得到整个工件。具体方法如下：第一，生产人员将指针移动至表头，此时观察指针是否从表头移动至表尾。第二，若指针尚未到表尾，生产人员观察节点长度是否等于零。第三，若长度为零，生产人员可将该节点删除，之后将指针向下移动。第四，若节点长度不为零，生产人员可对节点进行修改，或是添加刀具的位置信息，插入新的节点，之后继续将指针向下移动。第五，经过上述步骤之后，指针可以自表头移动至表尾，此时生产人员可将工件具象化，并建立该工件的三维模型，将工件完成呈现出来。

2.4干涉和碰撞的检查

NC代码的正确性需借由干涉以及碰撞的检查进行检验，检查内容主要为夹具、机床非移动部件等非加工部位是否受到检测刀具以及机床等移动部件的影响。数控加工仿真系统是借由NC代码驱动刀具进行加工，因此若移动部件对非加工部件产生影响与干涉，则此处的NC代码会及时向使用者进行反馈，使用者可通过反馈的信息进行修改。工作人员在检查过程中将以下几点作为依据进行判断：其一，加工过程当中，是否存在部分刀具为空走刀。其二，刀具切削部分是否会干涉已然加工完成的工件，出现过切的现象。其三，刀具当中非切削部分是否与工件表面存在碰撞的现象。工作人员在使用数控加工仿真系统进行生产过程中，需注意对NC代码正确性的检测，不可忽视这一工作，导致后续生产工作无法顺利进行。

3　结束语

如今，数控加工技术已广泛运用于生产加工当中，对我国工业生产也起到了促进作用。对工业生产企业而言，数控技术仿真系统的应用为企业减少了大量的成本，同时提高了企业的生产效率。就本文研究来看，基于三维实体的数控加工仿真系统不仅具有重要使用价值，且可以对数控代码生成和校验的各项数据进行仿真和计算，进而避免出现干涉和碰撞等，最终大力提升加工效率。所以，这套系统对于实验、加工、生产以及教学研究都具有不可替代的重大意义。

参考文献：

[1]彭健钧,郭锐锋,张世民.数控加工仿真系统的研究与应用[J].小型微型计算机系统,2010(06):1240-1244.

[2]张玮,郑力.数控加工仿真系统的研究现状与发展趋势[J].机械制造,2010(09):7-8.

[3]王占礼,董超,胡艳娟.数控加工仿真系统研究现状与发展趋势[J].制造业自动化,2013(05):41-45.

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.03.234