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      摘要: 為了避免數(shù)控銑削加工過程發(fā)生干涉問題，在分析傳統(tǒng)的數(shù)控加工仿真方法的基礎(chǔ)上，提出一種面向數(shù)控系統(tǒng)的銑削加工仿真設(shè)計(jì)方法。以數(shù)控系統(tǒng)中插補(bǔ)器輸出的實(shí)際刀具軌跡為仿真數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)控銑削仿真加工功能需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，以Visual C++ 6． 0 為開發(fā)平臺(tái)對(duì)仿真實(shí)現(xiàn)過程、圖形操作和圖形變換進(jìn)行軟件開發(fā)與調(diào)試，最后通過仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明這種仿真設(shè)計(jì)方法能夠?qū)?shù)控系統(tǒng)的實(shí)際加工過程進(jìn)行有效校驗(yàn)，從而保證了仿真過程的可行性和有效性。
 

     關(guān)鍵詞: 銑削加工; 數(shù)控仿真; 加工仿真; 數(shù)控系統(tǒng)

      0 引言

     隨著先進(jìn)制造技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)在工業(yè)各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用［1］。傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床在實(shí)際加工之前，一般采用試切法對(duì)數(shù)控程序代碼進(jìn)行驗(yàn)證［2］，以免發(fā)生干涉或碰刀，這種校驗(yàn)方法不僅浪費(fèi)材料，而且還耗費(fèi)大量時(shí)間，顯然不能滿足現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展需求。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)品生產(chǎn)周期越來越短，產(chǎn)品開發(fā)與制造時(shí)間的長(zhǎng)短必將影響企業(yè)在市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力［3］，在這種背景下，先進(jìn)制造業(yè)領(lǐng)域采用虛擬制造技術(shù)對(duì)數(shù)控加工進(jìn)行仿真加工尤為重要，不僅有效降低產(chǎn)品報(bào)廢率，而且還有效地縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)周期。

    楊勇［4］在模具數(shù)控加工時(shí)采用仿真技術(shù)模擬模具加工過程。陳蕊蕊等［5］采用一種高效的車削加工仿真算法對(duì)數(shù)控車削加工進(jìn)行仿真。魏勝利等［6］對(duì)開放式數(shù)控系統(tǒng)中的加工過程進(jìn)行仿真研究。王占禮等［7］對(duì)薄壁零件數(shù)控加工物理仿真技術(shù)研究發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行分析，并提出薄壁零件數(shù)控加工物理仿真研究的問題及其發(fā)展方向。周玉昕等［8］對(duì)復(fù)雜工件仿真的實(shí)時(shí)繪制算法進(jìn)行研究。滕凱［9］對(duì)數(shù)控車削仿真加工進(jìn)行建模。王明海等［10］對(duì)刀具軌跡的扭曲薄壁件加工進(jìn)行仿真。唐秋華等［11］對(duì)三自由度數(shù)控車削加工進(jìn)行建模與仿真。董國(guó)棟等［12］運(yùn)用OpenGL 對(duì)數(shù)控加工仿真算法進(jìn)行研究。上述研究工作雖然取得了一系列的研究成果，在一定程度上改善了數(shù)控加工狀態(tài)，但是這些研究工作是在CAM 層面上的加工仿真，是針對(duì)CAM模塊生成的數(shù)控代碼進(jìn)行仿真，其仿真軌跡與數(shù)控系統(tǒng)插補(bǔ)器生成的實(shí)際刀具運(yùn)動(dòng)軌跡并不重合，因此不能真實(shí)地反映刀具實(shí)際的運(yùn)動(dòng)軌跡，同時(shí)也不能與數(shù)控系統(tǒng)形成無縫結(jié)合。

     本文針對(duì)數(shù)控系統(tǒng)銑削加工過程進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)與開發(fā)，數(shù)控加工代碼通過數(shù)控系統(tǒng)的程序解釋模塊和插補(bǔ)模塊，生成實(shí)際加工軌跡數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)過程是針對(duì)實(shí)際生成的加工軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，從而保證仿真過程的有效性和實(shí)用性。

     1 、仿真結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

     為滿足數(shù)控銑削加工在線測(cè)檢的需要，仿真功能主要由仿真過程、圖形操作和圖形變換等三個(gè)部分組成，如圖1 所示。仿真過程包括仿真加工、仿真暫停和仿真停止; 圖形操作包括圖形放大、圖形縮小、圖形平移、圖形居中和圖形最佳; 視圖變換包括軸測(cè)投影和正投影兩個(gè)部分，軸測(cè)投影包括東南正等測(cè)投影、東北正等測(cè)投影、西南正等測(cè)投影和西北正等測(cè)投影，正投影包括主視圖、俯視圖、側(cè)視圖和普通視圖。

     仿真功能設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)銑削仿真加工過程和靜態(tài)觀測(cè)局部具體細(xì)節(jié)等功能，例如仿真過程若發(fā)生意外情況，如發(fā)生干涉等問題，可以通過仿真暫停/停止按鈕使仿真過程暫停/停止下來，通過圖形操作或者圖形變換功能對(duì)仿真圖形進(jìn)行縮放或變換視圖等相應(yīng)的操作，以便更好地觀測(cè)發(fā)生干涉位置局部的具體情況。

     圖1 數(shù)控系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

     2 、仿真設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

     2． 1 圖形操作

     圖形操作包括圖形放大、圖形縮小、圖形平移、圖形居中和圖形最佳等功能，在圖形變換過程中圖形縮放所采用的坐標(biāo)變換矩陣為:

     式中x、y、z 為圖形縮放前點(diǎn)的坐標(biāo)值，x' 、y' 和z' 表示為圖形縮放后點(diǎn)的坐標(biāo)值，當(dāng)s ＞ 1 時(shí)，圖形全比例縮小，當(dāng)0 ＜ s ＜ 1 時(shí)，圖形全比例放大。圖形平移所采用的坐標(biāo)變換矩陣為:

     式中l(wèi) 為x 方向移動(dòng)的距離，m 為y 方向移動(dòng)的距離，為z 方向移動(dòng)的距離。

     圖形居中的變換原理和圖形平移的變換原理是一樣的，在某種意義上是圖形平移的一個(gè)特例，根據(jù)圖形當(dāng)前點(diǎn)的位置坐標(biāo)和設(shè)備屏幕中點(diǎn)坐標(biāo)，分別確定式
( 2) 中l(wèi)、m 和n 值。

     2． 2 圖形變換

     圖形變換包括軸測(cè)投影和正投影兩個(gè)部分，軸測(cè)投影采用正等測(cè)投影。東南正等測(cè)投影、東北正等測(cè)投影、西南正等測(cè)投影、西北正等測(cè)投影均是在XOY平面上變換，即x、y 軸的坐標(biāo)發(fā)生變化。z 軸坐標(biāo)并沒有改變。因此它只有兩個(gè)變量。其變換表達(dá)式表示為:

     圖形變換前的點(diǎn)的x、y 和z 軸的坐標(biāo)值，A、B、P、C、D、Q 為相應(yīng)的投影變換系數(shù)，M 是x 軸的移動(dòng)量，N 是y 軸的移動(dòng)量，各種變換系數(shù)具體值如下:
 
    ( a) 東南正等測(cè)投影: A = － 0． 707，B = － 0． 707，C = － 0． 408，D = － 0． 408，P = 0，Q = 0． 816。( b) 東北正等測(cè)投影: A = － 0． 707，B = 0． 707，C =0． 408，D = 0． 408，P = 0，Q = 0． 816。( c) 西南正等測(cè)投影: A = 0． 707，B = － 0． 707，C =－ 0． 408，D = － 0． 816，P = 0，Q = 0． 816。
（ d) 西北正等測(cè)投影: A = 0． 707，B = 0． 707，C =0. 408，D = － 0． 408，P = 0，Q = 0． 816。主視圖坐標(biāo)變換表達(dá)式為:

     2． 3 算法實(shí)現(xiàn)過程

     為了使所開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)具有良好的人機(jī)界面，以Windows 7 為操作系統(tǒng)，采用“PC + DSP”的開放式結(jié)構(gòu)。PC 機(jī)與DSP 之間通過PCI 總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和通信。數(shù)控系統(tǒng)主要包括程序控制、手動(dòng)控制、手工編程、參數(shù)管理、輔助管理、網(wǎng)絡(luò)控制、PLC 編程等幾個(gè)部分。程序控制主要由加工仿真、開始加工、暫停加工、停止加工、急停和實(shí)時(shí)軌跡顯示和坐標(biāo)顯示等幾部分組成。因此數(shù)控加工仿真作為數(shù)控系統(tǒng)中的一個(gè)子系統(tǒng)，采用并行計(jì)算和多線程技術(shù)可以充分利用計(jì)算機(jī)資源。上位機(jī)程序以Visual C++ 6． 0 為開發(fā)平臺(tái)，采用動(dòng)態(tài)鏈接庫( DLL) 方式和多線程技術(shù)進(jìn)行編程，可以豐富數(shù)控系統(tǒng)的功能，同時(shí)方便大型軟件團(tuán)隊(duì)合作開發(fā)，有效地縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期。

    刀具加工軌跡的動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)是仿真過程中的一個(gè)關(guān)鍵的核心問題，利用雙緩沖技術(shù)，采用空間換取時(shí)間和功能分塊的設(shè)計(jì)思想，實(shí)現(xiàn)刀具加工軌跡的動(dòng)態(tài)顯示，其中一個(gè)緩存區(qū)執(zhí)行圖形的繪制命令，另一個(gè)緩存區(qū)執(zhí)行圖像的顯示功能，這樣可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示過程的連續(xù)性和真實(shí)性，以避免屏幕發(fā)生閃爍。

     3 、仿真實(shí)例

    以數(shù)控系統(tǒng)銑削仿真加工鼠標(biāo)曲面為例，通過圖形仿真按鈕啟動(dòng)仿真加工程序，仿真結(jié)果如圖2 所示，在仿真過程中通過暫停仿真/停止仿真按鈕可以對(duì)仿真實(shí)現(xiàn)暫停/停止操作，通過速度進(jìn)度條控件調(diào)節(jié)仿真加工速度的大小，另外，通過圖像放大/圖形縮小按鈕實(shí)現(xiàn)仿真加工圖形的放大/縮小。為了保持良好的人機(jī)界面，圖形變換和圖形操作的其余的功能通過點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵進(jìn)行相應(yīng)的操作。

     圖2 數(shù)控系統(tǒng)銑削加工仿真

  
    通過點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵進(jìn)行相應(yīng)的操作得到各種相應(yīng)的圖形變換，如圖3 所示，當(dāng)操作正等測(cè)投影圖形變換時(shí)，得到的東南正等測(cè)投影、東北正等測(cè)投影、西南正等測(cè)投影、西北正等測(cè)投影圖，結(jié)果如圖4 所示。當(dāng)操作正投影圖形變換時(shí)，得到的主視圖、俯視圖、側(cè)視圖，結(jié)果如圖5 所示。

     圖3 圖形變換控制方式

     圖4 數(shù)控銑削加工仿真軸測(cè)投影

     圖5 數(shù)控銑削加工仿真正投影

     4 、結(jié)論

     針對(duì)基于PC 的數(shù)控系統(tǒng)銑削加工過程進(jìn)行仿真與設(shè)計(jì)。以輸出的實(shí)際加工軌跡為仿真數(shù)據(jù)，仿真功能主要由仿真過程、圖形操作和視圖變換三個(gè)部分組成。以Visual C++ 6． 0 為開發(fā)平臺(tái)，采用動(dòng)態(tài)鏈接庫( DLL) 方式和多線程技術(shù)進(jìn)行軟件開發(fā)，并通過仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明該仿真方法對(duì)數(shù)控銑削加工動(dòng)態(tài)過程能夠進(jìn)行有效的校核，通過圖形操作和圖形變換能夠觀其測(cè)局部放大的細(xì)節(jié)，從而有效地保證數(shù)控加工仿真過程的有效性和實(shí)用性。