数控加工的可视化仿真
1.引言随着并行工程、敏捷制造、虚拟制造等先进制造技术的发展，要求在制造之前就能预测产品的加工过程的情况和产品质量。在实际数控加工之前，对数控代码(NC代码)进行仿真，验证加工代码的可行性和最优性，因而可以直观地显示切削过程并预测切削结果，为优化切削工艺、选择加工参数提供依据变的越来越重要。
数控加工的仿真分为几何仿真和物理仿真两部分。几何仿真的主要目的是验证刀具路径的正确性，验证加工代码是否可行，并为物理仿真提供必要的切削几何信息，如材料去除体积、切削速度、轴向切削深度等。物理仿真主要是力学仿真，它是虚拟数控加工过程仿真的核心部分，其内涵就是综合考虑实际切削中的各种因素，建立与实际切削拟合程度高的数学模型，从真正意义上实现虚拟加工与实际加工的“无缝连接”，满足虚拟数控加工的沉浸感和交互感。
在各种商用软件中，已有了许多不同的几何仿真软件，国内许多研究团队也在不断的尝试开发新的算法来提高几何仿真显示的准确度与效率。其中，以Dassault公司Delmia中的Visual NC在几何仿真方面处理的比较优秀。
在物理仿真方面，虽然已有了一些商用软件可以进行仿真，国内也有一些研究团队致力于物理仿真的研究，但是，这方面的研究仍旧没有完善。
2.数控加工中的几何仿真
数控加工的几何仿真是指根据刀具运动的轨迹与刀具的外型对工件进行切除的模拟过程。传统的方法是使用试切法，即使用便宜的材料使用实际的机床进行切削，以检测是否存在碰撞或是干涉。这种方法费用高耗时长，降低了生产效率。
现在利用计算机对数控加工过程的模拟,即利用计算机模拟刀具沿着加工路径与被加工工件(毛坯)之间的相对运动,实现对加工中的刀具移动、切削等过程的监控和对加工代码正确性的验证。这种方法大大的缩短了生产的准备时间。常用的方法有两种：离散法和实体造型法。
2.1离散法
离散法通常包括视向离散法和三角片离散法两种。
基于图像空间的视向离散法是较为常见的方法,其基本工作原理是:沿视线方向离散工件和刀具,取二者中最前的颜色作为布尔运算的结果并直接写入光栅显示器的显示缓存。由于只在视线方向上作一维布尔运算,并且运算与显示合二为一,所以这种方法有很高的实时性。其缺点是:因为毛坯的原始数据都已经转化为像素值,而这些像素点是依赖于显示屏幕的,所以对加工结果无法进行旋转、放大等操作,同时难以进行加工误差检验。
另一种方法为三角片离散法。三角片离散法是指，将工件用三角片离散化，将上表面离散为均匀点阵，再将这些点阵连接成三角网格。当模拟切削时，根据刀具的高度不断的改变上表面点阵的高度，再对三角网格进行真实感渲染，以此仿真数控加工的过程。
在三角片离散法中，其关键是三角片的精度与计算速度间的矛盾。即，三角片越密集，图象的清晰准确度越高，而运算速度越慢，相反，三角片越稀疏，图象准确度越低，但运算速度却可以加快。基于这个矛盾，中提出了在有必要精确描述的形状复杂的区域多使用三角片，而在形状简单的区域少使用三角片的方法。再中也使用了区域搜索所需重绘的三角形的方法来提高运算效率，并提出了评定三角片算法的三个指标：紧致性、保守性和评估效率。
离散法较实体造型法效率通常要高许多，基本都可以实现显示的实时性，但由于将实体向平面离散，使得结果中缺乏了许多工件原有的三维信息。
2.2实体造型法
实体造型法可以提供三维形体最完整的几何和拓扑信息，可以进行准确的过程仿真和刀位轨迹验证。仿真中的模型有精确模型和近似模型，其中精确模型包括GSC与B-rep,近似模型包括八叉树，单元体等。在早期的实体仿真中，主要对精确模型进行操作。在体素构造表示中，切削可以看做是一个布尔减的过程，边界表示法中，切削可以看做工件表面的重构数控加工的可视化仿真
但是这些表示方式的计算复杂度太高，(CSG的复杂度是n4，其中n是走刀求交的次数)一些基于近似模型的方法也被引入实体造型法中，如中提到的Cuboid-array模型方法，就是一种基于八叉树的模型的变形。另一方面一些与离散法相结合的仿真方法，空间离散表示法。在这类方法中，将工件所在的空间划分成具有简单数据结构的基本元素，如Z-Buffer,G-Buffer,Dexel等，由此简化工件模型与刀具扫描之间的布尔运算操作，从而提高了效率。
总体上说，实体造型法的效率要低于离散法，不过，实体造型法保留了三维实体的完整的几何信息和拓扑信息，可以为下一步的观察和物理仿真提供有效的数据，而不是如离散法，只是单纯的生成图片效果的仿真效果。随着计算机速度的不断增加，实体造型法将得到越来越广泛的运用。
3.数控加工中的物理仿真
物理仿真主要是力学仿真，研究工件在切削时的物理状态，只有对物理仿真的机理研究透彻，才能真正意义上的满足虚拟制造的目的，即实际加工过程在计算机上的真实映射。
物理仿真的主要内容包括切削力仿真、加工误差仿真、切屑的生成过程仿真、刀具的偏移、变形和磨损仿真、及数控切削机床的振动与温度仿真等。
切削力是物理仿真中的基本因素，通常被认为单位时间材料去除率的函数。据此可得到刀具大致的受力情况，之后再用有限元法进行进一步处理得到切削力在刀具上的具体分布。
影响工件加工误差的因素主要为定位误差，其他影响因素还包括机床运动精度误差、刀具尺寸误差、主轴便移、导轨变形、夹紧力、刀具、零件热变形和弹性变形误差及加工方法引起的误差等。根据这些误差的影响程度大小不同，加入权值的概念，进行模糊综合评判即可得加工精度的总误差。
切削生成过程的实时仿真是虚拟数控与实际加工“无缝连接”和同步显示的主要环节，切削的生成、卷取、折断以及生成的形状受很多因素的影响，如刀具的几何形状、切削液、工件和刀具的材料，以及刀具与工件的受力情况。研究表明，当切削厚度很小时，切削厚度与切削力呈线性关系。
刀具的磨损和偏移会很大的影响到数控加工的加工误差和产品质量。实验数据表明，每单位进给距离与单位面积的刀具磨损体积与切削温度和压应力有关。将刀具简化为悬臂梁，其主要受力为刀头受到的切削力，经计算即可得到刀具的偏移。
加工温度是影响刀具和工件加工属性的一个重要因素，其中磨削和车削的加工过程是连续的，较易用公式描述，而铣削是间歇性切削，需要用一些修正来进行描述。
动力可能引起的振动也将影响工件的加工表面精度。对机床振动的实时仿真可以提供避免或减少振动的依据，合理的选择加工条件。对机床振动的影响中，有两个比较显著的因素：(1)机床、工件及刀具和随切削力向量的位置和方向变化的系统的动力学参数。(2)与切削力相关的加工材料、刀具形状和材料、切削状况、刀具磨损类型和磨损量等变化的动力学行为。
切屑和刀具面的摩擦力影响着切屑的形状、系统的温度等许多因素。摩擦力在刀具切削刃进入工件到离开工件的时间内是变化的，切削摩擦力的大小与系统温度之间相互影响，这就需要互相协调这几个因素，而得到最优的加工效果。
给出的这些因素只是在数控加工中会影响到最后工件质量的一些因素，这些因素之间也会相互影响，有些也会成为设计中需直接考虑的因素，所以在综合考虑这些因素的时候应当相互协调以得到最佳的加工结果。
4.数控仿真在商用软件中的运用
在许多常见的商用软件中已经有了较为完善的数控几何仿真的功能，下面对Dassault公司的两个可以进行数控加工几何仿真的软件进行一些简单的介绍。
4.1 Catia中的数控几何仿真
Catia作为Dassualt公司推出的大型CAD造型软件以被人们所熟知，它不仅包括了强大的CAD造型功能，也包含了强大的CAM功能和基本的CAE功能。在它的CAM功能中，可以进行数控加工的几何可视化仿真。
Catia中的可视化仿真是在G/M代码生成之前，仅限于对刀具与工件间是否发生碰撞，以及所设定的路径是否能够进行准确完全的加工进行检验。
其具体过程如下：在确定需加工的工件与加工参数和确定刀具参数后生成刀具轨迹，通过这个轨迹对工件进行切削，将切削过程的工件减少的状况经可视化处理后反馈给用户。
在这个过程中，工件固定，而刀具相对于工件移动，当刀具与工件相交时，从工件中减去相交的部分。这个过程只考虑到了刀具与工件的局部干涉，而当刀具的非切削部分与工件碰撞时则不会显示。且工件固定而刀具移动有时并不符合实际的加工状况，也没有将机床与刀具或工件的碰撞考虑进去。故这个仿真过程只是一个大概的初步的仿真过程。
4.2Visual NC中的数控几何仿真
Dassualt的Delmia中的Visual NC模块提供了一个全面的具体的几何仿真过程，将机床的实际状况考虑了进去，并使用符合所用机床的G/M代码进行控制，真正的实现了几何上的所见即所得。
在Visual NC中，使用的是B-rep模型，将物体用几何信息与拓扑信息描述。使用这种模型进行切削仿真时的复杂度为n或n2，刀具与工件切削的过程可以看作几何信息与拓扑信息的重新运算。在模型的建立时，只产生点，线，面，多边形等简单的简单的元素，可以降低模型的复杂程度。另一方面，它在建立模型时提供了近似精度的选择。如：在建立圆的模型时，它会询问构成圆的顶点数，用户可以通过设置这个选项来控制所出图形与真实圆的相似程度(设置3个顶点为三角形，4个为正方形，当点的数目足够大时，就可以近似表现一个圆)。
其仿真过程的第一部是机床模型的建立，因为在Visual NC中将机床的实际情况考虑到数控加工过程中，所以需要建立机床模型。机床模型可以通过其自带的CAD功能建立，也可以由其他系统中生成导入，必须注意的时，导入的文件在Visual NC中为一个整体，仍需进一步进行关联的设置。机床模型分为两个大的部分，固定部分与运动部分。一般来说，在模型的建立时，需要将机床的各个运动部分分开，但是固定部分可以作为一个整体。在运动部分的建立时应该注意其原点的X,Y,Z方向，因为这将是它的运动控制方向和同机床其他部分关联时的方向。在模型建立后应该对各运动部分进行运动关联，设置它的运动方向和在MIMIC语言中的轴的序号，并设置各个部分在其进给方向上可以运动的最大范围。
第二步需要设置工件、刀具和夹具，工件、刀具和夹具都可由实体转变而成，刀具中又细分为切削部分和刀柄部分，一般刀具由这两部分组成，只有切削部分与工件相交才会进行切削。在工件刀具和夹具都设置好后需要对各部分的碰撞进行设置。一般来说，将机床与工件、刀具和夹具的全部进行碰撞检测即可，当发生碰撞时，碰撞部分会被加亮。
在系统的几何外型都设置完毕后，需要对机床的控制进行设置，其设置的语言为MIMIC语言，它通过控制机床的运动状态和运动属性等因素来控制机床的移动，在使用适当的MIMIC语言后，虚拟机床对所给G/M代码的反应程度应当与实际相同。
在全部设置完毕后可以导入数控代码对其进行加工仿真，仿真过程中，可以对工件的切削过程，刀具的运动情况，是否发生干涉，机床是否超出运动范围等状况进行检测，并可以在得到结果后对工件进行测量，以检验工件加工后所得的尺寸是否符合加工的要求(不含工件的误差)。
从整体上看，Visual NC对数控加工的几何仿真已经做到了比较完善的地步，在几何仿真所希望得到的数据及效果都已经被考虑进去，加入了机床的设置使的系统具有更大的适应性。且在显示速度方面也能满足实时显示的要求。
5.总结
数控加工的仿真是现代化制造中的一个重要过程，它为实际的生产过程提供了可靠的依据和质量的保证。在对几何仿真的过程中，研究主要集中在运算的效率与显示精度的综合最优化中。在对物理仿真的过程并没有过于完善的研究，商用软件中的仿真也并没有专门的模块，只是有限元的运用。对物理仿真的研究还有很大的空间。
文章关键词： 数控加工
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