數控車削加工仿真技術的研究

時間:2011-02-27 10:21:56 來源:

1 引言

傳統的加工仿真方法是通過直觀的圖形顯示來進行數控程序的加工仿真和干涉碰撞檢查，即在計算機上用線框模擬刀具沿刀具路徑在工件上的加工過程。近年來，隨著微型計算機軟硬件技術的不斷發展和成熟，基于實體造型的三維數控仿真技術在工程上的應用日益廣泛，有文獻研究了在虛擬現實環境下，應用多媒體技術進行數控加工仿真的技術。這些新的加工仿真技術的出現使數控程序的加工仿真進人一個新的階段。

本文針對數控車削加工仿真進行了研究并建立了數控車削動態仿真系統。

2 數控車削加工仿真流程

本文設計的數控車削仿真系統既可以對手工編制的單機數控車削程序進行仿真，也可以作為CAD/CAPP/CAM集成制造系統中的一個子系統，對集成制造系統自動產生的數控車削程序進行仿真。該系統可以完成對子程序的處理，允許運動坐標的續效代碼和注釋行的存在，并且支持多種數控代碼格式，是一個通用的數控車削NC 程序仿真系統，其工作流程如圖1所示。

圖1 數控車削加工仿真系統的工作流程

數控車削加工仿真系統包括四個部分：NC代碼詞法和語法分析、刀具加工軌跡仿真、刀具加工過程仿真和刀具加工過程中的干涉碰撞檢查。具體的仿真過程是：首先仿真系統通過對NC程序進行兩次掃描分析，完成對NC程序的編譯解釋和對NC程序的語義分析與坐標變換，此后，生成一個NC坐標信息文件；其次NC坐標文件解釋程序從NC坐標信息文件中讀取加工仿真所需的刀具信息、刀具運動指令及坐標信息，并從刀具庫中讀取相應的加工刀具信息；最后調用相應的加工仿真算法，完成零件的刀具軌跡仿真、加工過程仿真和干涉碰撞檢查等仿真過程。在加工仿真時．既可以進行數控代碼的全過程仿真，也可以進行單工步加工仿真，具有很大的靈活性。

3 NC程序的編譯解釋

NC程序格式
數控程序是由數控指令組成的，一般一條數控指令完成一個操作功能，NC程序是由若干條數控指令按照一定的結構構成的。一個完整的數控加工程序是由若干程序段組成的。常用的程序段格式有：固定順序程序段格式、有分隔符的固定順序程序段格式和字地址程序段格式。目前常采用字地址程序段格式，國際標準化組織制定了字地址程序段格式ISO-6983-1-1 982標準，其形式為
N… G… X±… Z±… I±… J±… K±… M… S… T… F…
其中G指令、M指令及F、S、T指令代碼描述數控機床的運動方式、加工類型、主軸狀態、冷卻液的開關、進給速率、主軸轉速的設置和刀具的選擇等。X、Z、I、J、K為坐標指令字，分別描述刀心位置坐標值及加工軌跡中圓弧的圓心坐標等。
NC程序詞法和語法分析
對NC程序解釋編譯是按照數控程序的書寫規則進行的。詞法和語法分析的實質是將NC程序與ISO數控程序標準進行匹配檢查，針對FUNAC數控系統設置了20多條檢查規則，例如：
- NC程序有效字符：%，N, G, M, T, F, S, X, Y, Z, I, J, K, R, 0～9, (,), /;
- 第一行必須是%或注釋行；
- G代碼后必須是兩位數字，并且一定是有效代碼．如G00、G01、G02、G50、G92等；
- 同組G代碼在同一段中不能同時存在，如G01與G02或G03等不能同時出現在同一程序段內；
- M代碼后必須是兩位數字，并且一定是有效代碼，如M01、M02、M08等：
- T代碼后必須是數字，且符合TXXYY格式，其中XX值不能大于刀庫容量，YY竹值不能大于刀具補償號容量；
- S代碼后必須是數字，且必須在主軸轉速范圍之內；
…
NC程序編譯解釋
NC 程序的編譯過程是先建立一個與數控代碼程序段格式相對應的Vbuffer類對象，把此對象作為一個臨時緩沖區，將程序段中的數控加工信息依次讀出，經解釋變換后寫入NC坐標信息文件中，該文件是刀具軌跡仿真的驅動數據。系統采用數據緩沖區的方法逐行順序讀人數控代碼，故系統支持坐標字和數控指令字續效代碼的處理。

圖2 刀具運動軌跡仿真算法流程

4 仿真行為

刀具軌跡的動態加工仿真
刀具軌跡動態仿真是根據要進行仿真的數控代碼，在計算機屏幕上動態顯示刀具軌跡，以運動軌跡的方式來直觀顯示零件具體的加工過程；進行刀具軌跡動態仿真時，順序讀入NC坐標信息文件，獲取數控指令(直線、圓弧指令等)和命令參數(起點、終點和圓心坐標等)，然后執行相應的軌跡處理：對于直線和圓弧命令，則要根據其起止運動坐標，進行直線和圓弧的插補運算，得到運動過程中離散的中間點的坐標值，然后動態顯示刀具運動軌跡。刀具運動軌跡仿真算法流程如圖2所示。
為了清楚地表達刀具的軌跡運動過程，仿真畫面將顯示零件毛坯、零件外形輪廓、夾具、起刀點、刀具運動軌跡、退刀點和輔助加工信息等。并用不同的顏色來表示不同的刀具運動軌跡。刀具軌跡加！：仿真的優點是可以簡單直觀地檢測刀具運動軌跡的正確性，計算機處理數據較少，顯示速度快，故可獲得很好的動態顯不效果。
零件加工過程動態仿真

為了實時顯示加工刀具的形狀和運動過程，需建立一個刀具切削加工模型。為簡化建模過程，對于車削刀具，將標準(ISO)刀具和非標準刀具統一成標準的切削模型，圖3a為粗、精車刀和螺紋刀，圖3b為切槽刀其中k_r為主偏角，k_r'為副偏角，E_r為刀尖角，t_w為槽刀寬度；同時建立一加工刀庫配置文件來管理各種刀具的幾何與物理描述數據在進行加工過程仿真時，根據數控代碼中的指令，在刀庫配置文件中選擇相應的刀具，在夾具資源庫中選擇相應的夾具和夾緊方式，真實地反映加工過程，以觀察刀具和夾具的干涉和碰撞情況。

(a)

(b)

圖3 加工過程動態仿真車削加廠模型

加工過程動態仿真算法流程和刀具運動軌跡仿真算法流程是一致的(圖2所示)，不同的是刀具運動軌跡仿真是用“運動點”來動態顯示刀具軌跡，而加工過程動態仿真算法是用“刀具模型”顯示刀具軌跡，并實時顯示毛坯的去除過程。根據切削加工模型，當刀具處于切削加工運動時，用背景色填充刀具切削部分來進行加工過程仿真：該方法只適用于二維車削的平面仿真情況，與毛坯的形狀無關，亦不需額外的判斷和計算過程，對汁算機的性能要求不高，微機的顯示速度完全可以滿足實時性的要求。
零件加工過程干涉碰撞檢查
二維車削加工干涉碰撞是指，由于數控指令錯誤或刀具參數選擇不當而造成的刀具與工夾具之間及刀具和己加工表面或待加工表面發生干涉碰撞的情況。干涉碰撞檢查算法是，在任一加工時刻，將切削刀具包圍輪廓和靜止件(機床和夾具等)包圍輪廓作二維布爾運算，如有相交情況，則說明該加工工步位置有碰撞清況發生，需修改加工指令。

圖4 加工過程中刀具的干涉碰撞檢查示意圖

具體的干涉碰撞檢查算法，是在插值點將加工刀具的主偏角和副偏角與直線傾斜角度比較，對于圓弧段輪廓，則與該插值點在圓弧輪廓的切線的傾斜角進行比較，并區分順圓和逆圓兩種情況。以右車刀切外輪廓為例，其對于直線和圓弧的干涉檢查如圖4所示。檢查結果將寫入一個干涉報告中，圖4中，k_r為主偏角．k_r'為副偏角，E_r為刀尖角，A為與切削加工方向相反的傾斜角，B為與切削加工方向相同的傾斜角。當A>k_r時，刀具副切削刃和零件表面發生干涉，當180°+B<180°-k_r時，刀具的主切削刃和零件表面發生干涉，這時將發生過切現象二對于不同的加工方向和加工輪廓，上述判別式應進行相應的調整。
零件加工過程干涉碰撞檢查的算法流程如圖5所示。

圖5 干涉檢查算法流程