2　 三軸數(shù)控銑削加工仿真系統(tǒng)的主要功能模塊

2 . 1　 數(shù)據(jù)預(yù)處理

此模塊主要用來實(shí)現(xiàn) NC文件的數(shù)據(jù)讀入。 數(shù)控加工刀軌仿真的關(guān)鍵就是從 NC文件中讀取三軸聯(lián)動加工信息。這些加工信息主要包括 G功能代碼和尺寸字。本文根據(jù)三軸聯(lián)動的實(shí)際特性 ,只對以下三組常用代碼作相應(yīng)的處理: G00～G O2; G17～G19; G90, G91。系統(tǒng)在讀入 NC文件之后 ,需將NC文件數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為仿真所需的坐標(biāo)點(diǎn) ,并存儲到鏈表中[ 1 ]。鏈表結(jié)構(gòu)如下:

根據(jù)坐標(biāo)值前的 G代碼不同作出相應(yīng)的處理:若為直線加工指令 (GO1) ,直接將端點(diǎn)坐標(biāo)值添加到鏈表當(dāng)中;若為圓弧加工指令 (GO2, GO3) ,則以進(jìn)給量當(dāng) (即插補(bǔ)步長 ) f為步長,用直線插補(bǔ)來近似圓弧,并將所有直線段的端點(diǎn)坐標(biāo)值添加到鏈表當(dāng)中。

2 . 2　仿真計(jì)算

刀軌仿真只是動態(tài)顯示機(jī)床走刀路徑,并沒有考慮實(shí)際刀軌與設(shè)計(jì)理想模型間的比較關(guān)系,尤其是刀具在加工過程中刀具對工件的干涉無法反映出來,從而不能對加工過程的干涉作出一個定量的評判。 本文通過計(jì)算刀位點(diǎn)到工件表面的最短距離,并比較其與刀具半徑的大小關(guān)系,從中就可以容易判斷刀具與工件之間是否發(fā)生干涉。

2 . 2 . 1　ST L模型

采用目前在 RP技術(shù)中廣泛應(yīng)用的 ST L模型來作為設(shè)計(jì)理想模型的替代。精度是影響 ST L模型準(zhǔn)確性的一項(xiàng)重要指標(biāo) ,必須根據(jù)零件加工的需要設(shè)定合理的精度 ,理論上 ST L模型精度ε1和數(shù)控加工精度ε2必須嚴(yán)格要求保證滿足:ε1 <ε2 ,而在實(shí)際加工中一般要求ε1比ε2高出一個數(shù)量級,否則檢測結(jié)果將無實(shí)際意義[2 ]。

在 ST L文件中所有三角面片被無序列出 ,相互之間不存在任何拓?fù)湫畔?/span> , 這將導(dǎo)致刀位點(diǎn)到模型的最短距離計(jì)算過程相當(dāng)困難。 因此 ,重建零件 ST L模型的拓?fù)湫畔⑹欠浅１匾摹?/span> 在讀入零件的 ST L模型數(shù)據(jù)時,依據(jù)三角面片的 Z方向的極大值進(jìn)行排序,從大到小依次保存到鏈表當(dāng)中。 同時,為了簡化后續(xù)數(shù)據(jù)計(jì)算過程,在鏈表中設(shè)計(jì)了兩個數(shù)組用來保存三角面片在 XY投影面上的四個極值。 鏈表結(jié)構(gòu)定義如下:

2 . 2 . 2　一般立銑刀與球頭銑刀加工的干與檢測常用的數(shù)控銑削加工刀具的外形林林總總,這將直接致使其在仿真體系中的幾許表達(dá)不一樣,進(jìn)而仿真體系的干與檢測算法也將因刀具而異,因此,數(shù)控銑削加工的干與檢測有很大的難度。 在實(shí)踐加工中,一般來說,平面類的零件廣泛選用一般立銑刀,也常用面銑刀端銑較大的平面,曲面類零件則常選用球頭銑刀,如圖 2所示的刀具的簡化模型,當(dāng) R1 = 0時為一般立銑刀; R1 = R2 = R為球頭銑刀。 因此,使用一般立銑刀和球頭銑刀即可基本上滿意三軸數(shù)控加工使命。 這篇文章仿真核算模塊也將只思考選用一般立銑刀和球頭銑刀的三軸數(shù)控加工的干與檢測。

當(dāng)三軸數(shù)控銑床使用球頭銑刀加工曲面時,加工對象輪廓上的所有點(diǎn)到刀具軸線的距離不小于刀具半徑R,是不發(fā)生干涉的充要條件。 考慮到三軸數(shù)控銑床加工特點(diǎn),刀具在加工過程中可能發(fā)生最典型的干涉有:(1) 全干涉,即刀具碰撞曲面; (2) 局部干涉,即導(dǎo)致工件材料被過切。對于第一種干涉情形: 由于加工曲面已被三角化的 ST L模型替代,因此,只有 Zmax不小于刀位點(diǎn)坐標(biāo) ( x, y, z) 的 z值的三角面片才是可能會發(fā)生全干涉的區(qū)域。 三角面片和刀具在 XY投影平面的形狀分別為三角形和圓,如圖 3所示。 通過比較圓心 O到三角形 △ABC的最短距離 r和刀具半徑 R大小,就可以判斷此類干涉是否發(fā)生。

當(dāng)圓心位于三角形△ABC內(nèi)時,刀具圓心到三角形 △ABC的最短距離 r為零,小于刀具半徑R,故一定發(fā)生全干涉。當(dāng)圓心位于三角形△ABC外時,假設(shè)圓心 O到三角形 △ABC的頂點(diǎn)的距離分別為 d1 , d2 , d3 , 且 d1 ≤d2 ≤d3。 過圓心 O作與 d1 ,d2相對應(yīng)的頂點(diǎn)所組成邊的垂線,垂足為 D,當(dāng)點(diǎn) D位于線段AB之間時,易知 OD 就是圓心 O到三角形 △ABC的最短距離 r ,而當(dāng)點(diǎn) D位于線段 AB的延長線上時,可以推出,圓心 O與 d1所對應(yīng)的頂點(diǎn) A距離就是圓心 O到三角形 △ABC的最短距離 r。 因此,只要 r小于刀具半徑 R,就會發(fā)生全干涉。

對于第二種干涉情形: 由于球頭銑刀底部類似于一個半球體,因此,工件被過切 (局部干涉 )的區(qū)域?qū)⒔橛谄矫?/span> Z = z和平面 Z = z - R之間,因此,只有 Zmax不小于 z - R值,且 Zmin不大于 z值的三角面片才是可能發(fā)生此類干涉的區(qū)域。 刀具與工件發(fā)生局部干涉的充要條件仍然是球心 0到三角面片的最短距離 r小于刀具半徑 R。 假設(shè)過球心 O直接作三角面片的垂線,垂足為 E,此時,分兩種情形討論垂足點(diǎn) E與三角面片 △ABC的位置關(guān)系:

當(dāng)垂點(diǎn) E位于三角面片 △ABC內(nèi)時,如圖 4所示,易知球心 O到垂點(diǎn) E的距離即為球心 O到三角面片 △ABC的最短距離 r ,即 OE ,然后判斷刀具半徑 R與 r的關(guān)系,若 r小于 R,則工件被過切。

當(dāng)垂點(diǎn) E坐落三角面片 △ABC外時,如圖 5所示,假設(shè)三角面片 △ABC的三個極點(diǎn)到球心 O的間隔分別為 d1 , d2 , d3 ,且 d1 ≤d2 ≤d3。 過點(diǎn) O作與 d1 , d2相對應(yīng)的極點(diǎn)所構(gòu)成邊的垂線,垂足為 D。 當(dāng)點(diǎn) D坐落線段 AB之間時, 易知 OD 即是球心 O到三角面片 △ABC的最短間隔 r , 而當(dāng)點(diǎn) D坐落線段AB的延伸線上時,能夠推出,圓心 O與 d1所對應(yīng)的極點(diǎn) A間隔即是圓心 O到三角面片 △ABC的最短間隔 r。 因而,只需 r小于刀具半徑 R,就會發(fā)作干與。圖 4　垂點(diǎn) E在三角面片內(nèi)圖 5　垂點(diǎn) E在三角面片外當(dāng)三軸數(shù)控銑床運(yùn)用一般立銑刀加工時,因?yàn)橐话懔姷?/span> (R1 = 0)是數(shù)控加工刀具中最為簡略的一種,因而,其干與判斷也最為簡略。 如圖2所示,關(guān)于恣意刀位點(diǎn)o ( x, y, z) ,設(shè)對應(yīng)的刀具切觸點(diǎn) P ( xp , yp , zp )。 只需 Zmax 大 于 切 觸 點(diǎn)P ( xp , yp , zp )的 zP值的三角面片的才可能是發(fā)作干與的區(qū)域,刀具和三角面片在 XY平面的投影區(qū)域?yàn)橐粋€圓和三角形,如圖 3所示,核算滿意 Zmax大于 zP的三角面片到圓心的最短間隔 r ,并與刀具半徑 R比較,只需 r小于 R,即斷定發(fā)作干與。 詳細(xì)檢測進(jìn)程類似于用球頭銑刀加工的第一種干與景象。

2 . 3　 仿真成果顯現(xiàn)

因?yàn)槿S動態(tài)仿真需求較快的顯現(xiàn)速度 ,并且數(shù)控加工的刀位點(diǎn)數(shù)據(jù)量相當(dāng)大 ,直接導(dǎo)致 OpenG L體系的核算量也非常大 ,因而本體系經(jīng)過選用雙緩存技能來增強(qiáng)了數(shù)控加工進(jìn)程動畫顯現(xiàn)的連續(xù)性和運(yùn)動感 ,以及顯現(xiàn)列表技能將諸如ST L模型等目標(biāo)預(yù)存到內(nèi)存中 ,以削減模型制作的工作量[ 3 ]。

在仿真成果顯現(xiàn)中 ,用戶能夠?qū)ぜM(jìn)行旋轉(zhuǎn) ,縮放 ,平移和暫停等操作。一起 ,將發(fā)作干與的刀具軌道及其關(guān)聯(lián)的三角面片以不一樣色彩顯現(xiàn)出來 ,并向用戶供給精確的干與區(qū)域的坐標(biāo)值數(shù)據(jù)。