在微機上實現數控銑床加工仿真

1、實現加工仿真的多種思路

　　近年來，隨著CAD/CAM軟件行業的發展，加工仿真軟件脫穎而出.線切割、車床、銑床相繼都有了相對應的仿真軟件.其中的各種算法，特別是銑床的加工仿真算法，引起了廣大同行們的興趣.筆者從追求實時顯示效果，到追求加工誤差測量，到設計仿真平臺，設計過多種仿真方案.本文結合作者的經驗和對軟件的研究，給廣大同行們提供一些思路和想法.
　　線框方法是一種十分簡單而且容易實現的加工仿真方法，即在屏幕上以線框的方式畫出加工刀具和零件模型.當程序運行時，刀具不斷地按顯示的加工軌跡在屏幕上移動，加工仿真模塊未對刀具和待加工毛坯進行數學處理，難以進行真實的銑削加工仿真.這種方法只能用于校驗G代碼有無明顯錯誤，對于過切、余量只能通過眼睛的觀察來判斷，因此，這種方法很難稱得上加工仿真.真實感仿真是在此基礎上加入過切判斷機制，讓刀具在零件的真實效果圖上進行切削.如果過切，刀具就會把零件的真實效果圖“切掉”一塊.這種方法有所改進，但仍然不能顯示整個真實的切削過程并對加工結果進行誤差測量.
　　考慮到待加工毛坯一般為長方體，刀具可以由二次幾何體拼湊而成.現在布爾實體造型技術已比較成熟，可以考慮用實體的差來實現加工仿真.這種方法對待加工毛坯和刀具均采用標準的數學模型表示.進行加工仿真時，先求出刀具沿加工路徑移動時所形成的掃描體，然后從毛坯中“減去”該掃描體，接著將結果進行真實感顯示.利用這種方法進行仿真，可以支持三軸和五軸加工.其加工出的零件表示具有連續性，可以放大或縮小顯示，可以任意旋轉視角，可以進行加工誤差的測量.但這種方法也存在一些問題：(1)對于加工代碼少的零件比較適合，對于復雜零件其等待時間和數據量將大大增加；(2)求交過程和離散顯示過程所消耗的時間將降低其實時性能；(3)求交過程中計算穩定性將影響整個仿真過程.從理論上講，這種算法是最精確的加工仿真算法，不應當放棄深挖其潛力的研究.
　　現在大多數商業軟件主要采用視向離散法.這種方法的主要思路是：將加工刀具和待加工毛坯沿視線方向上進行“等同”離散表示；然后在加工過程中，利用離散后的數據進行圖像上的處理，以求達到真實的效果.采用這樣的方法可以達到很好的顯示效果和實時性能，同時可以支持三軸和五軸加工.但其加工結果不具有連續性，不能放大或縮小顯示，不能任意轉動視角.除非改變視向后重新進行加工仿真；或者事先設置多個視角同時進行加工；或者利用該算法的特點：僅做一百八十度視角變換.利用加工仿真的結果可以確定加工中的過切、余量，進行截面觀察和表面數據測量.筆者利用這種思路完成了本科畢業論文.軟件原型于1997年5月參加在北京舉行的第5屆國際機床展，改進版于同年7月參加在北京舉行的全國CAD／CAM軟件展.改進后的軟件模塊嵌入由北京華正模具研究所1998年4月2日所推出的計算機輔助設計和制造軟件ME2.0中.
　　追求顯示效果和實時性能并不是唯一的目的，更主要的目的是進行加工結果誤差測量.這時考慮到三軸加工的特點，筆者提出軸向離散算法：把加工刀具和待加工毛坯沿刀軸方向等同離散表示.這種方法僅消除了視向離散方法中所存在的內存問題，其它問題仍未得到解決.將這一方案進一步修改，就得到了近期所提出的三角片離散法：將待加工毛坯上表面用離散的三角片來表示.該方法不但具有視向離散的優點，而且簡單易行，加工過程中可以不斷地變換觀察方式，通過簡單的搜索來確定加工后的各種誤差.另外，可以加入機床和夾具一起進行仿真，達到真實仿真的效果.這種方法對顯示要求較高，如果不采用顯示技巧和快速顯示硬件的支持，其實時性就較難保證.