數控仿真技術分析及發展趨勢

摘 要:數控仿真技術可以形象、直觀地模擬數控加工的全過程，為驗證數控加工程序的可靠性及預測切削加工過程提供強有力的工具。本文介紹了數控仿真技術的特點和關鍵算法，并對關鍵算法進行分析評述，最后提出了數控仿真技術的發展趨勢。

關鍵詞:數控仿真技術;幾何仿真技術;發展趨勢

一、引言

隨著機械零件制造復雜程度的提高，計算機技術的不斷改善和計算機圖形學的飛速發展，使得計算機仿真技術在加工制造業中得到了廣泛的應用。把計算機仿真技術引入到零件的數控加工中即形成了數控仿真技術。數控仿真技術利用計算機圖形顯示技術模擬實際加工過程，是驗證數控加工程序正確性的有力工具之一，它能對切削過程中的刀具動作及切削狀態進行空間立體的、真實形象的顯示，同時對過切、欠切現象以及刀具與工件、刀具與夾具之間的碰撞干涉情況實現可視、定量的驗證，可以直觀、形象地模擬數控加工的全過程。數控仿真技術在加工建模、預測、仿真計算和圖形顯示等方面取得了重要進展，現在正向模型的精確化、仿真計算實時性和圖形顯示的真實感方向發展。

二、數控仿真技術分析

數控仿真技術實際上是虛擬環境中數控機床的模型。與真實機床相比，虛擬數控機床(仿真技術)具有以下的功能和特點:

(1)虛擬數控機床具有與真實機床完全相同的結構。虛擬數控機床能模仿真實機床的任何功能而不致因為采用某種近似替代而導致某種結構和信息的失真或丟失，并與真實機床有完全相同的界面風格和對應功能，如動態旋轉、縮放、移動等功能的實時交互操作。

(2)機床操作全過程仿真。仿真機床操作的整個過程:毛坯定義、工件裝夾、壓板安裝、基準對刀、安裝刀具、機床手動操作。

(3)豐富多樣的刀具庫。系統采用數據庫統一管理的刀具材料、特性參數庫，含數百種不同材料、類型和形狀的車刀、銑刀，同時還支持用戶自定義刀具及相關特性參數。

(4)全面的碰撞檢測。手動、自動加工等模式下的實時碰撞檢測，包括刀柄刀具與夾具、壓板、刀具，機床行程越界，主軸不轉時刀柄刀具與工件等的碰撞等。出錯時會有報警或提示，從而防止了誤操作的發生。

(5)強大的測量功能?？蓪崿F基于刀具切削參數零件粗糙度的測量，能夠對仿真軟件上加工完成后的工件進行完全自動的、智能化的測量。

(6)有完善的圖形和標準數據接口。用戶既能在真實的環境中運行虛擬機床，又能觀察它的各種運行參數，并能將其他CAD/CAM軟件，如UG、Pro/E、Mastercam等產生的三維設計后置處理的NC程序，直接調入加工。

(7)實用靈活的考試系統?？捎糜谶h程網絡學習、作業、考試等功能，并實現答卷保存、自動評分、成績查詢和分析等功能，輕松實現無紙化的考核與測評。

此外，數控仿真技術可以在數控教學中避免因誤操作造成價格昂貴的數控機床的損壞，又可以使操作人員在對仿真數控機床操作過程中產生現場感和真實感。同時由于其成本較低，可以大量地配置終端，徹底解決了數控機床數量不足的難題，使每位學員都能有足夠多的實踐機會，因此能夠讓學生更快地熟悉和了解數控加工的工作過程，掌握各種數控機床的操作方法。其更大的好處還在于，在實現了同樣培訓效果的情況下，將加工出錯率及事故發生率降低到最低程度。數控仿真技術還可以減輕老師的工作強度，減少工件材料和能源的消耗，節約了實踐環節的培訓成本，效果十分顯著。相信不久的將來，它必將成為數控教學中一種不可或缺的重要手段。但數控仿真技術中仍存在不足，如通過CAD/CAM、UG、Pro/E、Mastercam等軟件產生的三維設計后置處理的NC程序在投入實際的加工之前通常需要進行試切，以檢驗NC代碼的正確性和被加工零件是否達到設計要求。這一過程周期長、成本高、勞動強度大，而且占用了加工設備的工作時間。

三、數控仿真技術的關鍵算法

幾何仿真技術是數控仿真技術的關鍵算法，其發展是隨著幾何建模技術的發展而發展的。目前常用方法有圖像空間的方法、離散矢量求交法、實體造型法和曲面技術的方法。

1. 圖像空間法

利用圖像空間離散法可生成流暢的加工動畫，可非常直觀地觀察加工過程。這種方法最早是由VanHookt在1976提出的，他利用zbuffer思想，將刀具和工件實體按屏幕像素(pixe1)離散為dexel結構，將計算簡化為視線方向上的一維布爾運算，大大降低了計算復雜度，從而得到了較高的實時性。此后，很多人對圖像空間法進行了各種改進，使其在商業CAM系統中得到了廣泛的采用。這種方法的缺點是難以為物理仿真提供精確的切入切出角度、切屑體積等數據，另外，由于離散是按觀察方向進行的，只能生成固定角度的圖像，如果想換一個觀察角度，則必須重新對工件和刀具進行離散，因此無法從多角度觀察加工過程。

2. 矢量求交法

矢量求交法的實質是從工件的表面涌出密集的矢量段，刀具在運動中切割這些矢量段，根據殘余矢量的長度及方向可判斷零件加工過程中是否存在漏切和過切，并且很容易計算出加工誤差。這種方法適合于對曲面加工進行校驗，但難以為物理仿真提供精確的輸入數據。

3. 實體造型法

實體造型法包括體素法和八叉樹法，均是以實體造型為基礎的仿真方法。體素法是在每次切削時，通過對毛坯和刀具進行布爾減運算得到切削后的實體形狀，在計算機上動態地模擬出被加工材料的去除過程，從而實現加工仿真;八叉樹法可以表示任意復雜形狀的形體，仿真速度快，易于進行布爾運算并可提高實體幾何模型的精確性?，F代三維實體CAD系統一般采用構造實體幾何(CSG)模型和邊界表示(B-rep)模型表示零件。商業CAD系統(如Pro/E，UGS等)傾向于混合使用這兩種模型，CSG樹用來記錄零件的造型過程，B-rep模型 用于表示零件的最終實體。零件的 B-rep模型精確地表示了零件的各種幾何信息和拓撲信息。利用B-rep模型的布爾運算進行加工仿真，可得到物理仿真所需的精確幾何信息。用實體造型法進行數控仿真需要進行大量的實體布爾運算，而實體布爾運算的計算復雜度很高，普通的微機很難滿足這種高強度的計算密集型計算。因此，雖然實體造型法數控加工仿真可獲得精確的工件和切屑數據，但難以實現仿真系統的商業化。

4. 曲面技術法

曲面技術法是以曲面建模技術為基礎，Jerard提出了一種將曲面離散成一系列的網格點的數控仿真方法，并根據計算機圖形消隱原理來顯示最終加工零件。曲面模型可以精確地定義零件的幾何形狀，有助于數控加工指令的自動生成和加工結果的驗證。曲面模型可以很容易地將曲面棱緣像實體一樣加以顯示。曲面技術的數控仿真計算量小，計算速度快，時間復雜性小，因而被廣泛應用。

四、數控仿真技術的發展趨勢

隨著先進制造業的飛速發展以及對生產過程高效率、高智能化的要求，單純的幾何仿真已經不能滿足需要。在加工之前能否給出加工參數的合理評判及對產品質量的合理預測已成為現代加工生產中的關鍵。因此在實際加工過程之前要對切削過程進行仿真、預測與分析。但由于加工過程的復雜性和加工形式的多樣性，今后一段時間數控仿真及其建模研究重點應集中于以下幾個方面:

(1)按照應用目的，可將數控加工仿真技術分為幾何仿真技術和物理仿真技術，幾何仿真用于檢驗刀具路徑，進行刀具與工件、夾具和機床的碰撞檢測;而物理仿真則根據各種物理模型計算切削力、切削熱、變形量等物理量，從而為精度補償或切削過程優化提供依據。幾何仿真為物理仿真提供計算所需的各種幾何信息數據(如切入切出角度、切屑形狀和體積)。只有兩者之間有機結合，才能構成完整的虛擬加工過程仿真系統。

(2)建立數控仿真的切削實驗參數數據庫。由于加工過程的復雜性，加工預測技術發展到今天，仍然要借助大量的實驗作為基礎，如果前人的大量實驗數據能夠共享，對加工建模將會產生深遠的影響。

(3)數控仿真技術與數控仿真系統兩者之間的進一步耦合。盡管數控仿真技術已經飛速發展，但數控仿真系統仍較為落后。

(4)實現仿真手段和方法的多樣性，將有限元法、傳感器融合檢測技術和人工神經網絡等用于提高建模能力，以增強物理仿真模型預測的可靠性和適應性。

(5)全面反映加工精度的質量仿真模型和全面反映加工過程的仿真預測模型將是數控仿真的重點研究內容。

五、結束語

幾何仿真和物理仿真的集成和將仿真軟件直接嵌入到實際的加工系統中使其成為實際加工的支撐環境，對將來數控加工仿真發展意義重大。新型數控加工仿真系統必須跟上數控仿真技術的發展趨勢，實現從單個整體式應用程序到網絡上的分布式應用程序的轉變。

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(洛陽高級技工學校)