數控加工仿真技術的研究現狀與展望

賈曉麗

摘要：數控加工仿真技術是在計算機環境下模擬實際的數控加工過程，該技術一般是依靠仿真軟件的支持，采用三維實體仿真技術實現，為數控代碼的檢驗、刀路軌跡的驗證、干涉碰撞的檢測等提供有效依據。本文論述了在數控加工仿真中所應用的數控代碼譯碼、三維建模、動畫過程仿真及干涉碰撞檢測幾個關鍵技術，并介紹了數控加工仿真技術的研究現狀，最后對數控加工仿真技術的發展趨勢進行了展望。

Abstract： NC machining simulation technology is to simulate the actual NC machining process by the computer technology， generally based on the support of simulation software， and it uses three-dimensional solid simulation technology， provides the basis for the NC code verification， tool path trajectory verification， and collision and interference detection. This paper discusses several key technologies in NC machining simulation， including NC code decoding， 3D modeling， and animation process simulation and collision and interference detection. Then the paper introduces the current research status of NC machining simulation technology. Finally， the development trend of NC machining simulation technology is prospected.

關鍵詞：數控加工仿真;三維建模;動畫仿真

Key words： NC machining simulation;3D modeling;animation simulation

中圖分類號：TG659 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）13-0143-03

0 引言

數控技術已發展成為工業現代化的基礎和重要組成部分[1]。為確保數控加工過程的正確性，數控程序在編制后，需要進行正確性檢驗。以避免在加工過程中因程序出錯造成過切、欠切、碰撞或干涉等問題。如果在機床實際加工之前通過計算機仿真技術對數控加工過程進行模擬，不僅能夠快速、安全、有效地評估數控程序的正確性，而且還可以驗證工藝加工路線是否合理，避免在實際加工過程中出現因工藝或程序問題導致的各種異常現象，從而可以顯著縮短零件的制造和輔助加工時間，提高生產效率，增強加工過程的安全性。

1 數控加工仿真實現過程

數控加工仿真的本質是在計算機環境下模擬實際的數控機床運動。在技術上主要分為幾何仿真和物理仿真。只研究刀具與工件幾何體的運動，以驗證NC程序的正確性的是幾何仿真。而物理仿真是在幾何仿真的基礎上，重點對切削過程中切削力、切削熱、切屑形狀、零件加工變形和刀具磨損等的進行仿真模擬。

目前數控加工仿真技術主要是以幾何仿真為主，幾何仿真是以數控代碼作為驅動源，利用三維建模技術和過程仿真技術，首先生成刀具移動的軌跡數據，然后利用軌跡形狀與被加工的幾何體進行一系列求交運算;再生成坐標數據和加工后零件形狀參數等中間結果;最后通過三維建模和動畫技術將過程結果依次顯示在計算機屏幕上。這一過程如圖1所示。

根據圖1中對數控仿真流程的分析，可知要實現對現實加工過程的模擬，涉及到的技術有數控代碼處理技術、三維圖形建模技術、動畫仿真技術和碰撞干涉檢測技術[2]，目前以上技術都已被公認為是實現數控加工仿真的關鍵技術。各技術在數控加工仿真過程中關系如圖2所示。

1.1 數控代碼處理技術

計算機無法直接識別數控代碼，首先需要利用編譯器對數控源程序進行轉換，轉化為計算機可以執行的中間結果，作為加工仿真的驅動源，因此數控系統中的數控代碼編譯模塊是系統的重要模塊[3]。

數控代碼編譯器執行過程主要分為三步：數控代碼檢錯、數控代碼翻譯和刀心軌跡計算，如圖3所示。檢錯是指對數控代碼的詞法、語法和語義進行分析。翻譯是從數控代碼中提取出控制機床運動的有關命令和狀態信息，得到刀心軌跡位移數據，存儲在相應的數據結構中，最后這些數據在動畫技術的支持下驅動機床模型運動。具體實現流程如圖3所示。

1.2 三維建模技術

在數控加工仿真技術中，幾何模型的建立是實現數控加工過程仿真的前提條件，采用的建模方法不同，得到的仿真結果也各有不同，因此研究者試圖在尋找正確、簡單的建模方法，從而達到簡化計算、加快仿真速度、提高仿真精度的目的[4]。

數控加工仿真三維模型的建立主要分為兩大類。第一類是建立加工環境模型，比如機床床身、刀具和夾具等，這類模型的主要特點是模型是不隨著仿真過程發生改變，對于數據結構的要求較低，通常在加工仿真系統中對這類模型采用直接實體造型或借助三維建模軟件生成，如圖4所示。第二類是加工形體模型，這種模型的特點是在加工過程中隨著刀具的運動，形狀是不斷變化的。研究者對第二類模型的建模方法進行了大量研究，目前在常用的建模方法有體素法、邊界法、直接實體造型法、三角面片離散法等。實體素法和邊界法計算簡單，但是不適合復雜零件模型建立，直接實體造型后布爾運算量大，建模速度慢，三角面片離散法適用范圍廣，可以很好地提高仿真精度，但存在模型數據點多的問題，如圖5所示。

1.3 動畫仿真技術

動畫仿真過程的實現是數控加工仿真的核心技術之一，其仿真效果直接影響最終仿真結果的好壞。在動畫仿真過程研究中主要從刀具運動軌跡和材料去除過程兩方面進行仿真研究。

加工過程動畫仿真的關鍵是動畫實現技術。計算機實現動畫的方式很多，目前在仿真系統中大多采用幀動畫和雙緩存技術作為加工過程的動態仿真技術，首先將刀具位置和工件顯示模型的每幀畫面顯示在后緩沖區，再由后緩存區傳遞存入前緩存區，前緩存區畫面作為電腦屏幕上的顯示畫面，編程實現依次將畫面從后緩沖區拷貝到前緩存區，從而就可以實現動畫序列播放。

1.4 碰撞干涉檢測技術

碰撞干涉檢測技術也是數控加工仿真實現的重要內容[5]。在數控加工仿真中應用的主要是三維空間碰撞干涉檢測技術，在三維空間下，動態碰撞檢測主要采用基于圖象空間的碰撞檢測和基于物體空間的碰撞檢測兩種算法，前者首先是通過對三維模型在二維平面進行投影，同時在深度上利用深度緩存進行計算，從而判斷碰撞是否發生;后者主要是利用三維模型幾何特征進行求交計算，根據求交結果判斷是否發生碰撞干涉。

2 數控加工仿真技術的發展現狀

到目前為止，國內外對數控加工仿真的研究主要以幾何仿真為主，并且正逐漸由幾何仿真向物理仿真方向過渡，在幾何仿真研究方面相對成熟，而物理仿真正處于發展的初始階段，下面分別對國內外的具體研究狀況進行介紹。

2.1 數控加工幾何仿真

國外學者在幾何仿真研究上開始比較早，最初仿真算法采用整體布爾減，此方法計算難度大，且無法精確確定刀具掃描體。在1990年由Jerard和Chappel等人在數控仿真研究中逐步提出了曲面離散法建模算法。之后Oliver和Goodman進一步優化了離散法。另外Hsu和Yang在此基礎上采用了一種基于Z-Map數據結構的離散模型建立和等角投影顯示的方法，在圖形顯示速度方面得到很大提高[7]。

近年來國內學者對數控加工仿真技術的研究也越來越多，尤其在許多高校和研究所都在該技術研究上有所成就。清華大學開發了通用加工過程仿真器（GMPS），采用八叉樹單球組合模型，實現了碰撞干涉的快速檢測。西北工業大學研究了利用不同顏色來顯示區分離散面片，實現圖形的消隱效果，但與真實效果間還存在較大差距。東北大學研究了一種基于光線跟蹤的數車加工仿真系統，系統功能不全，還有待進一步完善。南京航空航天大學采用了基于精確掃描體構造的驗證仿真算法，基于ACIS平臺，開發了SupermanCAD/CAM2000車/銑仿真模塊[8]。

2.2 數控加工物理仿真

物理仿真的研究是在幾何仿真的基礎上進行的，是對數控仿真模擬準確性的進一步研究。在物理仿真過程當中，還要考慮加工過程中的切削力、切削熱、切屑參數、零件變形和刀具磨損狀態等物理因素，因此仿真過程也更復雜。由于目前機床加工機理還在不斷的研究中，且各種物理因素相互影響，因此建立準確的物理仿真數學模型就更加困難，仿真物理加工過程也更難[6]。目前，對物理仿真的研究大多還是選其中一個或幾個方面進行，還無法實現對所有物理因素的仿真和分析。在物理仿真方面，國外研究比國內要先進很多，在國外已經形成幾款可以簡單實現物理仿真的專業軟件，有 Third Wave AdvantEdge、Deform3D 等。

3 展望

雖然數控加工仿真技術在幾何仿真和物理仿真方面都已取得一定成果，但是總體效果與實際加工還有很大差距，許多理論與實際問題還有待進一步解決，在今后，數控仿真技術主要會在以下幾個方面有所發展：

①仿真過程真實化準確化發展。隨著仿真技術的發展，將物理仿真技術涉及的切屑、切削力、切削熱、零件加工變形預測、刀具磨損等因素集合到仿真系統中，實現幾何仿真和物理仿真的完美結合，真正全面準確地揭示數控加工過程本質。

②仿真過程網絡化發展。將互聯網技術應用到數控加工仿真過程中，可以使數控仿真系統與其它計算機實現數據交換與共享，進一步實現CAD/CAM/CAPP/PDM/ERP等系統間的無縫對接，并且能夠得到基于網絡的各種遠程數控服務的支持，實現遠程在線編程、遠程數控加工仿真及遠程在線控制等。

③完善仿真結果的評價體系。對仿真后的結果進行尺寸精確測量、表面精度預測等結果進行檢驗，這也是目前預感亟需研究解決的問題。

④仿真過程的智能化發展。將仿真系統與并行處理、人工智能、機器人應用、云計算等技術相結合，開發具有高智能的數控仿真系統。

4 結束語

數控加工仿真技術已取得了一定的進展，該技術在減少加工缺陷、提高生產效率、指導實際加工過程方等面發揮了重要作用。隨著數控加工精度和加工效率要求的提高，數控程序會越來越復雜，這就對數控加工仿真技術的發展進一步提出了更高的標準和要求，因此，數控仿真技術研究的重要性將日漸顯著。

參考文獻：

[1]張瑋，鄭力.數控加工仿真系統的研究現狀與發展趨勢.機械制造，2007，45（9）：7-8.

[2]賴坤.基于Z-Map仿真模型的銑削加工精度評價.哈爾濱工業大學，2013：25-26.

[3]張承瑞，單誠.數控代碼解釋器的設計與實現，山東大學學報，2006，20（6）：56-58.

[4]梁宏寶，鐘詩勝，王知行.虛擬加工環境建造的關鍵技術研究.中國機械工程，2001（11）：60-63.

[5]李春雷.虛擬數控車削加工系統關鍵技術研究.蘇州大學，2008：13-14.

[6]Hsu P L， Yang W T. Realtime 3D simulation of 3-axis milling using isometric projection[J]. Computer-Aided Design， 1993， 25（4）： 215-224.

[7]熊毅，王哲.數控加工仿真系統的研究現狀與發展趨勢，制造技術與機床，2011（12）：72-74

[8]趙繼政，魏生民，楊彭基.數控加工的圖形仿真與驗證技術研究.西北工業大學學報，1998，16（4）：575-579.