数控立铣加工仿真与优化

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1、山东大学硕士学位论文曲率和给定误差，一起控制离散精度，将曲面离散为三角面网格，并且用投影方法使求交局部化，大大提高了仿真效率。这一方法既减少了实体模型的布尔运算，又提供了一定的容差检验功能，具有较好的仿真效果。但由于采用了Z．buffer数据结构，各矢量彼此平行，检验精度并没有得到大的改善，经过改进采用曲面法矢量与离散点相对应后，才真正满足了复杂曲面NC验证对精度的要求。Yangt9】针对数控线切割加工的具体特点提出了一种独特的离散矢量法：Z．Map法，并在微机上开发了四轴线切割NC验证系统，但该方法的针对性较强，不能实现对铣削加工图形的验证。Wangll0J提出一种基于

2、图形空间的Z．buffer方法，这种方法和计算机图形学中用于隐藏面消除的Z．buffer算法相似。首先从屏幕上的每个象素引出一系列平行法线矢量，然后利用扫描线算法在这些矢量和刀具包络面之间进行求交运算。这种方法对每个象素都要存储工件进、出点的Z向深度。工件和刀具扫描体的Z．buffer每执行一次布尔差运算，工件的Z．buffer就要进行一次比较、更新操作。Wang和其他几位研究者还使用了一种称为扩展Z．buffer方法，它允许存储工件的多个进、出点Z向深度，适用于五轴数控加工几何仿真。VanHook也提出一种扩展Z．buffer算法，它和Wang的区别是它不采用与扫描体包

3、络面相交的扫描线，而是使用一个预先计算好的刀具象素图像，沿刀具执行工件和刀具之间的布尔减操作。但这种方法局限于三轴加工，因为在五轴加工中，刀具的位置和方向在不断的变化，也就会有不同的象素图像，故此不能采用预先计算的方法。离散矢量求交法是一种较好的可用于加工误差测量的方法，但这种方法的主要不足是求交过程相当复杂，在求交过程中定位很困难，同时求交算法的稳定性也有待提高。基于图像空间方法的缺点是：仿真图形与给定的视向有关，检验精度局限于视线方向，对验证环境中的物体进行缩放时，会产生令人误解的结果。任意方向光线表达法虽然可以使得仿真图形与视向无关，但须借助于专用处理芯片。在国内，

4、清华大学肖田元等【ll】进行了虚拟加工和仿真技术的研究，开发出了虚拟机床的VR加工环境。哈尔滨工业大学也在进行着包括三坐标加工中心在内的VM环境研究和构建工作。华中科技大学提出了基于八叉树模型的虚形体方法进行干涉与碰撞检验，这里的虚形体就是指刀具扫描体。他们利用动态的八叉树模型，只存储并检查有可能产生干涉的八叉树子节点，并利用“形体对”概念解决了八叉树4第1覃绪论模型存储量大的问题，简化了不可能产生干涉部分的干涉检测运算。另外还有一些科研机构进行了基于Dexel的NC加工仿真的研究，早期大多采用基于图像空间离散方法，但这种基于图像空间离散方法不能提供方便、有效的仿真分析手

5、段，后来汤幼宁【12J采用了基于物空间的离散法，建立了一个独立的Dexel坐标系以支持视向的改变。赵继政【13】指出基于物空间的离散方法计算量大，很难达到加工仿真的实时性要求，并对其进行了改进，通过存储多套Dexel数据结构的方法实现了有限的几种视向的改变，这是一种以降低仿真速度为代价的方法。范良志【14】则提出了换视向时重构Dexel模型的方法。方耐15】采用了一种先旋转观察点和观察向量，再求Dexel的结构的方法以解决视向的更换问题，以上这些方法用的都是基于Dexel的均匀离散方法。现有的商业软件如Pro／E，UG,MasterCAM，VERICUT,Predador

6、V'mualCNC和MachineWorks都有数控加工仿真和刀具路径证实功能，它们几乎都采用扩展Z．buffer算法，这种基于图像空间的优点是计算速度快，易于实现动画显示，但仅提供简单的图像，在更换视向时，就需要完全重新计算。1．2铣削力建模研究对铣刀的研究过程是一个从外部形状到内在机理、从局部到整体的发展过程，即从铣刀的刃线建模到几何外形建模：从刀刃微元建模到一个刀齿建模再到刀具整体建模；从经验系数法到理论建模：从二维坐标系建模到三维坐标系建模；从静态切削力建模到动力学建模；并在此基础上对铣刀铣削过程的稳定性、变量参数对切削系统的影响进行定性分析。铣削力仿真是整个铣削

7、过程动力学分析的基础，目前铣削力模型已经得到广泛而深入的研究，就国内外研究现状而言，主要分为一下三类模型：(1)铣削力的经验系数建模法经验系数建模是用一组铣削力系数来描述铣削力与切削几何参量的关系。利用不同的材质、不同几何参数的刀具，在不同切削条件下对不同材质的工件进行切削试验，获得大量铣削力试验数据，通过曲线拟合即可确定待定系数。常用的经验模型【16】为：5山东大学硕士学位论文Fx=CIn，IPKxFY=cyn?’rKyFz=C’a：Il{“Kz式中C。、C。、C：是决定于被加工材料、切削条件的系数；m，，rl，，my，刀y