自由曲面加工理论与应用(第05讲--自由曲面加工精度与质量控制).pdf

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1、HUAZHONGUNIVERSITYOFSCIENCEANDTECHNOLOGSCHOOLOFMECHANICALSCIENCE&ENGINEERING自由曲面加工理论与应用第05讲--自由曲面加工精度与质量控制4July20111讲授内容§基于几何的刀具轨迹仿真与验证§切削仿真与加工工艺参数优化基于几何的刀具轨迹仿真与验证§数控加工几何仿真的驱动数据¢CL数据§即刀位点数据。基于刀位点数据的仿真通常在刀具轨迹的后置处理前进行。只仿真刀具的运动，主要是为了检验刀具轨迹的正确性，保证零件的加工质量。¢NC代码§基于NC代码的仿真和机床实际加工

2、的指令保持一致，更接近实际，能够检验机床的实际运动过程和切削加工过程。基于几何的刀具轨迹仿真与验证§刀具运动轨迹仿真分类¢按仿真模型的表达分：§1）线框仿真§2）基于实体造型的方法§3）基于空间分割的方法§4）基于离散矢量求交的方法基于几何的刀具轨迹仿真与验证§1）线框仿真¢以边界线表示刀具。刀具沿刀具轨迹运动，用户可以观察刀具的加工路线和加工顺序。早期的CAD/CAM系统大都采用这种仿真方式。¢优点：§几何表达简单，编程容易§算法简单，速度快¢缺点：§检查手段比较单一。依靠编程人员用肉眼从宏观上观察，只能检验比较明显的轨迹错误。§没有任何

3、对加工过程几何数据的处理和记录，不能提供仿真后的结果数据和报告。基于几何的刀具轨迹仿真与验证§2）基于实体造型的方法¢采用实体模型表示方法（CSG模型或B-rep模型）直接建立和描述毛坯、刀具和刀具运动包络体的实体特征，加工中的材料切除过程可由毛坯实体和刀具运动包络体之间的实体布尔运算来模拟，即从毛坯实体模型中减去刀具运动包络体。计算刀具在每一段刀具轨迹上的运动包络体，与当前毛坯模型进行布尔差运算，随着切削过程不断更新毛坯实体，最终得到被加工零件的实体模型。¢最早由Veolcker和Hunt提出并采用。¢关键技术：刀具扫掠体构造计算，布尔求

4、交运算基于几何的刀具轨迹仿真与验证§2）基于实体造型的方法（续）基于几何的刀具轨迹仿真与验证§2）基于实体造型的方法（续）¢优点§计算结果精确，应用范围广§算法实用性广，可进行2轴到5轴的加工仿真§可以对加工过程的错误进行检测§仿真过程可放大或缩小显示，可任意旋转视角§仿真结果的真实感显示效果好。¢缺点§算法复杂，设计大量数据的存储和数据库设计与管理§计算量惊人，计算速度慢。在仿真过程中全部进行的是实体间的布尔与运算，需要进行大量的曲面与曲面、实体与实体间的求交运算。时间复杂度为O(N4)，N为刀具运动段数。（加工轨迹成千上万）§求交过程计

5、算的稳定性会影响整个仿真过程的安全和速度。基于几何的刀具轨迹仿真与验证§3）基于空间分割的方法¢基于空间分割的方法就是将实体模型分解成简单单元，从而将实体间的三维布尔运算简化为单元间的一维布尔运算。¢目的：克服基于实体布尔运算仿真算法的复杂性，对零件及毛坯模型进行简化。¢根据分割单元类型的不同，分割空间方法又分为：§基于Z-buffer结构的分割§基于Dexel结构的分割§基于八叉树结构的分割§基于G-buffer结构的分割基于几何的刀具轨迹仿真与验证§基于Z-buffer的加工仿真算法¢Z-buffer实在帧缓冲区的基础上发展起来的，主要

6、用于消隐算法中保存可见点的Z坐标值。¢传统的Z-buffer只记录了离视点最近的Z坐标，将形体分为可见与不可见部分，不能判断一个物体是否在另一个物体内或外。而对于铣削加工，关键是要确定刀具实体与毛坯实体的相对位置关系。¢所以为了判断刀具与毛坯的位置关系，简单地记录一个Z坐标值值得Z-buffer是不够的，必须记录最近和最远两个Z坐标（Znear和Zfar）的Z-buffer。基于几何的刀具轨迹仿真与验证§基于Z-buffer的加工仿真算法（续）¢刀具及毛坯的扩展Z-buffer构造§将刀具或毛坯实体三角化得到一批三角片及其对应定点处的法矢，

7、并向视平面投影。§对视平面内的三角片进行扫描转换（光栅化），同时保留离视点最近的Z坐标和最远的Z坐标，得到刀具或毛坯的扩展Z-buffer表示。§对刀具及毛坯的扩展Z-buffer模型进行明暗处理。基于几何的刀具轨迹仿真与验证§基于Z-buffer的加工仿真算法（续）¢基于扩展Z-buffer的加工仿真原理§刀具切除材料的过程实际上是从毛坯实体中减去刀具实体的过程。由于通过扫描转换得到了刀具及毛坯的扩展Z-buffer表示，即将刀具及毛坯实体简化为像素为单位的简单长方体集合表示，从而将刀具与毛坯的三维实体布尔运算简化为简单单元的长度之间的一

8、维运算。§在任一时刻，材料切除过程的仿真是通过刀具Z-buffer按刀具轨迹运动，不断与毛坯Z-buffer进行位置比较，同时不断修改和刷新毛坯Z-buffer。基于几何的刀具轨