在微机上实现数控铣床加工仿真

1、实现加工仿真的多种思路

　　近年来，随着CAD/CAM软件行业的发展，加工仿真软件脱颖而出.线切割、车床、铣床相继都有了相对应的仿真软件.其中的各种算法，特别是铣床的加工仿真算法，引起了广大同行们的兴趣.笔者从追求实时显示效果，到追求加工误差测量，到设计仿真平台，设计过多种仿真方案.本文结合作者的经验和对软件的研究，给广大同行们提供一些思路和想法.
　　线框方法是一种十分简单而且容易实现的加工仿真方法，即在屏幕上以线框的方式画出加工刀具和零件模型.当程序运行时，刀具不断地按显示的加工轨迹在屏幕上移动，加工仿真模块未对刀具和待加工毛坯进行数学处理，难以进行真实的铣削加工仿真.这种方法只能用于校验G代码有无明显错误，对于过切、余量只能通过眼睛的观察来判断，因此，这种方法很难称得上加工仿真.真实感仿真是在此基础上加入过切判断机制，让刀具在零件的真实效果图上进行切削.如果过切，刀具就会把零件的真实效果图“切掉”一块.这种方法有所改进，但仍然不能显示整个真实的切削过程并对加工结果进行误差测量.
　　考虑到待加工毛坯一般为长方体，刀具可以由二次几何体拼凑而成.现在布尔实体造型技术已比较成熟，可以考虑用实体的差来实现加工仿真.这种方法对待加工毛坯和刀具均采用标准的数学模型表示.进行加工仿真时，先求出刀具沿加工路径移动时所形成的扫描体，然后从毛坯中“减去”该扫描体，接着将结果进行真实感显示.利用这种方法进行仿真，可以支持三轴和五轴加工.其加工出的零件表示具有连续性，可以放大或缩小显示，可以任意旋转视角，可以进行加工误差的测量.但这种方法也存在一些问题：(1)对于加工代码少的零件比较适合，对于复杂零件其等待时间和数据量将大大增加；(2)求交过程和离散显示过程所消耗的时间将降低其实时性能；(3)求交过程中计算稳定性将影响整个仿真过程.从理论上讲，这种算法是最精确的加工仿真算法，不应当放弃深挖其潜力的研究.
　　现在大多数商业软件主要采用视向离散法.这种方法的主要思路是：将加工刀具和待加工毛坯沿视线方向上进行“等同”离散表示；然后在加工过程中，利用离散后的数据进行图像上的处理，以求达到真实的效果.采用这样的方法可以达到很好的显示效果和实时性能，同时可以支持三轴和五轴加工.但其加工结果不具有连续性，不能放大或缩小显示，不能任意转动视角.除非改变视向后重新进行加工仿真；或者事先设置多个视角同时进行加工；或者利用该算法的特点：仅做一百八十度视角变换.利用加工仿真的结果可以确定加工中的过切、余量，进行截面观察和表面数据测量.笔者利用这种思路完成了本科毕业论文.软件原型于1997年5月参加在北京举行的第5届国际机床展，改进版于同年7月参加在北京举行的全国CAD／CAM软件展.改进后的软件模块嵌入由北京华正模具研究所1998年4月2日所推出的计算机辅助设计和制造软件ME2.0中.
　　追求显示效果和实时性能并不是唯一的目的，更主要的目的是进行加工结果误差测量.这时考虑到三轴加工的特点，笔者提出轴向离散算法：把加工刀具和待加工毛坯沿刀轴方向等同离散表示.这种方法仅消除了视向离散方法中所存在的内存问题，其它问题仍未得到解决.将这一方案进一步修改，就得到了近期所提出的三角片离散法：将待加工毛坯上表面用离散的三角片来表示.该方法不但具有视向离散的优点，而且简单易行，加工过程中可以不断地变换观察方式，通过简单的搜索来确定加工后的各种误差.另外，可以加入机床和夹具一起进行仿真，达到真实仿真的效果.这种方法对显示要求较高，如果不采用显示技巧和快速显示硬件的支持，其实时性就较难保证.