介紹下三軸數控銑削加工仿真系統的結構和功能演示(二)
2 三軸精工銑削加工仿真系統的主要功能模塊2 . 1 數據預處理此模塊主要用來實現 NC文件的數據讀入。 精工加工刀軌仿真的關鍵就是從 NC文件中讀取三軸聯動加工信息。這些加工信息主要包括 G功能代碼和尺寸字。本文根據三軸聯動的實際特性 ,只對以下三組常用代碼作相應的處理: G00～G O2; G17～G19; G90, G91。系統在讀入 NC文件之后 ,需將NC文件數據轉化為仿真所需的坐標點 ,并存儲到鏈表中[ 1 ]。鏈表結構如下:根據坐標值前的 G代碼不同作出相應的處理:若為直線加工指令 (GO1) ,直接將端點坐標值添加到鏈表當中;若為圓弧加工指令 (GO2, GO3) ,則以進給量當 (即插補步長 ) f為步長,用直線插補來近似圓弧,并將所有直線段的端點坐標值添加到鏈表當中。2 . 2 仿真計算刀軌仿真只是動態顯示機床走刀路徑,并沒有考慮實際刀軌與設計理想模型間的比較關系,尤其是刀具在加工過程中刀具對工件的干涉無法反映出來,從而不能對加工過程的干涉作出一個定量的評判。 本文通過計算刀位點到工件表面的最短距離,并比較其與刀具半徑的大小關系,從中就可以容易判斷刀具與工件之間是否發生干涉。2 . 2 . 1 ST L模型采用目前在 RP技術中廣泛應用的 ST L模型來作為設計理想模型的替代。精度是影響 ST L模型準確性的一項重要指標 ,必須根據零件加工的需要設定合理的精度 ,理論上 ST L模型精度ε1和精工加工精度ε2必須嚴格要求保證滿足:ε1 <ε2 ,而在實際加工中一般要求ε1比ε2高出一個數量級,否則檢測結果將無實際意義[2 ]。在 ST L文件中所有三角面片被無序列出 ,相互之間不存在任何拓撲信息 , 這將導致刀位點到模型的最短距離計算過程相當困難。 因此 ,重建零件 ST L模型的拓撲信息是非常必要的。 在讀入零件的 ST L模型數據時,依據三角面片的 Z方向的極大值進行排序,從大到小依次保存到鏈表當中。 同時,為了簡化后續數據計算過程,在鏈表中設計了兩個數組用來保存三角面片在 XY投影面上的四個極值。 鏈表結構定義如下:2 . 2 . 2 一般立銑刀與球頭銑刀加工的干與檢測常用的精工銑削加工刀具的外形林林總總,這將直接致使其在仿真體系中的幾許表達不一樣,進而仿真體系的干與檢測算法也將因刀具而異,因此,精工銑削加工的干與檢測有很大的難度。 在實踐加工中,一般來說,平面類的零件廣泛選用一般立銑刀,也常用面銑刀端銑較大的平面,曲面類零件則常選用球頭銑刀,如圖2所示的刀具的簡化模型,當R1 = 0時為一般立銑刀; R1 = R2 = R為球頭銑刀。 因此,使用一般立銑刀和球頭銑刀即可基本上滿意三軸精工加工使命。 這篇文章仿真核算模塊也將只思考選用一般立銑刀和球頭銑刀的三軸精工加工的干與檢測。當三軸精工銑床使用球頭銑刀加工曲面時,加工對象輪廓上的所有點到刀具軸線的距離不小于刀具半徑R,是不發生干涉的充要條件。 考慮到三軸精工銑床加工特點,刀具在加工過程中可能發生最典型的干涉有:(1) 全干涉,即刀具碰撞曲面; (2) 局部干涉,即導致工件材料被過切。對于第一種干涉情形: 由于加工曲面已被三角化的 ST L模型替代,因此,只有 Zmax不小于刀位點坐標 ( x, y, z) 的 z值的三角面片才是可能會發生全干涉的區域。 三角面片和刀具在 XY投影平面的形狀分別為三角形和圓,如圖 3所示。 通過比較圓心 O到三角形 △ABC的最短距離 r和刀具半徑 R大小,就可以判斷此類干涉是否發生。當圓心位于三角形△ABC內時,刀具圓心到三角形 △ABC的最短距離 r為零,小于刀具半徑R,故一定發生全干涉。當圓心位于三角形△ABC外時,假設圓心 O到三角形 △ABC的頂點的距離分別為 d1 , d2 , d3 , 且 d1 ≤d2 ≤d3。 過圓心 O作與 d1 ,d2相對應的頂點所組成邊的垂線,垂足為 D,當點 D位于線段AB之間時,易知 OD 就是圓心 O到三角形 △ABC的最短距離 r ,而當點 D位于線段 AB的延長線上時,可以推出,圓心 O與 d1所對應的頂點 A距離就是圓心 O到三角形 △ABC的最短距離 r。 因此,只要 r小于刀具半徑 R,就會發生全干涉。對于第二種干涉情形: 由于球頭銑刀底部類似于一個半球體,因此,工件被過切 (局部干涉 )的區域將介于平面 Z = z和平面 Z = z - R之間,因此,只有 Zmax不小于 z - R值,且 Zmin不大于 z值的三角面片才是可能發生此類干涉的區域。 刀具與工件發生局部干涉的充要條件仍然是球心 0到三角面片的最短距離 r小于刀具半徑 R。 假設過球心 O直接作三角面片的垂線,垂足為 E,此時,分兩種情形討論垂足點 E與三角面片 △ABC的位置關系:當垂點 E位于三角面片 △ABC內時,如圖 4所示,易知球心 O到垂點 E的距離即為球心 O到三角面片 △ABC的最短距離 r ,即 OE ,然后判斷刀具半徑 R與 r的關系,若 r小于 R,則工件被過切。當垂點E坐落三角面片 △ABC外時,如圖5所示,假設三角面片 △ABC的三個極點到球心O的間隔分別為d1 , d2 , d3 ,且d1≤d2≤d3。 過點O作與d1 , d2相對應的極點所構成邊的垂線,垂足為D。 當點D坐落線段AB之間時,易知OD即是球心O到三角面片 △ABC的最短間隔r ,而當點D坐落線段AB的延伸線上時,能夠推出,圓心O與d1所對應的極點A間隔即是圓心O到三角面片 △ABC的最短間隔r。 因而,只需r小于刀具半徑R,就會發作干與。圖4 垂點E在三角面片內圖5 垂點E在三角面片外當三軸精工銑床運用一般立銑刀加工時,因為一般立銑刀(R1 = 0)是精工加工刀具中最為簡略的一種,因而,其干與判斷也最為簡略。 如圖2所示,關于恣意刀位點o ( x, y, z) ,設對應的刀具切觸點P ( xp , yp , zp )。 只需Zmax大 于 切 觸 點P ( xp , yp , zp )的zP值的三角面片的才可能是發作干與的區域,刀具和三角面片在XY平面的投影區域為一個圓和三角形,如圖3所示,核算滿意Zmax大于zP的三角面片到圓心的最短間隔r ,并與刀具半徑R比較,只需r小于R,即斷定發作干與。 詳細檢測進程類似于用球頭銑刀加工的第一種干與景象。2 . 3 仿真成果顯現因為三維動態仿真需求較快的顯現速度,并且精工加工的刀位點數據量相當大,直接導致OpenG L體系的核算量也非常大,因而本體系經過選用雙緩存技能來增強了精工加工進程動畫顯現的連續性和運動感,以及顯現列表技能將諸如ST L模型等目標預存到內存中,以削減模型制作的工作量[ 3 ]。在仿真成果顯現中,用戶能夠對工件進行旋轉,縮放,平移和暫停等操作。一起,將發作干與的刀具軌道及其關聯的三角面片以不一樣色彩顯現出來,并向用戶供給精確的干與區域的坐標值數據。