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2.1 幾何建模技術(shù)

虛擬加工要在計算機上實現(xiàn)加工過程, 那么必然需要對相關(guān)的機械設備進行幾何建模, 包括零件的幾何建模和加工設備的幾何建模。

在單個零件的幾何建模方面, 一般以 CSG 和 B-Rep, 或兩者的混合表示為基礎(chǔ)。建模方法中有簡潔易行的平掃法、回轉(zhuǎn)法, 還有特征造型和參數(shù)化造型方法, 在這方面, 現(xiàn)在已有許多的商用 CAD/CAM軟件, 如UG, Pro/Engineer 等, 還有不少開源的 CAD內(nèi)核代碼,如 Open Cascade 等。它們往往都有一套成熟的零件幾何建模方法, 可供參考。

在機械設備建模方面, 由于機械設備往往是較為復雜的裝配體, 故需要采用合適的模型來表示其裝配關(guān)系。一般采用兩種方法來表示裝配體中組成元件之間的相互關(guān)系。一種是直接存儲元件之間的相互位置信息, 一般采用關(guān)聯(lián)矩陣(Relationship Matrix), 另一種方法是只存儲組件之間的配合、連接等裝配信息。相比之下, 第 1 種方法所需存儲的信息較多, 而且會產(chǎn)生浮點數(shù)累計誤差, 但通用性較好, 可以表示任何的裝配關(guān)系; 第 2 種方法要存儲的信息較少, 而且較為精確, 但是只能表示已知的裝配關(guān)系, 限制較大。從目前的研究和應用情況來看, 兩種方法之中, 第 1 種方法更為普及, 例如在研究方面, Yu 等人采用關(guān)聯(lián)矩陣的方法來表示裝配關(guān)系[2], 在實際應用方面, Pro/Engineer 等著名商用軟件業(yè)也采用這種方法。

對數(shù)控機床的幾何表示目前還沒有一個公認的標準模型, 數(shù)控機床有它自己的結(jié)構(gòu)特點, 它的幾何模型既要適應加工過程中的快速顯示, 又要便于描述它的運動, 建立其運動模型, 而且還應包含對幾何誤差建立的模型。在這一方面, 國內(nèi)外學者也有相關(guān)的研究成果, 如 Lin 等[3]在如何將誤差模型集成到加工仿真過程方面進行了研究, 上海交通大學的劉國良等[4]提出了一種針對三軸加工中心的數(shù)控機床幾何誤差的綜合模型, 等等。

2.2 數(shù)控代碼翻譯

數(shù)控代碼是指在數(shù)控加工程序中用來描述工藝過程的各種操作和運動特征的各種準備功能的 G指令和輔助功能的 M指令及其他一些指令。為了能在計算機中實現(xiàn)虛擬數(shù)控機床的加工過程, 需要對 NC代碼進行正確的翻譯, 因此 NC代碼翻譯器成為虛擬加工系統(tǒng)中必不可少的核心模塊。NC代碼翻譯器用于指揮虛擬機床的動作和狀態(tài), 機床的一切動作和狀態(tài)都要受 NC代碼翻譯器的控制。20 世紀 70 年代以來, 隨著數(shù)控圖形編程和實體顯示技術(shù)的迅速發(fā)展, 對 NC代碼翻譯器的需求也日益強烈。因此 NC代碼翻譯成為了虛擬加工系統(tǒng)實現(xiàn)時首要考慮的關(guān)鍵技術(shù)。

一個完整的 NC代碼翻譯器需要完成兩個基本功能: NC代碼的檢錯和翻譯[5]。檢錯, 即按照該數(shù)控系統(tǒng)的編程規(guī)定和有關(guān)數(shù)控加工的常識, 對 NC代碼進行詞法分析、語法分析、語意分析, 從而檢查出該 NC 代碼的詞法錯誤、語法錯誤、邏輯錯誤(其中包括數(shù)據(jù)不合理、加工狀態(tài)不合理等)。經(jīng)過檢錯階段, 若 NC代碼未被查出錯誤, 則進入翻譯階段。翻譯指的是從 NC代碼中提取控制機床部件運動的有關(guān)命令動作和狀態(tài)信息, 將運動的數(shù)據(jù)按照位移和速度的變化劃分成一系列時間片段, 計算出各時間段機床坐標的位移, 從而驅(qū)動機床模型的運動, 實現(xiàn) NC代碼驅(qū)動的加工過程仿真。NC代碼翻譯包括 5 個方面的基本功能, 即機床初始化和預處理、詞法分析、語法分析、語意分析、翻譯執(zhí)行。其功能結(jié)構(gòu)如圖 1 所示[5]

。

1) 機床初始化和預處理: 機床初始化包括讀入 NC代碼、打開機床輸出文件以及設置機床的必要參數(shù), 預處理則是要刪除 NC代碼中不必要的字符如空格、注釋語句、空語句等, 同時, 也進行一些錯誤檢查, 如注釋符號匹配等。

2) 詞法分析: 識別出各程序段中各基本詞法的單位—— —字, 同時進行數(shù)據(jù)的合法檢查。

3) 語法分析: 按 NC代碼的語法規(guī)則進行語法檢查; 語法規(guī)則是在規(guī)則庫中的, 當某程序段需要進行語法分析時, 翻譯子系統(tǒng)會查詢規(guī)則庫中與該段中的 G代碼、 M代碼相聯(lián)系的語法規(guī)則, 判斷該段中的各代碼、各地址是否符合該語法規(guī)則, 從而完成語法分析。

4) 語義分析: 按 NC 代碼的語義規(guī)則進行語義檢查, 同時, 翻譯器要進行必要的數(shù)據(jù)處理, 以便能使語義數(shù)據(jù)規(guī)則的檢查得以進行。

5) 翻譯執(zhí)行: 在前 4 步檢查無錯的情況下, 執(zhí)行所翻譯的 NC代碼, 將機床動作與狀態(tài)信息輸出給動畫仿真部分, 用來驅(qū)動機床模型進行動畫仿真。

結(jié)合上述 5 個基本功能和合適的錯誤信息管理,就能構(gòu)建一個良好的針對特定數(shù)控系統(tǒng)的專用 NC 代碼翻譯器, 我國已有幾家院校如華中理工大學、上海交通大學、哈爾濱工業(yè)大學等實現(xiàn)了某些數(shù)控系統(tǒng)的 NC代碼翻譯器, 應用情況良好。但是由于目前數(shù)控系統(tǒng)種類很多, 各種數(shù)控代碼之間差別很大, 因此專用的翻譯器適用面太窄。要解決這一問題, 可以考慮基于模版的翻譯方法, 即由于各數(shù)控系統(tǒng)所完成的各個功能基本相同, 可以按功能實現(xiàn)翻譯器, 并對各功能建立對應的函數(shù)庫, 里面存放不同數(shù)控系統(tǒng)中該功能的實現(xiàn)函數(shù),這樣實現(xiàn)的翻譯器就可以動態(tài)地適用于多個數(shù)控系統(tǒng), 是一種通用 NC代碼翻譯器。

分析虛擬加工和其關(guān)鍵技術(shù)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(二)

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