摘要: 為了避免數控銑削加工過程發生幹涉問（wèn）題，在分析傳統的數控加工仿真方法的基礎上，提出一種麵向數控（kòng）係統的銑削加工仿（fǎng）真設計（jì）方法。以數控係統中插補器輸出的實（shí）際刀具軌跡為仿真（zhēn）數據，對數控銑削仿真加工功（gōng）能需求進行設計，以Visual C++ 6． 0 為開發平台對仿真實現過程（chéng）、圖形操作和圖形變換進行軟件開發與（yǔ）調試，最後通過仿真實驗進行驗證，結（jié）果表明這種仿真設計方法能夠對數控係（xì）統的實際加工過程進行有效校驗，從而保證（zhèng）了仿真（zhēn）過程的可行性和有效性。
 

     關鍵詞: 銑削加工; 數控仿真; 加工仿真; 數控係統

      0 引言

     隨著先進製造技術的快速發展，數控係統（tǒng）在工業各個領域得到廣泛的應（yīng）用［1］。傳統的數控機床在實際加工之前，一般采用試切法對數控程序代碼進行驗證［2］，以免（miǎn）發生幹涉或（huò）碰刀（dāo），這種校驗方法不僅浪費材料（liào），而且還耗費大量時間，顯然不能滿足（zú）現代製造業的發展需求。隨著科學技術的發展，產品生產周期越來越（yuè）短，產品開發與（yǔ）製造時間的長短必將（jiāng）影響企業在市（shì）場（chǎng）中的競爭力［3］，在這（zhè）種背（bèi）景下，先進製造業領域采用虛擬製造技術對數控加工進行仿真加工尤為重要，不僅有效（xiào）降低產品報廢率，而且還有效地縮短（duǎn）產品的生產周期。

    楊勇［4］在模具（jù）數控（kòng）加工（gōng）時采用仿真技（jì）術模擬模具加工過程。陳蕊蕊等［5］采用一種高效的車削加（jiā）工仿真算法對數（shù）控車削加工進行仿真。魏勝利等［6］對開放式數控係統中的加工過程進行仿真研究。王占禮等［7］對薄壁零件數控加工物（wù）理仿真技術研究發展狀況進行分析，並提出薄壁零件數（shù）控加工物理仿真研（yán）究（jiū）的問題及其發展方向。周玉昕等［8］對複雜工件仿真的實時繪製算法（fǎ）進（jìn）行研究。滕凱［9］對數控車削仿真加工進行建模。王明（míng）海等［10］對刀具軌跡的扭曲薄壁件加工進行仿真。唐秋華等［11］對（duì）三自由度數（shù）控車削加工進行建模與（yǔ）仿真。董國棟等［12］運用OpenGL 對數控（kòng）加工仿真算法進行研究。上（shàng）述研究工作雖然取得了一係列的研究成果，在一定程（chéng）度上改善了數控加工狀態，但是這（zhè）些研究工作是在CAM 層麵上的加工仿真，是針對CAM模塊生成的數（shù）控代碼進行仿真，其仿真軌跡與數控係（xì）統（tǒng）插補器生成的實（shí）際刀具運動軌跡（jì）並不重合（hé），因此不能真實地反映刀具實際的運（yùn）動軌跡，同（tóng）時也不能與數控係統形（xíng）成無（wú）縫結合。

     本文針對數控係統銑削加工過程進行仿（fǎng）真設計與開發，數控加工代碼通過數控係統的程序解釋模塊和插補模塊，生成實際加工軌跡數據，設計過程是針對實際生成的加工軌跡數據進行仿真，從而保證仿（fǎng）真過程的有效性和實用性。

     1 、仿真結構（gòu）設計

     為滿足數控銑削加工在線測檢的（de）需要，仿（fǎng）真功能主要由仿真（zhēn）過程、圖形操作和圖形變換等三個部（bù）分組成，如圖1 所示。仿真過（guò）程（chéng）包括仿真加工、仿真暫（zàn）停和（hé）仿真停止; 圖（tú）形操作包括圖形放大、圖形縮小、圖形平移、圖形居中和圖形最佳; 視圖變換包括軸測投（tóu）影和正投影兩個部（bù）分，軸測投影包括東南（nán）正等測投（tóu）影、東北正（zhèng）等測投影、西南正等測投影和西北正等測投影，正投影包括主視圖、俯視圖、側視圖和（hé）普通視圖。

     仿（fǎng）真功能（néng）設計主（zhǔ）要實現動態銑削仿真加工（gōng）過（guò）程和靜態觀（guān）測局部具體細節等功（gōng）能，例如仿真過程若發生意外情況，如發生幹涉等問題，可以通（tōng）過仿真暫停/停止（zhǐ）按鈕使仿真過程暫停/停止（zhǐ）下來，通過圖形操作或者圖形（xíng）變換功能對仿真（zhēn）圖形進行縮放或變換（huàn）視（shì）圖等相應的（de）操作，以便更好地觀測發生幹涉位置局部的具體情況。

     圖1 數控係（xì）統仿真結構設計

     2 、仿真設計實現

     2． 1 圖形操作

     圖形操作包括圖形放大、圖形縮小、圖形平移（yí）、圖形（xíng）居中和圖形最佳等功能，在圖形變（biàn）換過（guò）程中（zhōng）圖形縮放所采用的坐標變換矩陣為:

     式中x、y、z 為圖形縮（suō）放前點的坐標值（zhí），x' 、y' 和z' 表示為圖形縮放後點的坐（zuò）標值，當s ＞ 1 時，圖形全比例縮小，當0 ＜ s ＜ 1 時，圖形全比例放大。圖形（xíng）平移所采用的坐（zuò）標變換矩陣為:

     式中l 為x 方向移動的（de）距離，m 為y 方向移動（dòng）的距離，為（wéi）z 方向移動（dòng）的距離。

     圖形居中的變換原理和圖形（xíng）平移的變換原理是一樣的，在（zài）某種意義上是圖形平（píng）移的一個特例，根據圖形當前點的位置坐標和設（shè）備屏幕中點坐標（biāo），分別確定式
( 2) 中l、m 和n 值。

     2． 2 圖形變換

     圖（tú）形變換（huàn）包括軸測（cè）投（tóu）影和正（zhèng）投影兩個（gè）部分，軸測投（tóu）影采用正（zhèng）等（děng）測投影。東南正等測投影、東北正等測投影（yǐng）、西南正等測投影、西北正等測投影均是在XOY平麵上變換，即x、y 軸的坐標發（fā）生變化。z 軸坐標並沒有（yǒu）改變。因此它隻有兩個變量。其（qí）變（biàn）換表達式表（biǎo）示為:

     圖形變換前的點的x、y 和（hé）z 軸的（de）坐標（biāo）值，A、B、P、C、D、Q 為相應的投影變（biàn）換係數（shù），M 是x 軸的移動量，N 是y 軸的移動（dòng）量，各種變換係數具體值如（rú）下:
 
    ( a) 東南正等測（cè）投影（yǐng）: A = － 0． 707，B = － 0． 707，C = － 0． 408，D = － 0． 408，P = 0，Q = 0． 816。( b) 東北正等測投影: A = － 0． 707，B = 0． 707，C =0． 408，D = 0． 408，P = 0，Q = 0． 816。( c) 西南正等測投影（yǐng）: A = 0． 707，B = － 0． 707，C =－ 0． 408，D = － 0． 816，P = 0，Q = 0． 816。
（ d) 西北正等測投影（yǐng）: A = 0． 707，B = 0． 707，C =0. 408，D = － 0． 408，P = 0，Q = 0． 816。主視圖坐標變換表達式為:

     2． 3 算法實現過程

     為了使（shǐ）所開發的數控係統具有良好的人機界麵，以Windows 7 為操作係統，采用“PC + DSP”的開（kāi）放式結構。PC 機與DSP 之間通（tōng）過（guò）PCI 總（zǒng）線進行數據交換和通（tōng）信。數控係統主要包括程序控製、手動控製、手工編程、參數管理、輔助管理、網絡控製、PLC 編程等幾（jǐ）個（gè）部分。程序控製主（zhǔ）要由加工仿（fǎng）真、開始加工、暫停加工、停止加（jiā）工、急停和（hé）實時軌跡顯示和（hé）坐標顯示等幾部分組成。因此數控加工（gōng）仿真作為數控係統中的一個子係統，采用並行計（jì）算和多線程（chéng）技術可以充分利用計算機資（zī）源。上位機程（chéng）序以Visual C++ 6． 0 為開發平台，采用動態鏈接庫( DLL) 方式和多線程技術進行編程，可以豐富數控係統的功能，同（tóng）時方便大型（xíng）軟件團隊合作（zuò）開發，有效地縮（suō）短產品（pǐn）的開發周（zhōu）期。

    刀具（jù）加工軌跡的動（dòng）態實現是仿真過程中的一個關鍵的核心問題，利用雙緩衝技術，采用（yòng）空間換取時間和功能分塊的設計思想，實現刀具加工（gōng）軌跡的動態顯示，其中一個緩存區執行圖形的繪製命令（lìng），另一個緩存區執（zhí）行圖像的顯示功能，這樣可實現動態顯（xiǎn）示過程的（de）連續性和真實性，以避免屏幕發生閃（shǎn）爍。

     3 、仿真實例

    以數控係統銑削仿真加工鼠標曲麵為例，通過（guò）圖形仿真按鈕啟動（dòng）仿真加工（gōng）程序，仿真結果如圖2 所示，在仿真過程中通過暫停仿真/停止（zhǐ）仿真按鈕可以對仿真（zhēn）實現暫停/停止操作，通過速度進度條控件調節（jiē）仿真加工速度的（de）大小（xiǎo），另外，通過圖像放大/圖形縮小按鈕實現（xiàn）仿真加工圖形（xíng）的放大/縮小。為（wéi）了保持良（liáng）好的人機（jī）界麵，圖形變換和圖形操（cāo）作（zuò）的其餘的功能（néng）通過點（diǎn）擊鼠標（biāo）右（yòu）鍵（jiàn）進行相應的操作。

     圖2 數控係統銑削加（jiā）工仿真

  
    通過點擊鼠標（biāo）右鍵進行（háng）相應的操作得（dé）到各種相應的圖形（xíng）變（biàn）換，如圖3 所（suǒ）示，當操作正等測投影（yǐng）圖形變換時，得到的東南正等測投影、東北正等測投（tóu）影、西南正等測投影、西北正等測投影圖，結（jié）果（guǒ）如圖4 所（suǒ）示。當操（cāo）作正投（tóu）影圖形（xíng）變換時，得到的主視圖、俯視圖、側視圖，結果如圖5 所（suǒ）示。

     圖3 圖形變（biàn）換控製方式

     圖（tú）4 數控銑削加工仿真軸（zhóu）測投影（yǐng）

     圖5 數（shù）控銑削加（jiā）工仿（fǎng）真正投影

     4 、結論

     針對（duì）基（jī）於PC 的數控係（xì）統銑削加工過程進行仿（fǎng）真與設計。以輸出的實際加工軌跡為仿（fǎng）真數據，仿真功能（néng）主要由仿真（zhēn）過程、圖形操作和視圖（tú）變換三個部（bù）分組成。以Visual C++ 6． 0 為開發平台，采用動態鏈接庫( DLL) 方式和（hé）多線程技術進行軟件開發，並通（tōng）過仿真實驗進（jìn）行驗證（zhèng），結果表明該仿真方法對數控銑削加工動態過（guò）程能（néng）夠進行有效（xiào）的校核，通過圖形操作和圖形變換能夠觀其測局部放大的細節，從而有效地保證數（shù）控加工仿真過程的（de）有效性和實用性。