数控加工可视化实现方法

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摘要：近年来，在科学技术高速发展的影响下，企业在实际的生产过程中逐渐实现了可视化数控加工，可视化系统在设计的过程中，应该保证图形的实时性以及系统的交互性。本文对现阶段常见的集中数控加工仿真方法进行分析，并对数控加工过程中可视化方案的设计、软件开发以及可视化仿真系统的实现进行研究。

关键词：数控加工；可视化；仿真方法

可视化是一种计算方法，这一计算方法在数控加工当中的应用，实现了数据信号到图形图像的转换，为企业相关研究人员对数据的模拟与计算提供了很大程度上的方便。不仅如此，数控加工可视化还将不可见的数据变得更加形象、直观，为人们带来了深刻的印象，对多个领域的科学研究都产生了一定帮助。本文主要对数控加工过程可视化的实现方法进行研究。

1数控加工仿真方法

1.1直接实体构造法。直接实体构造法属于数据加工仿真法的一种，借助这一方法经过布尔运算能够有效的减去毛坯体当中的道具扫描体，从而得到加工明确的实体模型。但这种仿真方法有着很大的局限性，由于规则的布尔操作只能应用于实体造型系统当中，因此，直接实体构造法只适用于CSG或B-rep表示的实体造型系统。不仅如此，由于布尔运算十分复杂，因此在实际应用的过程中会受到很大程度上的限制，所以导致直接实体构造法很难实现动态仿真。1.2空间分割表示法。与直接实体构造法相比，空间分割表示法在NC加工检测当中的应用具有可行性，其最大的优点便在于不被复杂的惠泽布尔运算操作所限制。空间分割表示法能够利用分解实体为基本元素的方式将布尔运算操作进行简化。空间分割表示法可以分为很多种，根据基本体形式不同而有所差异，例如深度体素数据结构法、八叉树数据结构法、TG-Buffer法等。这一系列方法在应用过程中，其加工时间与走刀次数成正比例关系，因此可以用在复杂雕塑的曲面加工仿真处理当中。除此之外，空间分割表示法还具备一定的零件面与加工面误差测量的作用。1.3离散矢量求交法。离散矢量求交法通常在估算加工误差时使用，通过定位、离散以及求交计算，对设计曲面上所有预选点与刀具切割面之间的距离进行计算。在设计曲面上，一系列离散点都存在一个与其相关的外法线矢量。对于加工误差的检测，主要是通过计算各离散点与刀具切割面之间的距离，但离散矢量求交法只能应用于对零件面的处理当中，因此，很难做到动态加工仿真。离散矢量求交法与空间分割表示法有一种相同的优点，那就是能够将模型进行有效的简化，这在很大程度上提高了绘制的实时性，通过计算道具切割面与零件面之间的距离，能够准确的测出三角片顶点高度，从而实现数控加工仿真。

2可视化方案的设计与软件开发

2.1可视化方案设计。可视化这一研究理念是在数控编程基础上的发展与延伸，通过虚拟加工的方式，对整个加工过程进行虚拟设计。假设虚拟加工当中只存在零件、刀具以及夹具模型，同时将其当作构型特征。借助特征造型技术，使构型特征能够得到更为深入的形状细分，最终将所有结构划分为平面以及圆锥面两种最基本的几何元素。如图1所示。虚拟系统结构图主要由虚拟加工环境、虚拟架构过程两个模块所构成。①虚拟加工环境。这一模块主要由三种元素构成：加工零件、刀具以及夹具，并借助openGL以及CAD对这三种元素进行特征造型。②虚拟加工过程。此模块主要由五种元素构成：数控程序译码、碰撞干涉检验、加工精度仿真、加工统计分析以及三维动画仿真。其中，数控程序译码指的是对代码的语法和语意进行检查，对刀具加工位置以及运动轨迹等信息进行掌握；数控加工过程仿真由物理仿真以及几何仿真两部分构成，与物理仿真相比，几何仿真不需要考虑切削力、切削参数等因素对加工产生的影响，只需要翻译数据程序，从而获得刀具位置的信息并通过此信息驱动刀架运动即可。2.2可视化软件开发。可视化软件又称为环境构造程序，主要任务就是对加工过程当中的物和景进行填充。因此，设计人员应该将虚拟系统结构当中的各种行为以及元素进行充分考虑，并且将其融入到实际的程序当中。借助计算机技术，能够对可视化物体进行建模，形成完整的骨架轮廓。这样一来，物体便有了基本的结构，然后再添加上适当的色彩以及阴影等辅助效果，使整体效果能够达到其要求。

3可视化仿真系统的实现

如图2所示，仿真模块的工作过程首先需要借助CAD以及openGL进行场景的营造，其次对加工场景的数据以及图形进行存储，然后通过数控程序翻译获取刀具的运行轨迹以及位置信息，从而驱动CAD以及openGL构成的运动部件，最后进行碰撞干涉检验。3.1翻译模块。翻译模块对于动态仿真的实现具有十分重要的作用，其主要负责检错和翻译两点工作内容：①检错阶段。根据相关的数控加工知识以及编程规定对NC代码的词法、语法、语意进行分析，以此找出NC代码当中存在的逻辑错误、词法以及语法错误。若NC代码在经过检错后未发现错误，则直接进入到翻译阶段。②翻译阶段。将NC代码当中记录的机床部件运动控制信息进行提取，并且刀具以及工件的运动数据根据速度以及位移情况进行不同时间段的划分，从而计算出不同时间段机床各个坐标的位移数据，以此实现机床模型的模拟驱动，并对NC代码驱动的加工过程进行模拟仿真。3.2数控程序的构成。程序段是构成数据程序的主要元素，其是指为实现某一操作的功能字组合。功能字指的是功能的代码符号，主要由数字、符号以及字母所构成。程序段的格式就是程序段当中不同数字、符号以及字母的排列形式，程序段格式的不同直接影响了数据系统功能的多少、数控装置复杂程度以及程序编制的简易程度。现阶段，我国的数控装置大多数都采用可变程序段，即字地址格式，同时，国际标准组织还将字地址格式设置为ISO标准。字地址程序段格式主要由N、G、T、F、X、Y、I、Z、K、M、S、J十二种指令构成，指令所代表的功能不同，例如，G指令描述机床运动方式、M指令代表机床主轴的起停等。3.3数控程序翻译。通常情况下，数控系统当中的地址符代码字是固定不变的。换言之，地址符与地址值在编写过程中都需要参照固定的标准格式进行编写。虽然编程代码字的编写形式比较复杂，但最终经过处理后也能够成为简单的标准格式。如图3所示。NC代码的翻译模块主要包括五个部分，分别为预处理、词法分析、语法分析、语意分析以及翻译执行。

4结束语

综上所述，本文对现阶段常见的集中数控加工仿真方法进行分析，并对数控加工过程中可视化方案的设计、软件开发以及可视化仿真系统的实现进行研究。可视化数据加工能够将不可见的加工过程进行形象的体现，为找出加工过程当中问题存在的问题提供了重要帮助。通过对可视化数据加工仿真系统的研究，分析了可视化系统的内涵以及工作过程，对我国数控加工过程的可视化发展具有重要意义。

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作者:王捍天 单位:南京工业职业技术学院