自由曲面加工理論與應(yīng)用(第05講--自由曲面加工精度與質(zhì)量控制).pdf

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1、HUAZHONGUNIVERSITYOFSCIENCEANDTECHNOLOGSCHOOLOFMECHANICALSCIENCE&ENGINEERING自由曲面加工理論與應(yīng)用第05講--自由曲面加工精度與質(zhì)量控制4July20111講授內(nèi)容§基于幾何的刀具軌跡仿真與驗(yàn)證§切削仿真與加工工藝參數(shù)優(yōu)化基于幾何的刀具軌跡仿真與驗(yàn)證§數(shù)控加工幾何仿真的驅(qū)動數(shù)據(jù)￠CL數(shù)據(jù)§即刀位點(diǎn)數(shù)據(jù)。基于刀位點(diǎn)數(shù)據(jù)的仿真通常在刀具軌跡的后置處理前進(jìn)行。只仿真刀具的運(yùn)動，主要是為了檢驗(yàn)刀具軌跡的正確性，保證零件的加工質(zhì)量?！镹C代碼§基于NC代碼的仿真和機(jī)床實(shí)際加工

2、的指令保持一致，更接近實(shí)際，能夠檢驗(yàn)機(jī)床的實(shí)際運(yùn)動過程和切削加工過程?；趲缀蔚牡毒哕壽E仿真與驗(yàn)證§刀具運(yùn)動軌跡仿真分類￠按仿真模型的表達(dá)分：§1）線框仿真§2）基于實(shí)體造型的方法§3）基于空間分割的方法§4）基于離散矢量求交的方法基于幾何的刀具軌跡仿真與驗(yàn)證§1）線框仿真￠以邊界線表示刀具。刀具沿刀具軌跡運(yùn)動，用戶可以觀察刀具的加工路線和加工順序。早期的CAD/CAM系統(tǒng)大都采用這種仿真方式。￠優(yōu)點(diǎn)：§幾何表達(dá)簡單，編程容易§算法簡單，速度快￠缺點(diǎn)：§檢查手段比較單一。依靠編程人員用肉眼從宏觀上觀察，只能檢驗(yàn)比較明顯的軌跡錯誤?！鞗]有任何

3、對加工過程幾何數(shù)據(jù)的處理和記錄，不能提供仿真后的結(jié)果數(shù)據(jù)和報告。基于幾何的刀具軌跡仿真與驗(yàn)證§2）基于實(shí)體造型的方法￠采用實(shí)體模型表示方法（CSG模型或B-rep模型）直接建立和描述毛坯、刀具和刀具運(yùn)動包絡(luò)體的實(shí)體特征，加工中的材料切除過程可由毛坯實(shí)體和刀具運(yùn)動包絡(luò)體之間的實(shí)體布爾運(yùn)算來模擬，即從毛坯實(shí)體模型中減去刀具運(yùn)動包絡(luò)體。計算刀具在每一段刀具軌跡上的運(yùn)動包絡(luò)體，與當(dāng)前毛坯模型進(jìn)行布爾差運(yùn)算，隨著切削過程不斷更新毛坯實(shí)體，最終得到被加工零件的實(shí)體模型?！樽钤缬蒝eolcker和Hunt提出并采用?！殛P(guān)鍵技術(shù)：刀具掃掠體構(gòu)造計算，布爾求

4、交運(yùn)算基于幾何的刀具軌跡仿真與驗(yàn)證§2）基于實(shí)體造型的方法（續(xù)）基于幾何的刀具軌跡仿真與驗(yàn)證§2）基于實(shí)體造型的方法（續(xù)）￠優(yōu)點(diǎn)§計算結(jié)果精確，應(yīng)用范圍廣§算法實(shí)用性廣，可進(jìn)行2軸到5軸的加工仿真§可以對加工過程的錯誤進(jìn)行檢測§仿真過程可放大或縮小顯示，可任意旋轉(zhuǎn)視角§仿真結(jié)果的真實(shí)感顯示效果好。￠缺點(diǎn)§算法復(fù)雜，設(shè)計大量數(shù)據(jù)的存儲和數(shù)據(jù)庫設(shè)計與管理§計算量驚人，計算速度慢。在仿真過程中全部進(jìn)行的是實(shí)體間的布爾與運(yùn)算，需要進(jìn)行大量的曲面與曲面、實(shí)體與實(shí)體間的求交運(yùn)算。時間復(fù)雜度為O(N4)，N為刀具運(yùn)動段數(shù)。（加工軌跡成千上萬）§求交過程計

5、算的穩(wěn)定性會影響整個仿真過程的安全和速度?；趲缀蔚牡毒哕壽E仿真與驗(yàn)證§3）基于空間分割的方法￠基于空間分割的方法就是將實(shí)體模型分解成簡單單元，從而將實(shí)體間的三維布爾運(yùn)算簡化為單元間的一維布爾運(yùn)算。￠目的：克服基于實(shí)體布爾運(yùn)算仿真算法的復(fù)雜性，對零件及毛坯模型進(jìn)行簡化。￠根據(jù)分割單元類型的不同，分割空間方法又分為：§基于Z-buffer結(jié)構(gòu)的分割§基于Dexel結(jié)構(gòu)的分割§基于八叉樹結(jié)構(gòu)的分割§基于G-buffer結(jié)構(gòu)的分割基于幾何的刀具軌跡仿真與驗(yàn)證§基于Z-buffer的加工仿真算法￠Z-buffer實(shí)在幀緩沖區(qū)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，主要

6、用于消隱算法中保存可見點(diǎn)的Z坐標(biāo)值?！閭鹘y(tǒng)的Z-buffer只記錄了離視點(diǎn)最近的Z坐標(biāo)，將形體分為可見與不可見部分，不能判斷一個物體是否在另一個物體內(nèi)或外。而對于銑削加工，關(guān)鍵是要確定刀具實(shí)體與毛坯實(shí)體的相對位置關(guān)系?！樗詾榱伺袛嗟毒吲c毛坯的位置關(guān)系，簡單地記錄一個Z坐標(biāo)值值得Z-buffer是不夠的，必須記錄最近和最遠(yuǎn)兩個Z坐標(biāo)（Znear和Zfar）的Z-buffer?；趲缀蔚牡毒哕壽E仿真與驗(yàn)證§基于Z-buffer的加工仿真算法（續(xù)）￠刀具及毛坯的擴(kuò)展Z-buffer構(gòu)造§將刀具或毛坯實(shí)體三角化得到一批三角片及其對應(yīng)定點(diǎn)處的法矢，

7、并向視平面投影?！鞂σ暺矫鎯?nèi)的三角片進(jìn)行掃描轉(zhuǎn)換（光柵化），同時保留離視點(diǎn)最近的Z坐標(biāo)和最遠(yuǎn)的Z坐標(biāo)，得到刀具或毛坯的擴(kuò)展Z-buffer表示?！鞂Φ毒呒懊鞯臄U(kuò)展Z-buffer模型進(jìn)行明暗處理。基于幾何的刀具軌跡仿真與驗(yàn)證§基于Z-buffer的加工仿真算法（續(xù)）￠基于擴(kuò)展Z-buffer的加工仿真原理§刀具切除材料的過程實(shí)際上是從毛坯實(shí)體中減去刀具實(shí)體的過程。由于通過掃描轉(zhuǎn)換得到了刀具及毛坯的擴(kuò)展Z-buffer表示，即將刀具及毛坯實(shí)體簡化為像素為單位的簡單長方體集合表示，從而將刀具與毛坯的三維實(shí)體布爾運(yùn)算簡化為簡單單元的長度之間的一

8、維運(yùn)算?！煸谌我粫r刻，材料切除過程的仿真是通過刀具Z-buffer按刀具軌跡運(yùn)動，不斷與毛坯Z-buffer進(jìn)行位置比較，同時不斷修改和刷新毛坯Z-buffer。基于幾何的刀具軌