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(shè)備進(jìn)行幾何建模, 包括零件的幾何建模和加工設(shè)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(shè)備建模方面, 由于機械設(shè)備往往是較為復(fù)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(yīng)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(yīng)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*的標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)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(yīng)包含對幾何誤差建立的模型。在這一方面, 國內(nèi)外學(xué)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(jìn)行了研究, 上海交通大學(xué)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(zhǔn)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(jìn)行正確的翻譯, 因此 nc代碼翻譯器成為虛擬加工系統(tǒng)中*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(jì) 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(jìn)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(jìn)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(biāo)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(yù)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(yù)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(shè)置機床的必要參數(shù), 預(yù)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行語法檢查; 語法規(guī)則是在規(guī)則庫中的, 當(dāng)某程序段需要進(jìn)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(jìn)行語義檢查, 同時, 翻譯器要進(jìn)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(jìn)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(jìn)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 nc 代碼翻譯器, 我國已有幾家院校如華中理工大學(xué)、 上海交通大學(xué)、 哈爾濱工業(yè)大學(xué)等實現(xiàn)了某些數(shù)控系統(tǒng)的 nc代碼翻譯器, 應(yīng)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(yīng)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。