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面向自由曲面数控加工的适应性实时仿真关键技术研究

邵志香  
【摘要】:现代先进制造技术一体化、智能化的发展趋势对数控系统的发展提出了更高的要求,对数控加工过程的真实感显示将成为高档数控系统人机界面的必备功能之一。国际生产工程科学院(CIRP,是机械工程领域学术地位最高的国际学术组织)对现代及未来制造业的生产方式进行了分析和评估,把切削加工过程的动态仿真建模问题列为制造业最重要的研究领域之一。数控加工仿真不但能提供加工过程直观形象的可视化表达方式,也是一种高效的NC程序正确性的验证方法,可以及时发现数控程序中的错误、过切和欠切问题以及刀具与工件或机床之间碰撞问题。因此,数控加工仿真已成为先进制造技术领域的研究热点和难点问题。为此,在国家科技重大专项等项目中均提出了数控加工过程仿真及碰撞检测等技术的研究工作。 本论文在分析国内外数控加工仿真研究现状的基础上,针对现有研究工作中存在的问题和局限性,结合我所承担的国家科技重大专项和高档数控系统的发展需求,对自由曲面数控加工实时仿真的关键技术展开研究工作。论文主要研究内容如下: 1、面向自由曲面数控加工实时仿真的建模方法。现有建模方法大多针对规则几何形体,不能较好的表达自由曲面类零件在数控加工中的详细变化特征。基于Z-Map模型的优点,三角片表达曲面的优势和LOD技术的特点,本文提出了一种新的自由曲面数控加工仿真中的建模方法——基于AM-BTLOD模型的自由曲面建模方法。首先,针对Z-Map模型的缺点,提出了改进的Z-Map模型(AZ-Map),然后提出了三角形二叉树LOD(BTLOD)模型的概念。采用AZ-MAP模型和BTLOD模型相结合进行仿真建模,建立二者的链接关系,形成一种快速高效的自由曲面动态建模方法和描述机制——AM-BTLOD。该方法可以有效的描述自由曲面在加工过程中的动态变化,为后面的深入研究工作奠定坚实的基础。 2、基于AM-BTLOD模型的自由曲面实时仿真关键技术研究。基于提出的AM-BTLOD模型自由曲面建模方法,本文提出了一种新的适应性自由曲面数控加工实时仿真算法,充分考虑算法的实时性和精度,以实时性为主要目标,兼顾仿真的精度,并提出了基于三角形二叉树LOD模型的高效切削算法。针对自由曲面数控加工的特点,设计了加工仿真过程中BTLOD树的三角片分裂和合并规则及相应的算法。此外,算法中还加入了动态帧率调整策略,根据不同的精度需求及不同的视点,可以适应性的调节BTLOD的精度和控制实时显示的帧率,采用不同的层次细节对图形进行实时渲染,有效减少了不必要的三角形绘制,大大提高了仿真的速度,从而达到适应性的控制仿真的速度和精度的目的。本文通过实验分别从不同的角度验证了算法的有效性、实时性和适应性。实验结果表明,本文算法的实时性明显优于现有算法。 3、五轴数控加工仿真中通用刀具扫描体精确生成算法研究。现有刀具扫描体生成算法大多具有局限性:或者限于特定刀具类型,或者限于三轴加工,或是近似计算方法。计算得到的刀具扫描体不够精确,不能准确表达刀具在空间运动中形成的实际扫描体,导致数控加工仿真的精度也不高。本文在研究和分析了刀具扫描体相关理论基础和方法及刀具在三轴和五轴数控加工中的运动形式和特点的基础上,建立了一种通用刀具模型和数控加工中刀具的运动模型。基于扫描包络理论和刚体运动学理论,提出了一种五轴加工仿真中通用刀具扫描体的精确生成算法。具体应用中只要给定实际的刀具类型和刀具运动方式,就可以计算其扫描体。实验结果验证了算法的有效性和生成扫描体的真实感。 4、面向自由曲面数控加工的实时碰撞检测关键技术研究。现有碰撞检测算法大多针对两个物体之间的碰撞检测,不适用于自由曲面数控加工中的复杂碰撞问题,本文对数控加工中的动态碰撞检测问题进行了深入研究,对自由曲面数控加工中的碰撞特性进行了分析和总结,在此基础上,提出了一种基于区间分割和包围体混合LOD树模型的自由曲面数控加工中实时碰撞检测算法。为实现分级和实时碰撞检测,综合二叉树和八叉树的优点,提出了包围体混合LOD树模型(BV-MLOD)的概念,并给出了OBB包围体混合LOD树的创建方法,设计了包围体混合LOD树的层次间的碰撞检测算法和包围体/包围体相交测试算法以及基于平面的三角片相交测试算法。通过典型的自由曲面类零件加工实验验证了算法的实时性和准确性。实验结果表明:本方法具有较好的实时性,其碰撞检测速度和效率均明显优于现有的方法。


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