模拟加工

模拟加工是采用一个应用虚拟现实技术于数控加工操作的仿真软件，对数控机床操作全过程和加工运行全环境进行仿真，从而进行数控模拟加工，完成整个加工过程的仿真。使原来需要在数控设备上才能完成的大部分加工功能可以在这个虚拟制造环境中实现。

模拟加工也称作仿真加工。仿真技术是利用模型复现实际系统中发生的本质过程，并通过对系统模型的实验来研究存在的或设计中的系统，又称模拟。这里所指的模型包括物理的和数学的，静态的和动态的，连续的和离散的各种模型。所指的系统也很广泛,包括电气、机械、化工、水力、热力等系统,也包括社会、经济、生态、管理等系统。当所研究的系统造价昂贵、实验的危险性大或需要很长的时间才能了解系统参数变化所引起的后果时，仿真是一种特别有效的研究手段。仿真的重要工具是计算机。仿真与数值计算、求解方法的区别在于它首先是一种实验技术。仿真过程包括建立仿真模型和进行仿真实验两个主要步骤。

20世纪初模拟仿真技术已得到应用。例如在实验室中建立水利模型，进行水利学方面的研究。40～50年代航空、航天和原子能技术的发展推动了仿真技术的进步。60年代计算机技术的突飞猛进，为仿真技术提供了先进的工具，加速了仿真技术的发展。

利用计算机实现对于系统的仿真研究不仅方便、灵活，而且也是经济的。因此计算机仿真在仿真技术中占有重要地位。50年代初，连续系统的仿真研究绝大多数是在模拟计算机上进行的。50年代中，人们开始利用数字计算机实现数字仿真。计算机仿真技术遂向模拟计算机仿真和数字计算机仿真两个方向发展。在模拟计算机仿真中增加逻辑控制和模拟存储功能之后，又出现了混合模拟计算机仿真，以及把混合模拟计算机和数字计算机联合在一起的混合计算机仿真。在发展仿真技术的过程中已研制出大量仿真程序包和仿真语言。70年代后期，还研制成功专用的全数字并行仿真计算机。

模拟仿真可以按不同原则分类：

1、按所用模型的类型（物理模型、数学模型、物理－数学模型）分为物理仿真、计算机仿真（数学仿真）、半实物仿真；

2、按所用计算机的类型（模拟计算机、数字计算机、混合计算机）分为模拟仿真、数字仿真和混合仿真；

3、按仿真对象中的信号流（连续的、离散的）分为连续系统仿真和离散系统仿真；

4、按仿真时间与实际时间的比例关系分为实时仿真（仿真时间标尺等于自然时间标尺）、超实时仿真（仿真时间标尺小于自然时间标尺）和亚实时仿真（仿真时间标尺大于自然时间标尺）；

5、按对象的性质分为宇宙飞船仿真、化工系统仿真、经济系统仿真等。

1、仿真模型

仿真模型是被仿真对象的相似物或其结构形式。它可以是物理模型或数学模型。但并不是所有对象都能建立物理模型。例如为了研究飞行器的动力学特性，在地面上只能用计算机来仿真。为此首先要建立对象的数学模型，然后将它转换成适合计算机处理的形式，即仿真模型。具体地说，对于模拟计算机应将数学模型转换成模拟排题图；对于数字计算机应转换成源程序。

2、仿真实验

通过实验可观察系统模型各变量变化的全过程。为了寻求系统的最优结构和参数，常常要在仿真模型上进行多次实验。在系统的设计阶段，人们大多利用计算机进行数学仿真实验，因为修改、变换模型比较方便和经济。在部件研制阶段，可用已研制的实际部件或子系统去代替部分计算机仿真模型进行半实物仿真实验，以提高仿真实验的可信度。在系统研制阶段，大多进行半实物仿真实验，以修改各部件或子系统的结构和参数。在个别情况下，可进行全物理的仿真实验，这时计算机仿真模型全部被物理模型或实物所代替。全物理仿真具有更高的可信度，但价格昂贵。

3、仿真工具

主要指的是仿真硬件和仿真软件。仿真硬件中最主要的是计算机。用于仿真的计算机有三种类型：模拟计算机、数字计算机和混合计算机。数字计算机还可分为通用数字计算机和专用的数字计算机。模拟计算机主要用于连续系统的仿真，称为模拟仿真。在进行模拟仿真时，依据仿真模型(在这里是排题图)将各运算放大器按要求连接起来，并调整有关的系数器。改变运算放大器的连接形式和各系数的调定值，就可修改模型。仿真结果可连续输出。因此，模拟计算机的人机交互性好，适合于实时仿真。改变时间比例尺还可实现超实时的仿真。60年代前的数字计算机由于运算速度低和人机交互性差，在仿真中应用受到限制。现代的数字计算机已具有很高的速度，某些专用的数字计算机的速度更高，已能满足大部分系统的实时仿真的要求，由于软件、接口和终端技术的发展，人机交互性也已有很大提高。因此数字计算机已成为现代仿真的主要工具。混合计算机把模拟计算机和数字计算机联合在一起工作，充分发挥模拟计算机的高速度和数字计算机的高精度、逻辑运算和存储能力强的优点。但这种系统造价较高，只宜在一些要求严格的系统仿真中使用。除计算机外，仿真硬件还包括一些专用的物理仿真器，如运动仿真器、目标仿真器、负载仿真器、环境仿真器等。仿真软件包括为仿真服务的仿真程序、仿真程序包、仿真语言和以数据库为核心的仿真软件系统。

4、仿真方法

主要是指建立仿真模型和进行仿真实验的方法，可分为两大类：连续系统的仿真方法和离散事件系统的仿真方法（见仿真方法）。人们有时将建立数学模型的方法也列入仿真方法，这是因为对于连续系统虽已有一套理论建模和实验建模的方法，但在进行系统仿真时，常常先用经过假设获得的近似模型来检验假设是否正确,必要时修改模型,使它更接近于真实系统。对于离散事件系统建立它的数学模型就是仿真的一部分。

仿真技术得以发展的主要原因，是它所带来的巨大社会经济效益。50年代和60年代仿真主要应用于航空、航天、电力、化工以及其他工业过程控制等工程技术领域。在航空工业方面，采用仿真技术使大型客机的设计和研制周期缩短20%。利用飞行仿真器在地面训练飞行员，不仅节省大量燃料和经费（其经费仅为空中飞行训练的十分之一），而且不受气象条件和场地的限制。此外，在飞行仿真器上可以设置一些在空中训练时无法设置的故障，培养飞行员应付故障的能力。训练仿真器所特有的安全性也是仿真技术的一个重要优点。在航天工业方面，采用仿真实验代替实弹试验可使实弹试验的次数减少80%。在电力工业方面采用仿真系统对核电站进行调试、维护和排除故障，一年即可收回建造仿真系统的成本。现代仿真技术不仅应用于传统的工程领域，而且日益广泛地应用于社会、经济、生物等领域，如交通控制、城市规划、资源利用、环境污染防治、生产管理、市场预测、世界经济的分析和预测、人口控制等。对于社会经济等系统，很难在真实的系统上进行实验。因此，利用仿真技术来研究这些系统就具有更为重要的意义。在仿真硬件方面，从60年代起采用数字计算机逐渐多于模拟计算机。混合计算机系统在70年代一度停滞不前，80年代以来又有发展的趋势，由于小型机和微处理机的发展，以及采用流水线原理和并行运算等措施，数字仿真运算速度的提高有了新的突破。例如利用超小型机 VAX 11-785和外围处理器AD-10联合工作可对大型复杂的飞行系统进行实时仿真。在仿真软件方面，除进一步发展交互式仿真语言和功能更强的仿真软件系统外，另一个重要的趋势是将仿真技术和人工智能结合起来，产生具有专家系统功能的仿真软件。仿真模型、实验系统的规模和复杂程度都在不断地增长，对它们的有效性和置信度的研究将变得十分重要。同时建立适用的基准对系统进行评估的工作也日益受到重视。

随着虚拟现实技术及计算机技术的发展，出现了可以模拟实际机床加工环境及其工作状态的计算机仿真加工系统，它是一个应用虚拟现实技术于数控加工操作技能培训的仿真软件。利用计算机仿真培训系统进行学习和培训，不仅可以迅速提高被培训人员的理论、操作水平，而且非常安全，可靠好，培训费用低。

目前在国内已经有一些中等职业学校将计算机仿真运用于数控操作人才培训的教学之中，也出现了各种数控加工仿真教学系统，如上海宇龙、南京宇航、广州数控、武汉金银花等不同的数控加工仿真软件。上述这些教学系统既能单机系统独立运行，又能实现在线运行。独立运行即机床模型方式，其培训设施只需一台微机，数控机床的模拟操作在显示屏显示的仿真面板上进行，而零件切削过程由机床模型通过三维动画演示。实践证明，用这种方式进行初步培训是非常经济有效的。在线运行即机床工作方式，在这种方式下，教学系统将与实际机床连接，由硬件实现零件切削过程，这时除了操作者是用仿真面板操作外，其它则与实际机床的真实情况一样。即利用计算机和其他的专用硬件、软件去产生一种真实场景的仿真，操作者可以通过与仿真场景的交互，来体验一种接近于真实的场景的感觉。因此，采取这种方法能进一步提高操作者的实际操作技能。

数控仿真系统的核心是虚拟数控机床，而虚拟数控机床又是虚拟制造技术中的一个重要的执行单元。它不仅在数控加工过程中为产品设计提供了可制造性的分析，而且在数控系统的学习和培训中，为被培训人员提供了完善的学习方法和学习环境。数控仿真系统完全模拟真实零件的加工过程，可以检验各种数控指令是否正确，能提供与真实机床完全相同的操作面板，其调试、编辑、修改和跟踪执行等功能也一应俱全。

1、仿真教学应用

虚拟数控机床实际上是虚拟环境中数控机床的模型。与真实机床相比，虚拟数控机床具有以下的功能和特点：

虚拟数控机床具有与真实机床完全相同的结构。虚拟数控机床能模仿真实机床的任何功能而不致因为采用某种近似替代而导致某种结构和信息的失真或丢失，并与真实机床有完全相同的界面风格和对应功能，如动态旋转、缩放、移动等功能的实时交互操作，从而为学员的学习和培训提供保证。

机床操作全过程仿真。仿真机床操作的整个过程：毛坯定义，工件装夹，压板安装，基准对刀，安装刀具，机床手动操作。

丰富多样的刀具库。系统采用数据库统一管理的刀具材料、特性参数库，含数百种不同材料、类型和形状的车刀、铣刀，同时还支持用户自定义刀具及相关特性参数。

全面的碰撞检测。手动、自动加工等模式下的实时碰撞检测，包括刀炳刀具与夹具、压板、刀具，机床行程越界，主轴不转时刀柄刀具与工件等的碰撞。出错时会有报警或提示，从而防止了误操作的发生。

强大的测量功能。可实现基于刀具切削参数零件粗糙度的测量，能够对仿真软件上加工完成后的工件进行完全自动的、智能化的测量。

具有完善的图形和标准数据接口。用户既能在真实的环境中运行虚拟机床，又能观察它的各种运行参数，并能将其他CAD/CAM软件，如UG、Pro/E、Mastercam等产生的三维设计后置处理的NC程序，直接调入加工。

实用灵活的考试系统。可用于远程网络学习、作业、考试等功能，并实现答卷保存、自动评分、成绩查询和分析等功能，轻松实现无纸化的考核与测评。

虚拟数控机床强大的网络功能，可实现远程教育。不仅在局域网上具有双向互动的教学功能，还具有基于互联网进行双向互动的远程教学功能，数据传送可以采用卫星、宽带（ADSL,ISDN,有线CABLE等）或窄带互联网（56K Modem）等方式进行。这使得远程教学成为名副其实，它代表未来教育的发展方向。

2、仿真教学注意事项

仿真教学，做为一种新的教学模式，可给实习教学带来许多变改和效益，但必须指出的是，仿真实习毕竟不是真正的实际对象的操作，本身有不可替代的局限性。必须注意，采用虚拟数控仿真实习后，可缩短但决不能完全抛开真实的实习过程。这表现在以下几个方面：

（一）是无论采用物理仿真还是计算机仿真，其原理只是逼近，而不是等同于客观过程；

（二）是由于数控仿真软件的在中职教学领域的发展还处于初步阶段,仿真水平还有待进一步提高。

（三）是部分数控内容仿真难度大，仿真过程难以达到实习训练要求。所以，职校引入数控仿真实习，应做为节能降耗的手段，在一定范围内进行。无论采用虚拟数控仿真辅助实习时间多长，都要给学生安排必须的实际操作实习时间，一方面让学生掌握实际操作，另一方面也是对虚拟数控仿真实习的检验和提高。同时，虚拟数控仿真实习对学生所生成的安全观念淡簿的影响，只有通过实际操作才能加以纠正。

鉴于虚拟数控机床具备如此出众的功能，针对目前各中职学校的数控教学课程和参加数控实习学生人数不断增加的现实，以及数控机床精密、昂贵的特点，把数控加工仿真系统软件引入到教学之中，使之用于数控机床编程与操作培训，无疑是个明智之举。这样既可以避免因误操作造成价格昂贵的数控机床的损坏，又可以使操作人员在对仿真数控机床操作过程中产生现场感和真实感。同时由于其成本较低，可以大量地配置终端，彻底解决了数控机床数量不足的难题，使每位学员都能有足够多的实践机会，因此能够让学生更快地熟悉和了解数控加工的工作过程，掌握各种数控机床的操作方法。其更大的好处还在于，在实现了同样培训效果的情况下，将加工出错率及事故发生率降低到了最低程度。

随着机械零件制造复杂程度的提高，对数控代码正确性验证的需求越来越迫切，数控仿真系统利用计算机图形显示技术模拟实际加工过程，是验证数控加工程序正确性的有力工具之一。国外已有比较成熟的数控加工仿真系统，如美国的CGTech公司的Vericut系统等;国内众多研究机构也在该方面做了大量的研究工作，推出了比较成熟的数控仿真系统 ，但相比国外同类产品而言，在仿真过程动画的效果方面仍然存在一定的差距。因此作者在研究过程中，借鉴部分已有成果 对传统的Z-MAP方法进行改进，设计并实现了一种基于OpenGL的模板缓存机制、绘制范围二次确定的局部绘制算法的三轴数控铣削加工仿真系统。

1、改进的Z-MAP方法

假设刀具平行于z轴，三轴数控铣削加工过程存在两个明显的特点：1）只有工件的上表面才是加工表面;2）以工件底平面上任意一点为起点且平行于z轴的一条射线与工件的上表面有且仅有一个交点。

正是在这样的条件下，将Z-MAP方法应用于三轴数控铣削仿真系统的工件模型的几何表示才成为可能。

（1）传统的Z-MAP方法

Hsu和Yang[6]提出的Z-MAP方法是一种特殊的基于离散模型的表示方法。该方法的基本思想是将原始的工件模型假定为长方体，将该长方体在XOY平面的投影得到的长方形按照一定精度离散为m×n个均匀分布的正方形网格，从而可以将整个工件模型离散为m×n个以各个正方形为底面的小长方体集合。

在引入Z-MAP方法建立工件的几何表示后，刀具对工件实际切削过程的几何表示就被近似表示为离散小长方体高度连续更新（降低）的过程，因此该方法被形象地称为“割草法”。

（2）改进后的Z-MAP方法

在研究过程中采用了Z-MAP方法建立工件的几何表示，发现该方法仍然存在着不足。基于Z-MAP方法建立的工件模型仅仅是一系列不同高度的小长方体单元的集合，这样处理的后果是严重破坏了工件模型上表面的几何连续性，特别是当离散精度较低时，难以表达切削过程中工件上表面的局部曲面特征。因此作者在传统的Z-MAP方法的基础上进行了改进，设计了改进的Z-MAP方法，算法思想如下：

1）在按照一定的离散精度将工件模型的底平面离散为一系列的正方形网格后，以各网格点为起点、工件模型顶面为终点可以得到一系列的z向线段;

2）将所有的z向线段与工件模型上表面的交点按照一定的规则以三角形的形式连接构成的三角形网格面即可被视为工件模型的近似表示。

2、 局部绘制技术

数控仿真过程中工件模型形状特征的改变仅在当前切削段的局部区域中，其他场景保持不变，如果仅对当前切削段局部区域进行局部绘制将会极大地减少参与消隐、光照和图形生成的数据量，并最终提高图形的刷新速率，获得每秒至少24帧的动画显示效果。

在数控仿真的研究过程中，设计并实现了复杂场景下基于Z-MAP方法的工件模型的局部绘制方法，其基本流程如下：

1）在设备坐标系下确定切削段刀具运动包络体在屏幕上的显示区域 Q;

2）世界坐标系下在切削最低平面上初选工件模型的矩形区域F，F是图形显示结果和Q发生重叠关系的最小区域;

3）在切削最低平面上精确排除上述矩形区域F中不与Q发生重叠关系的部分区域，并最终精确确定局部区域R;

4）使用模板缓存技术在屏幕显示区域Q中显示由精选得到的局部绘制区域R。

（1）切削段刀具运动包络体的确定

世界坐标系中工件模型三角网格面局部绘制范围的确定过程，从本质上讲，是在工件模型空间中寻求可能会被某切削段的刀具运动包络体所遮挡的最大三角网格范围;而设备坐标系中图形局部绘制区域的确定也是寻求某切削段的刀具运动包络体的最大图形显示范围。精确意义上的刀具运动包络体的确定需要考虑刀具类型的影响，特别是球头刀包络体的组成比较复杂。但在实际确定该模型时，基于以下两个原因，可对模型的建立进行了适当的简化处理：1）由于世界坐标系和设备坐标系中所确定的都是最大局部区域或范围，因此将任何类型的刀具都简化为长方体模型;2）在实际切削过程中，工件外形的变化仅局限在某一切削段局部范围内，而且工件上表面是工件外形在高度方向上变化的最大范围。

根据上述分析，对切削段刀具运动包络体的确定本质上就是对刀具运动包络体顶点位置的确定。如图3-1所示，根据这八个顶点的坐标依次确定刀具运动包络体的六个表面就确定了该刀具运动包络体，而刀具运动包络体的确定是局部绘制算法的基础。

(2) 世界坐标系中局部绘制区域的确定

世界坐标系中工件模型上表面三角网格面局部绘制区域确定的目的是查找出所有可能被刀具运动包络体所遮挡的最大范围。其中ZMIN是指所有切削过程全部结束后工件模型上表面三角网格面顶点中z坐标的最小值，而且工件模型空间中存在这样一个明确的规律：对于在“切削最低平面”上没有被刀具运动包络体所遮挡的三角网格面部分而言，虽然实际情况下该区域的三角网格面往往高于“切削最低平面”，但在这种情况下这些区域也绝对不可能被刀具运动包络体所遮挡，因此这部分区域在局部绘制时可以不予计算和显示。

为了确定局部绘制区域，最简单的方法是依次判断平行于X（或Y）方向的各条网格线的假想显示图形是否和刀具运动包络体的假想显示图形相交，如果相交则精确确定每条网格线上和刀具运动包络体显示图形的相贯区间，所有相贯区间的集合即为局部绘制区域。但是这种方法存在的问题是计算量大、计算效率低。为此作者采用了初选和精选两个阶段来提高计算效率。

(3) 屏幕图形局部绘制区域的确定

根据得到的刀具运动包络体，可以确定在屏幕中所改变的区域仅在该刀具运动包络体范围内，而在刀具运动包络体以外的区域将不发生改变，因此作者在研究和实现的过程中使用了OpenGL所提供的模板缓存机制来限制屏幕的绘制范围。

OpenGL所提供的模板缓存将绘制限制在屏幕的某些部分进行。模板缓存可以保持屏幕上某些部分的图形不变化，而其他部分仍然可以进行正常的图形显示[7]。在三轴数控铣削加工仿真中，局部绘制的区域只可能在当前切削段刀具运动包络体中，因此将由当前切削段刀具运动包络体在屏幕上的显示区域设置为模板。

(4) 局部绘制的完整流程

步骤1：清空模板缓存;

步骤2：启用深度缓存和模板缓存画刀具运动包络体，并且设置颜色缓存中的信息为不能修改，不显示所画的刀具运动包络体，但相应的模板缓存中的信息设置为1;

步骤3：开启深度缓存，绘制一个远平面;

步骤4：设置颜色缓存为可以写入，绘制工件模型改变部分。

在数控加工图形仿真过程中，要使局部重绘区域的图形有正确的消隐效果，就要将工件模型在屏幕所确定区域的深度信息设置为最大值。OpenGL没有提供修改局部区域深度信息的功能，因此作者使用绘制远平面的方法修改由工件模型所确定的包络体的深度信息。由于该远平面只是用于修改深度信息的一个媒介，因此不需要显示在屏幕上。

虚拟机械加工技术（virtual machining）已诞生很久了，随着科学技术的进步，三维计算机辅助设计被广泛应用于产品设计，在工程作业设计、加工工序设计及产品组装程度等方面，需要开发计算机辅助技术，特别是在计算机辅助工程（CAE）方面，采用有限元法（FEM）来预先解析研究与产品性能相关联的构造、热传导性以及利用计算机辅助制造（CAM）确定刀具运动轨迹的编程技术，均已渗透到工程的各个领域而被有效利用。

切削加工仿真技术的发展动向包括两个方面，其一是开发NC仿真软件，借以显示刀具运动轨迹，并判断刀具、刀夹与工件及其夹具是否产生干涉。

在进行立铣加工时，最基本的任务是切除刀具切削刃包络面通过部分的被加工材料，使保留下来的部分成为已加工面。完成这类加工所用的软件应包括如下内容：刀具、刀具夹头、工件、夹具等的协调，机床主轴的构成及其可工作的范围，能真实地仿真机床和刀具的动作等。特别是近几年来，由于五坐标切削加工的不断增加，在实际加工前应进行NC仿真的重要性日益突出。这类NC仿真软件中，有不少软件具有极为优异的性能，如可从金属切除体积计算出加工效率；根据金属切除体积来判断切削加工是否产生过载；如果负荷固定，由于进给速度过高而产生过载，仿真软件可调整进给速度，防止过载产生，并可缩短切削加工时间等。

切削加工仿真技术的另一发展动向是研究解析切削加工过程中的物理现象，如被加工材料因塑性变形而产生热量，被切除材料不断擦过刀具前刀面形成刀屑后被排出，以及由刀具切削刃切除不需要的材料而在工件上形成已加工面等，并将这一系列切削过程通过计算机模拟出来，目前能达到这种理想目标的产品还为数不多。Third wave systems公司的“advantedge”是采用有限元法对切削加工进行特殊优化解析的软件产品，与用于构造解析的有限元法程序包比较，其最大优点是用户界面优良，机械加工的技术人员能方便地进行解析。美国scientific forming technologies公司的“deform”是锻造等塑性变形加工用有限元法解析程序包，最近已被转用于切削加工。

切削过程是切屑、被加工材料的弹性变形和塑性变形的变形过程，与冲压、锻造等塑性变形比较，变形速度（单位时间产生的变形量）非常大，由此产生的塑性变形能量和前刀面上由摩擦产生的能量将引起发热，从而使温度大幅度升高，刀尖在连续而狭小的范围使被加工材料破坏、分离成切屑和已加工面等，这是切削过程的显著特征。而这些现象彼此间存在复杂的相互影响。

如果用有限元解析方式，需输入下列内容：被加工材料特性及摩擦状态等物理特性；切削条件及刀具形状等边界条件。通过有限元解析刚性方程，可输出切削力、剪切角、切削温度等带有切屑生成状态特征的量化参数，在此过程中，无需建立数学模型或提出假设。根据有限元解析的结果，还易于将切屑生成过程、应力、变形等物理量实现可视化。

要获得高精度解析结果，最为重要的输入内容是反映被加工材料应力——变形关系的材料特性，而材料特性的获取是极为费力的工作。今后，随着计算机功率的增大，这种切削过程的物理仿真技术将会逐渐普及。能否迅速普及的关键在于能否及时向用户提供所需的被加工材料的材料特性。

目前，许多科技人员正在进行生产工程中最基础的切削加工技术的研究，其中多数研究的目的是在弄清楚加工现象的同时，对加工过程进行预测。如果这些研究内容实现了系统的计算机软件化，就意味着能形成一个切削仿真技术软件。如东京农工大学机械学院的实验室就正在进行几种预测性的有关切削加工仿真技术软件的研究。工艺流程和实用仿真采用了横向和纵向相匹配的研究体系，横向与产品设计到加工工序相对应；在纵向上越往上，实用性越好，往下则不仅是实用性，还包括加工现象的解析和实现可视化。

1、刀具信息数据库和解析仿真技术并用的切削条件选择系统

在实际的切削过程中，不应照搬工具厂提供的推荐切削条件，而应根据机床、工具系统、工件装卡等具体情况，反复进行试切削来修正切削条件。同时还应将过去加工中积累的行之有效的参考数据输入数据库，在有效利用这些数据的同时，借助解析方法使切削条件达到最佳化；对于没有参考数据的新的切削加工，则应开发与此相关的切削条件选择系统。该系统中把振动、加工精度、刀具升温、刀具寿命、残余应力等设定为解析内容，在解析的基础上，就能选择出最佳的刀具和调整切削条件。

本系统的数据大致分为三个部分：刀具信息数据、工具系统组成、切削条件。在切削条件中可积累有效的切削加工技术参数。

拟用图例表示平头立铣刀加工的最佳铣削效率和最佳化侧面的形状误差。根据数据库选择所需刀具和刀夹，预测由立铣刀和刀夹的弯曲度及卡头和主轴锥度结合部分的旋转变化所导致的加工误差。切削力的预测采用刀尖处的切削力乘以比切削抗力的模式。这是一种最简便的的方法，但却得到了切削力波形与实测值一致的良好结果。计算出每一瞬间由切削力引起的刀具挠曲量，将其和形成已加工面的切削刃位置的位移相连就能得到已加工面的形状。与大规模有限元法的计算比较，计算时间是非常少的，输入刀具信息和切削条件信息，就能容易地仿真加工误差。

尽管数据库里已具有确实适应的切削加工条件，人们仍希望进一步减少加工误差，提高加工效率。实例表明，用这种仿真和实现最佳化方式来修正切削条件是完全可能的。

2、立铣刀加工时的刀具温度

近年来，高速铣削已很普遍，由经验得知，它适用于小切深、大进给的铣削条件，而把握最佳条件却相当困难。铣削加工与车削加工不同，前者属于断续切削，在加工过程中，刀具升温和冷却高速地反复进行。由于热传导给刀具－切屑接触部分是断续进行的，必须根据这一特征来解析刀具温度的变化。热传导量对预测精度影响很大，但不需要对切屑生成状态的变形和热解析相联系进行大规模计算，因此可快速获得解析结果。切削速度、切深、进给的组合将影响最高温度，当加工效率一定时，提高进给速度，刀具温度就会降低，温度降低往往会使进给速度的提高达到极限，而提高进给速度，加工表面就会变得粗糙。因此，如果能很好地平衡粗糙度和温度的关系，就能够选择到两者相互平衡的切削条件。

3、用有限元法进行切削过程的物理仿真

在用有限元法进行切削过程的物理仿真中，作为切削条件输入的内容包括：切削速度、切削厚度、刀具前角、刀具后角、工件材料特性等。对这些参数进行解析后，就能获得切削力、切屑形状、刀具和切屑上的温度分布、应力分布、形变分布、残余应力分布等物理特性输出结果。

这种仿真对特殊切削状态（如动态切削）也是适用的。切削成波形表面的波形切除过程（wave removal）和刀具边振动边切削的波形生成过程都显示出在切屑厚度变薄的过程中，剪切角变小、变形集中而产生大的变形。在这样的动态切削过程中，剪切角发生变化，与此相对应的是切屑生成的变形范围大小也发生变化，因此切削力与刀尖的切削厚度不成正比。由与刀尖切削厚度的变动相对应的剪切角度变化图可知，即使刀尖切削厚度相同，振幅增大时比振幅减小时的剪切角还大，利萨如（lissajou）图形下方呈凸半月形。根据这样的解析结果，才能使现象的可视化及理解成为可能，从而开发出更为实用的高精度近似解析法。

另外，对于材料特性不同的复合金属材料的切削加工，以及象超声波振动切削那样的刀具在切削方向边振动边断续切削等加工，均可采用物理仿真技术进行解析。由铁素体和珠光体以层状分布时的解析实例可知，由于各层分布的位置不同，切屑卷曲的状态有很大的差异。如果在材料设计中能够有效应用物理仿真的解析结果，就有可能实现不依靠断屑槽来进行切屑处理。在超声波振动切削中切削力减小，是因为振动切削的振动频率大大高于刀具——被加工材料系统固有振动频率。这种解析所获得的切削力是断续作用在刀具和切屑间的力，假设没有摩擦减小等其它因素的影响，这种切削力和通常的切削是一样的。

传统的加工仿真方法是通过直观的图形显示来进行数控程序的加工仿真和干涉碰撞检查，即在计算机上用线框模拟刀具沿刀具路径在工件上的加工过程。近年来，随着微型计算机软硬件技术的不断发展和成熟，基于实体造型的三维数控仿真技术在工程上的应用日益广泛，有文献研究了在虚拟现实环境下，应用多媒体技术进行数控加工仿真的技术。这些新的加工仿真技术的出现使数控程序的加工仿真进人一个新的阶段。 本文针对数控车削加工仿真进行了研究并建立了数控车削动态仿真系统。

数控车削加工仿真流程本文设计的数控车削仿真系统既可以对手工编制的单机数控车削程序进行仿真，也可以作为CAD/CAPP/CAM集成制造系统中的一个子系统，对集成制造系统自动产生的数控车削程序进行仿真。该系统可以完成对子程序的处理，允许运动坐标的续效代码和注释行的存在，并且支持多种数控代码格式，是一个通用的数控车削NC 程序仿真系统。

数控车削加工仿真系统包括四个部分：NC代码词法和语法分析、刀具加工轨迹仿真、刀具加工过程仿真和刀具加工过程中的干涉碰撞检查。具体的仿真过程是：首先仿真系统通过对NC程序进行两次扫描分析，完成对NC程序的编译解释和对NC程序的语义分析与坐标变换，此后，生成一个NC坐标信息文件；其次NC坐标文件解释程序从NC坐标信息文件中读取加工仿真所需的刀具信息、刀具运动指令及坐标信息，并从刀具库中读取相应的加工刀具信息；最后调用相应的加工仿真算法，完成零件的刀具轨迹仿真、加工过程仿真和干涉碰撞检查等仿真过程。在加工仿真时．既可以进行数控代码的全过程仿真，也可以进行单工步加工仿真，具有很大的灵活性。

1、NC程序的编译解释

（1）NC程序格式

数控程序是由数控指令组成的，一般一条数控指令完成一个操作功能，NC程序是由若干条数控指令按照一定的结构构成的。一个完整的数控加工程序是由若干程序段组成的。常用的程序段格式有：固定顺序程序段格式、有分隔符的固定顺序程序段格式和字地址程序段格式。目前常采用字地址程序段格式，国际标准化组织制定了字地址程序段格式ISO-6983-1-1 982标准，其形式为

N… G… X±… Z±… I±… J±… K±… M… S… T… F…

其中G指令、M指令及F、S、T指令代码描述数控机床的运动方式、加工类型、主轴状态、冷却液的开关、进给速率、主轴转速的设置和刀具的选择等。X、Z、I、J、K为坐标指令字，分别描述刀心位置坐标值及加工轨迹中圆弧的圆心坐标等。

（2）NC程序词法和语法分析

对NC程序解释编译是按照数控程序的书写规则进行的。词法和语法分析的实质是将NC程序与ISO数控程序标准进行匹配检查，针对FUNAC数控系统设置了20多条检查规则，例如：

NC程序有效字符：%，N, G, M, T, F, S, X, Y, Z, I, J, K, R, 0～9, (,), /;

第一行必须是%或注释行；

G代码后必须是两位数字，并且一定是有效代码．如G00、G01、G02、G50、G92等；

同组G代码在同一段中不能同时存在，如G01与G02或G03等不能同时出现在同一程序段内；

M代码后必须是两位数字，并且一定是有效代码，如M01、M02、M08等：

T代码后必须是数字，且符合TXXYY格式，其中XX值不能大于刀库容量，YY竹值不能大于刀具补偿号容量；

S代码后必须是数字，且必须在主轴转速范围之内；

…

（3）NC程序编译解释

NC 程序的编译过程是先建立一个与数控代码程序段格式相对应的Vbuffer类对象，把此对象作为一个临时缓冲区，将程序段中的数控加工信息依次读出，经解释变换后写入NC坐标信息文件中，该文件是刀具轨迹仿真的驱动数据。系统采用数据缓冲区的方法逐行顺序读人数控代码，故系统支持坐标字和数控指令字续效代码的处理。

2、仿真行为

（1）刀具轨迹的动态加工仿真

刀具轨迹动态仿真是根据要进行仿真的数控代码，在计算机屏幕上动态显示刀具轨迹，以运动轨迹的方式来直观显示零件具体的加工过程；进行刀具轨迹动态仿真时，顺序读入NC坐标信息文件，获取数控指令(直线、圆弧指令等)和命令参数(起点、终点和圆心坐标等)，然后执行相应的轨迹处理：对于直线和圆弧命令，则要根据其起止运动坐标，进行直线和圆弧的插补运算，得到运动过程中离散的中间点的坐标值，然后动态显示刀具运动轨迹。刀具运动轨迹仿真算法流程。 为了清楚地表达刀具的轨迹运动过程，仿真画面将显示零件毛坯、零件外形轮廓、夹具、起刀点、刀具运动轨迹、退刀点和辅助加工信息等。并用不同的颜色来表示不同的刀具运动轨迹。仿真的优点是可以简单直观地检测刀具运动轨迹的正确性，计算机处理数据较少，显示速度快，故可获得很好的动态显不效果。

（2）零件加工过程动态仿真

为了实时显示加工刀具的形状和运动过程，需建立一个刀具切削加工模型。为简化建模过程，对于车削刀具，将标准(ISO)刀具和非标准刀具统一成标准的切削模型，建立一加工刀库配置文件来管理各种刀具的几何与物理描述数据在进行加工过程仿真时，根据数控代码中的指令，在刀库配置文件中选择相应的刀具，在夹具资源库中选择相应的夹具和夹紧方式，真实地反映加工过程，以观察刀具和夹具的干涉和碰撞情况。 加工过程动态仿真算法流程和刀具运动轨迹仿真算法流程是一致的，不同的是刀具运动轨迹仿真是用“运动点”来动态显示刀具轨迹，而加工过程动态仿真算法是用“刀具模型”显示刀具轨迹，并实时显示毛坯的去除过程。根据切削加工模型，当刀具处于切削加工运动时，用背景色填充刀具切削部分来进行加工过程仿真：该方法只适用于二维车削的平面仿真情况，与毛坯的形状无关，亦不需额外的判断和计算过程，对汁算机的性能要求不高，微机的显示速度完全可以满足实时性的要求。

（4）零件加工过程干涉碰撞检查

二维车削加工干涉碰撞是指，由于数控指令错误或刀具参数选择不当而造成的刀具与工夹具之间及刀具和己加工表面或待加工表面发生干涉碰撞的情况。干涉碰撞检查算法是，在任一加工时刻，将切削刀具包围轮廓和静止件(机床和夹具等)包围轮廓作二维布尔运算，如有相交情况，则说明该加工工步位置有碰撞清况发生，需修改加工指令。

具体的干涉碰撞检查算法，是在插值点将加工刀具的主偏角和副偏角与直线倾斜角度比较，对于圆弧段轮廓，则与该插值点在圆弧轮廓的切线的倾斜角进行比较，并区分顺圆和逆圆两种情况。

零件加工动态模拟仿真可以比较真实地反映出实际的切削加工过程，不仅可检查数控代码的正确性，还可以检查加工过程中刀具与工件、刀具与机床以及刀具与夹具之间是否有干涉(碰撞或过切)现象，如果仿真过程中发现刀具轨迹错误或有干涉现象产生，可以马上停止，并对加工程序实施修正，保证了加工质量。