一、引言 数控程序为数控机床提供了必要的切削信息。近年来,随着数控机床柔性化程序的不断提高,CAD /CAM技术得到了飞速的发展。随着Nc编程复杂程度的增加,数控程度的错误率也相应增大,所以Nc验证就显得日益重要。显然,正式加工前没通过检验的NC程序,不但难以加工出合格的产品,而且容易造成严重的生产事 故,如:伤人,折刀,碰损机床等等。因减少诸如此类的问题,传统上都是利用数控程序先切削一 个软质材料的毛坯,加工出一个样品,通过加工来校验Nc程序。这样做不但浪费时间,而且占用机床正常工时。所以代价是十分昂贵的。随着CAD/CAM技术的发展,N。的计算机图形验证方法解决了这一问题。目前,Nc图形验证 的方法很多,最简单的方法是直接刀位验证。利用简单的线架图显示刀心坐标与刀轴矢量,观察线 架的总体趋势。这样可以检查出由于刀位计算方法不稳定而产生的计算错误,例如,跳刀啃伤等。 但该方法不能检验加工误差及非加工面干涉。本文给出了一种三坐标数控程序的图形检验方法。该方法直接模拟切削过程。通过观察可以解决常规计算机图形检验方法难以解决的下列问题:(l)刀具与夹具的干涉问题; (2)刀具过切,切削不到位问题; (3)刀具碰损已加工表面的问题。二、切削过程的模拟 模拟切削过程,就是要在计算机屏幕上动态显示出刀具切削毛坯并生成加工表面的过程,如果把毛坯、夹具和刀具都定义成实体,切削就相当于毛坯、夹具与刀具之间的布尔差运算。因第3—4期软件为实体存诸的信息量大,所以要实时地、动态地显示刀具切削毛坯的过程是不可能的。为了实现这一过程,又不影响仿真精度,我们引进了割菲菜算法。 我们把被切割体(除刀具以外的实体)离散成一条条平行的线段,如图1所示,组成待切削线束,就 相当是一池子高低不同的菲菜。把刀具也同样离散,形成切割线束,这样切削就变成了切割。根据 极限值理论,在待切割线束足够密时,该切割过程等同于实体的切削。为了便于消隐及着色,我们 按视向矢量方向作直线束,如图2所示,直线束与毛坯及夹具相交,交点信息就构成了待加工线段束,其结构为。。交点:tl,t2,t3,…”·‘图1 切割线束及待切割线束 f毛妪j/,‘具:嫱震; 图2利用直线采样实体信息其中n为交点数,该表说明了直线进入及射出实体的信息,即直线从t·点进入实体,从tz点射出实体,t。点进入实体,最后从t。点射出实体。 有了这些信息后,“割菲菜”的过程就可以由三维简化到一维里来完成。实体布尔差运算变成了两条线段间的布尔差运算。这样就大大加快了运算速度,如图3所示。 该算法另一大优点是,避锡了实体布尔差运算的繁琐性,只需对刀具影响到的点进行运算即可。而且 ,生成的离散点可以采用曲面重构算法重新生成加工后曲面。利用它们与设计曲面进行比较,计算出加工误差。小叶.,、.㈠q_三节.㈨…Ⅲ….、 , i¨■:,.1’-_¨训…Ⅲ?雌旷瓣一_僦垆■然谳^. ^*j,imⅢ川Ⅲ川软件1994年三、真实感显示技术 要想进行真实感显示,离不开光照模型。要想使物体的真实感强,还得采用更加复杂的照明模型,如 考虑透明,阴影,采用光线追踪等技术。但随之而来的计算量的膨胀,从实际运用出发,提高图形生成的速度就显得十分重要。一般来说,提高速度要以牺牲真实感效果作为代价。针对前述的切削模拟算法,我们选用逐点真实感显示算法。对于每一个象素点,都要计算出是实体上 哪一点投影来的,并根据物体该点的法向及原始色彩,利用Phong的光照模型计算具有光照效 果的色彩值。因为消隐本交过程已经在离散切割线束时计算过,所以光照计算量也大大减少,进一步加快了显示速度:Phong的照明模型的数学公式为:I一Ka,.+艺{K,(N.玩)+K‘(。)eosn。 ze。,。其中K.(a)为镜面反射系数,n为镜面指数。由于物体的反射能力与光线波长有关 ,同时又为了避免对波长求积分,可以把照明模型写成矢量式:I一K.I。+万{K.I.(N .、)+K。(。)1.(R,v)·}这样就可以求出每一点的真实色彩,生成具有真实感的立体图。四、系统的设计从每个象素点发射出的视线,构造出了待加I线段束。为了保证信息的完整,对每一象素点都伴有实 际显示色彩。当刀具按照Nc程序指令进行切削时,切削过程就可以利用待加工线段束与加工线能束的一维布尔差运算来模拟,如图3所示。闷、11!口!沙蔚图3线束间的布尔差运葬 为了保证信息完整,我们构造了如下存储结构:对每一象素点,我们存储它的射线与实体的相交信息 t,,t,,t:,……‘及色彩号c对于刀具,我们创造一个刀具切割线束,并存储线束信息及 相应点色彩号T.对三坐标切削来说,刀轴矢量是固定不变的,所以刀具移动也就是切割线束的平 移过程。我们构造图4所示的算法框图,值得说明的是色彩c与色彩T的计算方法不尽相同。色彩 c被切掉后将由色彩T来代替,所以C计算时取加工表面法矢,T计算时取刀具的反向法矢。为了 能够把切割生成曲面与设计曲面进行对照,介绍可参考文献3,这里不再详述。我们引进了曲面重构算法,关于该算法的安切削行路径顺次取切削刀位点移动刀具缓冲区到当前切削点生成切削缓冲区对切削缓冲区的每一象素点进行毛肛缓冲区于切削缓冲区的布尔 差运葬,并显示该.点所有切削点郑已 作完? .带Y切削过程完毕 图4三坐标Nc脸证界法 五、结论 通过模拟来验证Nc程序,只花费机械加工方法所需时间的5%左右。它可以明显地减少生产性支出、降低开发成本,使用户在很短时间内开发出高质量的数控程序。 利用真实感显示技术,能逼真地仿真切削过程,直观地指示出加工错误,完全可替代试切过程,对现实生产有着重要的意义。利用真实感显示进行三坐标NC验证的方法@韩向利$哈尔滨工业大学
@袁哲俊$哈尔滨工业大学
@王新龙$哈尔滨工业大学
@李建广$哈尔滨工业大学传统的数控(Nc)验证方法是利用Nc程序去试切泡沫或木件。为了节 省时间、提高效率,本文给出了一种新的计算机辅助Nc验证的方法,利用真实感显示技术,通过 高品质和图形,模拟出机械切削过程,通过加工仿真来检验数控程序的正确程序。文中分析了计算 机图形验证方法的基本思路,给同了一种进行切削过程模拟的快速算法,使Nc验证更加直观、可靠。<1>W. P. Wang and K. K. Wang,"Geometric Modeling for Sweept Volume of Moving Solids",IEEE CG&A,DEC. 1986
<2> Atherton,Peter R, "A Scan-line Hidden Surface Removel Procedure for Contractive Solid Geometry", Computer Graphics,Vol 17 No 3,July 1983． ACM,NYNY
<3> Huyues Hoppe, TonyDeRose, Tom Duchamp,"Surface Reconstruction from Unorganized Points",Computer Graphics,Vol26 No2． July1992
<4> Crocker, Gary A. "Invisibity Coherence for Faster Scan-Line Hidden Surface Algorithms",Computers Graphics, (Proc. SIGGRADH'84) ,Vol, 18,No. 3,July 1984．削点郑已 作完? .带Y切削过程完毕 图4三坐标Nc脸证界法 五、结论 通过模拟来验证Nc程序,只花费机械加工方法所需时间的5%左右。它可以明显地减少生产性支出、降低开发成本,使用户在很短时间内开发出高质量的数控程序。 利用真实感显示技术,能逼真地仿真切削过程,直观地指示出加工错误,完全可替代试切过程,对现实生产有着重要的意义。利用真实感显示进行三坐标NC验证的方法@韩向利$哈尔滨工业大学
@袁哲俊$哈尔滨工业大学
@王新龙$哈尔滨工业大学
@李建广$哈尔滨工业大学传统的数控(Nc)验证方法是利用Nc程序去试切泡沫或木件。为了节 省时间、提高效率,本文给出了一种新的计算机辅助Nc验证的方法,利用真实感显示技术,通过 高品质和图形,模拟出机械切削过程,通过加工仿真来检验数控程序的正确程序。文中分析了计算 机图形验证方法的基本思路,给同了一种进行切削过程模拟的快速算法,使Nc验证更加直观、可靠。<1>W. P. Wang and K. K. Wang,"Geometric Modeling for Sweept Volume of Moving Solids",IEEE CG&A,DEC. 1986
<2> Atherton,Peter R, "A Scan-line Hidden Surface Removel Procedure for Contractive Solid Geometry", Computer Graphics,Vol 17 No 3,July 1983． ACM,NYNY
<3> Huyues Hoppe, TonyDeRose, Tom Duchamp,"Surface Reconstruction from Unorganized Points",Computer Graphics,Vol26 No2． July1992
<4> Crocker, Gary A. "Invisibity Coherence for Faster Scan-Line Hidden Surface Algori
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