0 引言

试切的过程也就是对 CAD/CAM系统生成的 NC程序的检验过程。传统的试切是采用塑模、 蜡模或木模在专用设备上进行的, 需要技术人员在整个过程中进行监控。而且试切过程本身具有危险, 如刀具和夹具或工作台之间发生的碰撞、进给不合理导致的刀具破坏等。因此这种做法不但浪费人力物力, 而且延缓生产周期, 增加产品开发成本、 降低生产效率, 极大地影响制造系统的性能。

另一方面, 由于计算机性能的不断改善以及计算机图形学技术的迅猛发展, 计算机仿真技术在制造系统中得到了广泛的应用。如果采用计算机上的仿真加工来替代或减少实际的试切工作, 就可以大大缩短产品的生产周期, 降低其制造成本, 增加整个产品的市场竞争力。在这样的背景之下, 虚拟加工应运而生。

1 虚拟加工概述

结合目前国内外的研究, 本文对虚拟加工作如下定义。

虚拟加工是实际加工过程在计算机上的本质实现[1], 即采用计算机仿真技术, 对加工中心进行建模, 由此在计算机上实现如车、 镗、 铣、 钻等实际产品加工的本质过程, 为虚拟制造建立一个真实的可视化的加工环境。

由此可见, 虚拟加工虽然不是实际的加工, 但却能实现实际加工的本质过程, 并且可以全面逼真地反映现实的加工环境。在计算机仿真技术的支持下, 虚拟加工可以实现实际加工过程在虚拟环境中的映射,同时无需消耗额外的实际资源。因此可以通过在计算机上实现虚拟加工环境, 用以仿真和评测各加工过程对产品性能和质量的影响, 以消除设计中的不合理成分, 增强对产品加工的预测能力和决策水平, 提高加工质量和加工效率, 最终提高产品的加工和制造水平。

从开发实现的角度来说, 虚拟加工系统的实现主要集中在加工过程仿真。加工过程仿真的研究一直是CAD/CAM技术的一个研究热点。根据在 CAD/CAM中的不同阶段, 加工过程仿真系统可以分为 3 种: 编程过程中的图形检验、 刀位驱动的切削过程图形仿真和 NC驱动的加工过程仿真。在这 3 个方面国外都有相应的软件系统, 如 IDEAS- GNC中采用了第 1 种图形仿真检验方法, 利用动态显示刀具来对整个走刀轨迹进行总体检查, 为了方便判断, 可灵活选择所要显示的型面图、 观察视点, 利用窗口放大局部细节等。Cimplex采用第 2 种仿真方法, 采用了加工件的逐步成型技术, 技术细节还不可知; Commａnd 软件采用了第 3 种方法, 利用形体定义法可检验运动中的干涉问题。

由于目前的实际加工制造过程中大多采用数控系统进行控制, 而控制的输入则是 NC 代码, 因此在上述3 种方法中, 适用范围比较广泛的是第 3 种, 即 NC 驱动的加工过程仿真。实际的虚拟加工软件系统则往往是以 NC驱动的加工过程仿真系统, 即采用三维实体仿真技术, 以 NC代码为驱动, 数控指令翻译器对输入的NC 代码进行语法检查、 翻译; 根据指令生成相应的刀具扫描体, 在指令的驱动下, 刀具扫描体与被加工零件的几何体进行求交运算、 碰撞干涉检查、 材料切除等,并生成指令执行后的中间结果。所有这些虚拟加工过程均可以在计算机屏幕上通过三维动画显示出来。指令不断执行, 每一条指令的执行结果均可保存, 以便查验, 直到所有指令执行完毕, 虚拟加工任务结束。

2 虚拟加工关键技术

结合前文对虚拟加工内涵的分析, 笔者认为虚拟加工的几个主要关键技术是几何建模技术、数控代码翻译、 碰撞干涉检验以及材料切除过程仿真技术。