数控加工仿真技术的研究现状与展望
摘要：数控加工仿真技术是在计算机环境下模拟实际的数控加工过程，该技术一般是依靠仿真软件的支持，采用三维实体仿真技术实现，为数控代码的检验、刀路轨迹的验证、干涉碰撞的检测等提供有效依据。本文论述了在数控加工仿真中所应用的数控代码译码、三维建模、动画过程仿真及干涉碰撞检测几个关键技术，并介绍了数控加工仿真技术的研究现状，最后对数控加工仿真技术的发展趋势进行了展望。
Abstract： NC machining simulation technology is to simulate the actual NC machining process by the computer technology， generally based on the support of simulation software， and it uses three-dimensional solid simulation technology， provides the basis for the NC code verification， tool path trajectory verification， and collision and interference detection. This paper discusses several key technologies in NC machining simulation， including NC code decoding， 3D modeling， and animation process simulation and collision and interference detection. Then the paper introduces the current research status of NC machining simulation technology. Finally， the development trend of NC machining simulation technology is prospected.
关键词：数控加工仿真;三维建模;动画仿真
Key words： NC machining simulation;3D modeling;animation simulation
中图分类号：TG659 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）13-0143-03
0 引言
数控技术已发展成为工业现代化的基础和重要组成部分[1]。为确保数控加工过程的正确性，数控程序在编制后，需要进行正确性检验。以避免在加工过程中因程序出错造成过切、欠切、碰撞或干涉等问题。如果在机床实际加工之前通过计算机仿真技术对数控加工过程进行模拟，不仅能够快速、安全、有效地评估数控程序的正确性，而且还可以验证工艺加工路线是否合理，避免在实际加工过程中出现因工艺或程序问题导致的各种异常现象，从而可以显著缩短零件的制造和辅助加工时间，提高生产效率，增强加工过程的安全性。
1 数控加工仿真实现过程
数控加工仿真的本质是在计算机环境下模拟实际的数控机床运动。在技术上主要分为几何仿真和物理仿真。只研究刀具与工件几何体的运动，以验证NC程序的正确性的是几何仿真。而物理仿真是在几何仿真的基础上，重点对切削过程中切削力、切削热、切屑形状、零件加工变形和刀具磨损等的进行仿真模拟。
目前数控加工仿真技术主要是以几何仿真为主，几何仿真是以数控代码作为驱动源，利用三维建模技术和过程仿真技术，首先生成刀具移动的轨迹数据，然后利用轨迹形状与被加工的几何体进行一系列求交运算;再生成坐标数据和加工后零件形状参数等中间结果;最后通过三维建模和动画技术将过程结果依次显示在计算机屏幕上。这一过程如图1所示。
根据图1中对数控仿真流程的分析，可知要实现对现实加工过程的模拟，涉及到的技术有数控代码处理技术、三维图形建模技术、动画仿真技术和碰撞干涉检测技术[2]，目前以上技术都已被公认为是实现数控加工仿真的关键技术。各技术在数控加工仿真过程中关系如图2所示。
1.1 数控代码处理技术
计算机无法直接识别数控代码，首先需要利用编译器对数控源程序进行转换，转化为计算机可以执行的中间结果，作为加工仿真的驱动源，因此数控系统中的数控代码编译模塊是系统的重要模块[3]。
数控代码编译器执行过程主要分为三步：数控代码检错、数控代码翻译和刀心轨迹计算，如图3所示。检错是指对数控代码的词法、语法和语义进行分析。翻译是从数控代码中提取出控制机床运动的有关命令和状态信息，得到刀心轨迹位移数据，存储在相应的数据结构中，最后这些数据在动画技术的支持下驱动机床模型运动。具体实现流程如图3所示。
1.2 三维建模技术
在数控加工仿真技术中，几何模型的建立是实现数控加工过程仿真的前提条件，采用的建模方法不同，得到的仿真结果也各有不同，因此研究者试图在寻找正确、简单的建模方法，从而达到简化计算、加快仿真速度、提高仿真精度的目的[4]。
数控加工仿真三维模型的建立主要分为两大类。第一类是建立加工环境模型，比如机床床身、刀具和夹具等，这类模型的主要特点是模型是不随着仿真过程发生改变，对于数据结构的要求较低，通常在加工仿真系统中对这类模型采用直接实体造型或借助三维建模软件生成，如图4所示。第二类是加工形体模型，这种模型的特点是在加工过程中随着刀具的运动，形状是不断变化的。研究者对第二类模型的建模方法进行了大量研究，目前在常用的建模方法有体素法、边界法、直接实体造型法、三角面片离散法等。实体素法和边界法计算简单，但是不适合复杂零件模型建立，直接实体造型后布尔运算量大，建模速度慢，三角面片离散法适用范围广，可以很好地提高仿真精度，但存在模型数据点多的问题，如图5所示。
1.3 动画仿真技术
动画仿真过程的实现是数控加工仿真的核心技术之一，其仿真效果直接影响最终仿真结果的好坏。在动画仿真过程研究中主要从刀具运动轨迹和材料去除过程两方面进行仿真研究。
加工过程动画仿真的关键是动画实现技术。计算机实现动画的方式很多，目前在仿真系统中大多采用帧动画和双缓存技术作为加工过程的动态仿真技术，首先将刀具位置和工件显示模型的每帧画面显示在后缓冲区，再由后缓存区传递存入前缓存区，前缓存区画面作为电脑屏幕上的显示画面，编程实现依次将画面从后缓冲区拷贝到前缓存区，从而就可以实现动画序列播放。
1.4 碰撞干涉检测技术
碰撞干涉检测技术也是数控加工仿真实现的重要内容[5]。在数控加工仿真中应用的主要是三维空间碰撞干涉检测技术，在三维空间下，动态碰撞检测主要采用基于图象空间的碰撞检测和基于物体空间的碰撞检测两种算法，前者首先是通过对三维模型在二维平面进行投影，同时在深度上利用深度缓存进行计算，从而判断碰撞是否发生;后者主要是利用三维模型几何特征进行求交计算，根据求交结果判断是否发生碰撞干涉。
2 数控加工仿真技术的发展现状
到目前为止，国内外对数控加工仿真的研究主要以几何仿真为主，并且正逐渐由几何仿真向物理仿真方向过渡，在几何仿真研究方面相对成熟，而物理仿真正处于发展的初始阶段，下面分别对国内外的具体研究状况进行介绍。
2.1 数控加工几何仿真
国外学者在几何仿真研究上开始比较早，最初仿真算法采用整体布尔减，此方法计算难度大，且无法精确确定刀具扫描体。在1990年由Jerard和Chappel等人在数控仿真研究中逐步提出了曲面离散法建模算法。之后Oliver和Goodman进一步优化了离散法。另外Hsu和Yang在此基础上采用了一种基于Z-Map数据结构的离散模型建立和等角投影显示的方法，在图形显示速度方面得到很大提高[7]。
近年来国内学者对数控加工仿真技术的研究也越来越多，尤其在许多高校和研究所都在该技术研究上有所成就。清华大学开发了通用加工过程仿真器（GMPS），采用八叉树单球组合模型，实现了碰撞干涉的快速检测。西北工业大学研究了利用不同颜色来显示区分离散面片，实现图形的消隐效果，但与真实效果间还存在较大差距。东北大学研究了一种基于光线跟踪的数车加工仿真系统，系统功能不全，还有待进一步完善。南京航空航天大学采用了基于精确扫描体构造的验证仿真算法，基于ACIS平台，开发了SupermanCAD/CAM2000车/铣仿真模块[8]。
2.2 数控加工物理仿真
物理仿真的研究是在几何仿真的基础上进行的，是对数控仿真模拟准确性的进一步研究。在物理仿真过程当中，还要考虑加工过程中的切削力、切削热、切屑参数、零件变形和刀具磨损状态等物理因素，因此仿真过程也更复杂。由于目前机床加工机理还在不断的研究中，且各种物理因素相互影响，因此建立准确的物理仿真数学模型就更加困难，仿真物理加工过程也更难[6]。目前，对物理仿真的研究大多还是选其中一个或几个方面进行，还无法实现对所有物理因素的仿真和分析。在物理仿真方面，国外研究比国内要先进很多，在国外已经形成几款可以简单实现物理仿真的专业软件，有 Third Wave AdvantEdge、Deform3D 等。
3 展望
虽然数控加工仿真技术在几何仿真和物理仿真方面都已取得一定成果，但是总体效果与实际加工还有很大差距，许多理论与实际问题还有待进一步解决，在今后，数控仿真技术主要会在以下几个方面有所发展：
①仿真过程真实化准确化发展。随着仿真技术的发展，将物理仿真技术涉及的切屑、切削力、切削热、零件加工变形预测、刀具磨损等因素集合到仿真系统中，实现几何仿真和物理仿真的完美结合，真正全面准确地揭示数控加工过程本质。
②仿真过程网络化发展。将互联网技术应用到数控加工仿真过程中，可以使数控仿真系统与其它计算机实现数据交换与共享，进一步实现CAD/CAM/CAPP/PDM/ERP等系统间的无缝对接，并且能够得到基于网络的各种远程数控服务的支持，实现远程在线编程、远程数控加工仿真及远程在线控制等。
③完善仿真结果的评价体系。对仿真后的结果进行尺寸精确测量、表面精度预测等结果进行检验，这也是目前预感亟需研究解决的问题。
④仿真過程的智能化发展。将仿真系统与并行处理、人工智能、机器人应用、云计算等技术相结合，开发具有高智能的数控仿真系统。
4 结束语
数控加工仿真技术已取得了一定的进展，该技术在减少加工缺陷、提高生产效率、指导实际加工过程方等面发挥了重要作用。随着数控加工精度和加工效率要求的提高，数控程序会越来越复杂，这就对数控加工仿真技术的发展进一步提出了更高的标准和要求，因此，数控仿真技术研究的重要性将日渐显著。
参考文献：
[1]张玮，郑力.数控加工仿真系统的研究现状与发展趋势.机械制造，2007，45（9）：7-8.
[2]赖坤.基于Z-Map仿真模型的铣削加工精度评价.哈尔滨工业大学，2013：25-26.
[3]张承瑞，单诚.数控代码解释器的设计与实现，山东大学学报，2006，20（6）：56-58.
[4]梁宏宝，钟诗胜，王知行.虚拟加工环境建造的关键技术研究.中国机械工程，2001（11）：60-63.
[5]李春雷.虚拟数控车削加工系统关键技术研究.苏州大学，2008：13-14.
[6]Hsu P L， Yang W T. Realtime 3D simulation of 3-axis milling using isometric projection[J]. Computer-Aided Design， 1993， 25（4）： 215-224.
[7]熊毅，王哲.数控加工仿真系统的研究现状与发展趋势，制造技术与机床，2011（12）：72-74
[8]赵继政，魏生民，杨彭基.数控加工的图形仿真与验证技术研究.西北工业大学学报，1998，16（4）：575-579.