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數(shù)控編程及其發(fā)展
（作者未知） 2009/7/31
（接上頁）算機(jī)的發(fā)展。
數(shù)控加工仿真利用計算機(jī)來模擬實(shí)際的加工過程，是驗(yàn)證數(shù)控加工程序的可靠性和預(yù)測切削過程的有力工具，以減少工件的試切，提高生產(chǎn)效率。
3.2數(shù)控仿真技術(shù)的研究現(xiàn)狀
數(shù)控機(jī)床加工零件是靠數(shù)控指令程序控制完成的。為確保數(shù)控程序的正確性，防止加工過程中干涉和碰撞的發(fā)生，在實(shí)際生產(chǎn)中，常采用試切的方法進(jìn)行檢驗(yàn)。但這種方法費(fèi)工費(fèi)料，代價昂貴，使生產(chǎn)成本上升，增加了產(chǎn)品加工時間和生產(chǎn)周期。后來又采用軌跡顯示法，即以劃針或筆代替刀具，以著色板或紙代替工件來仿真刀具運(yùn)動軌跡的二維圖形（也可以顯示二維半的加工軌跡），有相當(dāng)大的局限性。對于工件的三維和多維加工，也有用易切削的材料代替工件（如，石蠟、木料、改性樹脂和塑料等）來檢驗(yàn)加工的切削軌跡。但是，試切要占用數(shù)控機(jī)床和加工現(xiàn)場。為此，人們一直在研究能逐步代替試切的計算機(jī)仿真方法，并在試切環(huán)境的模型化、仿真計算和圖形顯示等方面取得了重要的進(jìn)展，目前正向提高模型的精確度、仿真計算實(shí)時化和改善圖形顯示的真實(shí)感等方向發(fā)展。
從試切環(huán)境的模型特點(diǎn)來看，目前NC切削過程仿真分幾何仿真和力學(xué)仿真兩個方面。幾何仿真不考慮切削參數(shù)、切削力及其它物理因素的影響，只仿真刀具-工件幾何體的運(yùn)動，以驗(yàn)證NC程序的正確性。它可以減少或消除因程序錯誤而導(dǎo)致的機(jī)床損傷、夾具破壞或刀具折斷、零件報廢等問題；同時可以減少從產(chǎn)品設(shè)計到制造的時間，降低生產(chǎn)成本。切削過程的力學(xué)仿真屬于物理仿真范疇，它通過仿真切削過程的動態(tài)力學(xué)特性來預(yù)測刀具破損、刀具振動、控制切削參數(shù)，從而達(dá)到優(yōu)化切削過程的目的。
幾何仿真技術(shù)的發(fā)展是隨著幾何建模技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的，包括定性圖形顯示和定量干涉驗(yàn)證兩方面。目前常用的方法有直接實(shí)體造型法，基于圖像空間的方法和離散矢量求交法。
3.3直接實(shí)體造型法
這種方法是指工件體與刀具運(yùn)動所形成的包絡(luò)體進(jìn)行實(shí)體布爾差運(yùn)算，工件體的三維模型隨著切削過程被不斷更新。
Sungurtekin和Velcker開發(fā)了一個銑床的模擬系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用CSG法來記錄毛坯的三維模型，利用一些基本圖元如長方體、圓柱體、圓錐體等，和集合運(yùn)算，特別是并運(yùn)算，將毛坯和一系列刀具掃描過的區(qū)域記錄下來，然后應(yīng)用集合差運(yùn)算從毛坯中順序除去掃描過的區(qū)域。所謂被掃過的區(qū)域是指切削刀具沿某一軌跡運(yùn)動時所走過的區(qū)域。在掃描了每段NC代碼后顯示變化了的毛坯形狀。
Kawashima等的接合樹法將毛坯和切削區(qū)域用接合樹（graftree）表示，即除了空和滿兩種結(jié)點(diǎn)，邊界結(jié)點(diǎn)也作為八*樹（oct-tree）的葉結(jié)點(diǎn)，接合樹的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖2。邊界結(jié)點(diǎn)包含半空間，結(jié)點(diǎn)物體利用在這些半空間上的CSG操作來表示。接合樹細(xì)分的層次由邊界結(jié)點(diǎn)允許的半空間個數(shù)決定。逐步的切削仿真利用毛坯和切削區(qū)域的差運(yùn)算來實(shí)現(xiàn)。毛坯的顯示采用了深度緩沖區(qū)算法，將毛坯劃分為多邊形實(shí)現(xiàn)毛坯的可視化。
用基于實(shí)體造型的方法實(shí)現(xiàn)連續(xù)更新的毛坯的實(shí)時可視化，耗時太長，于是一些基于觀察的方法被提出來。
3.4基于圖像空間的方法
這種方法用圖像空間的消隱算法來實(shí)現(xiàn)實(shí)體布爾運(yùn)算。Van Hook采用圖象空間離散法實(shí)現(xiàn)了加工過程的動態(tài)圖形仿真。他使用類似圖形消隱的z_buffer思想，沿視線方向?qū)⒚骱偷毒唠x散，在每個屏幕象素上毛坯和刀具表示為沿z軸的一個長方體，稱為Dexel結(jié)構(gòu)。刀具切削毛坯的過程簡化為沿視線方向上的一維布爾運(yùn)算，見圖3，切削過程就變成兩者Dexel結(jié)構(gòu)的比較：
CASE 1：只有毛坯，顯示毛坯，break；
CASE 2：毛坯完全在刀具之后，顯示刀具，break；
CASE 3：刀具切削毛坯前部，更新毛坯的dexel結(jié)構(gòu)，顯示刀具，break；
CASE 4：刀具切削毛坯內(nèi)部，刪除毛坯的dexel結(jié)構(gòu)，顯示刀具，break；
CASE 5：刀具切削毛坯內(nèi)部，創(chuàng)建新的毛坯dexel結(jié)構(gòu)，顯示毛坯，break；
CASE 6：刀具切削毛坯后部，更新毛坯的dexel結(jié)構(gòu)，顯示毛坯，break；
CASE 7：刀具完全在毛坯之后，顯示毛坯，break；
CASE 8：只有刀具，顯示刀具，break。
這種方法將實(shí)體布爾運(yùn)算和圖形顯示過程合為一體，使仿真圖形顯示有很好的實(shí)時性。
Hsu和Yang提出了一種有效的三軸銑削的實(shí)時仿真方法。他們使用z_map作為基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，記錄一個二維網(wǎng)格的每個方塊處的毛坯高度，即z向值。這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)只適用于刀軸z向的三軸銑削仿真。對每個銑削操作通過改變刀具運(yùn)（未完，下一頁）
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