CN102478785A - 一种五轴数控机床加工仿真的新方法 - Google Patents

Abstract

一种五轴数控机床加工仿真的新方法，用于对五轴数控机床加工过程进行仿真，它包括以下步骤：五轴数控机床建模步骤，即对五轴数控机床的加工过程进行仿真建模以及图形显示；虚拟机床运动及加工仿真步骤，即分别对五轴数控机床的运动以及加工进行仿真；数据采集与传输步骤，即通过数据传感器检测虚拟环境中数据量的变化，然后驱动虚拟机构的运动。本发明实现了三维实体内部的可视化；在加工过程仿真时，图形显示方面采用局部刷新技术，保证了仿真效果以及图形显示效率；多线程的工作方式能够提高应用程序的响应，本发明能够大大提高五轴数控机床加工仿真的精度。

Description

一种五轴数控机床加工仿真的新方法

技术领域

 本发明涉及一种加工仿真的方法，尤其涉及一种五轴数控机床加工仿真的新方法。

背景技术

制造业中，自由曲面通常都是通过五轴数控机床进行加工的。五轴机床是在通常使用的三轴机床的基础上增加了两个另外的旋转轴。这两个轴提供了更大的灵活性，使得先前不能加工的高质量复杂自由曲面的加工成为可能。从切削的效果讲，五轴加工有很多优点，一是切削效率高，二是加工后工件表面精度高，三是可以减少手工打磨量。然而由于增加了两个旋转轴，五轴数控加工时很容易发生干涉。干涉可能发生在运动的刀具(刀具和夹具)和机床之间，如工件和工具夹具。有时候甚至出现在刀具和机床本身之间。这严重影响了五轴数控机床的广泛应用。

虚拟制造技术的发展使得对数控加工过程进行计算机仿真成为可能。数控加工仿真就是在计算机上利用三维图形技术对数控加工过程进行模拟仿真，它已成为CAD／CAM技术的重要组成部分。数控仿真技术不需要原材料，校验过程具有敏捷性、直观性和柔性等特点。因此，数控加工仿真系统的研制与应用对于节约原材料、提高制造业的技术水平都具有重要的意义。同时，它亦是提高刀具轨迹验证效率的有效途径，具有十分可观的经济价值。如何能够提高五轴数控机床加工仿真的精度是本发明亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，而提供一种五轴数控机床加工仿真的新方法，它能够提高五轴数控机床加工仿真的精度。

实现上述目的的技术方案是：一种五轴数控机床加工仿真的新方法，用于对五轴数控机床加工过程进行仿真，其中，它包括以下步骤：

五轴数控机床建模步骤，即对五轴数控机床的加工过程进行仿真

建模以及图形显示；虚拟机床运动及加工仿真步骤，即分别对五轴数控机床的运动以及加工进行仿真，其中，该步骤包括：建立运动模型步骤，即建立虚拟五轴数控机床的运动模型，该运动模型的坐标根据世界坐标系、参考坐标系以及局部坐标系建立，其中：世界坐标系，决定整个虚拟五轴数控机床的空间位置；参考坐标系，定义了虚拟五轴数控机床的零部件在运动的时候的参考坐标系以将虚拟五轴数控机床的零部件的运动分解成参考坐标系下的直线运动和旋转运动：局部坐标系，固连于五轴数控机床的零部件上，反映零部件在参考坐标系下的位置和方向；建立机床关系步骤，包括建立五轴数控机床零部件的几何位置关系和运动关系，该几何位置关系和运动关系通过向量合成求得；加工过程仿真步骤，即对五轴数控系统的动态加工进行仿真，根据数控程序生成插补数据，并驱动五轴数控系统的主轴部件的转动、刀具和工件沿加工轨迹的平移以及刀具平移时经过控制点相应的动态物体所发生的形变；数据采集与传输步骤，即通过数据传感器检测虚拟环境中数据量的变化，然后驱动虚拟机构的运动。

上述的一种五轴数控机床加工仿真的新方法，其中，所述的五轴数控机床建模步骤包括：

首先，对所要仿真的五轴数控机床的零部件进行几何实体的面绘

制；

 其次，将多面体模型剖分为体元的集合；

 最后，进行体绘制以实现三维实体内部的可视化。

上述的一种五轴数控机床加工仿真的新方法，其中，所述的加

工过程仿真步骤中，在图形显示时采用局部刷新的方法以保证仿真的效果及图形显示效率，即确定模型几何信息改变的空间范围，仅对变化范围内的模型部分进行显示运算，显示过程中，只改变变化范围内的图形。

上述的一种五轴数控机床加工仿真的新方法，其中，所述的加

工仿真步骤中，在显示时，首先将虚拟仿真的场景复制到的一个缓存中，每次显示新画面前将虚拟仿真的场景复制回显示缓存以提高图形的显示效率。

上述的一种五轴数控机床加工仿真的新方法，其中，所述的数

据采集与传输步骤中，数据传输的工作方式采用多线程方式。

本发明的有益效果是：本发明在建模步骤中，把以边界表示的实体剖分成体元集合，然后再进行体绘制，实现了三维实体内部的可视化；在加工过程仿真时，图形显示方面采用局部刷新技术，保证了仿真效果以及图形显示效率；多线程的工作方式能够提高应用程序的响应。  

具体实施方式  

    下面将对本发明作进一步说明。

本发明的一种一种五轴数控机床加工仿真的新方法，用于对五

轴数控机床加工过程进行仿真，包括以下步骤：

五轴数控机床建模步骤，即对五轴数控机床的加工过程进行仿真

建模以及图形显示，它包括：首先，对所要仿真的五轴数控机床的零部件进行几何实体的面绘制；其次，将多面体模型剖分为体元的集合；最后，进行体绘制以实现三维实体内部的可视化；

虚拟机床运动及加工仿真步骤，即分别对五轴数控机床的运动以及加工进行仿真，其中，该步骤包括：

建立运动模型步骤，即建立虚拟五轴数控机床的运动模型，该运动模型的坐标根据世界坐标系、参考坐标系以及局部坐标系建立，其中：世界坐标系，决定整个虚拟五轴数控机床的空间位置，它在窗口中的姿态和位置的变化取决于视点和坐标原点的变化，分别由视点变换矩阵Vw和窗口投影变换矩阵Sw表示，任一点在世界坐标系下的坐标可以由矩阵变换得到：参考坐标系，定义了虚拟五轴数控机床的零部件在运动的时候的参考坐标系以将虚拟五轴数控机床的零部件的运动分解成参考坐标系下的直线运动和旋转运动；局部坐标系，固连于五轴数控机床的零部件上，反映零部件在参考坐标系下的位置和方向；建立机床关系步骤，包括建立五轴数控机床零部件的几何位置关系和运动关系，该几何位置关系和运动关系通过向量合成求得。数控机床零部件的运动包括直线运动、旋转运动，它具有层次性的相对运动关系，每一个运动对应一个机床零部件，执行零部件的运动是相对于机床基础零部件的各层运动合成的结果。因此，机床零部件的运动可以用由一系列运动副组成的构件的运动来描述，数控机床的运动模型是建立在几何模型的基础上的，同样具有几何模型的层次结构。其也是一种装配约束关系一一运动约束关系。运动模型层次结构也是分为整个机床装配、部件装配、零件装配这个结构。

五轴数控机床加工运动的零部件之间存在明显的主从关系。部件间的运动关系是典型的正向运动(forward kinematics)，即主部件的运动影响从部件的空间位置变化，而从部件的运动不会影响主部件的空间位置变化。在其运动模型装配层中，上层部件相对于下层部件为主部件，下层部件相对于上层部件为从部件，因此，加工过程某一时刻的运动状态是各层零部件运动合成的结果。

加工过程仿真步骤，即对五轴数控系统的动态加工进行仿真，根据数控程序生成插补数据，并驱动五轴数控系统的主轴部件的转动、刀具和工件沿加工轨迹的平移以及刀具平移时经过控制点相应的动态物体所发生的形变；数据采集与传输步骤，即通过数据传感器检测虚拟环境中数据量的变化，然后驱动虚拟机构的运动，本发明的数据传输的工作方式采用多任务、并发的多线程方式，能够提高应用程序响应。

本发明，在加工过程仿真步骤中，为了保证仿真的效果及图形显示效率，在图形显示时采用局部刷新的方法，即确定模型几何信息改变的空间范围，仅对变化范围内的模型部分进行显示运算，显示过程中，只改变变化范围内的图形；为了提高刷新速度，在显示时，首先将虚拟仿真的场景复制到的一个缓存中，每次显示新画面前将虚拟仿真的场景复制回显示缓存以提高图形的显示效率。

以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明保护范围的限制。有关本技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，而所有等同的技术方案也应归属于本发明保护的范畴之内，由各权利要求所限定。

Claims (2)

1.一种五轴数控机床加工仿真的新方法，用于对五轴数控机床加工过程进行仿真，其特征在于，它包括以下步骤：

1)五轴数控机床建模步骤，即对五轴数控机床的加工过程进行仿真建模以及图形显示；

2)虚拟机床运动及加工仿真步骤，即分别对五轴数控机床的运动以及加工进行仿真，其中，该步骤包括：建立运动模型步骤，即建立虚拟五轴数控机床的运动模型，该运动模型的坐标根据世界坐标系、参考坐标系以及局部坐标系建立，其中：世界坐标系，决定整个虚拟五轴数控机床的空间位置；所述的加工过程仿真步骤中，在图形显示时采用局部刷新的方法以保证仿真的效果及图形显示效率，即确定模型几何信息改变的空间范围，仅对变化范围内的模型部分进行显示运算，显示过程中，只改变变化范围内的图形，在显示时，首先将虚拟仿真的场景复制到的一个缓存中，每次显示新画面前将虚拟仿真的场景复制回显示缓存以提高图形的显示效率；

3)参考坐标系，定义了虚拟五轴数控机床的零部件在运动的时候的参考坐标系以将虚拟五轴数控机床的零部件的运动分解成参考坐标系下的直线运动和旋转运动；局部坐标系，固连于五轴数控机床的零部件上，反映零部件在参考坐标系下的位置和方向；

4)建立机床关系步骤，包括建立五轴数控机床零部件的几何位置关系和运动关系，该几何位置关系和运动关系通过向量合成求得；加工过程仿真步骤，即对五轴数控系统的动态加工进行仿真，根据数控程序生成插补数据，并驱动五轴数控系统的主轴部件的转动、刀具和工件沿加工轨迹的平移以及刀具平移时经过控制点相应的动态物体所发生的形变；

5)数据采集与传输步骤，即通过数据传感器检测虚拟环境中数据量的变化，然后驱动虚拟机构的运动，数据传输的工作方式采用多线程方式。

2.根据权利要求1所述的一种五轴数控机床加工仿真的新方法，其特征在于，所述的五轴数控机床建模步骤包括：

    首先，对所要仿真的五轴数控机床的零部件进行几何实体的面绘制；

    其次，将多面体模型剖分为体元的集合；

最后，进行体绘制以实现三维实体内部的可视化。