多轴数控铣床仿真系统的研究
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计算机加工仿真其实质是用三维动画的形式来表现数控加工过程中机床部件的运动，以及刀具对工件的切削或者模具对工件进行形变的过程。切削的本质是对刀具和工件的实体模型进行不断的布尔运算计算。随着国家经济的发展和产业技术的进步，产品的消费大大加快，客户的需求使得市场上新产品上式的步伐加快。产品周期从过去十年甚至数十年上市时间，减少到二至三年，甚至更少。同时，个性化的客户需求，使产品的由大规模生产逐渐的趋势变成消费者个性化、多元化的产品生产模式。数控加工制造业可以大大提高生产力，提高加工质量，缩短生产周期，提高生产灵活性，适用于实现复杂精密零件加工的自动化，且易于实现在工厂或车间的计算机化管理，减少车间设备总数达到节省人力、改善工作条件、加快产品开发和技术升级的目的，从根本上提高企业的能力，以适应市场的变化和提升企业的综合经济效益。
近年来，国家大力扶持汽车工业、航空工业和船舶制造业的发展，三维曲面零件的应用越来越广泛。飞机构建、发动机涡轮等零件的加工，通常要用到多轴数控机床进行加工。特别是螺旋桨是舰船推进系统中最为关键的一种零件，其制造精度及表面质量将直接影响到推进系统的出力、效率、运行稳定性、机组寿命和制造成本，研制高性能的舰船螺旋桨对舰船的发展起着重要作用。五轴数控加工技术作为一种先进的加工方法，在复杂曲面（如螺旋桨叶面）加工中在国外已得到广泛的应用，它能大大提高加工的效率和曲面的加工质量。多轴数控技术的研究对国家整体科技力量和综合国力的提高具有重要意义。
多轴加工，特别是五轴多联动加工技术相对于三轴加工具有以下一些优点：更好的柔性、更快的材料移除速率、更高的表面加工质量、更低的手工精加工处理。由于在给定的精度下，五轴加工可以有更大的加工量和较短的总刀具路径长度，可以比三轴加工提高10%-20%的生产效率。但在提高柔性的同时，由于多了两个旋转自由度，给刀具路径生成、图形仿真增加了难度和复杂性。
数控加工是数控机床在数控代码（NC）的控制下完成零件的加工过程，它是CAD/CAM技术作用最直接和最明显的环节。对于需要特别形状的工件，或者更高的加工精度，数控加工的优越性就越容易得到发挥。在CAD/CAM过程中，特别是多轴数控，在数控机床加工中，零件程序的正确与否直接决定了加工的质量和效率，而且不正确的加工程序将导致生产事故。NC代码在加工过程中是否因为不合理而产生过切，刀具的走刀路线、进退刀方式是否合理，刀具与非加工面是否干涉等都很难预料，往往需要花费大量的财力物力进行修正。由于零件形状的多变，且在刀具轨迹生成过程中一般不考虑具体机床结构和工件装夹方式，因此，生成的零件的NC程序也并不一定能够适合实际加工情况。因此零件加工NC程序在投入实际加工之前，通常必须进行试切这一环节，来检验NC程序的正确性和零件设计与加工过程中的缺陷。
为了解决复杂零件加工的矛盾，加工出高品质的零件，传统的方法是在加工前采用试切的办法进行。但这种方法生产成本较高，且降低了生产效率。如果需要更为苛刻的条件，对试切的材料的选择会提出更高的要求，增加了成本。另一种方案则使用了数控仿真方法，它是利用计算机来模拟和验证数控加工的实际过程和结果，从而达到验证数控代码正确性的目的。由于仅仅使用计算机进行模拟，没有材料的损耗，所以可以节约成本，降低生产成本，提高生产效率。但由于计算机模拟加工目前还没有考虑切削变形等因素，所以模拟加工不能完全表现试切的真实情况，还需要再机床上进行试切。但总体成本降低，节约了时间。
目前广泛使用的多轴数控铣床属于材料的切削，还有针对特殊行业应用的多轴数控设备，例如应用于航空、船舶等的针对管料进行进行形变的多轴数控弯管机。后者通用仿真软件应用较少，需要针对其行业特点进行单独开发。从数控的系统来看，仿真系统可分为几何仿真和力学仿真系统。几何仿真系统分析刀具和工件模型的运动几何关系，仅考虑物体的变形或者材料的切除，将刀具和机床视为刚性体，用图形的方式来表达及验证数控代码的正确性。这种仿真能够应用于绝大多数场景，能够检测到大多数数控代码的缺陷，防止机床刀具的损坏，虽不能完全避免试切，但可以在很大程度上减少加工之前的时间及物力消耗，减少投产时间，降低成本。
图形仿真平台最为关键的功能包括机床及环境的显示、加工刀具的显示、加工工件的显示。这些部件之间存在相互的关联，必须要建立相关的数学模型进行位置、速度、加速度的计算。为了能够驱动仿真平台的几何图形，数控平台还将导入相关的驱动指令，包括平移、旋转、换刀等。得到驱动指令后，经过离线插值转换，生成相关部件的移动指令、刀具的路径以及刀具姿态。通过刀具和工件之间的相互关系，得到工件的切削、变形的形状，最终通过显示接口反映到几何图形进行显示。为了完善用户体验，还需要建立一套适合的用户操作界面，便于用户进行指令的载入、进行加工验证、修改指令、输出仿真结果等。
计算机加工仿真其实质是用三维动画的形式来表现数控加工过程中机床的部件的运动，以及刀具对工件的切削或者模具对工件进行形变的过程。其间可以加入各种分析算法，以便确定切削的质量以及形变的大小。切削的本质是对刀具和工件的实体模型进行不断的布尔运算计算。其几何基础是对切削过程的几何表达。其图形基础构架于几何表达之上，应用先进的计算机图形动画的形式来充分表现切削过程。其中几何算法和图形算法的性能则决定了图形仿真系统的整体性能。所谓平台是指应用于某个行业的特殊应用、架构的一个集合。通常一个平台作为行业的基础，能够提供该行业所需要的大部分功能，并能够让开发人员较为容易地在平台上进行开发，实现定制的功能。作为应用于图形仿真的平台，需要提供图形显示所需要的基本功能，并且提供易用的接口，使开发人员能够利用系统平台的接口定制行业需要的功能。