分析虛擬加工和其關(guān)鍵技術(shù)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(二)
2.1 幾何建模技術(shù)虛擬加工要在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)加工過程, 那么必然需要對(duì)相關(guān)的機(jī)械設(shè)備進(jìn)行幾何建模, 包括零件的幾何建模和加工設(shè)備的幾何建模。在單個(gè)零件的幾何建模方面, 一般以 CSG 和 B-Rep, 或兩者的混合表示為基礎(chǔ)。建模方法中有簡(jiǎn)潔易行的平掃法、回轉(zhuǎn)法, 還有特征造型和參數(shù)化造型方法, 在這方面, 現(xiàn)在已有許多的商用 CAD/CAM軟件, 如UG, Pro/Engineer 等, 還有不少開源的 CAD內(nèi)核代碼,如 Open Cascade 等。它們往往都有一套成熟的零件幾何建模方法, 可供參考。在機(jī)械設(shè)備建模方面, 由于機(jī)械設(shè)備往往是較為復(fù)雜的裝配體, 故需要采用合適的模型來表示其裝配關(guān)系。一般采用兩種方法來表示裝配體中組成元件之間的相互關(guān)系。一種是直接存儲(chǔ)元件之間的相互位置信息, 一般采用關(guān)聯(lián)矩陣(Relationship Matrix), 另一種方法是只存儲(chǔ)組件之間的配合、連接等裝配信息。相比之下, 第 1 種方法所需存儲(chǔ)的信息較多, 而且會(huì)產(chǎn)生浮點(diǎn)數(shù)累計(jì)誤差, 但通用性較好, 可以表示任何的裝配關(guān)系; 第 2 種方法要存儲(chǔ)的信息較少, 而且較為精確, 但是只能表示已知的裝配關(guān)系, 限制較大。從目前的研究和應(yīng)用情況來看, 兩種方法之中, 第 1 種方法更為普及, 例如在研究方面, Yu 等人采用關(guān)聯(lián)矩陣的方法來表示裝配關(guān)系[2], 在實(shí)際應(yīng)用方面, Pro/Engineer 等著名商用軟件業(yè)也采用這種方法。對(duì)精工機(jī)床的幾何表示目前還沒有一個(gè)公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)模型, 精工機(jī)床有它自己的結(jié)構(gòu)特點(diǎn), 它的幾何模型既要適應(yīng)加工過程中的快速顯示, 又要便于描述它的運(yùn)動(dòng), 建立其運(yùn)動(dòng)模型, 而且還應(yīng)包含對(duì)幾何誤差建立的模型。在這一方面, 國(guó)內(nèi)外學(xué)者也有相關(guān)的研究成果, 如 Lin 等[3]在如何將誤差模型集成到加工仿真過程方面進(jìn)行了研究, 上海交通大學(xué)的劉國(guó)良等[4]提出了一種針對(duì)三軸加工中心的精工機(jī)床幾何誤差的綜合模型, 等等。2.2 精工代碼翻譯精工代碼是指在精工加工程序中用來描述工藝過程的各種操作和運(yùn)動(dòng)特征的各種準(zhǔn)備功能的 G指令和輔助功能的 M指令及其他一些指令。為了能在計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)虛擬精工機(jī)床的加工過程, 需要對(duì) NC代碼進(jìn)行正確的翻譯, 因此 NC代碼翻譯器成為虛擬加工系統(tǒng)中必不可少的核心模塊。NC代碼翻譯器用于指揮虛擬機(jī)床的動(dòng)作和狀態(tài), 機(jī)床的一切動(dòng)作和狀態(tài)都要受 NC代碼翻譯器的控制。20 世紀(jì) 70 年代以來, 隨著精工圖形編程和實(shí)體顯示技術(shù)的迅速發(fā)展, 對(duì) NC代碼翻譯器的需求也日益強(qiáng)烈。 因此 NC代碼翻譯成為了虛擬加工系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)時(shí)首要考慮的關(guān)鍵技術(shù)。一個(gè)完整的 NC代碼翻譯器需要完成兩個(gè)基本功能: NC代碼的檢錯(cuò)和翻譯[5]。檢錯(cuò), 即按照該精工系統(tǒng)的編程規(guī)定和有關(guān)精工加工的常識(shí), 對(duì) NC代碼進(jìn)行詞法分析、 語(yǔ)法分析、 語(yǔ)意分析, 從而檢查出該 NC 代碼的詞法錯(cuò)誤、 語(yǔ)法錯(cuò)誤、 邏輯錯(cuò)誤(其中包括數(shù)據(jù)不合理、加工狀態(tài)不合理等)。經(jīng)過檢錯(cuò)階段, 若 NC代碼未被查出錯(cuò)誤, 則進(jìn)入翻譯階段。翻譯指的是從 NC代碼中提取控制機(jī)床部件運(yùn)動(dòng)的有關(guān)命令動(dòng)作和狀態(tài)信息, 將運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù)按照位移和速度的變化劃分成一系列時(shí)間片段, 計(jì)算出各時(shí)間段機(jī)床坐標(biāo)的位移, 從而驅(qū)動(dòng)機(jī)床模型的運(yùn)動(dòng), 實(shí)現(xiàn) NC代碼驅(qū)動(dòng)的加工過程仿真。NC代碼翻譯包括 5 個(gè)方面的基本功能, 即機(jī)床初始化和預(yù)處理、 詞法分析、 語(yǔ)法分析、 語(yǔ)意分析、 翻譯執(zhí)行。其功能結(jié)構(gòu)如圖 1 所示[5]。1) 機(jī)床初始化和預(yù)處理: 機(jī)床初始化包括讀入 NC代碼、 打開機(jī)床輸出文件以及設(shè)置機(jī)床的必要參數(shù), 預(yù)處理則是要?jiǎng)h除 NC代碼中不必要的字符如空格、 注釋語(yǔ)句、 空語(yǔ)句等, 同時(shí), 也進(jìn)行一些錯(cuò)誤檢查, 如注釋符號(hào)匹配等。2) 詞法分析: 識(shí)別出各程序段中各基本詞法的單位—— —字, 同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的合法檢查。3) 語(yǔ)法分析: 按 NC代碼的語(yǔ)法規(guī)則進(jìn)行語(yǔ)法檢查; 語(yǔ)法規(guī)則是在規(guī)則庫(kù)中的, 當(dāng)某程序段需要進(jìn)行語(yǔ)法分析時(shí), 翻譯子系統(tǒng)會(huì)查詢規(guī)則庫(kù)中與該段中的 G代碼、 M代碼相聯(lián)系的語(yǔ)法規(guī)則, 判斷該段中的各代碼、 各地址是否符合該語(yǔ)法規(guī)則, 從而完成語(yǔ)法分析。4) 語(yǔ)義分析: 按 NC 代碼的語(yǔ)義規(guī)則進(jìn)行語(yǔ)義檢查, 同時(shí), 翻譯器要進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)處理, 以便能使語(yǔ)義數(shù)據(jù)規(guī)則的檢查得以進(jìn)行。5) 翻譯執(zhí)行: 在前 4 步檢查無(wú)錯(cuò)的情況下, 執(zhí)行所翻譯的 NC代碼, 將機(jī)床動(dòng)作與狀態(tài)信息輸出給動(dòng)畫仿真部分, 用來驅(qū)動(dòng)機(jī)床模型進(jìn)行動(dòng)畫仿真。結(jié)合上述 5 個(gè)基本功能和合適的錯(cuò)誤信息管理,就能構(gòu)建一個(gè)良好的針對(duì)特定精工系統(tǒng)的專用 NC 代碼翻譯器, 我國(guó)已有幾家院校如華中理工大學(xué)、 上海交通大學(xué)、 哈爾濱工業(yè)大學(xué)等實(shí)現(xiàn)了某些精工系統(tǒng)的 NC代碼翻譯器, 應(yīng)用情況良好。但是由于目前精工系統(tǒng)種類很多, 各種精工代碼之間差別很大, 因此專用的翻譯器適用面太窄。要解決這一問題, 可以考慮基于模版的翻譯方法, 即由于各精工系統(tǒng)所完成的各個(gè)功能基本相同, 可以按功能實(shí)現(xiàn)翻譯器, 并對(duì)各功能建立對(duì)應(yīng)的函數(shù)庫(kù), 里面存放不同精工系統(tǒng)中該功能的實(shí)現(xiàn)函數(shù),這樣實(shí)現(xiàn)的翻譯器就可以動(dòng)態(tài)地適用于多個(gè)精工系統(tǒng), 是一種通用 NC代碼翻譯器。