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(guò)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(kāi)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(lái)表示其裝配關(guān)系。一般采用兩種方法來(lái)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(lái)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(lái)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(méi)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(guò)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(guò)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(lái)描述工藝過(guò)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(guò)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(lái), 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(guò)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(guò)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(kāi)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(xún)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(huà)仿真部分, 用來(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)床模型進(jìn)行動(dòng)畫(huà)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(zhuān)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(lèi)很多, 各種精工代碼之間差別很大, 因此專(zhuān)用的翻譯器適用面太窄。要解決這一問(wèn)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。