立式高速自動繞線機設計,立式高速自動繞線機設計,立式,高速,自動,繞線機,設計 附錄一 材料加工技術雜志140（2003）211-216. 精密光學產(chǎn)品虛擬加工的數(shù)控工具 WB.Lee,D.Gao*,C.F.Cheung,J.G.Li 工業(yè)和系統(tǒng)工程系，香港理工大學，HungHom，香港，香港，中國公共關系 摘要 在本論文中，提出了超精密金剛石車削的虛擬加工系統(tǒng)（VMS），并討論了該系統(tǒng)中數(shù)控刀具軌跡編譯器的功能。區(qū)別于基于刀位數(shù)據(jù)文件的商業(yè)CAD/CAM軟件，本文所開發(fā)的虛擬加工系統(tǒng)是基于數(shù)控程序開發(fā)的。在該系統(tǒng)中，采用實際機床的數(shù)控程序來控制虛擬機床。數(shù)控刀具軌跡編譯器包括詞法和詞義分析，語法和語義解析，驅動代碼生成等幾部分。本文以制造衍射透鏡的模具襯墊作為研究實例，闡述了所開發(fā)的虛擬加工系統(tǒng)的性能。 關鍵詞：虛擬制造，數(shù)控刀具軌跡，金剛石車削，光學產(chǎn)品 引言 虛擬制造（VM）是一項新興技術，區(qū)別于對實物的真實操作，該技術包含了建模，模擬和人工智能等計算機制造活動[1]。最近幾年來，許多研究工作[2-9]一直致力于研究虛擬加工的框架，圖形界面和可視化算法。實際生產(chǎn)前的模擬可以提高生產(chǎn)效率。已做的研究工作為優(yōu)化生產(chǎn)活動，提高生產(chǎn)效率提供了工具。但很很好有人注意到數(shù)控刀具軌跡編譯有助于數(shù)控機床的數(shù)控代碼在執(zhí)行前被驗證。數(shù)控刀具軌跡編譯器是虛擬加工系統(tǒng)中最重要的功能模塊之一。本文中的虛擬加工系統(tǒng)應用于超精密金剛石車削光學產(chǎn)品，本文詳細討論了該系統(tǒng)中軌跡編譯器的設計。 2虛擬加工系統(tǒng)和虛擬加工系統(tǒng)的優(yōu)勢 超精密光學產(chǎn)品的傳統(tǒng)設計和制造方法[2]如圖1（a）所示。在圖1（a）中，設計、原型、評價的過程在本質上是個迭代累試的過程。這些步驟不僅昂貴，而且費時。在虛擬加工中，產(chǎn)品從設計到實際投入生產(chǎn)的過程中，設計和資源優(yōu)化的可行性可以先于任何制造資源、任何昂貴的廢料產(chǎn)生前被給予考慮（圖1（b））。 （a）超精密光學產(chǎn)品的傳統(tǒng)設計和制造方法 （b）超精密光學產(chǎn)品的虛擬加工設計和制造方法 圖1 精密光學產(chǎn)品的傳統(tǒng)方法與制造方法的比較 圖2所示為虛擬加工系統(tǒng)的功能模塊，該虛擬加工系統(tǒng)應用于金剛石精密切削光學產(chǎn)品。首先將光學產(chǎn)品的技術要求設計導入到光學產(chǎn)品的設計與最優(yōu)化功能模塊，使用如ZEMAX軟件包等的計算機輔助光學設計軟件設計光學產(chǎn)品的技術要求。然后數(shù)控程序生成功能模塊使用如刀具軌跡生成器（TPG）軟件包等的計算機輔助軟件生成該光學產(chǎn)品的數(shù)控程序。該數(shù)控程序在數(shù)控刀具軌跡編譯功能模塊被驗證。如果在數(shù)控程序中有任何詞法和語法錯誤，錯誤信息會反饋到數(shù)控程序生成功能模塊，從而修改該數(shù)控程序。這一過程將一直繼續(xù)到?jīng)]有錯誤存在。驅動虛擬單點金剛石切削（SPDT）的命令代碼也在此時產(chǎn)生。在虛擬的單點金剛石切削模塊中，執(zhí)行三維（3D）圖形仿真；評估切削用量，例如切削速度，主軸轉速和切削深度。像干涉和碰撞這些切削錯誤會在該模塊中被檢測到。如果有干涉或碰撞發(fā)生，那么將重新設置切削用量或者修改數(shù)控程序。在虛擬檢測功能模塊中，已加工的虛擬透鏡被給予評價。該評估結果反饋到光學產(chǎn)品設計和最優(yōu)化功能模塊，用于改善透鏡的設計，直到獲得滿意的透鏡。最后，合格透鏡的設計和制造信息被輸出到實際的生產(chǎn)過程。即迭代的設計、加工、評估過程完全由虛擬加工系統(tǒng)所完成，而沒有任何廢料產(chǎn)生。虛擬制造方法的主要過程示意圖如圖3所示。 圖2 虛擬加工系統(tǒng)的功能模塊 圖3 虛擬教工的主要過程示意圖 3虛擬加工系統(tǒng)中的數(shù)控刀具軌跡編譯模塊 數(shù)控程序的生成主要是通過兩個模塊：一個模塊是計算機輔助制造（CAM）模塊，CAM模塊根據(jù)所設計的零件、刀具路徑計算出刀具的運動軌跡；另一個模塊是機床控制器獨立刀具位置數(shù)據(jù)（CLDATA）文件的輸出結果，刀具位置數(shù)據(jù)文件在數(shù)控后處理模塊中產(chǎn)生，用于運行具體的數(shù)控程序的文件。這兩個步驟依舊涉及大量的人為干預和指導。在數(shù)控程序中始終有可能存在錯誤，如出現(xiàn)意外事故，詞匯錯誤，語法錯誤，加工參數(shù)錯誤，刀具和夾具之間的干涉等錯誤。盡管像Unigraphics和MASTERCAM等的商業(yè)CAD/CAM軟件可以執(zhí)行刀具軌跡模擬，但是他們往往是根據(jù)刀具位置數(shù)據(jù)文件。本文中所開發(fā)的虛擬制造系統(tǒng)是基于數(shù)控程序的系統(tǒng)。在虛擬加工系統(tǒng)中，真實機床的數(shù)控代碼控制機床三維圖形模型運動。數(shù)控加工刀具軌跡編譯器通常負責檢查數(shù)控程序和計算用來驅動虛擬機床的驅動命令代碼。刀具位置編譯（CLT）的實施是很簡單的，而且刀具位置數(shù)據(jù)文件直接提供了刀具位置。此外，這些刀具位置數(shù)據(jù)文件沒有語法和語義錯誤。然而因為數(shù)控刀具軌跡編譯器包括詞法和詞義分析，語法和語義解析，驅動代碼的產(chǎn)生等功能，所以數(shù)控刀具軌跡編譯的實施比刀具位置編譯要困難的多。 圖4所示為擬議的數(shù)控刀具軌跡編譯器的框架。它由三個主要部分組成。第一部分是預處理器，它是用來進行預處理工作的，如省去評論和空格有助于閱讀。但是預處理器不負責驅動機床運動。第二部分主要是由詞法分析儀和語法分析器組成，它們分別檢查數(shù)控程序中的詞匯和語法錯誤。每當需要新的口令時，語法解析將調(diào)用詞法分析儀，然后詞法分析儀將返回給語法分析器和該口令相關的詞位。數(shù)控刀具軌跡編譯的第二部分將逐句地檢查數(shù)控程序。在數(shù)控程序中，如果有任何詞匯或語法錯誤被發(fā)現(xiàn)，該數(shù)控系統(tǒng)不僅會報告錯誤的位置和類型，而且會給出一些糾正錯誤的建議。該數(shù)控編譯的第三部分是基于數(shù)控程序對切削軌跡進行插補。第三部分將輸出刀具位置信息的同時輸出機床狀態(tài)，例如機床的主軸轉速，刀具號，冷卻條件等。第三部分有助于驅動虛擬機床。 圖4 數(shù)控刀具翻譯的骨架 3.1.詞法分析儀和語法解析器（LASP） 設計詞法分析儀和語法解析器是為了檢查數(shù)控程序中的詞法和語法錯誤。詞法分析儀和語法解析器的工作流程說明如圖5。詞法分析儀首先從數(shù)控程序中讀取數(shù)控代碼（被命名為塊），然后按單刀金剛石切削G代碼的標準符號表逐句檢查NC代碼。如果有像字符錯誤、地址錯誤這樣的詞法錯誤被發(fā)現(xiàn)，計算機屏幕上將會顯示出錯誤以及錯誤所在的位置，同時將錯誤報告保存。接下來，將已分析過的數(shù)控塊輸入到語法解析器模塊，在語法解析器模塊中檢查NC程序的語法錯誤。如果發(fā)現(xiàn)有例如錯誤的主軸速度，錯誤的刀具號等語法錯誤，那么錯誤和錯誤的位置也會顯示和保存。詞法分析和語法解析的過程將一直重復分析其他的數(shù)控塊，直到分析完所有的數(shù)控程序中所有的數(shù)控塊。如果分析和解析的結果表明，程序中仍然存在某些錯誤，數(shù)控程序應當再次被糾正和編輯。直到在該數(shù)控程序沒有發(fā)現(xiàn)任何錯誤，如上所述的編輯過程才停止重復。最后，已校正的數(shù)控程序將進入下一部分，從而生成驅動代碼。 圖5 詞法分析儀和原發(fā)解析器的工作流程圖 3.2.虛擬單刀金剛石切削的代碼生成器 數(shù)控程序是一個用于控制數(shù)控機床工作的指令集。該程序包括一些塊，這些塊包含塊編號、預備功能、坐標值、進給功能，主軸功能、刀具功能、輔助功能等的信息。代碼生成器的作用是根據(jù)數(shù)控代碼找出相關信息用來驅動虛擬機床。G代碼通常被分成不同的組。不同組的G代碼可以被同一個塊多次調(diào)用。除非這些被分組的G代碼在同組中被代替，否則分組后的G代碼都是模塊化且一直有效的。其他的G代碼只有在指定的塊中有效，也并非模塊化的。在這個虛擬加工中，G代碼由下面的結構（classCGCommand）代表，如圖6所示。在數(shù)控程序中，classCGCommand結構方便了G命令的校正過程。 圖6 classCGCommand的結構 圖7所示是帶刀具半徑補償?shù)牡毒哕壽E插補說明圖。實線代表著工件的輪廓，虛線代表刀具軌跡。結果表明，在計算機的緩存中同時需要兩個塊的信息，用來計算點2附近的補償值（點2是工件的角點）。 圖7 帶刀具半徑補償?shù)牡毒哕壽E插補 圖8所示是生成虛擬單刀金剛石切削驅動代碼的過程。已模塊化的G代碼和一些像X、Z這樣的詞，通常在最開始被寫入，并且除非它們被改變，否則在以后的數(shù)控代碼中它們將被省略。為了能在計算機中執(zhí)行刀具軌跡的插補，應按照塊結構的格式填寫數(shù)控代碼。計算機同時讀入兩個塊，從而進行帶刀具半徑補償?shù)牡毒哕壽E插補。為了確定點2和點3的坐標，以及以何種方式對在點2附近進行刀具軌跡插補，需要預處理塊2和塊1。塊1是基于SPDT機床控制規(guī)范的刀具軌跡插補計算，詳細說明見圖9。所求插補結果用來驅動虛擬機床。 圖8 生成驅動代碼的過程 圖9 執(zhí)行塊1的過程 4實例研究 在本論文中，插入一個衍射透鏡模具襯墊的制造作為實例，用來說明VMS中數(shù)控刀具軌跡編譯模塊的性能。圖10是衍射透鏡模具襯墊的設計技術要求。根據(jù)此設計技術要求產(chǎn)生待加工模具的數(shù)控程序。加工模具襯墊之前，在所開發(fā)的虛擬SPDT系統(tǒng)中驗證數(shù)控程序和模擬襯墊的可加工性。圖11所示是數(shù)控程序的檢查結果。圖11（a）是在NC程序中有語法錯誤的情況。檢查結果不僅指出錯誤的位置和類型，而且建議出糾正方法。圖11（b）所示是沒有任何錯誤的數(shù)控程序的檢查結果。圖12（a）所示是被模擬的刀具軌跡，圖12（b）和圖12（c）所示是被加工模具襯墊的2維和3維模型。它們均表明數(shù)控刀具軌跡的編譯可以有效的履行其職能。 圖10模具襯墊的設計技術要求 圖11數(shù)控程序的檢查結果 5結論 本文闡述了一種概念性的超精密金剛石車削的虛擬加工系統(tǒng)，并詳細討論了虛擬加工系統(tǒng)中數(shù)控刀具軌跡編譯器模塊。數(shù)控刀具軌跡編譯器包括詞法和詞義分析，語法和語義分析，驅動代碼生成等部分。由于所開發(fā)的虛擬加工系統(tǒng)是由數(shù)控程序控制，所以可以在實際生產(chǎn)之前確保數(shù)控代碼的正確性。通過引用實例（衍射透鏡模具襯墊的制造）說明數(shù)控刀具軌跡編譯器的性能。模擬仿真結果表明，數(shù)控刀具軌跡編譯功能可以有效的發(fā)揮其職能。 （a）刀具軌跡 （b）加工衍射透鏡的模擬結果 （c）已加工模具沉淀的三維模型 圖12加工衍射透鏡的模擬結果 感謝 作者在此表示誠摯的感謝駐中國香港特別行政區(qū)的研究資助局對本項目的財政資助。 10 參考文獻 [1]M.Onosato，K.Iwata.通過集成產(chǎn)品模型和工廠模式對虛擬制造系統(tǒng)的開發(fā).機械工程研究所，42（1），（1993）475-478 [2]C.F.Cheung，W.B.Lee.金剛石精密的虛擬加工的檢查系統(tǒng)的框架.J.Mater.Process出版社.119（2001）27-40 [3]巖田光，米小野里，光寺本，第大崎.虛擬制造虛擬加工系統(tǒng)作為集成制造資源的先進信息基礎.機械工程研究所.46（1）（1997）335-338 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