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1、进口数控机床数控程序的检验范成林(滨州商检局)邓建春 喻道远 段正澄 (华中理工大学)一、 数控程序检验的必要性数控机床作为柔性生产自动化的重要装备和柔性生产的基础, 已被广泛地应用于机械制造各领域。 特别是近几年数控机床的进口量大大增加, 已成为我国重要且大宗的进口商品之一。按照规定, 商检部门要对其品质、 规格、 数量、 传动精度、 位置精度等指标和参数进行检验。 实际上,作为数控机床的软件- 数控程序在实际的加工过程中也要进行检验。 因为数控程序是数控机床的工作指令, 相应的刀具、 夹具、 工件、 换刀机械手和机床其他设备的运动都是按照数控程序来进行的, 如果数控程序发生错误, 就可能造
2、成工件报废、 刀具与夹具甚至机床的损坏, 造成无法挽回的损失。由于编制数控程序的繁琐性, 在编制时, 难免不出现差错, 使编制出的数控程序可能存在这样或那样的错误, 而且工件结构越复杂, 出错的可能性越大。 据统计, 数控编程错误主要有以下两类:第一类: 语法错误。每种数控系统都有自己的语法规则、 编程规定和书写格式。在编程过程中, 有时会因为不符合其编程规范而出现语法错误。第二类: 逻辑错误。逻辑错误是指那些只有在加过程中才能发现的错误, 它包括刀具与夹具、 工件之间的干涉碰撞、 坐标错误和加工信息错误等。要保证数控机床正确无误地运行, 在实际加工前就一定要对数控程序进行调试, 检查数控代码
3、的正确性。据统计, 数控加工程序在正式投入使用前, 平均要返工三至五次, 零件在机床上的实际加工时间和编程时间之比高达 16。所以尽管数控机床具有提高机床效率和加工精度等种种优点, 但由于加工程序的调试困难而使其利用率受到了很大的影响, 因此数控程序的检查调试成为如何经济有效地使用数控机床的一个现实问题。二、 数控程序的检验方法传统上, 数控程序的检验主要采用试切法和绘图法两种方法, 但前者花费时间长, 成本高, 而且在数控程序出现错误时, 同样有可能损坏机床设备和刀具。 而后者对于复杂零件的加工或部分加工的重复出现, 绘出的图形会变得模糊不清,因而限制了它的应用范围。本文采用仿真的方法, 通
4、过在计算机上动画模拟零件的数控加工过程来检验数控程序的正确性, 从而节约零件的在线调试时间, 提高设备的利用率, 减轻编程人员的劳动强度。仿真过程是这样的: 首先输入工件、 刀具、 夹具的图形信息, 然后对数控程序进行编译。如果数控程序有错, 则显示源程序进行修改, 确认无误后, 提取刀具轨迹放入仿真数据库。最后根据数控程序, 驱动工件、 刀具、 夹具进行移动。对于一般工件的加工, 如果在仿真过程中, 刀具与夹具或刀具与工件发生干涉碰撞或其他错误, 则报警并显示相应的数控程序段。 对于复杂曲面的加工, 则根据平行光的光照模型, 在屏幕上显示其浓淡图, 然后根据物体表面的光顺性和连续性从宏观上判
5、断数控程序是否有误。三、 数控程序检验的具体实现1. 编译器的设计编译器的功能主要有两个: 一是对数控程序进行分析; 二是生成仿真所需数据。数控程序的分析包括词法分析和语法检查两个方面, 数控程序分析完后生成中间代码库, 然后对其进行坐标341998 年现代商检科技第 8 卷 第 2 期 归一化处理, 生成仿真点数据库。 ( 1) 词法分析。词法分析的功能就是将数控程序转换成计算机都能识别的通用代码。 在进行词法分析前, 要先建立一个数控代码集, 它包含 一个数控系统所有的指令, 每一类数控代码用一个整型数来表示, 本文将这些整型数称之为类别编号。在进行分析时, 先从数控程序文件中读入一段数控
6、程序, 然后将其分解为代码和数字两部 分, 查数控代码表将数控代码转换成类别编号,然后和其后面的数字一起存入中间代码库。( 2) 语法检查。 每一种数控代码都有其相应 的规则, 不同的数控系统的规则也是不一样的。这些规则可分为两部分: 通用语法规则和特殊语法规则。前者是大多数数控系统所共有的, 而后者则与具体的系统有关。 对于通用语法规则的检 查, 本文采用了设置状态字分单元存放的方法,以 G 代码为例, 其规则之一为“ 同组的 G 代码不能在同一程序段内出现” 。检查时首先要建立一个数组 BGS 存放代码状态字, 数组长度为 G 代 码的类型总数。G 代码有 G00- G99 共计 100种
7、, 按照类型可分为 10 组。G 代码共有三种状态: 原始状态、 继承状态和激发状态。 原始状态指 的是此组 G 代码在本程序段内未出现过, 用 0表示; 继承状态指的是此组 G 代码不是在本程序段内出现的, 而是从前一程序段中继承下来的, 用 1 表示; 激发状态指的是在本程序段内第 一次出现了此功能, 用 2 表示。在调入一条数控指令前, 先将 BGS 初始化, 即将所有状态均置为原始状态 0, 当中间代码库内出现代码 G 时, 根据 G 后数据查出其所在组 t, 然后查寻数组BGS, 如果 BGS t 的值为 0, 则将代码放入数组 中并将 BGS t 的值置为 1, 如果 BGS t
8、的值为1, 则表明程序段内出现了同组的 G 代码, 违反 了“ 同组的 G 代码不能在同一程序段内出现” 的规则, 马上进行出错处理, 其他代码的检查与此类似。对于特殊语法规则, 可根据数控程序中各 功能号找出规则库中具有相同号码的规则, 根据语法规则包含的内容, 将程序段中此功能号后的数控代码与规则中的内容相比较即可完成检查。编译器的结构如图 1所示图 1 编译器结构图对于词法分析和语法检查阶段出现的错误,转交出错处理模块进行处理, 指出错误性质和错 误语句在数控程序中的位置并返回源程序, 允许用户修正错误和对数控程序进行编辑。2 逻辑错误的检查 数控程序逻辑错误的检查, 本文分一般工件的加
9、工和复杂曲面的加工两种情况进行讨论。( 1) 一般工件的加工一般工件数控程序的错误主要表现为刀具 与夹具或刀具与工件之间发生干涉碰撞, 这也是数控程序仿真所要重点检查的项目, 因为一旦发生干涉碰撞, 轻则工件报废, 重则导致机床、 夹具 损坏甚至出现人身事故。对于二维仿真, 检查干涉碰撞实际上就是判断两个平面图形之间的位置关系, 是相交、 相离还是相切。 这在计算机图形学上有很多方法, 但大都比较繁琐而且运算量 大, 速度慢, 本文则提出了一种新的方法- 区域法。 即先建立刀具、 夹具和工件的区域, 然后调用区域组合函数创建一个新的区域( 组合方式指定 为 RGN- AND 即“ 交” ) ,
10、 然后判断新区域的值,如果为非空, 表明发生了干涉碰撞( 图 2) ; 如果结果为空, 则表明或加工正确或欠切。对于第二种情况, 再调用移动区域的函数使一个区域向另 一个区域移动一个单位, 然后再用上述方法判351998 年现代商检科技第 8 卷 第 2 期 图 2 碰撞图 3 欠切图 4 正常图 5 平行光源反射图 断。如果新区域为空表明欠切( 图 3) , 否则正常( 图 4) 。对于三维仿真, 通常采用八叉树法, 先建立刀具、 夹具、 工件的最小外接立方体, 并视其为八 叉树的根结点, 然后把这个立方体分割成八个大小相同的子立方体, 视它们为八叉树根结点的子结点, 并分别检查这八个子立方
11、体。对包含根结点边界的子结点再按上述方法进行分割, 如此递归细分直到达到误差允许范围, 最后根据距离检 查两个立方体是否相交来判断是否发生了干涉碰撞。( 2) 复杂曲面的加工有一些复杂曲面如模具的三维型面建模比较困难, 用上述方法对数控程序的逻辑错误进行检查就很难实现。 传统上一般都采用人机交互的 方法, 通过人对刀具的运动轨迹的观察来判断数控程序是否有误。但是有些曲面的数控程序很长, 刀位点很多, 刀位轨迹自然也就很密, 甚至叠加在一起, 这就给数控程序的检验带来了困难。本文采用了对输出图形再进行一次处理的办法,将仿真点三角化, 形成逼近刀位轨迹的多面体, 然后对其进行消隐, 最后根据光照模
12、型生成物体的浓淡图。 因为刀位轨迹所形成的图形表面一般是比较光滑的, 点与点之间的亮度变化是连续 的, 即其表面具有光顺性和连续性, 如果数控程序出现了错误, 这种光顺性和连续性就会遭到破坏, 反映在浓淡图上则表现为点的明暗变化不连续。特别是本文采用了平行光源照射的光照模 型, 如果数控程序有误, 图形上相应部分的表面法矢就会发生较大变化, 从而其浓淡度也会有较大变化, 通过与周围其他部分的浓淡度的对比, 可以比较容易地发现这一点。 平行光源照射的光照模型为:I= I?K?+ I1 Kdcos? + Kscosn? 其中, I?为环境中的散射光的强度, K?为环 境光的漫反射系数。I1为点光源
13、的光强, ?为入射光与物体表面法矢的夹角, K?为点光源的漫反射系数, Ks 为经验系数, ?为观察点与反射矢量的夹角, 如图 5 所示:此外, 系统增加了图形的编辑操作如旋转、 平移、 放大以及单段运行等功能。四、 结语 采用仿真的方法对数控程序进行离线检验,缩短了检验时间, 提高了检验的准确性, 从而提高了数控机床的效率。参考文献 1 廖效果、 朱启逑, 数字控制机床 , 华中理工大学出版社, 1992。 2卢振球, 进口数控机床位置精度评定标准及讨论 , 现代商检科技, 1996, 3。 3陈绍康, 数控机床改造技术 , 航空工业出版社,1989。 4 王国建, NC程序检验仿真中人机系统的研究 , 华中理工大学硕士学位论文, 1995。 5 孙家广、 陈玉健、 辜凯宁, 计算机辅助几何造型技术 , 清华大学出版社, 1990。 6 李维刚、 李晓东, 数控加工程序错误自诊断技术的研究 , 全国高校机械加工自动化第六届年会论文集, 1994。361998 年现代商检科技第 8 卷 第 2 期
