第一章 绪论
1.1 选题背景及研究意义
制造业是国家经济建设和国防建设的基础性产业，传统制造业的振兴需要先进制造业来支撑和保障，传统制造业如图 1-1（a）所示，先进制造业如图 1-1（b） 所示。随着我国经济的飞速发展，我国建设和提高制造业信息化的团队日益强大，制造业信息化水平不断提升，在世界上的影响力不断扩大，竞争力不断上升[1]。同时，由于社会经济和军事的发展需要，无论在国际还是国内制造业的竞争日趋激烈，产品更新换代的步伐逐步变快，新产品在市场的占有时间逐渐压缩，同时消费者标新立异的心理促进了产品个性化发展，并逐步取代产品批量生产，因此迫使企业不断改进技术，使用高科技来提高自身的应变能力，降低生产成本，提高企业竞争力，从而抢占国内外市场。由于由于将数控加工应用于制造业中可迅速提升企业的生产效率、提高产品的加工质量、缩短新产品的研发周期、提升企业的生产自动化程度、改善工作者的工作环境、提高企业在瞬间万变的市场下的生存能力[2]，所以当今许多企业通过发展数控技术，改变传统制造业的生产方式，提升制造的品质和效率，增强自身的适应能力和竞争能力。
在数控加工行业中，随着现代制造业的快速发展，复杂的曲面零件（叶轮、叶片、船用螺旋桨、重型发电机转子、汽轮机转子、大型柴油机曲轴）的应用越来越广泛，五轴数控加工是保证这类零件的加工质量的有效手段，如图 1-2为叶片的五轴数控加工过程。相对于三轴数控加工，五轴数控加工有显著的优点[3,4,5,6,7]：灵活的运动特性便于刀具加工零件的任意地方，使材料移除率更高、零件的表面加工质量更好。经统计，五轴数控加工比三轴数控加工提高了 10%-20%生产率[8]。如图 1-3（a）是三轴数控机床，图 1-3（b）是五轴数控机床。因此，目前五轴数控加工在数控行业受到广泛的关注和重视。
随着计算机技术的快速发展，现代制造业逐渐变得精密化、智能化和信息化，并酝酿出很多高端制造模式和制造技术，而虚拟制造正是在该潮流下诞生的一种先进制造技术[9],如图 1-4 所示。虚拟制造采用计算机生成一个逼真的制造环境，并在该环境下预测产品的性能、质量与可行性等，及早发现在设计中出现的错误或忽略的工艺细节，进一步优化设计与工艺，从而提高产品的加工质量[10]。数控仿真属于虚拟制造范畴，它集数控理论、计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)和建模与仿真技术与一体，是数控加工方案在落实之前在计算机上的仿真，以此来检测数控代码的合理性与准确性，从而判断数控加工方案的优劣性，以便于进一步优化。在现代化的生产中，在零件进行真实加工之前往往通过试切来验证 NC 代码的准确性和被加工零件是否符合设计者和用户的要求。这一过程不但产品的生产时间过长、生产成本过高，而且工作者的劳动强度过大。采用数控仿真技术来模拟真实的数控加工环境和加工过程，就可以帮助设计者检查出制造中的问题，部分或者完全代替试切环节，缩短生产周期，降低生产成本，减小劳动强度和提升加工设备的使用效率。利用数控仿真还可以检测出数控加工过程中可能出现的危险，如刀具与工作台间的碰撞、刀具对工件过切等现象，甚至能够检测出工件不正确的装夹方式和用户不合理的参数设定，减轻了数控编程和操作者的劳动强度和工作压力。因此，目前国内外都在大力发展数控仿真系统，特别是五轴数控加工仿真系统，但是相对于三轴数控加工，五轴数控加工增多了两个自由度，以致刀具运动特性非常复杂，其形成的包络体直接影响仿真精度和仿真效率；不少研究者为了提高仿真效率，采用近似表达法表示刀具形成的包络体，从而牺牲了仿真精度，未能满足现代制造业的需要，因此如何高精度、高效率地实现五轴数控加工仿真成为当前科研人员研究的热点。
目前国际市场上已经出现了较为成熟的数控加工仿真系统，比如 Siemens PLMSoftware 公司的 UG、OPEN MIND 公司的 HyperMILL 等，如图 1-5 所示，然而，它们属于商业化系统，并没有公开其系统的关键技术。目前，国内不少研究者对数控加工仿真技术进行了大量的研究、开发和推广工作，并推出国产数控加工仿真系统，但综
第二章 刀具包络体的生成
五轴数控加工仿真技术是一种在五轴数控加工过程中刀具形成的包络体与工件模型间的交互方法，一般通过在刀具包络体与工件模型之间进行布尔差运算实现，因此刀具包络体的几何分析、建模和描述是五轴数控加工仿真中的关键技术。
在已有的文献中，很多研究者在求解刀具包络体时用进给速度代替实际速度以简化计算，实际上，刀具表面各点的速度由进给速度和倾斜旋转速度合成，因此存在仿真精度不足问题。不少研究者用隐式方程描述刀具包络体，如 Blackmore、Seok WonLee，其采用了高次非线性方程组，在求解过程中计算机需要经过复杂的处理，因此仿真效率较低。虽然也有一些研究者提出显示方程，如 DU，但是其刀具包络体由NURBS 曲面组成，计算量过大，仿真效率并未得到明显提高。
第三章 基于精度自适应算法的改进的 DEXEL表达法在切削仿真中的应用.................27
3.1 三维实体建模方法.................28
3.2 精度自适应算法...............33
3.3 基于改进 DEXEL 表达法对工件建模............34
3.4 刀具包络体 DEXEL 模型的求解.................35
3.5 工件模型与刀具包络体 DEXEL 间布尔差运算............ 41
3.6 本章总结...................43
第四章 多线程并行处理技术在切削仿真中的应用.................45
4.1 并行处理技术..................46
4.2 多线程技术研究.................49
4.3 多线程并行处理技术在切削仿真中的应用................52
4.4 本章总结.....................57
第五章 应用实例与结果分析.......................58
5.1 开发环境.....................58
5.2 系统功能.....................58
5.3 应用实例....................59
5.4 本章小结..................69
结论
五轴数控加工仿真技术是现代先进制造技术中重要组成部分，该技术缩短了从产品设计到生产的时间，降低了新产品开发的成本，促进了数控行业的发展，增强我国的机械制造水平，因此五轴数控加工仿真技术具有重大的研究意义，并在数控行业越来越受到重视和欢迎。
本文着重研究了五轴加工过程中的刀具包络运动的精确计算方法；并以此为基础，进一步提出了精度自适应、并行计算等高性能计算方法，以支持五轴数控加工仿真的高性能计算。
本文所取得的研究成果如下：
（1）对国内外五轴数控加工仿真的理论和算法进行了系统和深入的研究，通过分析其优缺点，总结出目前五轴数控加工仿真中存在的问题，然后针对这些问题，提出自己的算法。
（2）在包络理论的基础上，以平底刀和球头刀为研究对象，提出一种基于初始曲线变换的包络体生成方法。该算法用显示方程表示，计算效率很高，而且该算法严格遵守相切条件和包络理论，没有用进给速度代替刀具表面上各点的速度，所以也保证了精度。实例表明该方法简单适用，易于计算机实现。
（3）改进了 DEXEL 表达法，使仿真结果不受观察方向的限制，并且支持旋转、缩放等操作；改变了传统的 DEXEL结构，保证工件表面的平滑性；利用四叉树提出了一种精度自适应的算法，它能够根据设定的精度值，对加工表面不同区域产生相应的仿真结果，同时保证了仿真精度和仿真效率。
（4）把多线程并行处理技术应用于五轴数控加工仿真中，仿真效率提高了 15%-20%。
根据上述的研究成果，论文工作以 Visual C++为开发工具，基于 OpenGL 图形环境，开发实现了一个基于刀具包络运动计算的五轴数控加工仿真实验原型系统，并针对若干典型应用案例对论文工作提出的技术方法进行了实验分析，结果说明本文的研究工作可满足实际生产设计的需求，更具有实用性。
参考文献：
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