虚拟数控车床切削仿真研究.pdf

虚拟数控车床切削仿真研究 * 周立波李厚佳 （上海工程技术大学 高职学院， 上海 2 0 0 4 3 7 ） research on simulation of virtual nc iathe machining process z h o ul i - b o ， l i h o u - j i a （v o c a t i o n a l t e c h n i c a l c o l l e g e o f s h a n g h a i u n i v e r s i t y o f e n g i n e e r i n g s c i e n c e ， s h a n g h a i 2 0 0 4 3 7 ， c h i n a） 文章编号： 1001-3997 （2008 ） 11-0178-02 【摘要】 针对数控车床加工切削仿真系统的开发， 将几何仿真和物理仿真相结合， 实现了刀具运动 仿真、 工件几何体形变仿真以及刀具温度分析、 应力应变分析和工件受力变形分析的仿真， 仿真结果显示 出了仿真算法效率高、 仿真结果合理、 效果逼真， 适合于对数控代码的验证和对操作者培训。 关键词： 切削仿真； 几何仿真； 物理仿真； 温度场； 应力； 应变 【abstract】base on the development of simulation of virtual nc lathe machining process and the in tegration of geometric simulation & physical simulation， all the simulation functions including tool moving， workpiece geometry shape change， tool temerature analysie， stress & strain analysis and workpiece pressure shape change could be realized. it s applicable verification for nc code and suitable traing for operators due to the efficient simulation arithmetic， reasonable simulation result and realistic effect. key words： cutting simulation； geometric simulation； physical simulation； temperature； stress； strain ? ? ? ? 来稿日期： 2008-01-19基金项目： 上海市教委科研专项立题项目 （gjd07050 ） 中图分类号： th16， tg519.1文献标识码： a 数控加工由于生产效率高、 加工精度高、 便于加工曲面等显 著特点在机械加工领域日益得到广泛的应用。但是， 在加工过程 中使用的 nc 程序代码， 主要依靠技术人员编写， 这不可避免的 会产生错误， 这样不仅导致加工出来的产品为废品， 也可能导致 刀具与机床工作台、 刀具与夹具等之间的干涉碰撞， 这是十分危 险的。 而且在加工过程中， 也有可能产生误操作， 因此产生了数控 加工过程仿真技术， 如图 1 所示。从而可以避免误操作带来的损 失， 也可以检验 nc 加工代码的正确性。虚拟加工过程仿真主要 包括几何仿真和物理仿真。 图 1数控车床切削仿真 1 几何仿真 几何仿真主要仿真刀具运动和工件几何体的形变， 用以验证 nc 程序的正确性和合理性。包括定性图形显示和定量干涉验证 两方面， 检查是否有碰撞、 干涉， 从而减少或者消除因程序错误而 导致的机床损伤、 夹具破坏及刀具损坏等现象。 本文中， 几何仿真 主要根据虚拟控制面板的输入数据， 实现机床的切削仿真， 包括 刀具运动仿真和工件几何体形变仿真功能。 1.1 刀具运动仿真 控制面板输入的数据包括主轴转速 s， 刀具进给速度 f， 刀具 x 方向位移 x， 刀具 z 方向位移 z， 辅助指令 m。在这些参数之中， 除刀具进给速度用于工程分析外， 其余都被用于切削仿真； 主轴 转速 s 决定虚拟车床主轴旋转的方向和转速； x、 z 是刀具距切削 起始位置沿工件长度方向和半径方向的位移值；辅助指令 m 则 包括启动切削、 停止切削、 手动、 对刀等等。每次通过网络通信模 块收到控制面板端的信息后， 将其储存到相应的缓冲区， 再根据 m 指令启动或停止相应的切削仿真线程。 在切削仿真线程的每一个时间点上， 首先执行的机床运动仿 真： 根据缓冲区中主轴转速将机床主轴转过一个角度； 根据 x 位 移 z 位移的数值让中托板和刀具刀架移动到相应的位置。 1.2 工件几何体形变仿真 如图 2 所示， 工件形变仿真。其思路是将圆柱形的工件沿轴 向分成若干小段， 在每个时间段内只考虑刀具所可能切削的小段 尺寸变化，应用三维场景软件实时绘制相应的变化后的小段， 从 而实现形变仿真的表达。 图 2工件毛坯示意图 h i x z machinerydesignmanufacture 机械设计与制造 第 11 期 2008 年 11 月178 其具体算法如下： 将切削长度为 l， 直径为 d 的工件沿轴向 分成 n 等份， 每份的轴向尺寸 h 为： h= l n （1 ） 设第i 段的直径为 di， 设刀具在 t1时刻的位置为 （xt1， zt1） ， t2时 刻的位置为 （xt2， zt2） ， 则在两时刻之间的任意时刻， 刀具的位置 （x， z ） 可采用线性插值得到： x=xt1+xt2-xt1 zt2-zt1（z-z t1） （2 ） 设从 t1时刻到 t2时刻， 可能改变直径的小段依次为 j1， ， j2， 则有： j1=int min （zt1， zt2） h ? j2=int max （zt1， zt2） h ? 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 （3 ） 其中， 第 i 段当前直径应该为 （如果被切削 ） dc =2 x t1+ xt2-xt1 zt2-zt1（z-z t1? ）（4 ） 这里 z 可取 i 小段中间的 z 坐标： z=ih-h 2 （5 ） 把 （5 ） 代入 （4 ） 得到第 i 段被切削后的直径为： dc =2 x t1+ xt2-xt1 zt2-zt1（ih- h 2 -zt1 ? ）（6 ） 各小段的初始直径为 di=d（i=1， 2， ， n ） ， 变化后设第 i 小段 在 t1时刻直径为 dt1i， 下一时刻 t2时， 直径为 dt2i， 则 dt2i应为： dt2i=min （dt1i， dc） 其中 dc由公式 （6 ） 求出， 最终 dc应为： dc=2 xt1+ xt2-xt1 zt2-zt1 ih-h 2 -zt1 ?|zt2-zt1|0.0001 dc=xt2|zt2-zt1|燮0.000 0 0 0 0 0 0 0 0 01 （7 ） 在切削仿真过程中， 每隔一个时间间隔， 对工件的各个部分 进行重绘场景， 当时间间隔和小段宽度足够短时， 就会得到逼真 的仿真效果。 2 物理仿真 加工过程物理仿真融合了金属切削理论及实验研究成果、 仿 真建模方法和计算机软件开发等多方面技术， 而加工过程模型是 其中的核心。通过对加工过程建立数学模型， 预测切削过程中的 各切削参数对加工过程的影响， 将刀具应力应变、 工件的受力分 析实时应用在虚拟加工过程当中，不仅能模拟演示由于工件、 刀 具等的参数改变所带来的受力改变， 还能进行及时调整， 帮助选 择最合适的加工参数。 2.1 铁屑的仿真 对于辅助切削过程的仿真， 这里实现了铁屑产生和运动的仿真。 通过算法描述铁屑的产生和运动状态， 其中包含随机因素对 铁屑运动规律的影响。 螺旋铁屑在时间上顺序上可分以下两个过 程： 铁屑生成过程和铁屑生成后的运动过程。 设共有 n 种铁屑，当前产生的铁屑为第 i 种，则有： i=int （r1*n ） 。其中 r1为计算机产生的随机数。 铁屑飞出的方向， 如图 3 所示。设铁屑飞出速度矢量为 v， 其 方向为 y 轴正向夹角为 y， 其范围为 1， 2 ， v 在 xoz 平面内投影与 x 轴正向夹角为 x， 其范围为 1， 2 ， 随机的 x与 y可如下计算： x=1+r2（2-1） y=1+r3（2-1 燮燮 ） （8 ） 式中： r2与r3随机数。 设 1= 3 ， 2=2 3 ， 1=5 6 ， 2=7 6 图 3铁屑飞出的方向图 设铁屑飞出的初始速度大小为 v0， 则各速度分量为： v0x=v0cos （x） sin （y） v0y=v0cos （y） v0z=（r4-0.5 ） v02-v0x2-x0y2姨 |r4-0.5| 0 0 0 0 00 0 0 0 0 00 0 （9 ） 其中 r4是随机数 在每个时间点上， 铁屑的运动的实时位置为： sx=x+v0xt sy=v0yt+1 2 gt2 sz=z+v0z 0 0 0 0 0 0 0 0 0 t （10 ） 式中： g重力加速度； x 与 z前述产生该铁屑时的刀尖位置坐 标， 这里应注意不同的铁削有不同的 x 与 z 值。 2.2 刀具分析仿真 在进行刀具分析之前， 首先进行的是对刀具模型的绘制。在 这里， 通过读取文件中的空间节点和节点号序号来构成刀具的三 维图形。 2 . 2 . 1 刀具温度场分析仿真 切削用量对切削温度的影响因素如下：（1 ） 切削速度， cvvx， 其中 是切削温度。 一般情况下， x0.260.41， 进给量越大， x 越小；（2 ） 进给量 cff0.14；（3 ） 背吃刀量 c0.04。具体算法如下： 采用有限元法分析出刀具不同切削用量下的温度分布， 并转换为 虚拟显示网格数据格式， 存在数据库中， 仿真时在根据切削用量 进行插值， 得到当前状态下的刀具温度分布， 并显示处理。 刀具温 度场分析实时仿真显示， 如图 4 所示。 图 4刀具的温度场分析 2 . 2 . 2 刀具应力应变分析仿真 因刀具的形状不规则， 尤其是刀尖附近的形状， 无法得到解 析解， 只能采用有限元分析的方法进行工程分析。 x y x y v z 第 11 期 周立波等： 虚拟数控车床切削仿真研究 * 179 激光加工机床气膜导轨直线驱动的设计与分析 丁黎光 1 丁 伟 2 吴德林 2 （ 1广西工学院， 柳州 5 4 5 0 0 6 ） （2重庆金映数控设备制造有限公司， 重庆 4 0 1 1 2 0 ） the design and research of air membrane guide-way and linear drive in laser processes machine d i n gl i - g u a n g 1 ， d i n gwe i 2 ， wud e - l i n g 2 （ 1 g u a m g x i u n i v e r s i t y o f t e c h n o l o a y ， l i u z h o u 5 4 5 0 0 6 ， c h i n a） （ 2 c h o n g q i n g j i n y i n g n ce q u i p m e n t c o . l t d . ， c h o n g q i n g 4 0 1 1 2 0 ， c h i n a） 文章编号： 1001-3997 （2008 ） 11-0180-02 【摘要】 针对 pcb 的发展及应用激光进行微细加工的需求， 研究和分析应用激光加工机床气膜导 轨和直线驱动的优势。使之适应pcb制作速度和精度要求。从而促进高密度多层pcb高效高速的发展。 关键词： 激光加工机床； 气膜导轨； 直线驱动 【abstract】for the developments of pcb and the need of laser millipore work， this paper re searches and analyses the advantage of the air me mbrane guide-way and linear drive in laser proce sses machine. and adapt to the pcb machining speed and accuracy， thus help the developments of multilayer pcb rapid ly and efficiently. key words： laser processes machine； air memb rane guide-way； linear drive ? ? ? ? 中图分类号： th12， tg665文献标识码： a 来稿日期： 2008-01-15 1 前言 激光加工高密度 pcb 上微孔时， 要满足孔的数量多， 孔距、 孔径高精度， 也就要求激光加工机床的工作台能更灵活、 更快、 更 准确将印制电路板移动到激光束照射的位置， 进行快速准确定位 2 . 2 . 3 刀具温度场、 应力应变分析可视化的实现 要实现工程分析的可视化，首先我们要定义刀具几何模型， 也就是根据刀具应力、 应变及温度变化的实际疏密情况把刀具划 分为多个网格， 将通过有限元分析计算得到的空间节点坐标和组 成一个网格的节点序号分别输出到刀具分析模型文件中。 2.3 工件受力变形分析仿真 工件在切削力 fx、 fy和 fz的作用会发生变形， 其中对加工精 度影响最大的是弯曲变形， 尤其是细长轴。 fz引起弯曲变形很小， 计算中只fx和fy引起的弯曲变形。工件轴线位移图， 如图5所示。 图 5工件轴线位移图 工件中心轴线沿 x 轴、 y 轴的位移分别为： u= mxz2 2ei v= myz2 2ei w= 0 （11 ） 其中各力矩： mx=-f