毕业设计（论文）-数控车削仿真的研究与开发.doc

武汉理工大学硕士学位论文摘 要 数控车削加工作为现代机械加工的主要方式，是目前应用最)一泛的加工方法 之一，因此对数控车削加工过程进行仿真具有重要的理论研究与实际应用价值。国内外目前对这项技术都进行了深入的研究并取得了一些进展，但是由于实际的车削加工过程影响因素众多，机理复杂，目前的研究成果还远远不能满足实际生产的需要。本文针对具体的车削加工，进行数控车削仿真的研究与开发，并尽可能结合几何仿真和物理仿真，反映车削加工最本质的内容。从分析数控车削加工的基本原理 出发 ，提出了车削仿真系统的总体结构和设计原则，并将其模块化以适应进一步研究的需要。 车削加工中工艺系统力变形误差等因素对工件的加工误差有决定性的影响，它们的影响的结果就是加工工件的质量。本文从简化工艺系统入手，对切削力进行建模，并充分考虑刀具磨损的影响。最后分析了在工件变形条件下的误差。 本文用 vc+编程实现了车削加工仿真，分析了加工仿真的编程特点，并设计了数据结构，在对nc代码处理的基础上，加入了工件变形这一物理量对加工精度的影响，最后给出了补偿，实现了提高加工精度的目的。论文最后在总结全文的基础上对该项研究的发展进行了展望。关键词:数控车削，物理仿真，工件变形，加工精度abstractnc lathe machining is the most important machining method of the world, itis used all over the world, so its very useful to research the nc lathe machiningsimulation as it has so many theory and practice meaning. nowadays, many scholarshave made some research on it and get some results, but as the lathe machiningprocess is so complicated that the research cant fulfill the practice complication.this paper studies on the practice lathe machining simulation and makes someresearch on nc lathe machining simulation systems, and it tries to connect thegeometry simulation and the physics simulation to affect the essential of the process.firstly analyze the basic principle of the lathe machine, and introduce the mainframe of the nc lathe machine simulation and the principle of the design, thenmodule it to make further research.of all factors, distortion caused by cutting force is the very important one whichresponsible for the error. and its can affect the products quality. so this paper firstlyintroduce a predigestion of the process, and then introduce the instantaneous forcemodel considering the abrasion of the cutter. and at last, analyze the error model ofthe process.this paper uses visual c+ 6.0 as a development tool, it first analyzes thecharacteristic of the nc lathe simulation, and then design the data structure. afterdealing with the nc code, this paper adds the workpiece distortion as a physicsfactors, and introduces the compensation, and so achieve the purpose of improvingthe precision.keywords: nc lathe machine, physics simulation, workpiece distortion, machiningprecision第一章 绪 论 本章从车削加工仿真的研究背景出发，介绍数控车削计算机仿真的国内外发展现状，分析相关领域的最新研究成果，介绍车削仿真的方法，对加工过程建模等相关研究的发展现状进行了综合评述以及选择该课题的实际意义、课题提出的背景、目的和研究内容。1.1研究课题的背景 仿真，即通过某种手段，在计算机上虚拟某个对象或过 程，从中发现对象 运动规律以及可能产生的问题。它有助于 产生先知先觉，有助于优化决策方案，有助于降低风险，减少成本，有助于提高生产效率。数控加工仿真是先进机械制造技术的重要组成部分。数控加工仿真涉及到计算机图形学、数据库、机械加工、数 学、力学、材料学等学科。数控加工仿真有待解决的问题， 在很大程度上，也是其他领域仿真所遇到的问题，其研究成果和研究方法可以用于其 他领域的仿真。同时，数控加工仿真是 cad/cam到机床实际加工的验证关口。通过计算机模拟加工过程，从而避免实物试切;找出加工过程中的缺陷，以便设计人员优化零件的设计，从而缩短零件合理设计的时间，提高零件设计成品的效率。这些对于企业在竞争激励的市场中快速推出产品，迅速抢占市场尤为 重要，这也使异地设计和异地制造成为可能，使企业的产业结构转变成为可能。 数控车削加工作为现代机械加工的主要方式，是目前应用最广泛的加工方法之一，因此对数控车削加工过程进行仿真具有重要的理论研究与实际应用价值。数控车削加工仿真将对车削加工能够完成的各种加工形式中的几何及物理因素的变化情况进行模拟与预测，物理仿真是将切削过程中的各物理因素的变化映射到虚拟制造系统中。在实际加工过程进行之前分析与预测各切削参数的变化及干扰因素对加工过程的影响，能够揭示加工过程的实质，分析具体工艺参数下的工艺规程质量及工件加工质量，辅助在线检测与在线控制，进行工艺规程的优化capp1.2 国内外研究现状分析，包括发展水平和存在的问题等加工过程仿真作为虚拟制造技术的重要组成部分，国内外已作了大量的研究，主要 c作集中在工艺过程的分析、建模与仿真上，对不同的_l艺过程的不同方面及不同的加工材料做了很多上作，也取得了一些成果，获得了满意的效果。数控加 1作为加工的主要方法自然也就成为研究的热点。数控加工过程仿真包括几何仿真和物理仿真 2个部分。几何仿真将刀具与工件视为刚体，不考虑切削参数、切削力及其他因素对切削加工的影响，只是对数控程序进行翻译，产生刀具位置数据，并以此数据驱动机床运动部件和刀架运动，刀具对工件进行虚拟切削，同时检查是否有碰撞、干涉。目前几何仿真方面的研究比较全面和深入，出现ug. pro/engineer. mastercam等成熟的商业软件。而物理仿真由于其切削机理复杂、建模难度大等客观原因，研究还不够深入。但对切削过程物理方面因素的分析与预测在虚拟制造研究中具有重要意义，国内外对其十分重视，并开展了研究工作。 物理仿真包括加工精度分析，切削过程的热变形，切削力作用下的系统弹性变形、夹紧变形，以及机床的动态、静态分析等。目前进行的机械加工过程仿真，主要有2种情况:一种是从研究金属切削的角度出发，仿真某具体切削过程内部各因素的变化过程，研究其切削机理，供生产实际与研究应用;另一种是将加工过程仿真作为系统的一部分。重点在于构造完整的虚拟制造系统121物理仿真中存在的难点和问题主要集中在以下几个方面:(1)加工过程模型难以建立。物理仿真的关键技术是加工过程建模，切削加工过程是复杂的多输入和多输出系统，涉及到的参数众多，随时会受到各种干扰因素的影响，并且某一参数的变化有时会对系统的输出有较大影响，因此在建模时如何处理这些参数和干扰因素，使加工过程模型一方面正确反映切削实际，另 一方面又能反映参数变化及干扰因素对切削过程的影响，是切削过程建模的关键。同时，建模过程中要涉及到大量的参数和数据，有时需要做大量的切削实验，这些都增加了建模的难度。模型中涉及因素过多难免会顾此失彼，过少模型又经不起时间检验.实用性差。目前的仿真系统中都有大量的假设条件，目的是降低模型的复杂性，但同时削弱了仿真系统与实际的拟合程度。如何建立合理的加工过程模型，将决定仿真系统的质量。(2)仿真模型的通用性差。目前的物理仿真系统大多是针对某一特定的加工过程而建模设计的，机床种类、加工型式、刀具的种类和工件材料等参数都规定得很明确。当某一参数例如刀具种类变化时。模型必须进行很大的修改，结果是模型的应用范围受到限制，根据不同情况建立大量的模型。如何在总结前人积累的有关切削机理知识及规律的基础上，综合计算机、仿真等先进科学技术，建立通用性强的仿真模型和仿真系统，是物理仿真需要解决的又一问题。(3)仿真系统的实用性较差。由于切削过程的复杂性及建模难度大等客观因素的存在，仿真系统的输出结果与实际的拟合程度尚有差距 同时仿真系统的灵活性差，当某些情况发生变化的时候，仿真模型不能及时、动态地在输出 l反映这种变化，这些情况都限制了仿真系统的实用化程度。(4)与几何仿真未充分结合。几何仿真与物理仿真的有机结合刁能构成完整的虚拟加工过程仿真系统，但目前这两方面的研究几乎是并行进行，相互辅助、结合的工作还做得不够。几何仿真过程中包含有物理仿真中所需的大量几何信息，二者之间的信息沟通，数据的交互顺畅流动，将非常有助于提高仿真系统的质量。以上是物理仿真中的几大难点问题，为了配合虚拟制造的发展需要，如何妥善解决存在的问题，是物理仿真中研究的重点3课题的提出、研究目标、研究内容和拟解决的关键3. 1课题的来源 本文 “数控车削加工计算机仿真技术的研究”是在湖北省自然科学基金:平面包络环面蜗轮副的精度理论研究 (2002a8014)的支持下提出来的。1.3.2本课题研究的意义 深入研究加工过程中物理参数对加工结果的影响，将切削过程中各个物理因素的变化映射到加工过程数学模型中，通过计算机来处理几何仿真的图形交并差运算与物理仿真的数学模型计算，进行数控车削加工的物理仿真。1.4论文主要工作建立在预先设定的加工环境下的切削加工的数学模型。包括刀具磨损模型，刀具变形模型，切削力模型等。分析在实际加工过程中，刀具的磨损情况和变形情况。并根据几何仿真获得的关键儿何信息，再根据所建立的数学模型，进行物理仿真，输出瞬时切削力，应力，磨损量等关键信息。并根据仿真结果对加工参数进行补偿。1.4.1论文主要内容1)第一章:介绍数控车削仿真的国内外发展现状，分析相关领域的最新研究成果，介绍计算机仿真的方法，明确基于加工过程的仿真的内涵，以及选择该课题的实际意义，提出车削仿真的背景、目的和研究的内容。2)第二章:介绍数控车削加工的基本原理。车削基本原理从分析金属切削过程入手，详细阐述了切削运动，切削用量等要素。继而重点分析了刀具磨损现象。3)第三章:数控车削加工计算机仿真总体模型。首先介绍了车削仿真系统的基本特性 .阐述了车削仿真的总体结构 ，并提出了车削仿真系统的总体模型，实现了对车削仿真的模块划分。4)第四章:本章着重数控车削加工建模与误差分析。以建立车削加工简化丁艺模型为基础，对切削力进行建模，并山此分析了工艺系统受力变形的规律，最后对误差进行详细的分析。5)第五章:数控车削仿真系统的实现，包括系统的设计思想，系统的框架和功能，系统的开发实现方法，并以实例说明车削物理仿真的实现。 6)第六章:总结和展望，论文所作的主要工作，系统所需加强改进和完善的地方。1.4.2主要创新点 本课题的研究成果是建立在具体条件下车削加工的物理模型，通过这个模型实现物理仿真，可以预测实际加工中具体的物理参数对加工结果的影响，并由此来修正和优化加工参数和工艺路线。1)面向数控车削加工的实际过程。分析磨损，变形等因素对加工的影响2)在几何仿真系统中加入了物理因素的影响。第二章 数控车削加工基本原理2. 1金属切削过程 金属切削过程是工件和刀具相互作用的过程。刀具要从工件上切去一部分金属，并在保证生产率和低成本的前提下，使工件得到符合技术要求的形状、尺寸精度和表面质量;为了实现这一切削过程，必须具备以下三个条件:(1)工件与刀具之间要有相对运动，即切削运动:(2)刀具材料必须具各一定的切削性能;(3) 刀具必须具有适当的几何参数，即切削角度。本文的研究工作主要涉及外圆车削，因此这里只讨论与本文车削建模有关的概念。2. 1.1切削运动 金属从工件表面上切下来必须要有相对的切削运动，外圆切削是金属加工中常见的加工方法，切削运动通常按其所起的作用可分为两种:(1)主运动 使工件与刀具产生相对运动以进行切削的最基本运动，称为主运动。这个运动的速度最高，消耗功率最大。主运动通常只有一个。(2)进给运动使主运动能够继续切除工件上多余的金属，以便形成工件表 面所需的运动，称为进给运动。进给运动可能不只一个，但所消耗的功率都比主运动要小。2.1.2切削用量切削用量是涉及较广的一个概念，它是切削速度、进给量和切削深度三者的总称。切削用量的定义如下:(1)切削速度 v切削加工时，刀刃上选定点相对于工件的主运动的速度。当主运动是旋转运动时，刀具或工件最大直径处的切削速度由下式确定:v=。dn/1000 (m/s或m/min)式中d 完成主运动的刀具或工件的最大直径(mm)n 上运动的转速 (r/s或r/min)(2)进给量f工件或刀具的主运动每转或每一行程时，1件和刀具两者在进给方向上的相对位移量(3)切削深度a。，对于外圆车削而言，切削深度ap等于工件己加工表面与待加工表面间的垂ft距离;ap=(dw -dm )/ 2 (mm)式中dw:工件待加工表面的直径(mm);dm:工件己加工表面的直径(mm)2.1.3刀具切削部分的表面与刀刃图2-1所示是外圆车刀的切削部分，它具有下述表面和刀刃:前刀面(ay)为切下的切屑沿其流出的表面。主后刀面aa)为与工件上过渡表面相对的表面口。副后刀面(aa)为与工件上己加工表面相对的表面。图2-1车刀的切削部分 主切削刃(主刀刃)为前刀面与主后刀面相交而得到的边锋，用以形成工件的过渡表面，它完成主要的金属切除工作。 副切削刃(副刀刃)为前刀面与副后刀面相交而得到的边锋，它协同主切削刃完成金属切除工作，以最终形成工件的己加工表面。 过渡刃为主切削刃和副切削刃连接处的一段刀刃，它可以是小的直线或圆弧。主切削刃和副切削刃连接处称为 “刀尖，。2.1.4切削层参数 在切削过程中，刀具的刀刃在一次走刀中从工件待加工表面切下的金属层，称为切削层.切削层参数就是指的这个切削层的截面尺寸，它决定了刀具切削部分所承受的负荷和切屑的尺寸大小。车外圆时，工件每转 一周，车刀沿工件轴线移动一个进给量 f的距离，主切削刃及其对应的工件过渡表而也在连续移动中山位置工移至相邻位置n，囚而1, 11之间的一层金属被切下。具体如图2-2所示:(1)切削厚度a。在卞切削刃选定点的基面内，垂直于过渡表面度量的切削层尺寸，称为切削厚度a。车外圆时，切削层截而的切削厚度为:ac=f sink由上式可知，当 f或k.增大时，ac变厚(2)切削宽度aw在主切削刃选定点的基面内，沿过渡表面度量的切削层尺寸 图2-2 切削层参数，称为切削宽度a.。车外圆时，切削宽度为:aw二ap si n