（控制理论与控制工程专业论文）面向虚拟制造的铣加工仿真技术研究.pdf

硕士学位论文 面向虚拟制造的铣加工仿真技术研究 ab s t r a c t t h e s i m u l a t i o n o f v i r tu a l m a c h i n i n g i s t h e k e y o f f u n d a m e n t a l t e c h n o l o g y o f v i r t u a l m a n u f a c t u r i n g , a n d s o i t i s t h e i m p o r t a n t c o m p o n e n t o f v i r t u a l m a n u f a c t u r i n g s y s t e m . i t r e q u e s t s a n i m m e r s ib l e 3 d v i r t u a l m a c h i n i n g e n v i r o n m e n t , w h ic h s u p p l i e s p a n o r a m i c , i n t e g r a t e d s i m u l a t i o n a n d a n a l y s i s f o r t h e p r o c e s s i n g o f p r o d u c t s o a s t o e v a l u a t e t h e r a t i o n a li t y o f m a c h i n i n g p r o c e s s p a r a m e t e r s a n d t h e m a c h i n in g q u a li t y o f p r o d u c t . 玩t h i s m a s t e r t h e s i s , w h a t w e d o i s t o b u i l d a 3 d v i r t u a l e n v i r o n m e n t a b o u t v i r t u a l m i l l i n g m a c h i n e b a s e d o n v i r t u a l ma n u f a c t u r i n g , w h i c h c a n s i mu l a t e t h e p roc e s s o f m a c h i n i n g a b o u t m i ll i n g ma c h i n e . i n t h e m a s t e r t h e s i s , t h e c o n c e p t i o n o f v i r t u a l m a n u f a c t u r i n g a n d t h e d e v e l o p m e n t h o m e a n d a b r o a d a r e i n t r o d u c e d f i r s t l y . t h e n t h e m e t h o d s o f g e o m e t ry m o d e l i n g a b o u t v i r t u a l m a c h i n i n g a r e a n a l y s e d a n d c o m p a r e d i n d e t a i l . b a s e d o n t h e c o m p a r i n g , a m o d e l i n g o f t r i a n g l e f a c e i s p r e s e n t e d i n t h e t h e s i s , w h i c h i n c l u d e d t h e m e r i t s o f o t h e r g e o m e t r y m o d e l i n g m e t h o d s a n d i t s d a t a c o n fi g u r a t i o n i s s i m p l e n e s s w h i c h c a n b e c h a n g e d e a s i l y . t h e s i m u l a t i n g s y s t e m o r i e n t e d t o v i r t u a l m a n u f a c t u r i n g i s a c h i e v e d b y u s i n g v i s u a l c + + 6 . 0 a n d o p e n g l w h i c h a r e r u n u n d e r t h e w i n d o w s x p s y s t e m . t h e r e i s f r i e n d l y i n t e r f a c e t h e s y s t e m r e s e a r c h e d , w h i c h c a n b e o p e r a t e d e a s i l y t r a n s l a t e t h e n c - c o d e a n d s im u l a t e t h e m a c h i n i n g o f m i l l e r m a c h i n e . a c h i e v i n g t h e n c - c o d e t r a n s l a t o r , b u i l d i n g g r a p h i c s mo d u l e a n d d e s i g n i n g t h e ma c h i n i n g mo d u l e a r e s t u d i e d i n d e t a i l i n t h e t h e s i s . a t l a s t , t h e c o n t e n t o f t h e t h e s i s i s s u m ma r i z e d a n d p r o s p e c t e d . a l t h o u g h t h e s y s t e m i s b e a c h i e v e d , t h e r e a r e s t i l l m a n y j o b s n e e d e d t o b e d o n e . k e y wo r d s : v i r tu a l ma n u f a c t u r i n g , v i r t u a l m a c h i n i n g , s i m u l a t i o n , g e o m e t ry m o d e l i n g , nc- c o d e 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已 在论文中作了明确的说明。 研 究 生 签 名 :令流., ?- 夕 月 “ 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研 究 生 签 名 :切欢1 f l j z v o 年尸 月 j “ 日 硕士学位论文 面向虚拟制造的铣加工仿真技术研究 1绪论 1 . 1引言 随着经济的 全球化 和社会的 信息 化， 市场竞争日 益激烈， 越来越要求企业能够快 速调整产业结构， 缩短新 产品的 开发周期， 从而有效地降低生产成本。 制造企业为了 在竞争中求得生存与发 展， 必须解决t q c s ( t i m e t o m a r k e t , q u a n t i t y , c o s t , s e r v i c e ) 难 题 1 5,18 ， 即以 最 快的 上 市 速 度 t 、 最 好的 质 量 q 、 最 低的 成 本c 和 最 优的 服 务s 来 满 足不同 顾客的需求。 面 对不可预测、 持续发展、 快速多变的 市场需求， 企业的生产活 动必须具有高度的柔性， 对市场需求的 变化做出 快速反 应。 与 此同时， 信息技术取得 迅速发展， 特别是计算机技术、 网 络技 术、 信息技术等取得人们意想不到的进步. 二 十世纪八十年代初，先进制造技术以信息集成为核心的计算机集成制造系统 ( c o m p u t e r i n t e g r a t e d m a n u f a c t u r i n g s y s t e m, c i ms ) 开始得到实施;二十世纪八十 年代 后期以 过程集成为核心的并行工程 ( c o c u r r e n t e n g i n e e r i n g , c e )技术进一步提 高了 制造水平: 进入二十 世纪九十年代， 先进制造技术进一步向 更高 水平发展， 出现 了 虚拟制造 ( v i r t u a l m a n u f a c t u r i n g , v m)、 精益生 产 ( l e a n p r o d u c t i o n , l p )、敏 捷制造 ( a g i l e m a n u f a c t u r i n g , a m) 、虚拟企业 ( v i r t u a l e n t e r p r i s e , v e )等全新的 概念。 而且随着制造业技 术、 计算机技术、 网络技术等的不断发展， 虚拟制造技术在 制造业中的地位越来越高， 并且已 经成为各国 致力研究的热点之一。 现在， 虚拟制造 技术已经在工业应用、学术研究及软件支持方面取得了显著的成果。 1 .2虚拟制造 1 .2 . 1虚拟制造的概念 虚拟制造是一种正在发展中的技术，到目 前为 止还没有形成一个完善的理论体 系， 所以 世界 上对虚拟制造还未做出一个统一的定义， 研究人员分别从各自的研究角 度出发，给出了各具特色的描述，其中较具代表性的有以下几种: k im u ra 的 定 义 为 z 51 : 虚 拟 制 造是 指 通 过对 制 造 知识 进 行 系 统 化 组 织与 分 析， 对 整个制造过程建模， 在计 算机上进行设计评估和制造活动仿真. 他强调通过用虚拟 制 造模型对制造 全过程进行描述， 在实际的物理制造之前就具有了 对产品 性能 及其可制 造性的预测能力。 绪论 硕士学位论文 l a w r e n c e a s s o c i a t e s 8 ,9 3 1 则认为: 虚拟制造是 一个集 成的、 综合的可运行制造环境， 其目的是提高各个层次的决策与控制。 美国 w ri g h t 空军 实 验室 6 ,13 1则 对 虚 拟制 造 作出 了 如 下 定 义 : 虚 拟 制 造建 立 在 计 算 机建模、 分析和仿真技术的基础之上， 它是对这些技术的综 合应用。 这种综合应用增 强了各个层次的设计 制造、生产决策与控制能力。 佛罗里达大学的 g l o r i a j wi e n s 定义为6 , 1 5 1 虚 拟制 造是这样一个 概念， 即与实际 一样在计算机上执行制造过程， 其中虚拟模型是 在实际 制造之前用于 对产品的功能 及 可制造性的 潜在问 题进行预测。 该定义强调 v m 应与实际 一样， 基于 “ 虚拟模型”， 目标是 “ 预测”。 清 华 大 学的肖 田 元 教 授等 给 出 的 定 义为 5 ,6 ,9 3 : 虚 拟 制 造 是 实 际制 造 过程 在 计 算 机 上的本质实现， 即采用计算机仿真与虚拟现实技术， 在计算 机上实现产品开发、 制造、 以及管理与控制等制造的 本质过程，以 增强制 造过程的决 策一控制能力。 从以 上定义我们可以 看出， 虚拟制造综 合运用了 计算机仿真、 建模、 优化等多 种 技术， 对产品的 全生命周期， 即从 概念设计、 产品工艺设 计、 生产准备和制造、 售后 服务等整个过程进行建 模， 形成一个可运行的 虚拟制造环境， 以 软件技术为 支撑， 借 助于高性能的 硬件，在i n t r a n e t/ i n t e m e t 上:生成数字化产品，对实际 制造过程进行动 态模拟。 在虚拟制造过 程中， 可以 在无实际 物理 制造系 统参与的 况下， 对产品的性能 进行预测，在开发过程中可以 及早地发现问 题， 及时地进行反馈和更正， 并依托于 i n t r a n e t / i n t e rn e t ， 使产品的整个制造过程具有高度的并行性，通过虚拟制造， 可以 节 约生产制造成本， 缩短产品开发 周期。 1 .2 .2虚拟制造的体系结构 根据上述分析， 虚拟制造的体 系结构16 主要由 虚拟制造技术和虚拟企业两部分组 成， 这两部分通过模型库和数据库紧密地联系在一起， 而模型库与数据库通过系 统集 成了 知识库和资源库，并 且与 i n t e r n e t 相连接，具体如图1 . 1 所示。 由 此可 见， 虚拟制造提供了将相互独立的 制造技术集成 在一 起的虚拟环境， 这一环 境小到虚拟加工设 备， 大 到虚拟生 产线 和生产车间， 甚至虚拟工厂. 在这个环境中 ， 工艺 工程师或制造工程师可以 通过观察零件在虚 拟设备和车间 的加工过程，在设计的构思 阶段就能及时地将设计评价反馈给设计工程师， 同时也可帮助制造工程师设计出更合 理的工艺过 程， 获得更科 学的生 产调度 计划和管理的数据。 硕士学位论文面向虚拟制造的铣加工仿真技术研究 1 .2 3 虚拟制造的分类 根据 l a w r e n c e a s s o c ia te s in c 在1 9 9 4 年 8 月 编 辑的“ 虚 拟 制 造 用户 研 讨 会” 报 告中 ， 把虚拟制造从产品的 设计、生产和组织管理方面分为三类3 .5 .6 . 9 3 1 . 图1 . 1 虚拟制造的 体系结构 ( 1 )以 设计为中 心的虚拟制造 这类研究是将制造信息 加入到产品 设计与 工艺设计过程中， 并在计算机中进行数 字 化 制 造， 仿 真 多 种 制 造 方 案 ， 检 验 其 可 制 造 性、 可 装 配 性， 即 面向 装 配的 设 计 ( d e s ig n f o r a s s e m b l a g e . d f a )， 预测产品性能和成本。目的是 通过 “ 仿真制造” 来优化产 品 设计、工艺 过程， 及时 发现识别与设计有关的潜在问 题和判断其优缺点。 ( 2 )以生 产为中 心的 虚拟制造 这类研究 是将仿真能 力加入到生 产计 划模型中， 其目 的是方便快捷 地评价多种生 绪论 硕士学位论文 产计划， 检验新工艺流程的 可行性， 产品的生产效率， 资源的需 求情况， 进而达到优 化制造 环境的配置和生产的供给计划。 ( 3 )以控制为中心的虚拟制造 这类研究是将仿真能力增加到控制模型中， 提供对实际生 产过程仿 真的 环境， 目 的是在考虑车间控制 行为的 基础上， 评估新的或改进的产品设计 及与车间生产相关的 活动， 从而 优化制造过程， 改进制造系统。 以 设计为中心的虚拟制 造在设计阶段为设计者提供设计信息; 以 生 产为中心的虚 拟制造在生产计划期间使用虚 拟技术来优化生产过程; 以 控制为中心的 虚拟制造在虚 拟中 利用了 机床的控制模型。三者之间的关系如图1 . 2 所示【 6 7 ) . 根据这一结构， 虚拟制造将各种独立的制造技术集成 在一个虚拟环境当中， 在这 一环境中， 制造工程师通过观察零件在虚拟设备和虚拟车间的 加工情况， 在设计的初 始阶段 就可以将对设计的评 价反馈给设计工程师， 从而设计出更 合理的 工艺过 程和更 科学的生产调度和管理计划。 图1 .2 三种虚拟制造方式之间的 关系 1 .2 .4虚拟制造的研究意义 从虚拟制造的定义可以 看出它的实质是利用建模与仿真技术对制造业进行的全 方位改 造， 它是属于多学科、 多 领域无缝集成仿真的范畴， 它具有如下的特点和优势 阁。 ( 1 ) 运用软件对制造系统中的五大要素 ( 人、组织管理、 物流、信息流、能 量 流) 进行全面仿真， 使之达到 前所未有的高度集成， 通过产品 模型、 过程模型和资 源 模型的组合与匹配来仿真特定制造系统中的设 备布置、 生产活 动、经营活动等行为， 从而确保产品开发的可行性、 合理性、 经济性和高适应性， 为先进制造技术的进一 步 发展提 供了 更广阔的空间，同时也推动了 相关技术的 不断发展 和进步。 ( 2 ) 使用全数字化的产品环境。 通过数 字化产品模型反 映产品从无到 有再到 消 亡、 从抽象概念化到具 体形式化的 整个演变过程， 与全数字化的最终产品相关的 全部 硕士学位论文面向 虚拟制造的铣加工仿真技术研究 信息: 采用数字样机 ( d i g i t a l p r o t o t y p e ) 代替传统的 物理样 机 ( p h y s i c a l p r o t o t y p e ) ， 具有真实产品所具有的 特征， 技术人员和用户能够对其进行分析， 使得用户在制造实 物之前即可评价其美观度、 可制造性、 可装配性、 可维护性、 可回收性及产品的各项 技术性能等， 保证产品开发的 成功。 ( 3 ) 使用分布式的 协同 工作环境，使得分布在不同 地点、 不同部门、不同专业 背景的 人员可以 在同一个产品 模型上协同 工作， 交流和共享信息; 与产品有关的各种 设计信息、 过程信息、 资源信息以及各种知识均可以分布式存放和异地获取; 工程技 术人员可以使用位于不同地点上的各种应用工具软件。 ( 4 ) 可靠地预测产品 研发的成本、 风险和进度， 大大提高决策水平。 具体说来， 可以 缩短生产周期， 提高可负担性、 可生产性、 提高柔性和快速响 应能力， 加强与用 户的 联系. 生产方案的实施往往涉及到大量的资金投入， 风险很大， 稍有不慎就会给 企业带来巨大的经济损失。 当前市场竞争日 益激烈， 如何能够降低风险就成为企业关 注的热点。 虚拟制造允许企业决策者直观地评判各种生产方案的优缺点， 作出最优决 策。 ( 5 ) 虚拟制造技术的 应用将加快企业人才的培养速度。我们都知道， 模拟驾驶 对驾驶员、飞行员的培养起到了良 好的 作用，虚拟制造也会产生类似的作用。 ( 6 )可以实现绿色制造。绿色制造是一个综合考虑环境影响和资源效率的现代 制造模式， 其目 标是使得产品 从设计、 制造包装、 运输、 使用到报废的整个产品生命 周期中，对环境的影响 ( 负作用)最小，资源的使用效率最高。 总之， 虚拟制造技术的 广泛应用将从根本上改变现行的 制造模式， 对相关行业也 将产生巨 大影响。 可以 说， 虚拟制造技术决定着企业的未来， 也决定着制造业在竞争 中能否立于不败之地。 1 . 2 . 5虚拟制造涉及的关键技术 虚拟制造是在计算机技术、 网络信息技术、 微电子技术、 机械加工技术以 及数学 运算方法等高 度发展的基础上产生的， 是这些新技术新方法相互结合的产物. 它所应 用 的 核 心 技 术 主 要是 建 模 技 术 、 仿 真 技 术 和 虚 拟 现 实 技 术 4 ,5 ,8 ,9 3 ( 1 ) 建模技术 虚拟制造的建模技术是对现实制造系统的生产能力、 生产特性的描述、 产品加工 过 程中的 各类实体对象的 描述、 加工过程中的各种工艺参数以 及影响制造功能的 产品 设 计属性等的描述， 这种描述就是对现实制造系统的建模， 具体包括产品的立体几何 模型、 物理模型、 加工过程模型、 工厂运作模型等， 通过建模使现实制造系统形式化、 计算机化。 建立合理的模型， 是在计算机上得到正确仿真结果的前提。 值得一提的是， 绪论硕士学位论文 在虚拟制造中所建的产品模型不仅要表达产品的几何拓扑、特征、功能等静态特性， 还应具有动态结构， 以反映在不同阶段产品结构、 功能的 变化， 使建立在模型基础上 的仿真更符合实际生产. 因 此， 虚拟制造系统的建模应包括: 生产模型、 产品 模型和工艺模型的信息体系: 1 ) 生产模型可归纳为静态描述和动态描述两个方面，静态描述是指系统生 产能力和生 产特性的描述。 动态描述是指在己知系统状态和需求特性的基础上预测产品生产的全 过程; z ) 产品 模型是制造过程中， 各类实体对象模型的 集合;3 ) 工艺模型是将工艺 参数与影响制造功能的产品设计属性联系起来， 以反映生产模型与产品模型之间的 交 互作用。 工艺模型必需具备以 下功能: 计算机工艺仿真， 制造数据表， 制造规划， 设 计模型以 及物理和数学模型。 ( 2 ) 仿真技术 虚拟制造的仿真是在对制造系统和产品、生产过程等建 模后， 在计算机上运行和操作此模型，仿真的过程就相当于 在计算机上实施生产产品的全过程，包括产品设计，选择加 工工艺方法、工艺参数、确定装配工艺等，通过仿真，可以 了解产品设计和制造过程的可行性，显示装配结果和连接部 件间的 连接情况、运动部件的 运动特性等。 在仿真过程中 不 需要一台 机床，不会有一片切屑，就可以 及时发现加工、 装 配过程中存在的问题，从而修改模型，优化设计制造过程， 再进行仿真，直到满意的结果为止。由 于计算机的运行速度 很快，且仿真只是运行模型，并不是对实际的物理系统进行 操作，所以 可以缩短产品的开发周期，避免资金、人力和时 间的浪费，降低成本。 仿真的基本步骤:研究系统*收集数据*建立系统模型 一确定仿真算法*建立仿真模型、运行仿真模型*输出结果 并分析，如图1 . 3 所示。 ( 3 )控制技术 研究系 统 搜焦数据 建立系统模型 确定仿真算法 建立仿真模型 运行仿真模型 输出结果 并分析 图 1 _ 3 仿真步骤 控制技术是指建模过程、仿真过程所用到的各种管理、组织与控制技术和方法。 其主要包括: 模型部件的组织、 调度策略和信息交换技术: 仿真过程中的工作流程与 信息流程控制: 集成动态、 分布式、 协作模型等的集成技术; 设计过程中的冲突求 解 技术; 虚拟制造环境下， 产品开发过程中的 调度与控制机制的 研究， 以 及面向 产品开 发过程的组织与管理等问题的控制等。 ( 4 ) 支撑技术 支撑技术是指支持虚拟制造系统开发、 控制与运行的 基础性技术。 主要包括: 数 6 硕士学位论文 面向虚拟制造的铣加工仿真技术研究 据库技术; 人工智能 在制造企业各级组织、 产品全生命周期的各个阶段决策中应用的 研究; 系统集成技术; 分布式决策支持技术; 综合可视化技术 ( 虚拟现实技术、 实体 的 三维建模技术、 计算机仿真和多媒体技术) 在虚拟制造环境中的应用: 计算机网络 及通讯技术等等。 ( 5 ) 虚拟现实 技 术 ( v i r tu a l r e a li t y t e c h n o l o g y , v r t ) 虚拟现实技术是在为改善人与计算机的交互方式，提高计算机可操作性中产生 的， 它是综合利用计算机图 形系统， 各种显示和控制等接口 设备， 在计算机上生成可 交互的三维环境 ( 称虚拟环境)中提供沉浸感的技术。 由图形系统及各种接口 设备组成的 虚拟现实系统包括操作者、 机器和人机接口 三 个基本要素。 它不仅提高了 人与计算机之间的 和谐程度， 也成为一种有力的仿真工具。 利用v r s ( v i r t u a l r e a l i t y s y s t e m ) 可以 对现实世界进行的 动 态 模拟， 通过用户的交互 输入，井及时按输出 修改虚拟环境，使人产生身临其境的感觉。 以 上所述是实施虚 拟制造所必需的关键技术， 但要更好地实现虚拟制造， 还必须 对产品生产全生命周期中的 全局信息进行管理， 这就是产品 数据管理技术( p r o d u c t i o n d a t a m a n a g e , p d m) ， 该 技术是以 产品 数据的 管理为核心， 通过计算机网 络和数据 库技术， 把企业生产过程中 所有与产品 相关的信息和过程进行集成管理， 即通过把产 品设计、 分析、 制造、 工艺规划、质量管理、销售、 顾客反馈意见等信息集成，与产 品有关的 所有数据或部分数据可以在企业内 部或外部得到共享， 生产的 各个环节可以 并行进行并得到有效的控制。 1 .2 . 6虚拟制造国内 外的研究概况 由 于虚拟制造技术具 有诱人的应用前景， 促使发达国家对其进行了深入研究， 并 已出现许多成功的应用范例。 国 外以 美国为首的西方发达工业国家成立了相应的虚拟 制造研究机构，在1 9 9 5 年前已 基本完成基础技术的研究， 建立了 虚拟制造技术体系， 正向实际应用全面过渡。 比 如说美国波音 ( b o e ing ) 公司设 计的v s - x 虚拟飞机， 可 用头盔显示器和数据手套进行观察与控制， 使飞机设计人员身临 其境地观察飞机设计 的结果，并对其外观、内部结构及使用性能进行考察;美国戴姆勒一 克莱斯勒 ( d a i ml e r c h r y s l e r ) 汽车公司开发的9 3 l h 系列汽车， 采用虚拟制造技术后， 开发时间由原来的4 8 个月 缩短到3 9 个月;美国摩托罗拉 ( m o t o r o l a ) 公司自1 9 9 4 年起使用虚拟产品开发技 术， 用于传呼机和手机的 研发。 该公司还将此技术用于技术 人员的在岗培训:世界最大的工程机械和建筑设备制造商一 美国卡特彼勒 ( c a t e r p i l l a r ) 公司将虚拟制造技术用于样机内 部可视性评价，1 9 %年推出的反 铲装载机便是其研究开发成果;日 本m a t s u s h it a 公司开发的 虚拟厨房设备制造系统， 绪论硕士学位论文 允许消费者在购买商品前， 在虚拟的厨房环境中体验不同 设备的功能， 按自己的喜好 评价、 选择和重组 这些设备， 选择结果将被存储， 并通过网 络发送至生 产部门 进行生 产。 我国自 1 9 9 6 年开始虚拟制造技术的跟踪研究，并日 益引 起我国 科技工作者的关 注。1 9 9 8 年8 月， “ 虚拟制造技术研讨与演示会” 在北京举行，标志着该领域的研究 己 经初具规模。 2 0 0 5 年3 月份，上海理工大学宣布成立虚拟制造技术研究院。这是继 清华大学c i ms 工程研究中心虚拟制造研究室在国内 最早开展虚拟制造研究以 来又一 个成立的进行虚拟制造技术研究的机构。 据不完全统计， 目 前全国已 有三十多家科研 机构、 高等院校和企业正在开展v m技术方面的研究。 国家8 6 3 / c i ms 主题组也将 “ 制 造系统的可视化、 虚拟建模与仿真” 确定为研究重点。 国家自 然科学基金也有专门的 研究课题。 国内以 清华大学、 上海交大为主的高等院校正在开展基础技术研究， 正处 于理论体系初步研究阶段。 国内的研究则主要集中在虚拟制造基础研究、 产品虚拟设 计技术、产品虚拟加工技术、虚拟制造系统四个方面。 1 . 3数控仿真 随 着微电 子技术、 计算机技术和自 动控制技术的飞速发展， 数控技术得到了 相应 的提高。特别是p c 机进入数控系统后，使数控系统由 封闭型向开放型的体系结构转 化， 数控技术已 应用在各种各样的 机床上， 形成了 数控车床、 数控铣床、 数控磨床等， 并发展了 工 序集中的 复 合数控机床( 加工中 心 ) ， 开发出了 f m c ，从而为 f m s 和c i m s 奠定了 基础。数控技术广泛应用于制造业的各部门，己成为先进加工技术的基础。 数控加工仿真是指数控机床在虚拟环境中的映射， 它集制造技术、 机床数控理论、 计 算机 辅助 设计 ( c o m p u te r a id e d d e s i g n . c a d ) 、 计 算机 辅 助制 i a ( c o m p u te r a i d e d ma n u f a c t u r i n g . c a m ) 和建模与仿真技术于一体。能够凭直觉感知计算机产生的 三维 仿真模型的 虚拟环境， 在设计新的方案或更改方案时能 够在真实制造之前在虚拟环境 中进行零件的数控加工， 检查数控程序的正确性、 合理性， 对加工方案的优劣做出 评 估与优化， 从而最终达到缩短产品开发周期、 降低生产成本、 提高产品 质量和生产效 率的目的。 目 前的数控加工仿真主要是n c 切削过程仿真， 而n c 切削过程仿真又可以 分为几 何仿真和力学仿真两个方面。 几何仿真不考虑切削参数、 切削力及其他物理因素的 影 响， 只仿真刀具一 工件几何体的运动，以 验证n c 程序的正确性。 它可以 减少或消除因 程序错误而导致的 机床损伤、 夹具破坏或刀具折断、 零件报废等问 题， 同时可以 减少 从产品设计到制造的时间，降低生产成本。 切削过程的力学仿真属于物理仿真范畴， 它通过仿真切削过程的 动态力学特性来预测刀具破损、 刀具振动， 控制切削参数， 从 硕士学位论文 面向虚拟制造的铣加工仿真技术研究 而达到优化切削过程的目 的。 几何仿真技术的发展是随着几何建模技术的发展而发展 的， 包括定性图形显示和定量干涉验证两方面。目 前常用的方法有直接实体造型法、 基于图像空间的方法和离散矢量求交法等等。 根据在仿真过程中的数据驱动是采用c l ( c u tt e r l o c a t i o n ，即 刀位) 数据还是采 用n c 代码，数控加工仿真还可分为两类:一类是基于后置处理前的数据 ( c l 数据) 所进行的仿真，即基于c l 数据的数控加工过程仿真:另一种是基于后置处理所产生 的 n c 程序而进行的仿真，即 基于n c 程序的数控加工过程仿真。 基于c l 数据的仿真不考虑切削参数、切削力及其物理因素的影响，只仿真工件 刀具的运动， 主要目 的 是检验刀位轨迹的正确性， 以 保证零件的加工质量。 这类仿真 方法开展得比较早，到目 前为止己 有一些比较成熟的理论和商品化软件。 基于n c 程序仿真的主要用途则可以概括为三个方面: n c 程序的正确性检验与优 化， 操作工培训， 碰撞检验。由于驱动数控机床运动的是 n c 指令， 所以基于n c 程序 的加工过程仿真比 基于c l 数据的加工过程仿真更接近实际， 但也由 于在仿真过程中 考虑了加工环境，从而增加了仿真难度。 1 . 4本课题研究的主要内 容 1 . 4 . 1 本课题的来源 本课题来源于总 装备部“ 拟实制造的关键技术” 预研项目 。 该预研项目 主要研究 虚拟制造系统中的虚拟加工技术， 要开发一个可重组、 可重用和可扩展的虚拟制造系 统。 该系统可使操作者快速根据需要构建出所期望的虚拟加工设备并组成虚拟加工环 境， 在该虚拟加工环境中对产品加工进行全方位模拟仿真， 对工艺参数的合理性、 产 品的加工质量等做出 评价，从而达到降低新产品开发成本、缩短开发周期等目的。 1 . 4 . 2本课题的研究内容 本文的主要研究内容包括: 第一章:介绍虚拟制造的相关概念及目 前国内外的发展状况。 第二章: 对本文所要研究的 仿真系统进行总体规划，设计仿真系统的具体功能， 建立系统的总体框架，给出系统的设计流程。 第三章: 研究数控仿真系统现有的几种1 l 何建模方法， 通过对比总结， 提出 本文 所 采用的 几 何 建 模方 法: 并 介绍 系统 采 用的 工具 一 o p e n g l 的 相 关 概 念。 第四 章: 建立三维 仿真场景的 o p e n g l 仿 真环境， 设计 n c 代码编译器。 在此基础 绪论 硕士学位论文 上设计三维场景的图形模型模块及加工模块。 第五章: 对本文所做的工作进行总结和展望， 提出改 进方法及今后需进一步研究 的工作。 1 . 4 3本课题的研究意义 研究本课题具有以下意义: ( 1 )本课题跨越计算机控制、机械、数学建模与仿真等多个学科，是一个多学 科交叉的前沿课题，具有较高的理论研究意义。 2 )本系统在科研生产和教学实践中具有很强的实用性。它将既可以用于制造 企业的实际生 产加工仿真， 也可用于企业或教育部门的 技能 培训， 减少数控人才的 培 训费用和周期。 ( 3 )本课题的基础研究具有一定的前沿性。加工过程仿真是虚拟制造技术的基 础， 虚拟制造技术使厂家可以在不同的 城市甚至不同的国 家通过i n t e r n e t / i n t r a n e t 进行 设计、 加工， 共享同 一产品模型， 从而大大提高了劳动生产率，降 低成本。 虚拟制造 的概念， 集中 体现了 仿真技术应用的 分布、 交互和集成化趋势， 是计算机应用技术在 制造业中的扩展。 硕士学位论文 面向虚拟制造的铣加工仿真技术研究 2虚拟铣加工仿真系统的总体设计 数控铣床是采用铣削方式加工的数控机床。 铣加工是指在加工零件的过程中， 刀 具做旋转运动而工件做平面运动的一种加工方法， 其加工能力很强， 能够铣削各种平 面轮廓和立体轮廓零件， 如凸 轮、 模具、 螺旋桨等。 数控铣床和普通铣床相比， 具有 自 动化程度高、加工精度高和生产效率高等优点。 虚拟数控铣床加工 仿真就是通过计算机建立虚拟环境， 用三维模型来动画仿真现 实的数控铣床的 加工过程。 虚拟数控加工仿真能为数控编程和操作人员提供可靠、 直 观的观察、 编辑和分析n c 代码的手段， 它可以 提供完整的 加工环境、 加工过程及结 果分析等内容。 2 . 1铣加工仿真系统的功能目 标 数控仿真系统能够应用于企业的生产实际，可以缩短零件从设计到加工的时间， 检验零件设计的正确性、 工艺规程的有效性和数控程序的正确性， 提高零件加工的质 量，减少制造成本。 数控铣削加工过程主要是数控铣床在n c 程序的驱动下带动刀具对毛坯进行切削 加工从而形成零件的过程。 要对数控铣削加工过程进行仿真， 必须要有加工对象和被 加工对象。 加工对象包括数控铣床、 刀具和夹具等设备; 被加工对象包括要加工的零 件和相应的n c 程序;加工过程的实现包括n c 代码的识别、编译，刀具和工件的显示， 以及图形的动态变化 ( 即刀具和工件相交后的布尔运算)。 因此， 本数控系统仿真软件的设计目 标是: 在一个友好的仿真界面中实现三维场 景的建立， 数控程序的导入、 编译和修改以 及加工过程的动态图形实时仿真。 在整个 数控铣床仿真系统中， 本文将要研究的问 题主要有:三维环境的建立、 n c 代码的识 别 ( 即 n c 代码转化成驱动刀具加工的驱动数据，刀具轨迹的生成)、铣削加工的动 态仿真等。 综上所述， 本数控仿真系统预期的功能主要有: ( 1 ) 对输入的 数控程序进行分析、识别、编译。 ( 2 ) 提供用户操作界面，使用户能够输入仿真所需要的参数。 ( 3 )根据编译结果，对该程序所控制的加工过程在屏幕上进行动态仿真。 ( 4 ) 提供对数控程序进行编辑的功能，以 便用户根据演示结果随时对数控程序 进行修改、保存。 2 虚拟铣加工仿真系统的总体设计硕士学位论文 2 .2铣加工仿真系统的设计流程 本文开发的仿真系统和其他仿真系统有着相似的开发流程， 包括了 系统分 析、 总体框架的构建、 系统建模、 算法设计、 程序设计、 程序检验等步骤， 系统具体的 开 发流程见图2 . 1 所示。 图2 . 1 仿真系统开流程图 2 . 3铣加工仿真系统的总体结构 硕士学位论文面向虚拟制造的铣加工仿真技术研究 2 . 3 . 1铣加工仿真系统的设计原则 一般情况下，所要 研究的铣加工仿真系统要满足制造业对数控仿真系统的要求， 同时能够为数控编程人员和操作人员提供友好的、 直观的操作界面， 可靠的编辑和分 析n c 代码的 手段， 完整的加工环境、 加工技术和可靠的加工结果。 因此，铣加工仿真系统的设计，必须要符合以 下的设计原则和条件: ( l ) 准确性: 能够准确表达数控加工环境的主要对象和加工过程的功能和特点， 符合系统设计的 要求和目 标。 ( 2 ) 有效性:在保证数控仿真系统功能和特点的前提下，简化系统结构，能够 使设计和建立的系统安全可靠并且有效. ( 3 ) 实用性:能够满足实际工作中 对数控加工过程仿真的要求， 使得所设计的 数控加工过程仿真系统具有实用价值。 ( 4 ) 指导性:能够实现铣削加工过程的动态仿真， 对现实的生产和工艺规划具 有一定的指导意义。 ( 5 ) 效率性:数控加工过程的仿真是一个复杂的过程， 如果建模和算法复杂、 程序冗长， 在有限的 计算机资源下， 势必影响系统仿真的速度和效率。 因此， 必须进 行优化设计， 主要是要优化仿真建模的 算法、数据结构等来保证系统的 运行速度。 ( 6 )开放性:开放结构意味着使用者可以 对系统进行二次开发，可以对系统进 行修改和用户化以 满足其特殊需要， 而不是一种封闭的、 不可变动的 系统。 数控系统 正朝着开放式数控系统的方向发展， 数控仿真系统应具备可扩展性能够为后续的功能 升级和二次开发提供接口。 2 .3 .2虚拟数控铣加工仿真系统的总体结构 数控系统加工的过程主要是数控机床在n c 程序的驱动下带动刀具对毛坯进行铣 加工从而形成零件的过程。 要对数控铣加工过程进行仿真， 首先必须建立虚拟加工环 境， 包括加工对象和被加工对象。 虚拟加工环境是实际的加工系统在不消耗能源和资 源的计算机虚拟环境中的 完全映射， 其必须与实际 加下系统具有功能和行为上的一致 性。 一个虚拟加工环境，主要包括虚拟加工设备模型、 工件毛坯模型、 n c 代码编译 模块、铣削过程仿真模块等，这些模型和模块在n c 代码驱动下相互协同工作，完成 工件的加工成型: 其次是实现对数控加工过程的仿真，主要包括动态显示切削过程、 加上刀具与其它设备的碰撞检测以及 n c 程序的检验与优化。 因此，我们所设计的数控铣加工仿真系统的总体结构图如图2 .2 所示。 0)几何建模 2 虚拟铣加工仿真系统的 总体设计硕士学位论文 几何建模包括加工设备的几何建模、 零件的几何建模以及夹具的 几何建模。 根据 加工设备、 零件、 夹具的结构、 几何信息， 在进行分解和抽象后， 生成它们的三维信 息，并将它们存储到相应的结构中。 于是， 可以 得到几何建模的结构图， 如图 2 . 3 所 示。 图2 .2 仿真系统的总体结构图 图2 .3 几何建模功能图 ( 2 ) 文件编辑器 文件编辑器用来实现对n c程序的编辑与存储， 用户可以在n c文件编辑框里面 直接对n c文件进行新建、打开、编辑、修改 及保存等操作，其功能如图2 .4 所示。 编 辑 器 型 1 s tir打 开日i n 图2 .4 复制i i枷 占 i i删除】 !保存 文件编辑器功能图 硕士学位论文 面向 虚拟制造的铣加工仿真技术研究 ( 3 ) n c代码编译器 n c代码编译器主要解决n c代码的识别问题，并能把n c代码编译成程序可以 执行的指令等。 n c代码的识别主要是指程序能够自 动地识别出 代码中的各种数控加 工系统中的命令字， 并 在此基础上判断这些代码是否符合n c 代码的书写要求， 如果 有错误，指出出错的语句。 n c代码的编译是指能够把输入的代码编译成仿真系统能 够识别的中间代码， 从而能使仿真程序加工出 如n c 代码所要求的产品来， 功能如图 2 . 5 所示. 图 2 . 5 n c 代码编译器功能图 ( 4 ) 加工环境设置 加工环境设置主要是 对o p e n g l 运行所必需的 环境进行设置， 包括o p e n g l 句柄、 o p e n g l 像素、 o p e n g l 串口 风格等等的设 置。 ( 5 ) 加工过程仿真 加工过程仿真主要完成加工过程的具体仿真。 它的基本过程如下: 首先由n c代 码编译器对n c 代码进行分析编译， 转化成本程序能 够识别的 代码; 根据生成的代码 指令使刀具沿要铣削的目 标工件轨迹运行， 将刀具和工件进行布尔差运算， 实时显示 工件加工不同的状态过程。可见，加工过程仿真是整个仿真软件的核心部分。图2 .6 给出了铣削加工仿真过程的结构图。 图2 . 6 铣削过程仿真的结构图 z 虚拟铣加工仿真系统的总体设计硕士学位论文 2 . 4本章小结 本章在分析了 铣加工仿真系统的设计开流程的基础上， 提出了 铣加工仿真软件系 统的总 体结构， 并简单地介绍了 总体结构中 各功能模块所要完成的工作， 为本仿真系 统的下一步研究打下了基础. 硕士学位论文面向 虚拟制造的铣加工仿真技术研究 3虚拟铣加工仿真系统关键技术研究 数控加工仿真中的 核心问 题就是仿真加工过程中的图形模拟实现以及加工后零 件的检验效果。因此，在数控仿真系统中， 建模技术、 仿真算法、 n c 代码编译技术 被称之为数控加工仿真的 关键技术. 其中，建模技术是实现仿真系统的前提和关键， 仿真算法关系到系统的整体效率， 代码编译完成了n c 代码到系统所需要的刀位数据 的转换。 3 . 1常见的几何建模方法 建模技术是将现实世界中的物体及其属性转换为计算机内 部数字化表达的原理 和方法。 在 c a d / c a m 中，建模技术是定义产品在计算机内 部表示的数字模型、数 字信息以 及图形信息的工具， 是产业信息化的源头， 它为产品设计分析、 工程图生成、 数控加工编程与加工仿真、 数字化加工与装配中的 碰撞千涉检查、 生产过程管理等提 供有关产品的信息描述与表达方法， 是实现计算机辅助设计与制造的前提条件， 也是 实现c a d / c a m一体化的核心内容。 在数控加工仿真中， 建模主要集中在三个部分: 毛坯体建模、 工件体建模和刀具 体建模。 其中毛坯是加工对象， 工件是加工目 标， 刀