（机械制造及其自动化专业论文）基于internet的激光切割加工过程的建模与虚拟仿真.pdf

硕士学位论文 摘要 8 0 年代以来，将信息技术应用于制造业，发展先进制造技术成为现代制造业的 必由之路。以信息集成为核心的先进制造技术不断的向更高水平发展，虚拟制造( v m ， v i r t u a lm a n u f a c t u r i n g ) 技术引起了人们的广泛关注，很快在科技界和企业界成为 研究的热点之一。把激光加工技术中应用广泛的切割加工作为虚拟制造的对象，将制 造业的高新技术激光加工和信息技术的热点虚拟仿真结合在一起，具有一定的开拓性 和创新性。它涉及到数控加工技术、激光作用理论、计算机辅助设计及制造( c a d c a m ) 和建模与仿真技术，对该问题的研究具有重要的意义。 本文首先介绍了激光切割和虚拟制造技术，着重介绍虚拟制造的背景、定义、 应用以及虚拟制造与相关技术的联系和区别，并阐述了激光加工的虚拟制造所涉及的 知识领域和研究的意义。 然后介绍了作为虚拟仿真工具的虚拟现实造型语言( v r m l ，v i r t u a lr e a l i t v m o d e l i n gl a n g u a g e ) ，详细说明了v p d l 的语言结构、实现功能，以及与其它相关软 件的组合应用。 接着对激光切割加工过程进行了细致的分析，包括激光和材料的相互作用原理， 激光切割过程中的能量分析和温度场分析，并建立了数学模型，随后分析了主要工艺 参数对激光切割加工质量的影响。 根据前面的分析，使用m e c h a n i c a ld e s k t o p ( 简称m d t ) 作为对激光切割加工 过程模拟的几何建模工具，创建了激光切割机的三维几何实体；之后转换为v r m l 格 式，并用v r m l 在其中加入行为模拟所需的控制程序；接着根据激光切割过程中温度 场的数学模型，结合实验数据和观测结果进行激光切割的物理仿真，从而完成了对激 光切割加工过程的建模和仿真。最后对模拟的结果进行了实验验证，结果表明虚拟仿 真的效果可以用来为生产加工提供指导和帮助。 关键词：激光切割加工，虚拟制造，建模，仿真，v r m l 竺主兰垒釜墨 a b s t r a c t f r o m19 8 0 s ，d e v e l o p i n g t h ea d v a n c e d m a n u f a c t u r i n g t e c h n i q u e ，a p p l y i n g i n f o r m a t i o n t e c h n i q u e s t om a n u f a c t u r e ，h a s a l r e a d yb e c o m et h eo n l yw a yo fm o d e r n i n d u s t r yt h e a d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n i q u em a k i n gi n f o m m t i o n - i n t e g r a t e da st h ec o r e i sc o n t i n u o u sb e i n gd e v e l o p e d s ov i r t u a lm a n u f a c t u r i n gf v r 0t e c h n i q u ew a sp a i dm u c h a t t e n t i o nt oa n dh a sr a p i d l yt u r n e di n t oo n eo ft h er e s e a r c hf o c u si ns c i e n c ea n de n t e r p r i s e a r e a s m a k i n gl a s e rc u t t i n ga st h ev i r t u a lm a n u f a c t u r i n go b j e c tc a ni n t e g r a t el a s e rp r o c e s s a n dv i s u a lm a n u f a c t u r e ，w h i c hh a sq u i t ei n n o v a t i v ea n dc r e a t i v ec h a r a c t e r s t h es t u d y w o r ko ni tr e f e r sn u m e r i c a lc o n t r o lm a n u f a c t u r i n g ，l a s e ra c t i o np r i n c i p l e ，c a d c a m ， m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o nt e c h n i q u e ，t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c h i si l e c e s s a r ya n di m p o r t a n t i nt h i s p a p e r ，l a s e rc u t t i n ga n dv i r t u a lm a n u f a c t u r i n ga r ef i r s t l yi n t r o d u c e d w e d e t a i lt h eb a c k g r o u n d ，d e f i n i t i o n ，a p p l i c a t i o no fv ma n dt h er e l n i o na n dd i s t i n g u i s h b e t w e e nv ma n dr e l e v a n tt e c h n i q u e st h e nt h ea r e a sw h i c hv mo fl a s e rp r o c e s sr e f e r sa n d r e s e a r c hs i g n i f i c a n c ea r ee x p o u n d e d ， s e c o n d l y ，v i r t u a lr e a l i t ym o d e l i n gl a n g u a g e ( v r m l ) w h i c hi s t h et o o lo f s i m u l a t i o n ，i n c l u d i n gs t r u c t u r e ，f u n c t i o na n d t h ec o m b i n i n gu s eb e t w e e nv r m la n do t h e r r e l e v a n ts o f t w a r e s i si n t r o d n c e d t h e nt h ep r o c e s so fl a s e rc u t t i n gi si n v e s t i g a t e da n da n n y z e d t h ei n t e r a c t i v ee f f e c t t h e o r yo fb e t w e e nl a s e ra n dm a t e r i a l ，p o w e ra n dt e m p e r a t u r ec h a n g ed u r i n gm a n u f a c t u r e p r o c e s sa r es t u d i e d a n dt h em a i nf a c t o r st h a t a f f e c tt h e q u a l i t y o fl a s e r c u l l i n ga r e i l l u s t r a t e d b a s e do na b o v e m e n t i o n ，m a t h e m a t i c sm o d e l i sb u i l t ， f o l l o w i n g ，t h et h r e e d i m e n s i o n a l m o d e lo fl a s e r c u t t i n g m a c h i n ei sb u i l tw i t h g e o m e t r i cm o d e l i n gt o o l ，m d t a f t e rt r a n s f o r m i n gg e o m e t r i cm o d e lo fm a c h i n ei n t o v r m l p a t t e r n ，w ea d dc o n t r o lp r o g r a mi ni ti no r d e rt oi m i t a t ec u t t i n gm o v e m e n t b a s e d o nt h em a t h e m a t i c sm o d e la n d e x p e r i m e n td a t a ，p h y s i ca n dc h e m i s t r yc h a n g ei nt h ec u t t i n g p r o c e s si s s i m u l a t e di nt h e e n d ，w ev e r i f yt h er e s u l to fs i m u l a t i o nb yi a s e r c u t t i n g e x p e r i m e n t ，w h i c hp r o v e st h a ti tc a l lc o n d u c ta n da s s i s tp r a c t i c a ip r o d u c t i o n k e y w o r d s ：l a s e rc u t t i n g ，v i s u a l m a n u f a c t u r i n g ，m o d e l i n g ，s i m u l a t i n g ，v r m l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版- 允许论文被查闭和借阅。本人授权江苏大学可以将本学 位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密留 学位论文作者签名：涨韵两 王o o j 年；月j 目 指导教师签名：张批彘 砩年；月7 日 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体。均已在文中以明 确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：3 长朝钿 日期：z 0 0 3 年j月了1 日 硕士学位论文 1 1 引言 1 i 1 激光加工技术 第一章激光切割与虚拟制造 自1 9 6 0 年发明第一台激光器以来，人们对激光的特性进行了研究，并论证了激 光的应用前景。在1 9 6 4 1 9 6 5 年相继发明了c o 。、y a g 激光器后，才进一步证实了激 光加工材料的可行性，这是因为这两种激光器可以产生高的平均功率和峰值功率。经 过物理学家对激光特性和激光束与物质相互作用机理的研究，激光技术的应用领域才 不断明确和具体化。 激光的应用领域根据激光的特性而确定，激光有四大特性：单色性、相干性、方 向性和高能量密度。激光加工就是将激光束照射到加工物体的表面，用以去除或熔化 材料以及改变物体表面性能，从而达到加工的目的，因此属于无接触加工。其主要特 点就是无损性，因此其加工速度快、无噪声。由于光束的能量和光束的移动速度都是 可以调节的，因此可以实现各种加工的目的。由于光束照射到物体的表面是局部的， 虽然加工部位的热量很大、温度很高，但移动速度快，对非照射的部位没有什么影响。 因此，其热影响区很小。例如，在热处理、切割、焊接过程中，加工工件基本无变形。 激光加工不受电磁干扰，与电子束加工相比，其优越性就在于可以在大气中进行。 激光束易于导向、聚焦和发散，根据加工要求，可以得到不同的光斑尺寸和功率密度。 激光束不仅可以聚焦，而且可以聚焦到波长级光斑，这就很小了，因此，用这样小的 高能量光斑可以进行微区加工，也可以进行选择性加工。 激光在加工方面的应用潜力一直受到人们的高度重视。经过多年的开发，激光 加工工艺已形成系列，主要运用于电子工业和机械制造两个领域：在电子工业领域， 激光加工用于电阻微调、基板划片、打标和半导体处理等：在机械制造领域，激光加 工用于切割、打孔、焊接、表面处理( 相变硬化、涂敷、熔凝和合金化等) 、切削加工 等。此外，各种新的激光加工工艺还在不断涌现，如制作三维模型、轧辊刻网纹、增 强电镀、化学气相沉积、物理气相沉积等。 1 1 2 激光切割及其特点 激光切割是一种应用最广泛的激光加工技术。其工业应用始于七十年代初。最初 用在硬木板上切非穿透槽、嵌刀片、制造冲剪纸箱板的模具。随着激光器件和加工技 硕士学位论文 术的进步，其应用领域逐步扩大到各种金属和非金属板材的切割，应用规模也迅速扩 展。激光切割所占材料激光加工的比例超过了5 0 ，就c 0 。激光加工来说，切割的比 例达到8 0 。切割般使用c o ：激光或y a g 激光。c 0 瑚光器，从5 w 的小功率型到9 0 k w 大功率已有系列产品，而切割金属主要是用1 0 0 1 5 0 0 w 范围的。因为输出功率在 i5 0 0 w 以下的振荡模式为单模，割缝宽度可窄到0 1 j 0 2 m m ，切割面也很整洁。而 输出功率在1 5 0 0 w 以上的振荡模式为多模，割缝宽度将近1 m n l ，切割面也稍微沽有污 物。从材料方面看，激光能切割的有塑料、木材、纸张、橡胶、皮革、纤维以及复合 材料等。本文主要阐述c 0 ，激光切割低碳钢及不锈钢等金属材料。”3 。 图i - 1 激光切割示意图 左图是激光切割头的示意图。透 镜将激光聚焦至一个很小的光斑，光 斑的直径般为0 i 0 5 m m 。焦斑位 于待加工表面附近，用以熔化或汽化 被切割材料。与此同时，与光束同轴 的气流由切割头喷出，将熔化或汽化 了的材料由切口的底部吹出。随着激 光切割头与被切材料的相对运动，生 成切口。如果吹出的气体和被切材料 产生放热反应，则此反应将提供切割 所需的附加能源。气流还有冷却已切 割表面、减少热影区和保证聚焦透镜 不受污染的作用。 对不同的材料，切割的方法很多。 大部分切割法在切割时都伴随有热过程，被称为热切割法。热切割法主要有三种：氧 气切割、等离子弧切割和激光切割法。将三种方法比较，就可看出激光切割技术的特 点和优点：6 1 l 。激光切割的功率密度最高，达i 0 6 】0 9 w c m 2 。切缝宽度小，最小可至0 1j i 1 1 ， 一般也在0 1 2 7 o 3 8 m m 范围内，材料的利用率高。并能精确切割形状复杂、有尖角 的零件，尺寸精度可达0 0 5 m m 。 2 因为激光作用时间短，约为o ，1 或0 0 0 1 秒，所以工件变形少，周边热影响 区很小，约为0 0 8 0 1 m ；使氧气切割的i l o ，等离子弧切割的i 6 。 3 只须定位而不需夹紧、划线、去油等准备工序。因不夹紧，工件无机械应力 及表面损伤。 4 适用范围广，能切割易碎的脆性材料，以及极软、极硬的材料；切割淬火钢 2 硕士学位论文 时，可使其硬度保持不变。 5 切口平行度好、表面粗糙度好、切口有棱角，对作冲模有利。切边洁净，可 直接用于焊接( 不锈钢除外) 。 6 加工灵活性好，既能切割平面工件，又能切割立体工件。可从任何一点开始( 先 穿孔) ，切口可向任何方向行进。 7 ，切割速度快，为机械方法的2 0 倍。根据材料厚度和切割速度的关系，在厚 2 0 m m 以下的钢板切割中，激光的切割能力最高。特别适用于中、薄板的高精度、高 速度切割。 8 ，激光切割的深宽比高，对于非金属可达i 0 0 ：1 以上，对于金属也可达2 0 ：】 左右，还可切不穿透的盲槽。 9 无工具磨损，易于数控或计算机控制，并可多工位操作。 1 0 嗓音低，无公害( 带锯噪音常造成公害) 。 11 3 激光切割的发展方向 正是由于激光切割的这些特点和优点，及其在工业生产中的广泛应用，科研人员 和工程技术人员通过不断的研究，推动着激光切割技术在不停的发展变化，其发展的 方向有： 1 伴随着激光器向大功率发展以及采用高性能的c n c 及伺服系统，使用高功率 的激光切割可获得高的加工速度，同时减小热影响区和热畸变；所能够切割的材料板 厚也将迸一步的提高。高功率激光可以通过使用q 开关或加载脉冲波，从而使低功率 激光器产生出高功率激光。 2 ，根据激光切割工艺参数的影响情况，改进加工工艺，如：增加辅助气体对切 割熔渣的吹力；加入造渣剂提高熔体的流动性；增加辅助能源，并改善能量之间的耦 合；以及改用吸收率更高的激光( y a g 激光或c 0 激光等) 。 3 激光切割将向高度自动化、智能化方向发展。将c a d c a p p c a m 以及人工智能 运用于激光切割，研制出高度自动化的激光加工系统。 4 根据加工速度自适应的控制激光功率和激光模式或建立工艺数据库和专家自 适应控制系统使得激光切割整机性能普遍提高。以数据库为系统核心，面向通用化的 c a p p 开发工具，对激光切割工艺设计所涉及的各类数据进行分析，建立相适应的数 据库结构。 5 向多功能的激光加工中心发展，将激光切割、激光焊接、以及热处理等各道 工序后的质量反馈集成在一起，充分发挥激光加工的整体优势。 6 随着i n t e r n e t 和舱b 技术的发展，建立基于w e b 的网络数据库，采用模糊推 硕士学位论文 理机制来自动确定激光切割工艺参数，并且能够远程异地访问成了不可避免的趋势。 1 2 虚拟制造技术 1 2 1 虚拟制造技术的背景 自七十年代以来，信息技术取得了迅速发展，特别是计算机技术，计算机网络技 术，信息处理技术等取得了人们意想不到进步。二十多年来的实践证明，将信息技术 应用于制造业，进行传统制造业的改造，是现代制造业发展的必由之路。8 0 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 i m s ，c o m p u t e ri n t e g r a t e d m a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 开始得到实施：8 0 年代末，以过程集成为核心的并行工程 ( c e ，c o c u r r e n te n g i n e e r i n g ) 技术进一步提高了制造水平；进入9 0 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 m ，v ir t u a lm a n u f a c t u r i n g ) 、精 益生产( l p ，l e a np r o d u c t i o n ) 、敏捷制造( a m ，a g i l em a n u f a e t u r i n g ) 、虚拟企业 ( v e ，v i r t u a le n t e r p r is e ) 等新概念。 在这些诸多新概念中，“虚拟制造”引起了人们的广泛关注，不仅在科技界，而 且在企业界，成力研究的热点之一。原因在于，尽管虚拟制造的出现只有短短的儿年 时间，但它对制造业的革命性的影响却很快地显示了出来，已经出现了许多成功的应 用范例。” 由于虚拟制造系统基本上不消耗资源和能量，也不生产实际产品，而是产品的设 计、开发与实现过程在计算机上的本质实现。虚拟制造是实际制造的抽象，实际制造 是虚拟制造的实例。与实际制造相比较，它具有如下主要特征： 1 高度集成：产品与制造环境是虚拟模型，在计算机上对虚拟模型进行产品设 计、制造、测试，甚至设计人员或用户可“进入”虚拟的制造环境检验其设计、加工、 装配和操作，而不依赖于传统的原型样机的反复修改。因此，应综合运用系统工程、 知识工程、并行工程系统仿真和人一机工程等多学科先进技术，实现信息集成、知识 集成、串并行交错工作机制集成和入一机集成。 2 支持敏捷制造：开发的产品( 部件) 可存放在计算机里，不但大大节省仓储费 用，更能根据用户需求或市场变化快速改型设计，快速投入批量生产，从而能大幅 度压缩新产品的开发日寸间，提高质量，降低成本； 3 分布合作：可使分布在不同地点、不同部门的不同专业人员在同一个产品模 型上同时工作，相互交流，信息共享，减少大量的文档生成及其传递的时间和误差， 从而使产品开发以快捷、优质、低耗响应市场变化。 硕士学位论文 因此，近几年，工业发达国家均着力于虚拟制造的研究与应用。在美国，n i s t ( n a t i o n a li n s t i t u t eo fs t a n d a r d sa n dt e c h n o l o g y ) 正在建立虚拟制造环境( 称 之为国家先进制造测试床，n a t i o n a a d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gt e s t b e d ，n a m t ) ，波 音公司与麦道公司联手建立了m d a ( m e c h a n i c a ld e s i g na u t o m a t i o n ) ，在德国， d a r m s t a t t 技术大学f r a u n h o f e r 计算机图形研究所，加拿大的w a t e r 0 0 大学，比利 时的虚拟现实协会等均先后成立了研究机构，开展虚拟制造技术的研究。， 1 2 2 虚拟制造的相关技术 研究虚拟制造，首先要清楚几个密切相关的技术如：虚拟现实( v i r t u a r e a l i t y ) 、虚拟设计( v i r t u a ld e s i g n ) 和计算机辅助制造( c o m p u t e ra i d e d m a n u f a c t u r i n g ) 的基本概念以及它们之r 司的区别和联系。 虚拟现实是虚拟制造的技术基础。近年来已被越来越多的应用于科学研究，逐渐 被认为是重要的科学探索工具在新产品、新计划和新概念还远没有成为现实之前，人 们就能够以较为现实的方式对其进行观察和探索。它利用多媒体计算机仿真技术构成 一种特殊环境，用户可以通过各种传感系统与这种环境进行自然交互，从而体验比现 实世界更加丰富的感受。 可以用b u r d e ag 在e l e c t r o 9 3i n t e r n a t i o n a l c o n f e r e n c e 上所发表的 “v i r t u a lr e a l i t ys y s t e m sa n da p p c a t i o n s “的文章来描述虚拟现实技术的基本 特征。在这篇论文中，他提出了“虚拟现实技术三角形”。”。 图1 - 2 虚拟现实的三i 图 图卜2 中的三个1 分别为i m m e r s i o n ( 沉 浸) 、i n t e r a c t i o n ( 交互) 和i m a g i n a t i o n ( 想 象) 。这三个i 是虚拟现实系统的三个基本特 征，强调了人在虚拟现实环境中的主导作用。 即人们能够沉浸到计算机系统所表述的环境 中，利用多种传感器和多维化的信息环境进行 交互，从而得到感性和理性的想象、认识。 虚拟制造是在产品投入生产之前，利用虚 拟现实技术对产品进行预先试制，进而发现问 题、改进设计、完善生产工艺及确定和修改其 他围绕产品设计、生产和管理的各项活动规程。它涉及到从底层生产线到企业最高层 的所有生产过程，包括产品的市场分析、开发研究、工艺装配、生产调度、采购供应、 销售及售后服务等各个环节。 硕士学位论文 而虚拟设计与虚拟制造相比从概念上看较为具体，是虚拟制造的一个极为重要的 组成部分。它以机械产品为对象，在设计阶段利用虚拟现实技术，在计算机辅助设计 的基础上帮助设计人员进行设计工作，从而减少实物模型和样机的制造，节省产品的 开发成本、缩短开发周期的设计手段。这项技术使得计算机在产品的辅助设计方面向 前推进了一步，使计算机辅助设计的工作范围从规范性工作向创造性工作的方向迈 进。实践证明：虚拟设计在产品的概念设计、装配设计、人机工程学等方面有着特别 重要的意义。 我们都知道c a d c a m c a e 技术是先进制造技术的重要组成部分，它的三个研究方 向：产品数据管理与并行工程、优化设计与智能设计和基于产品模型的c a d c a m c a e 及虚拟制造中，虚拟制造技术的建模技术与图形仿真技术是基础，产品数据管理和并 行工程需要的数据库技术和通讯技术是核心，智能设计和优化设计是主体。 虚拟制造技术可看作是c a d c a m c a e 集成化发展的最高层次，又是在c a d c a m c a e 技术基础上的发展。一方面，c a d c a m c a e 技术为虚拟制造技术的实现提供了较为成 熟的技术：建模技术、分析优化技术、制造过程仿真技术和分析评价技术、设计分析 评价技术、产品信息集成、转换、共享技术等。特别是特征建模技术在虚拟制造技术 中占有极为重要的地位。另一方面，虚拟制造技术超越了c a d c a m c a e 技术。 c a d c a m c a e 技术主要考虑产品本身信息的集成与建模，而虚拟制造技术还要考虑毛 坯加工过程的建模，等等。“” 1 2 3 虚拟制造的定义及其应用 关于虚拟制造有多种定义： 定义1 ：虚拟制造是仿真、建模和分析技术及工具的综合应用，以增强各层制造 设计和生产决策与控制。( u sa i rf o r c ew r i g h tl a b ) 定义2 ：虚拟制造是与实际过程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。( g l o r i aj w i e n s ，u n i v e r s i t yo ff l o r i d a ) 定义3 ：虚拟制造是利用虚拟现实技术将各种与制造相关的技术集成起来的研究 领域，其范围包括从各种设计子功能，如绘图、有限元分析以及原型生成的集成到对 企业内的各种功能，如计划、加工、控制的集成。( c h e t a ns g u k ae ta l 。，d e p a r t m e n t o fi n d u s t r i a l s y s t e me n g i n e e r i n g ，f l o r i d ai n t e r n a t i o n a u n i v e r s i t y 1 9 9 6 ) 定义4 ：虚拟制造是提供“在计算机上制造”的能力。本质上，虚拟制造最终将 提供建模与仿真环境，其能力足以使任何产品的加工装配，包括有关的制造过程 硕士拳位论文 可在计算机上仿真。( l a w r e n c ea s s o e i a t ei n c ) 综合以上定义，可以认为虚拟制造就是：利用仿真与虚拟现实技术，在高性能计 算机及高速网络的支持下，采用群组协同工作，通过模型来模拟和预估产品功能、性 能及可加工性等各方面可能存在的问题，实现产品制造的本质过程包括产品的设计、 工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验，并进行过程管理与控制。走出仅仅依赖 经验的狭小天地，发展到全方位预报阶段。按照与生产各个阶段的关系，虚拟制造可 分成三类，即以设计为核心的虚拟制造( d e s i g n c e n t e r e dv m ) 、以生产为核心的虚 拟制造( p r o d u c t i o n c e n t e r e dv m ) 和以控制为中心的虚拟制造( c o n t r o l c e n t e r e d v m ) 。 其他，诸如k i m u r a 等提出了以下途径并将之称为虚拟制造：在相关理论和已积 累知识的基础上对制造知识进行系统化组织；在以上分析活动的基础上，对工程对象 和制造活动进行全面建模；在建立真实制造系统前，采用计算机仿真来评估设计与制 造活动；由以上评估来消除不合理结果：对模型进行日常维护来实现高质量的仿真。 7 14 j j l 清华大学国家c i m s 工程技术研究中心的定义：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，在计算机上群组协同工作，实 现产品的设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验，以及企业各级过程的管 理与控制等产品制造的本质过程，以增强制造过程各级的决策与控制能力。 虚拟制造技术的应用已经在许多制造领域创造了成功的例子。波音7 7 7 全面应用 v m 技术其整机设计、部件测试、整机装配以及各种环境下的试飞均是在计算机上完成 的，使其开发周期从过去8 年时间缩短到5 年，甚至在一架样机未生产的情况下就获得 了订单。p e t e rs y s t e mt e a m 利用d e n e br o b o t i c s 开发的q u e s t 及i g r i p 设计与实旄一 条生产线，在所有设备订货之前，对生产线的运动学、动力学、加工能力等各方面进 行了分析与比较，使生产线的实施周期从传统的2 4 个月缩短到9 5 个月。f o r d 和 c h r y s l e r 公司与i b m 合作开发的虚拟制造环境用于其新型车的研制，在样车生产之前， 发现其定位系统的控制及其他许多设计缺陷，缩短了研制周期。由于实旄了虚拟产品 开发策略，f o r d 和c h r y s l e r 将他们新型汽车的开发周期d q 3 6 个月缩短至2 4 个月。 1 1 3 激光加工的虚拟制造 激光加工的虚拟制造是指激光加工在虚拟环境中的映射，属于虚拟制造中的一 种e 它集制造技术、数控加工理论、计算机辅助设计( c a d ) 、计算机辅助制造( c a m ) 和建模与仿真技术于一体。它将制造业的新技术激光加工和信息技术的热点虚拟仿真 硕士学位论文 结合在一起，具有一定的开拓性和创新性，其加工过程的建模和仿真是最基础的工作， 涉及面也很，。因此，对该问题的研究具有十分重要的意义。 对激光加工的虚拟和仿真，将使设计人员能够通过计算机所产生的三维模型及其 运行仿真而感知虚拟的加工环境。在为产品设计新的方案或更改方案时，客户能监视 设计者采用的设计方法，确保设计不会导致浪费或增设不必要的生产过程；可免除制 造实物模型和进行大部分实物测试、试验所需要的费用。能够在真实制造之前进行数 控加工程序的虚拟设计，然后在虚拟的激光加工机上进行零件的数控加工，并对数控 程序加以检验，检查数控激光切割加工过程中可能出现的碰撞、干涉危险，对零件的 加工精度进行评估、预测；分析零件的可加工性和工序的合理性。用虚拟机器进行虚 拟运行，可预测出设计的机器是否会在以后出现维修或运行障碍。虚拟激光加工技术 的采用可缩短产品的开发周期，降低零件的生产成本，改善加工质量和生产效率，提 高产品性能，提高企业的竞争能力和经济效益。 1 4 论文工作概要 由于虚拟制造所涉及的内容广泛，包括产品的设计、工艺规划、加工制造、性能 分析、质量检验，并进行过程管理，因此需要各方面的知识、工作量也非常大。本课 题主要研究的是激光加工过程的模拟仿真，只是虚拟制造中的一个方面，即虚拟加工 在激光切割中的应用。图卜3 是虚拟加工建模和仿真的过程框图。 制 造 系 统 工 程 图 纸 夹具、刀具的几何建模 机床运动部件几何建模 机床运动模型 产品几何建模( 零件，毛坯) 生成n c 代码lln c 代码检验 虚 拟 机 床 实验及有限元分析r 1 加工工艺及运动参数 图l - 3 虚拟加工的建模过程 虚 拟 加 工 过 程 加 工 过 程 仿 真 激光加工的过程是很复杂的，影响的因素很多。要对激光切割的过程进行模拟仿 真就必须对其加工过程进行物理分析、假设，再进行数学建模；然后做实验，将实验 数据和模拟结果相比较，以验证物理仿真模型的可行性：分析误差产生的原因，不断 。 8 n o 软件 二n 兰软件 硕士学位论文 的对物理模型进行修正，最终了解其过程的机理，确定各主要参数之间的相互关系。 国外从八十年代以来有不少学者对此做过研究，美国学者m a z u m d e r 和c h a n d e 从传质和传热两方面提出了三维模型以模拟激光的加工过程。日本大阪大学的 m i y a m o t o 和h m a r u o 对激光切割中所发生的现象的机理进行了分析，仔细研究了切 割面上割纹的形成、熔渣的流动过程和切割中激光和材料的相互作用，提出用移动线 热源的简化模型进行能量平衡的计算。英国爱丁堡h e r i o t w a t t 大学的m ，s g r o b i b l a c k 和w h m u l l e r 根据傅立叶公式和热传导微分方程建立了激光切割过程的温 度场三维数学模型，并借助计算机用有限差分法求解，从而模拟激光切割过程中的温 度变化。i ”8 1 1 ” 国内在激光切割机理的研究方面也取得了很大的进展，华中科技大学的刘建华教 授及杜汉斌博士等通过求解切割前沿的能量平衡方程，分析了切割过程中热传导损失 及热影响区宽度与切割工艺参数之间的数学关系。中科院光电技术研究所的刘顺法等 研究人员用控制容积法对激光加热物体的三维真实边界进行了计算分析。清华大学的 钟敏霖教授对激光切割的理论模型、工艺参数、过程监测和质量控制进行了研究。北 京工业大学国家产学研激光技术中心( n c l t ) 针对激光的柔性加工，研究分析了激光 加工的运动过程，采用面向对象技术，利用a u t o c a d 的二次开发工具a r x ，开发出了 计算机辅助激光加工软件系统，并对激光三维加工轨迹进行了计算机仿真。”o ”1 以上所列举的研究工作主要分为两类，一类是根据实验数据和结果，分析切割的 机理，解释切割过程中的各种能量和状态的变化；另一类是根据能量平衡方程和热传 导公式，建立激光切割物理过程的数学模型，作为模拟仿真的依据。在对激光切割加 工过程进行模拟仿真时，数学模型当然是最重要的，但是在建立数学模型时所确定的 边界情况和假设条件通常对实际加工状况进行了一定的简化；而且切割过程中的有些 变化，如熔池的变化、熔渣的流动以及辅助气体的作用等，都很难用数学模型进行细 致精确的模拟。因此在模拟时以所建立的激光切割物理过程的数学模型为基础，结合 已有的实验数据和结果，在用数学模型进行模拟比较困难时，根据实验数据和实际的 观察结果进行模拟，才能够对激光切割的过程进行全面细致的模拟仿真，达到虚拟加 l 工的要求。 本文在深入研究激光切割加工过程的基础上，利用三维机械设计软件m d t ( m e c h a n i c a ld e s k t o p ) 对激光切割机进行三维建模，用三维动画软件3 d sm a x 作出 激光切割加工的虚拟动画演示；然后根据激光加工过程中材料在颜色、形状、状态上 的变化，利用虚拟现实软件v r m l ( v i r t u a lr e a l i t ym o d e l i n gl a n g u a g e ) 的控制节 点，根据建立的数学模型和实验得到的数据，对加工过程中的温度变化、材料去除进 行动态交互式的虚拟仿真：建立虚拟现实的激光切割加工环境，并能够在i n t e r n e t 硕士学位论文 上对这个虚拟环境进行三维动态观察、浏览。 在硕士学位课题研究中的主要工作是： 1 ) 建立激光切割机的主要部分( 机床) 、各运动部件和激光头( 即刀具) 、夹具 进行三维建模，然后将其装配成一个整体的机床三维模型。 2 ) 对激光切割加工过程进行了详细的分析，包括激光和材料的相互作用原理， 激光切割过程中的能量分析、温度场分析和建立数学模型，以及影响激光切割加工质 量的主要因素。 3 ) 分析激光切割机的运动关系，建立运动模型；把切割加工的数控代码转换成 符合激光切割机运动关系的运动信息( 即激光头的运动轨迹) ，进行行为仿真。 4 ) 根据激光切割的加工工艺对钢板模型进行虚拟仿真加工，其中对被加工材料 的熔点、传导率、吸收率和比热等进行物理仿真，对加工过程中的温度变化、材料去 除和辅助气体进行虚拟仿真。 在攻读硕士学位期间，在国内学术期刊和国内国际学术会议上共有3 篇学术论文 录用待发表，具体如下： 1 汽缸表面处理的新发展一激光珩磨激光技术2 0 0 3 ，l _ 2 特殊曲线在a u t o c a d 2 0 0 0 下的信息识别和圆弧拟合计算机应用2 0 0 2 专刊 3 a u t o c a d 下用v b a 开发机构运动的参数化动态模拟机床与液压2 0 0 3 ，3 本文的其余部分安排如下： 第二章介绍虚拟现实软件v r m l 的关键技术，并对v r m l 与其它相关软件的组合应 用进行了说明；第三章详细分析激光切割的加工过程及其影响因素，对能量和温度场 进行了研究并建立了数学模型；第四章是利用三维建模软件i v l d t 对激光切割机进行三 维几何建模；第五章是激光切割数控加工过程的行为仿真；第六章是用v r m l 实现激 光切割过程的物理仿真以及在使用v p m l 编程中的一些体会，最后是结束语部分，对 全文进行总结。 硕士学位论文 第二章虚拟现实软件v r m l 的特点和主要功能 因为要使用虚拟现实软件v r m l 作为虚拟制造建模和仿真的工具，首先就要了解 虚拟现实是什么。 2 1 虚拟现实的概念 长久以来，人们都在梦寐以求一种可以真实再现现实生活各种场景的想法，并由 此产生了虚拟现实的这一说法。但是许多人对虚拟现实这一概念十分模糊，认为只要 能够提供三维立体感觉的系统就叫做虚拟现实系统。当然这种想法不完全，按当今国 际上流行的定义，一个能够真正意义上实现虚拟现实的系统应当具有以下三个基本要 素：i ，能够给用户以三维立体的虚拟境界i 2 应当给使用者以第一人称的感觉，并有实时任意活动的自由； 3 用户能够通过一些控制装置实时地操纵和改变用户所进人的虚拟境界。 由于人视觉的作用，在现实生活中，我们观察到的都是有景深、有立体感的三维 世界，因此要做到完全模拟现实，仅仅靠简单的平面二维图形是不够的，只有用三维 系统才能真正意义地模拟三维世界，才能给用户一种身临其境的感觉。也就是说，生 成一种三维立体的虚拟境界是构成虚拟现实的一个最基本要素。 在实现了三维场景后，虚拟现实中很重要的一点就是必须给用户种第一人称的 感觉。就是要求我们必须能够把视点移到所构造成的三维场景中的任何一点，就像在 真实世界中您可以随意前进、后退、转弯以得到不同的视角，不同的视角才会造成不 同的场景。 在一个真正的虚拟现实系统中，还应该能够通过对按钮、控件的操作由人按照自 己的思维创造出三维虚拟物体，并按照自己的意愿决定哪些物体是可操作的，哪些是 不可操作的。我们还可以实现一些在现实生活中不能实现的动作行为。 通过软件的方法实现虚拟现实对硬件的依赖性不高，相对来说容易实现，而且其 适用的范围很广。其主要功能包括三维物体的软件生成、实时移动的软件实现、实时 操纵的软件实现。” 2 2 虚拟现实软件v r m l v p d t k 是英文v i r t u a lr e a l i t ym o d e i i n gl a n g u a g e - 一虚拟现实造型语言的缩写。 1 l ， 硕士学位论文 v r m l 的首次提出是在1 9 9 4 年春第一届国际互联网络年会上。与会者一致认为，有必 要建立一个标准来描述三维场景以及i n t e r n e t 的连接，即一个类似于h t m l 的虚拟现 实描述语言。之后，虚拟现实置标语言被提了出来，并着手制定标准。为体现v r m l 三维建模的特点，最后“置标”( m a r k u p ) 被改为“建模”( m o d e l i n g ) 。此后不久，在 i n t e r n e t 上就展开了关于v r m l 第一版本开发和定义的讨论，大多数意见支持在现存 技术上寻求解决方案，最后选择了s g io p e ni n v e n t o r 的a s c i i 文本格式。o p e n i n v e n t o r 格式支持完整描述三维场景的物体、光、材料、环境特性和真实感效果， 它的一个子集及网络功能扩充后就构成了v r m l i 0 的基础。1 9 9 5 年上半年，v r m l i 0 进行了一些修正和说明，但功能基本没变。1 9 9 6 年8 月，发布了v r m l 2 0 。国际标准 化机构同意v r m l 2 0 版本为委员会草案c d l 4 7 7 2 ，并于1 9 9 7 年4 月提交了国际标准 草案文本，这一v r m l 标准草案就是i s o i e c i4 7 7 2 ：1 9 9 7 ，也称v r m l 9 7 。” 使用v r m l ，你能在i n t e r n e t 上设计自己的三维虚拟空间。可以建造虚拟的房间、 建筑物、城市、山脉和星球。你能用虚拟的家具、汽车、人员、飞机或你能想象的任 何东西来填充虚拟的世界，这些仅仅受限于你的想象力。v r m l 最让人兴奋的特征，是 能够使你在i n t e r n e t 上创建动态的世界和感觉丰富的虚拟环境，还包括以下能力： 动画空间里的物体，使它们运动。 在你的空间里播放声音和影像。 允许使用者和你的空间进行交互： 使用脚本来控制、改进你的空间，脚本是你创建的在v r m l 空间里实现动作的 小程序。m 1 i r r m l 的特点 与目前流行的w e b 编辑语言h t m l 相比，v r m l 也是一种解释性语言，只作结构性 描述，具体实现和图形显示留待特定的机器完成。但v r m l 更为直观，且本身