（机械制造及其自动化专业论文）虚拟制造中加工中心切削过程仿真系统的研究与开发.pdf

天津大学硕士学位论文 摘要 切削过程仿真属于以制造为中心的虚拟制造中的一部分，借助于虚拟现实技 术和仿真技术，模拟实际的切削加工过程，对数控加工程序的正确性进行检验， 以减少或替代现场试切这一环节。本文在分析和研究现有研究成果的基础上，针 对立式铣削加工中心的特点，主要对以下几个方面进行了深入的研究： 1 、采用层次化建模的方式，将加工中心分解成部件、零件和基本体素，组 成建立了机床的三级装配树，建立了立式铣削加工中心的几何模型。在几何模型 的基础上，运用矩阵运算的知识，建立了立式铣削加工中心的运动模型。在几何 模型的搭建中，提出了自动换刀装置( a t c ) 的几何结构模型。 2 、在分析数控加工代码的特点和代码编译器的原理的基础上，设计了本系 统的代码编译器，其中包括词法、语法分析模块以及数据处理模块。本代码编译 器的设计采用数控系统中的真实插补算法进行加工离散点的计算，取代了以往仿 真系统中的基于小时间片的离散计算方法。 3 、刀具数据库的有效管理方法。在现有立铣刀螺旋线模型理论的基础上， 利用边界表示方法和o p e n g l 技术，构建了具有真实感的立铣刀实体模型。在分 析刀具特点的基础上，利用o d b c 数据库知识，实现了对刀具的管理功能，能 够完成刀具的查找、编辑、添加、删除。 4 、采用基于小长方体的z 向离散方法建立零件模型和刀具仿真模型，通过 零件和刀具在z 轴方向上的一维布尔运算来实现工件的切削，在加工过程中可以 对工件进行多角度地观察，并且实现了刀具与工件互动的真实性仿真。同时，提 出了自动换刀运动的简单动画表示方法。 关键词：虚拟制造加工中心切削仿真自动换刀几何建模 天津大学硕士学位论文 a b s t r a c t c u t t i n gs i m u l a t i o ni sap a r to fv i r t u a lm a n u f a c t u r i n g ，w h i c hs i m u l a t e sa c t u a l l y c u t t i n gp r o c e s sb ym e a n so fv i r t u a lr e a l i t ya n ds i m u l a t i o nt e c h n o l o g y i tc a l lv e r i f y t h en u m e r i c a lc o n t r o l 州c ) m a c h i n ep r o g r a m si no r d e rt or e d u c eo rr e p l a c et h et e s t p r o c e s s i nt h i sp a p e r , b a s e do n t h ea n a l y s e sa n di n v e s t i g a t i o no f c u r r e n ta c h i e v e m e n t s o f v e r t i c a lm i l l i n gc e n t e r , f u r t h e rr e s e a r c hh a sb e e nd o n ei nt h ef o l l o w i n ga s p e c t s 1 d i s a s s e m b l em a c h i n i n gc e n t e ri n t op a r t s ，a c c e s s o r ya n dc o m p o n e n t sb y h i e r a r c h i c a lm o d e l i n gf u n c t i o n t h e s et h r e ep a r t sc o m p o s et h et h r e el e v e l sa s s e m b l i n g t r e eo ft h em a c h i n et o o l s ，a n di nt h i sw a y , t h eg e o m e t r ym o d e l i n go fv e r t i c a lm i l l i n g c e n t e ri sf o u n d e d t h em o v e m e n tm o d e l i n gi sf o u n d e db ym a t r i xo p e r a t i o nb a s e do n i t sg e o m e t r ym o d e l i n g t h eg e o m e t r ys t r u c t u r em o d e l i n go f a t ci sp u tf o r w a r di nt h e p r o c e s so f b u i l d i n gt h eg e o m e t r ym o d e l i n g 2 t h i ss y s t e mc o d ec o m p i l e r , b a s e do na n a l y z i n gt h ec h a r a c t e ro f n cc o d ea n d t h et h e o r yo fc o d ec o m p i l e r , i sd e s i g n e d t h i sc o m p i l e ri n c l u d e sa n a l y s i sm o d u l eo f a c c i d e n c e ，e x p r e s s i o na n dd a t ap r o c e s s i n gm o d u l e t h i sc o m p i l e ra d o p t sr e a l i n t e r p o l a t i o na r i t h m e t i co fn cs y s t e m , r e p l a c i n gt h ed i s p e r s ec a l c u l a t i o nm e t h o d b a s e do ns m a l lt i m es l i c ea n c i e n t l y 3 a v a i l a b l em a n a g e m e n to f t o o ld a t a b a s e t h es o l i dm o d e l o f e n dm i l l i n gc u r e r w i t ht h i r dd i m e n s i o ni sf o u n d e db yb - r e pm o l d e rm e t h o da n do p e n g lt e c h n o l o g y t h i sc u t t e rm o d e li sb a s e do ne x i s t i n gt h e o r yo fh e l i xm o d e l t h em a n a g e m e n to f c u t t e r b a s e do na n a l y z i n gt h ec h a r a c t e ro fc u t t e r , i sr e a l i z e du s i n go d b cd a t a - b a s e k n o w l e d g e t h i sm o d u l ec a na c c o m p l i s ht h el o o k u p ，e d i t i n g ，a d d i n ga n dd e l e t i n g 4 t h ep a r tm o d e la n dc u r e rs i m u l a t i o nm o d e l ，w h i c hi sb a s e do nz - o r i e n t a t e d s m a l l c u b o i dd i s p e r s i n gm e t h o d ，i sf o u n d e d t h ec u t t i n gp r o c e s si sr e a l i z e dt h r o u g h t h eo n e - d i m e n s i o n a lb o o lo p e r a t i o nw h i c hh a p p e n so nt h ez - o r i e n t a t e db e t w e e nt h e p a r ta n dc u t t e r i nt h ec u t t i n gp r o c e s s ，t h em u l t i - a n g l eo b s e r v a t i o n t o p a r t a n d a u t h e n t i cs i m u l a t i o no ft h em o v e m e n tb e t w e e nc u t t e ra n dp a r tc a nb er e a l i z e d a tt h e s a m et i m e ，t h es i m p l ec a r t o o ne x p r e s s i o nm e t h o do f t h em o v e m e n to fc h a n g i n gc u t t e r a u t o m a t i c a l l yi sp u tf o r w a r d k e y w o r d s ：v i r t u a lm a n u f a c t u r e m a c h i n i n gc e n t e r m i l l i n gs i m u l a t i o na t c g e o m e t r ym o d e l i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得垂盔盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 签字日期：z 年年j 2 月2 口同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权基盎盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 签字同期：2 斗年2 月幻只 导师签名 签字同期易舻，t 月沙同 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 3 0 6 0 年代，制造业追求的是规模效益。美国首先提出了大规模、大批量、 流水线生产，以更大的经济实力去占领市场，降低经营风险。其代表是福特和通 用两大汽车公司，他们生产的产品占领了7 0 的美国市场。这时欧洲的企业家没 有意识到美国人创造的生产方式的优势和竞争性，整整耽误了近一代人的时间， 使得美国迅速成为世界头号工业大国。 7 0 年代，制造业更加重视降低产品制造成本，以日本为代表，特别是丰田 公司，发展了准时生产和精益生产方式，摒弃了流水线生产中所存在的库存大、 周转慢的现象，在不太大的批量下，仍然能够获得低成本和高效益。 8 0 年代，为适应市场和用户的要求，产品质量是企业界和制造商们的主要 追求目标，因此相应地实施发展了质量控制技术和全面质量管理技术。质量观点 从符合性质量发展到适用性质量，近年来又向满意性质量发展。 9 0 年代以来，对市场的快速响应( 交货期) 成为工业发达国家竞争的焦点。 于是敏捷制造、智能制造、虚拟制造等新概念、新的生产组织方式、新的生产模 式相继出现。企业的柔性和快速响应市场的能力成为竞争能力的主要因素。虚拟 制造技术就是针对企业竞争的需求而发展起来的一项新技术。它于8 0 年代提出， 在强调柔性和快速的前提下，随着计算机技术，特别是信息技术的迅速发展，在 9 0 年代得到人们的极大重视，并获得迅速发展的“3 。 1 2 虚拟制造简介 虚拟制造( v i r t u a lm a n u f a c t u r i n g ) 技术是以虚拟现实技术和计算机支持的 仿真技术为前提，对产品设计、工艺规划、加工制造等生产过程进行统一建模， 模拟由产品设计、制造到装配的全过程，在产品的设计阶段实时、并行地模拟出 产品未来生命周期过程及对产品设计的影响，对设计和制造过程中可能出现的问 题进行分析与预测，提出改进措施，预测产品性能、产品制造技术、产品的可制 造性，实现产品从开发到制造整个过程的优化，达到降低产品生命周期、减小开 发风险，提高经济效益的目的”3 。 第一章绪论 1 1 2 1 虚拟制造系统构成与体系结构 虚拟制造系统是现实制造系统在虚拟环境下的映射。根据二者之间的对应关 系，可将其分为虚拟物理系统( v i r t u a lp h y s i c a ls y s t e m , 以下简称v p s ) 和虚拟 信息系统( v i r t u a li n f o r m a t i o ns y s t e m ，以下简称v i s ) o “”“1 。 v p s 由现实世界中的物质实体在虚拟空间的映射组成，是现实实体的抽象模 型。这些实体可以是材料、零部件、产品、机床、夹具、机器人、传感器、控制 器等。当制造系统运行时，这些实体以特有的行为和作用相互影响。v p s 中的抽 象模型与现实实体一一对应，具有与真实实体相同的性能、行为和功能。 v i s 涉及到的是关于信息的知识，包括制造过程中的相关信息、信息处理和 决策活动，如设计、规划、调度、控制、评估等信息。这些信息中既有静态信息， 也有动态信息。图卜1 表达了虚拟制造与真实制造之间的关系“1 。 虚树告i 诰 制造环境模型 j 产品模型i虚拟原理ll 制造资源模型i 工i王 t j 旱活动 任务组织 l 产品设计ll 制造准备li 生产管理 l 工： i 原型与产品il 制造资源l i 制造环境i 真实制造 图1 - 1 虚拟制造与真实制造 在产品的开发角度上，虚拟制造实际就是在计算机上全面仿真产品从设计到 制造、装配的全过程，贯穿产品的整个生命周期。与真实产品的生命周期一样， 虚拟制造过程覆盖了产品从设计、工艺规划到加工制造各个阶段。根据这三个阶 段可以将虚拟制造系统划分为以设计为中心的设计主导型w l s 、以生产为中心的 生产主导型v m s 和以生产过程控制为中心的控制主导型v m s 三个子系统“。 第一章绪论 ( 1 ) 设计主导型v m s 设计主导型v m s 子系统将制造信息引入到设计过程，利用仿真来优化产品设 计。其功能主要是概念设计和可制造性评估，包括加工过程的工艺分析、铸造过 程的热力学分析、运动部件及整机的热力学分析等。通过输入系统产品的构思， 系统完成概念设计、详细设计和可制造性评估后得到产品的数学模型，然后对该 模型进行工艺计划和产品规划，完成成本估算。 ( 2 ) 生产主导型v m s 生产主导型v m s 在生产过程中融入仿真技术，主要是用于制定工艺计划和生 产计划，规划资源要求，对所制定的计划进行评估，其主要目标是评价可生产性。 生产主导型v m s 的核心工作是通过对多种方案进行评估以确认最终的合理方案。 典型应用是在设计生产线、仓库、贮运系统甚至工厂的布局中，采用虚拟现实技 术，动态预演生产过程。 ( 3 ) 控制主导型v m s 控制主导型v m s 主要是仿真实际生产过程，包括加工过程仿真和生产流程仿 真两个层次。前者可以评价一个已制定的工艺规程的优劣，并且在此基础上做适 当的改进和优化，同时还可以预测工件的加工质量，为产品设计和工艺设计人员 提供有用信息。控制主导型v m s 的核心工作是将产品设计、工艺规划与生产计划 和作业计划进行集成。 从企业的生产角度，虚拟制造可划分为虚拟加工、虚拟生产、虚拟企业三个 层次，分别具有如下的体系结构”“”： ( 1 ) 虚拟加工平台 该平台进行产品的可加工性分析，是众多仿真分析软件的集成，具有以下研 究环境： 产品设计与分析，除几何造型和特征造型外，还包括运动学、动力学、热 力学分析环境； 基于仿真的零部件制造设计与分析，包括工艺规程优化、工具设计优化、 刀位轨迹优化、控制代码优化等； 基于仿真的制造过程碰撞干涉检验和运动轨迹检验： 材料加工成形仿真，包括温度场、应力场、流动厂分析、工艺优化等； 产品虚拟装配，通过人机交互方式利用三维模型真实地模拟装配过程，检 验产品的可装配性。 ( 2 ) 虚拟生产平台 该平台支持生产环境的布局设计及设备集成、远程虚拟测试、企业生产计划 及调度优化，进行可生产性分析。包括虚拟生产环境布局、虚拟设备集成及虚拟 第一章绪论 计划与调度等方而。 ( 3 ) 虚拟企业平台 该平台以虚拟企业的形式为敏捷制造提供可合作性分析支持，其中的虚拟企 业协同工作环境支持异地设计、装配与测试，而虚拟企业动态联盟及支持运行环 境用于i n t e r n e t 与i n t r a n e t 下的系统集成与任务协调。 ( 4 ) 基于p d m 的虚拟制造平台集成 基于产品数据管理( p r o d u c td a t am a n a g e m e n l ，p d m ) 的虚拟制造集成技术提 供p d m 环境下以上三个平台的集成研究环境及其相互接口技术和过程管理技术， 实现虚拟制造环境下产品开发全生命周期的过程集成。 1 2 2 虚拟制造系统国内外研究现状 虚拟制造最早出现在西方发达国家，为适应现代制造业高智能化、高效及高 自动化的要求而出现。迄今美、日等工业发达国家已投入了大量的人力、物力进 行虚拟制造系统的研究与开发， 目前在一些新产品的方案设计、工程分析、生产加工等局部或全部应用领域 均已有虚拟制造系统成功应用的范例。例如，在流体力学、空气动力学或应力分 析等涉及大量繁杂数据的分析时，采用虚拟制造技术可以使工程师们以新的方式 来体验分析的结果。美国国家宇航局( n a s a ) 建立的原型风渝系统为飞行器和汽车 等产品的空气动力学分析提供了直观的手段。操作者通过b o o m 显示器和数据手 套与仿真情景进行交互，直接观察气流流动情况。操作者改变角度进行观察并改 变自身与环境的大小比例。 在生产加工过程方面，美围d e n e b 公司推出了数控加工过程仿真软件v n c ， 它利用虚拟制造技术，提供了一个真正的三维环境来模拟机床和c n c 控制器进行 工艺与加工的过程。操作人员日j 以象操作实际机床一样与虚拟设备进行交互，评 价刀具与参数的配置、预测功率、检查干涉与碰撞。 克莱斯勒公司从1 9 9 4 年开始对汽车车体进行无纸化设计，1 9 9 8 年汽车发动 机也全部实现了无纸数字化设计。产品开发周期从3 6 个月缩短到2 4 个月。实施 虚拟制造的产品应用对象除通常的零部件外，也包括生产过程、客户服务及使用 工具等。 波音7 7 7 飞机的设计制造过程就是应用虚拟制造技术进行产品创新设计的 一个较为成功的范例。波音7 7 7 采用了全数字化设计，包括整机设计、部件测试 和整机装配。所有的开发和测试都采用并行工程方法，实时地、远距离网络化和 全集成地进行。利用虚拟现实技术进行各种条件下的模拟试飞。工程师们在工作 站上实时采集和处理数据并及时解决设计问题。使得最终制造出来的波音7 7 7 飞 站上实时采集和处理数据并及时解决设计问题。使得最终制造出来的波音7 7 7 飞 第一章绪论 机与设计方案误差小于0 0 0 1 英寸，保证了机身和机翼一次对接成功和飞机一次 上天成功。整个设计制造周期从8 年缩短到5 年。 我国对虚拟制造的研究和应用也已经开展起来。国家自然科学基金和国家高 技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 等都有专门的研究课题，清华大学、国家c i m s 工程研究中心正在建立支持产品生产全过程的虚拟制造平台。浙江大学也正在开 展体元和面元混合建模的c a d 系统研究和面向产品创新设计的新一代c a d 系统开 发。随着对虚拟制造技术研究的逐步深入，相应i o 软硬件设备性能价格比的改 善，特别是制造业应用需求的发展，虚拟制造技术必将在2 1 世纪的产品创新设 计中发挥越来越重要的作用。 虚拟制造是面向21 世纪的企业发展战略和模式。虚拟企业( 或企业动态联 盟) 是实现虚拟制造的主要途径。虚拟企业强调充分利用社会上已有的设计、制 造资源，通过组织动态联盟，快速响应市场变化，把握市场机遇。它克服了传统 企业的封闭性、局限性和设计、制造能力的不完备性，减少了资源的重复投入， 缩短了生产准备周期，提高了产品从设计、制造到销售全过程的整体柔性和敏捷 性增强了企业( 群体) 的竞争能力。目前有关虚拟制造、虚拟企业的研究与实践 活动己在世界范围内蓬勃展开，现代企业向虚拟企业、虚拟制造发展已是历史的 必然。 1 3 数控 q - i - 过程仿真的研究 自1 9 5 2 年第一台数控机床诞生以来，几乎所有品种的机床都实现了数控化， 数控机床以其高性能、高精度与高自动化的特点而发展迅速。那些利用传统方式 不可能加工出来的复杂、精密零件在现代化的数控机床上可以很便捷地制造出 来，这极大的带动了世界范围内高新技术产业的发展，但随之也出现了数控程序 是否正确的问题。 数控加工过程隐含在数控程序中，数控程序中的错误不容易发现，无论是手 工编程还是c a d c a m 自动生成，总会不同程度地存在错误。为此，传统上常采用 刀具轨迹显示法和机床试切法对数控程序进行校验，但两者都有缺点。 刀具轨迹显示法就是以绘图工具( 如铅笔) 代替刀具，以纸代替毛坯来仿真刀 具运动轨迹。这种方法由于其运动形式仅限于二维平面，因此局限性大，缺少真 实感，刀具与工件的干涉和过切现象难以发现。 试切法就是在机床上试切一个材料，以此来验证并修改一些关键程序。这种 方法对于大型复杂工件来说，是极为繁杂的，而且调试周期长，成本高。 针对以上问题，目前许多研究人员正从事关于数控加工过程仿真的研究。数 控加工过程仿真属于以制造为中心的虚拟制造中的一部分，借助于虚拟现实技术 第一章绪论 和仿真技术，建立加工零件毛坯、夹具及刀具在加工过程中的几何模型；然后将 加工零件毛坯、夹具的几何模型及刀具的几何模型进行快速布尔运算( 一般为减 运算) ；最后采用真实感图形显示技术，把加工过程中的零件模型、夹具模型及 刀具模型动态地显示出来，以模拟零件的实际加工过程。其特点是仿真过程的真 实感较强，基本上达到了试切等传统走刀轨迹的验证效果，大大提高了数控机床 的有效工时和使用寿命。 在数控加工三维仿真中，两个并行发展的研究领域是切削加工几何仿真和切 削过程物理仿真。几何仿真从形式上表现为在计算机上虚拟执行加工过程，实现 机床一刀具一工件构成的工艺系统在视觉上进行的切削加工活动，在计算机上反映 机床的外形、控制面板、操纵方法、运动方式、工件的运动与装夹，刀具的运动 轨迹等。几何仿真主要用于验证n c 程序的正确性，即可检验n c 程序控制的刀位轨 迹是否符合加工要求，有无过切或欠切，又可检验干涉秘碰撞，避免了耗时、费 力的试切过程。物理仿真在实际加工过程进行之前分析与预测各参数的变化及干 扰因素对加工过程的影响，揭示加工过程的实质，分析工件加工质量，辅助在线 检测与在线控制，分析具体工艺参数下的工艺规程质量，进行工艺规程的优化。 物理仿真的主要内容包括加工过程中实际切削力的变化规律、整个工艺系统的动 态变化特点、刀具磨损、工件的加工质量、工艺参数对加工质量的影响及危险、 异常情况如切削颤振等的预测等方面“”。在这个领域中，几何仿真的研究是最为 成熟的，目前国内外都有大量成熟的软件上市。 国外在数控加工过程仿真方面做了许多研究工作，如美国m i s s o u r i r o l l a 大学提出的c n c 机床微机仿真软件，通过二维图形显示刀具轨迹和毛坯在刀具运 动时形状的改变来确定n c 程序是否正确。日本索尼公司研制的f r e d a m 系统可对 球头刀加工自由曲面进行仿真，显示三维刀具轨迹与零件模型。意大利b o l o g n a 大学用b 样条曲面建立端铣刀与工作台模型，采用真实感图形显示三轴铣床粗加 工过程。 国内在这一方面也做了不少工作。如华中理工大学开发的n c p v s s 系统，具 有n c 铣削加工过程仿真功能，即通过生成刀具轨迹，由三维动画显示n c 加工过 程，由此发现n c 程序错误。此外，还有同济大学研制了n c 程序微机动画仿真系 统，哈尔滨工业大学开发了n c m p s 系统，大连理工大学开发的c v b s i m u 仿真系统， 以及合肥工业大学开发的n c g a p t 4 系统。 1 4 课题的提出和主要内容 1 4 1 课题的提出 随着计算机技术的发展和数控仿真研究的深入，科学工作者发现尽管在该领 6 第一章绪论 域已经取得了定的成果，但还有许多不足之处，或者说还有很多值得改进或继 续研究的领域。大多数现有软件中的几何仿真都仅是表现刀具和工件互相作用的 过程，而忽略了周围环境( 机床、刀具、夹具、工件和照明) 对仿真效果的影响； 同时由于投有采用真实感造型的方法或对其应用的不够而影响了最终的仿真效 果，造成仿真过程中的真实感比较差，影响了操作者的心理感受，从而减弱了仿 真效果。 目前已经有大量的论文对车床和铣床的几何仿真系统进行了研究。但是，针 对加工中心的研究还比较少。主要是因为，加工中心在几何模型的搭建和运动过 程的处理上，与单纯的铣床和车床相比，都较为复杂；自动换刀过程的复杂性也 影响了加工中心仿真系统的开发。另外，本试验室已经自主开发了数控车床和数 控铣床的几何仿真系统，但是还没有对加工中心切削过程仿真系统进行深入地研 究。 针对数控仿真领域和本试验室的研究现状与不足，在已有研究成果的基础 上。本课题进一步研究和开发加工中心切削过程仿真系统，使其具备虚拟环境的 真实感、切削过程的逼真感，并且对自动换刀装置及其运动过程进行了初步的研 究。 1 4 2 课题的主要内容 本课题隶属于制造系统的物理动态仿真及其虚拟现实模式项目( 国家自 然科学基金项目5 0 1 7 5 0 8 1 ) ，具有一定的现实意义。本系统以w i n d o w s 2 0 0 0 为开 发平台，采用v i s u a lc + + 软件及三维图形软件标准接口o p e n g l 为工具，研究 和设计了整个虚拟切削的过程。加工中心由机床、零件、刀具和夹具模型组成， 并将其作为加工中心的部件。在此基础上，采用实体造型技术和层次化建模方法， 对机床部件进行进一步几何形状细分，最终将其抽象为基本几何体素。 系统主要由以下几个部分组成： ( 1 ) 虚拟加工环境：虚拟加工环境由机床、工件、刀具和夹具构成，采用 o p e n g l 对机床、夹具、刀具和工件进行特征造型。其中，建立虚拟加工中心 ( v i r t u a lm a c h i n i n gc e n t e r ) ，是虚拟切削过程仿真的关键。并提出了自动换刀 装置( a t c ) 的几何模型。 ( 2 ) 虚拟加工过程：此模块包括数控程序译码、三维动画仿真和干涉碰撞 检验三个模块。数控程序的译码是指通过对n c 代码的解释，检查代码词法、语 法的正确性，获取刀具加工位置和运动趋势等信息，生成刀具运动轨迹数据和显 示辅助功能命令。数控加工过程仿真包括几何仿真和物理仿真两个部分。几何仿 真将刀具与零件视为刚体，不考虑切削参数、切削力及其它因素对切削加工的影 第一章绪论 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和干涉。本课题 的切削过程仿真部分即为几何仿真。 ( 3 ) 虚拟刀具库：提出刀具实体模型和刀具库的表达方法，同时给出刀具 三维实体模型的表达方法。加工中心都带有自己的刀具库，以便于在加工中自动 进行换刀操作，大大节省了调整的时间。因此，对于一个切削过程仿真系统，功 能完善的刀具库是不可或缺的部分。刀具仿真模型的建立和使用是影响加工仿真 实时生和加工性能评价准确性的重要因素。 第二章加工中心仿真系统的总体结构 2 1 引言 第二章加工中心仿真系统的总体结构 计算机技术和仿真技术的发展，给各行各业带来了深刻的影响。把仿真技术 应用于数控加工过程领域，可以解决数控加工中n c 程序检验问题，并可模拟机 床的加工过程，解决碰撞、干涉问题。利用仿真技术可以模拟制造过程，通过计 算机屏幕可以把工件的加工路径描绘出来，使用户能及时发现生产过程中的不足 之处，而且依靠加工前进行检验和对方案进行评估的能力，可使材料消耗和成本 保持最低程度。 设计和建立数控切削过程仿真系统总体结构的依据是制造业对数控加工过 程仿真的功能需求，可大致规划出系统总体设计的基本原则和要求。”： 1 ) 准确性，准确地表达数控加工系统和数控加工过程的功能和特点； 2 ) 有效性，在保证数控加工系统和数控加工过程的功能和特点的前提下， 简化系统结构，使设计和建立的系统可靠而有效； 3 ) 实用性，要满足实际工作中对数控加工过程仿真提出的要求，使设计和 实现的数控切削过程仿真系统具有实用价值； 4 ) 可扩展性，随着科学技术的不断发展，数控的功能将不断加强，而且还 会不断涌现新的引人瞩目的数控系统。所以，设计和建立的数控加工过程仿真系 统要能方便地增添新的数控功能及新的加工环境，以适应新的需求。 2 2 仿真系统的功能描述 基于系统设计的基本原则，对系统的功能规定如下： 加工环境及加工任务定义，即设定特定的加工环境，定义特定的加工任务； 提供加工设备的交互式定义功能，包括设备的装配，运动定义等； 实现切削过程动态的仿真，视觉范围可放大缩小，视觉角度可任意变化； 切削过程动画由n c 代码驱动； 动画显示的对象是整个加工中心，包括用来加工零件的刀具； 对切削过程中可能发生的碰撞情况实时检测，并形成检测报告； 可对n c 代码进行解释，形成驱动信息，在一定程度上能对n c 代码进行优 化。 实现仿真系统的目的是对n c 代码的正确性和有效性进行检验，特别是加工 过程中的碰撞检验，以减少或替代零件试切这一环节。由此，可得到仿真系统的 功能框图，如图2 - 1 所示。 第二章加工中心仿真系统的总体结构 系统管 图2 2 系统的功能模块 图2 - 1 是系统的功能总定义，它表明，本系统是实现零件加工过程的仿真， 受工作方式的控制；本系统的输入( i n p u t ) 是加工模型、被仿真零件的n c 代码： 输出( o u t p u t ) 是零件加工过程状态和零件加工过程的动画；实现本系统的机制 ( m e c h a n i s m ) 是用户、计算机及其网络。 图2 1 是对系统功能的一般性描述，可对系统的基本要求及其外部的关系进 行详细地分解，作进一步的定义。图2 - 1 的分解如图2 - 2 所示。 图2 2 由三个功能模块组成，其中a 1 实现系统管理，系统各级都采用驱动 的方式实现系统管理，整个管理系统采用菜单方式进行操作。在建模命令下进入 a 2 ，该功能模块实现仿真对象的模型建立。仿真对象在这里指的是被仿真的加工 设备、刀具、加工零件等几何模型、运动模型和工艺模型。在仿真命令下，系统 进行仿真模块a 3 。这时系统对n c 程序进行初步检验和转换，输出切削过程动画， 进而形成仿真报告。 第二章加工中心仿真系统的总体结构 2 3 系统的总体结构设计 2 3 1 系统的总体结构 数控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切 削加工从而形成零件的过程。要对数控切削( 加工) 过程进行仿真，首先必须建 立切削的虚拟加工环境，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，其必须与实际加工 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、切削过程仿真模块等，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、加工刀具与其它设备的碰撞检测以及 n c 程序的检验与优化。 根据2 2 仿真系统的功能描述可知，具体的实现过程如下： 首先要建立虚拟加工设备的几何模型，它们是： 机床各零部件的几何模型 机床整体设备的几何模型 刀具的几何模型 夹具的几何模型 其次是建立虚拟加工设各的运动模型，它们是： 机床床身的运动模型 刀具库的运动模型 加工设备的运动模型是建立在它们的几何模型基础上的。 然后要建立被加工工件毛坯的几何模型。 如果要在某一已定义好的数控机床上对菜一被加工工件的切削过程进行仿 真，则要完成以下的工作： 对被加工工件进行装夹 在刀架上装上所需刀具 对n c 程序进行翻译，以驱动数控设备进行加工。 最后是实现对数控切削过程的仿真，主要包括： 动态显示切削过程 加工刀具与其它设备的碰撞检测 n c 程序的检验与优化 综上所述，可以设计出数控切削过程仿真的总体结构，如图2 - 3 所示。 第二章加工中心仿真系统的总体结构 图2 - 3 数控加工实时三维仿真系统的总体结构 2 3 2 系统各模块的关系 在本数控切削过程仿真系统的总体结构中，几何建模模块、刀具建模模块、 装夹建模模块和机床定义模块是系统的基础模块，也是工具模块。其中几何建模 模块和机床定义模块一起可以用于定义各种新的数控机床。刀具建模模块可以用 于定义和管理数控加工中所用到的刀具。几何建模模块和装夹建模模块一起可以 用于定义新的加工工件和新的装夹方式。数控切削过程仿真系统总体结构中的 n c 程序翻译模块、加工设置模块和切削加工过程仿真模块是系统的应用模块和 目标模块。这三个模块对前面四个模块既有一定的依赖关系，又有相对的独立性。 对于已定义好的数控机床、加工工件和刀具，只要进行加工设置和对n c 程序进 行编译便可实现对加工过程的仿真。下面就数控切削加工过程仿真系统的总体结 第二章加工中心仿真系统的总体结构 构中的各模块，利用结构图( s t r u c t u r ec h a r ) 进行详细的设计。 1 、几何建模 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 - 4 所示。 图2 1 4 几何建模的结构图 2 、刀具的建模 可以对大量加工用的刀具的各种信息( 几何参数、标识、类型、物理参数等) 进行定义和管理，它能够实现添加、删除、浏览、检索等功能。对于某一类型的 刀具，其基本形状是一定的，当定义了它的几何参数后，便可以生成相应的三维 实体几何信息。因此，在刀具定义和管理模块中包含有刀具三维信息的定义和修 改模块、查询模块、实体显示模块和存储模块。于是，可以得到刀具定义与管理 的结构图，如图2 - 5 所示。 图2 5 刀具建模的结构图 3 、机床定义 完成机床设备模型的模块组装定义，并对其加工坐标轴的运动进行定义，从 而为数控机床设备模块建立了完整的几何及逻辑上的定义，为加工任务的定义作 好准备。在机床定义模块中包含有几何模型建立和运动模型建立两部分。 4 、加工任务的设置 包括装刀( 刀架预置) ，毛坯及夹具的装载，零偏的设置，从而形成n i 项 目的相应环境。加工任务设置模块中包括上述相应的三大模块，其结构图如图 第二章加工中心仿真系统的总体结构 2 - 6 所示。 图2 - 6 加工任务设置的结构图 5 、切削过程仿真 读取加工工件的n c 程序进行分析处理，并根据n c 程序对加工模型中刀架上 的刀具进行检查，然后根据n c 程序的解释结果进行切削过程仿真，形成动画。 在仿真过程中进一步检验干涉碰撞情况，对出现干涉碰撞处的n c 代码作记录， 形成仿真报告文件，供用户修改n c 程序参考。图2 7 给出了切削过程仿真的结 构图。 2 4 本章小结 图2 7 加工过程仿真的结构图 本章按照数控切削过程仿真系统的设计原则，根据数控切削过程仿真系统的 功能需求及数控切削过程的特点，设计和建立了数控切削过程仿真系统的总体结 构，并分析了系统各模块之间的关系。 第三章虚拟加工中心的建立 3 1 引言 第三章虚拟j j n - r - 中心的建立 虚拟切削是指在数控机床上进行的切削加工过程在虚拟环境下的映射。采用 虚拟加工环境可以为一些零件的加工提供一个试切环境。建立虚拟加工环境主要 就是建立虚拟加工中心的几何模型和运动模型，也就是针对加工中心的特点，设 计出它的几何表示方案和运动表示方案，并给出在计算机内部的表达以及实现这 些方案的数据结构和方法。根据机械加工n c 驱动仿真的要求，建立虚拟加工中 心应满足以下要求： ( 1 ) 准确性。所建立的几何模型要能准确地反映加工中心的结构特点、零 部件的拓扑关系以及关键零部件的几何尺寸和相对位置；要能准确地反映加工中 心的运动特性，零部件的相对运动关系、运动范围，执行零部件的运动结果。 ( 2 ) 一致性。所建立的运动模型的表示方案要尽可能地符合加工中心的自 然结构和运动规律，使得对实现的加工中心模型的有关操作同对真实加工中心的 操作相一致。 ( 3 ) 有效性。在满足准确性和一致性的前提下，尽可能地使仿真模型简化。 表达出加工中心与加工有关的结构和运动，使得在计算机内部表达机床模型方 便，处理简单、显示快速。 3 2 加工中心的组成 加工中心是数控机床的一种，数控机床是装有数控系统的机床。它般由下 列几个部分组成。“： 主机：是数控机床的主体，包括床身、主轴、进给机构等机械部件。 c n c 装置：是数控机床的核心，包括硬件及相应的软件。 驱动装置：是数控机床执行机构的驱动部 件，包括主轴驱动单元、进给驱动单元、 主轴电机及进给电机等。 辅助装置：是数控机床的一些必需的配套 部件，用以保证数控机床的运行，包括液 压和气动装置、交换工作台、数控转台和 数控分度仪，还包括刀具及其监控检测装 置。 编程机及其它一些附属设备。 图3 1 机床组成图 第三章虚拟加工中心的建立 数控机床的上述几个组成部分可以构成图3 - i 所示的关系图。 3 3 虚拟加工中心的几何模型 本节以立式铣削加工中心为研究对象，分析其几何模型和运动模型。由于虚 拟立式铣削加工中心是立式铣削加工中心在虚拟环境中的映射，其模型在组成结 构上应满足与现实加工中心具有一定的可比性，并能满足可系列化、可重用性和 可重组性要求。虚拟立式铣削加工中心一般包括加工中心的型号，主要结构尺寸， y 向导轨的长度、工作行程、刀具库及其刀具的配置等。一个完整的铣削加工中 心结构虽然复杂，但都是由结构和功能相对独立、数量较为固定的部件组成。其 主要部件有床身、立柱、主轴、x 向导轨、y 向导轨、刀库等。为了简化建模过程 和节约计算资源，模型只要能表达出加工中心的形状特征和功能特征即可，一些 与仿真无关的部件可以不予考虑，如加工中心的液压系统、电气系统、保护罩、 排屑系统、冷却系统等“。 3 3 1 几何建模方法的确定 在虚拟加工系统中，建立的几 何数学模型是进行一切分析、计 算、显示、加工、动态模拟等所需 要的几何形状的原始数据，也是工 程人员设计产品全过程的依据和 最终几何结果的表示，它是虚拟加 工系统中的关键功能和关键性软 晦鸯 a ) 线框建模b ) 表面建模c ) 实体建模 图3 - 2 凡何建模方法示意图 件，是任何虚拟加工系统不可缺少的功能。一个完整的几何模型，即包括形体各 部分的几何形状及空间布置，又包括各部分之间的连接关系。前者称为几何信息， 后者称为拓扑结构。按照对这两方面信息的描述及存储方法的不同，三维几何建 模系统可划分为线框建模、表面建模和实体建模三种主要类型“，如图3 2 所示。 近几年，人们在实体建模的基础上，除了对几何实体的尺寸、形状加以描述外， 还附加上工艺信息，例如尺寸公差、表面粗糙度等，研究开发了特征建模技术， 以适应虚拟集成环境的需要，称为特征造型技术。特征造型技术是人工智能技术 应用于实体造型的结果，它表达的产品信息完备，且含有丰富的语意信息。 下面介绍线框建模、表面建模和实体建模这三种类型的基本概念。 1 、线框建模 线框建模是利用基本线素来定义设计目标的棱线部分而构成的立体框架。用 这种方法生成的实体模型是由一系列的直线、圆弧、点及自由曲线组成，描述零 第三章虚拟加工中心的建立 件的外形。线框建模的数据结构是表结构。在计算机内部，存储的是该物体的顶 点及棱线信息，将实体的几何信息和拓扑信息层次清楚地记录在顶点表及边表 中，构成了该物体线框模型的全部信息。 采用线框建模的描述方法所需信息最少，数据运算简单，所占的存贮空间也 比较少，另外，这种建模方法对硬件要求不高，容易掌握，处理时间较短。但是， 线框模型也有局限性。一方面，线框建模的数据模型规定了各条边的两个顶点以 及各个顶点的坐标，这对于有平面构成的物体来说，轮廓线与棱线一致，能够比 较清楚地反映物体的真实形状，但是对于曲面体，仅表示物体的棱边就不够准确 了。另一方面，线框建模所构造的实体模型，只有离散的边，没有边与边的关系， 即没有构成面的信息，由于信息表达不完整，在许多情况下，会对物体形状的判 断产生多义性。 2 、表面建模 表面建模是通过对实体的各个表面或曲面进行描述从而构造实体模型的一 种建模方法。建模时，先将复杂的外表面分解成若干个组成面，然后定义出一块 块的基本面素，基本面素可以是平面或二次曲面，通过多个面素的连接构成了组 成面，各组成面的拼接就是所构成的模型。在计算机内部，表面建模的数据结构 仍是表结构，除了给出顶点表和边表之外，还提供了面表。 由于增加了面的信息，表面建模克服了线框建模的缺点，能够比较完整地定 义三维立体的表面，所能描述的零件范围广。它的局限性在于无法表示零件的立 体属性，这样会给物体的质量特性分析带来问题。 3 、实体建模 实体建模通过定义基本体素，利用体素的集合运算或基本变形操作实现。其 特点在于覆盖三维立体的表面与其实体同时