（机械制造及其自动化专业论文）虚拟车削系统关键技术研究.pdf

中文摘要 虚拟车削系统关键技术研究 中文摘要 论文首先对虚拟制造技术作了详细的阐述，并就其国内外的发展状况作了简要 的介绍。根据虚拟制造技术研究的主要内容及其相关技术，以及本课题的要求，对 虚拟制造的底层关键技术虚拟切削技术进行研究，利用计算机技术建立了虚拟 车削系统。 1 、研究了车削系统中各项误差融合及其关键技术，对切削过程中产生的工件与刀具 之间的振动对被加工零件的影响进行了深刻详细的理论研究。 2 、本文以切削力波动刀具振动为研究主线，在分析了动态切削力及其作用的基 础上建立了动态车削力模型。动态车削力主要由四方面因素构成，即静态力即名 义切削力；工件硬度不均匀形成的变切削力；刀具与工件的相对振动使切削层 参数变化时的变切削力；由于切削再生效应引起的再生力。在虚拟加工过程执行 时，瞬时车削力以名义车削力为中心上下波动。在此研究基础上将刀具简化为分别 沿工件径向和轴向振动的单自由度振动模型。在虚拟加工环境中反映了正常切削状 态下车削力的变化特点，同时也为相对振动仿真奠定了基础。 3 、利用m a t l a b s i 叫l i n k 搭建了振动求解系统，在后台进行了振动仿真，并将结果 输出在m a t l a b 白带* m a t 数据文件中，然后在v c + + 中读取仿真数据，进行与其他各 误差的融合，并且显示结果。 4 、通过对m i c r o s o f tv i s u a l c + + 开发，并利用与平台无关的o p e n g l 图形来建立虚拟 加工环境。利用o p e n g l 工具的工作方式和和a c c e s s 数据库，建立了误差融合系统的 工作环境，实现了虚拟车削运行控制、各项参数的输入、修改、删除、查询等。 虚拟切削作为虚拟制造的整个产品开发周期中的关键技术之一，可以在产品的 设计阶段对产品的制造和加工过程进行全面的仿真，对加工性能以及产品的质量进 行系统的评价和预测，从而可以大大缩短产品的开发周期，降低生产成本，实现制 造的敏捷性。这对于提高我国制造业的水品、促进企业效益的提高是十分必要的。 关键字：虚拟制造；加工误差；数学建模；切削振动；误差融合 一 垒! 里堡垒里一 i _ - _ - - - - _ _ _ - _ - _ - _ _ _ 一 t h er e s e a r c ho fk e yt e c h n o l o g yo nt h e v i r t u a lt u r n i n g g r a d u a t en a m e ：m u l i s h a d i r e c t e db yl i s h u j u a np r o f e s s o r a b s t r a c t t h ev i r t u a lm a n u f a c t u r i n gh a sb e e ns u m m a r i z e dd e t a i l e d l yi nt h i sp a p e r ， a n dc o m b i n gt oi t sd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a ld e v e l o p m e n tc o n d i t i o n ，t h e b r i e fi n t r o d u c t i o nw a sm a d e a c c o r d i n gt o m a i nc o n t e n to ft h ev i r t u a l m a n u f a c t u r i n ga n di t sr e l a t e dt e c h n i q u e s ，a n dr e f e r r i n gt h ep r a c t i c a ld e m a n d o fo u rr e s e a r c hp r o j e c t ，w eh a v ec a r r i e do u tt h er e s e a r c ho fv i r t u a lc u t t i n g t e c h n 0 1 0 9 y u s i n gt h ec o m p u t e rt e c h n i q u e ，i ti sv i t a lo f e s t a b l i s h i n gv i r t u a l t u r n i n gs y s t e m e r r o r ss y n c r e t i z i n ga n di t sk e yt e c h n o l o g yh a sb e e n s t u d i e do nt h e v i r t u a lt u r n i n g ，w h i c hh a sb e e na p p l i e df o rt h ed e t a i n e dt h e o r e t i cs t u d yf o r t h ev i b r a t i o nw h i c hi sp r o d u c e db e t w e e nt h ew o r kp i e c ea n dt h ec u r e rm c u t t i n gp r o c e s si n f l u e n c e t h em a c h i n e dp a r t t h i sp a p e rs i m p l i f i e s t h e c u t t i n g - t o o l v i b r a t i o nm o d e l ，a n df o r m st w oi n d e p e n d e n ts i n g l e f i e e n e s s v i b r a t i o nm o d e l sa l o n gr a d i a l d i r e c t i o na n da x i a ld i r e c t i o no ft h ew o r k p i e c e e x c i t i n gf o r c e sw h i c hm a i n t a i nt h ev i b r a t i o n s o fc u t t i n g - t o o la r e c o m p o s e do fr a n d o m f o r c ec o m e sf r o mn o n h o m o g e n e o u s h a r d n e s s0 1 ： w o r k p i e c ea n d v i b r a t i o nf o r c ea n dr e g e n e r a t i v ef o r c eo fc u t t i n g t h ed y n a m i ct u r n i n gf o r c em o d e li nn o r m a lc u t t i n g c o n d i t i o ni s e s t a b l i s h e d t h em o d e lc o n s i s to ff o u rf a c t o r s ：s t a t i cf o r c e ( n o m i n a lc u t t i n g f o r c e ) ，v a r i a b l ec u t t i n gf o r c ew h i c hc o m e sf r o mn o n u n i f o r mh a r d n e s s o f w o r k p i e c e v a r i a b l ec u t t i n g f o r c ef o r m e db yt h ev i b r a t i o no f t h ep a r a m e t e r s o fc u t t i n gl a y e rw h i c hi sf o l l o w i n gr e l a t i v ev i b r a t i o nb e t w e e n t h et o o la n dt h e w o r k p i e c e ，r e g e n e r a t i v ef o r c ei n d u c e db yc u t t i n gr e g e n e r a t i n ge f f e c t w h e n t h ev i r t u a lc u t t i n gp r o c e s si sg o i n go n ，i n s t a n t a n e o u st u r n i n gf o r c ef l u c t u a t e a r o u n dn o m i n a lc u t t i n g f o r c ev i r t u a lm a c h i n i n g r e f l e c t v a r i a t i o n c h a r a c t e r i s t i c so ft u r n i n gf o r c ei nt h en o r m a lc u t t i n g s t a t ea n dl a i d a 虚拟车削系统关键技术研究 f o u n d a t i o nf o rs i m u l a t i o ns y s t e ma n a l y z er e l a t i v ev i b r a t i o n v i b r a t i o ns i m u l a t i o n sw e r ea n a l y z e db ym a t l a b s i m u l i n kr u n n i n g b a c k g r o u n d t h es i m u l a t i o nr e s u l t sw e r ep u ti nd a t a b a s ef i l e ，w h i c h i s e q u i p p e di nm a t l a b ，i nt h ef o r m a to f 蚀m a t ，t h e nt h ed a t ai nt h ef i l ew a s r e a da n dd i s p l a y e di nt h ev c 抖 t h ev 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 tw a se s t a b l i s h e db ye x p l o i t i n g m i c r o s o f tv i s u a lc 十+ a n dm a k i n gu s eo fo p e n g lg r a p h i c sl i b r a r yw h i c h w a sn or e l e v a n tt ot h ep l a t f o r m b yu s i n go p e n g lw o r k i n ga n du s i n g a c c e s sd a t a b a s e ，w o r k i n ge n v i r o n m e n to fe r r o rs y n c r e t i z i n gs y s t e mw a s s e t ，a n dv i r t u a lt u r n i n gr u n n i n gw a sc o n t r o l l e da n da l lk i n d so fo p e r a t i o nw a s m a d ef o rs o r t so f p a r a m e t e r s 。 t h ev i r t u a l m a c h i n i n g ，a s o n eo ft h e k e yt e c h n i q u e s i nt h ew h o l e d e v e l o p m e n tp e r i o d o fp r o d u c t ，c a ns i m u l a t ea n di m i t a t et h ew h o l e m a n u f a c t u r i n ga n dm a c h i n i n go ft h ep r o d u c to nt h ed e s i g ns t a g e ，a n da l s o p r e d i c ta n de s t i m a t em a c h i n i n gp e r f o r m a n c ea n dq u a l i t y o ft h ep r o d u c t ， w h i c hc a ns h o r t e nt h ep e r i o do ft h ed e v e l o p m e n to ft h en e wp r o d u c t i ti s v e r yn e c e s s a r yt ol o w e rt h ep r o d u c i n gc o s ta n dr e a l i z et h ea g i l i t yo ft h e m a n u f a c t u r i n gw h i c hc o u l dh e l pt oi n c r e a s eo u rc o u n t r yi n d u s t r yl e v e la n d p r o m o t et h eb e n e f i to ft h eb u s i n e s se n t e r p r i s ep e r f o r m a n c e k e yw o r d ：v i r t u a lm a n u f a c t u r i n g ；m a c h i n i n ge r r o r ；m a t h e m a t i c sm o d e l i n g ； c u t t i n gv i b r a t i o n ；e r r o r ss y n c r e t i z e 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导 下独立完成的，学位论文的知识产权属于太原科技大学。 如果今后以其他单位名义发表与在读期间学位论文相关 的内容，将承担法律责任。除文中已经注明引用的文献 资料外，本学位论文不包括任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的成果。 学位论文作者( 签章) ：稳雨彷 2 0 0 年 月f 日 7 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 随着全球经济一体化进程的加快，当今制造业企业之间的竞争越来越激烈。企 业要赢得竞争，就要以市场为中心，快速调整自己的产品结构，缩短新产品的开发 周期，提高产品质量并有效地降低生产成本，以满足用户的需要。换句话说，就是 要以最短的产品开发时间( t i m e ) 、最优的产品质量( q u a l i t y ) 、最低的成本( c o s t ) 和价 格以及最佳的服务( s e r v i c e ) ，即“t q c s 去赢得用户和市场；同时可持续发展战略也 要求制造业对环境的负面影响减至最小。面临这些严峻的挑战和前所未有的机遇， 将信息技术应用于传统制造领域成为现在制造业发展的必由之路。目前，产品更新 的速度越来越快，市场需求朝着小批量、个性化方向发展。为了适应市场需求的新 变化，敏捷制造、并行工程、智能制造等新概念、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也成为竞争能力的主要标志。虚拟 制造技术就是在这种背景下于上世纪8 0 年代提出，并在9 0 年代得到了人们的极大 重视，随着计算机技术和信息技术的迅速发展而蓬勃兴起的。虚拟制造技术是以计 算机支持的仿真技术为前提，对产品的设计、加工、装配、使用等过程经过统一建 模而形成的虚拟环境、虚拟过程和虚拟的产品。通过仿真及时地发现产品设计和加 工过程中可能出现的缺陷和错误，从而对产品性能和制造工艺进行优化，提高产品 质量。虚拟制造技术的应用，填补了c a d 、c a m 和生产过程管理之间的鸿沟，在产 品的物理制造过程实现之前，就能使人们了解产品的质量性能或者制造系统的状态， 从而做出前瞻性的决策和优化实施方案，因此可以大大地提高企业的市场竞争力【1 k 1 2 虚拟制造技术概述 1 2 1 虚拟制造基本定义 虚拟制造( v i r t u a lm a n u f a c t u r i n g ，v m ) 的概念最早是由美国人提出的，目前尚无 统一的权威定义。许多学者从不同角度对虚拟制造的内涵进行了探索，并给出了自 己的定义。 定义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f 2 1 。 ( 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 ) 虚拟车削系统关键技术研究 定义2 ：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f 3 1 。( u sa i rf o r c ew r i g h tl a b ) 定义3 ：虚拟制造是一个用于增强各级决策与控制的一体化的、综合的制造环境皿l 。 ( e d w a r dl i n & e t c ，u n i v e r s i t yo fm a r y l a n d ) 。 定义4 ：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【4 】。 综合起来，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 真与虚拟实现技术，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【5 】。 i z 2 虚拟制造的分类 按照与生产各个阶段的关系，文献网将虚拟制造分成三类，即以设计为核心的虚 拟制造、以生产为核心的虚拟制造和以控制为中心的虚拟制造。 1 、以设计为中心的虚拟制造( d v m ) 以设计为核心的虚拟制造把制造信息引入到整个的设计过程，利用仿真来优化 产品设计，从而在设计阶段，就可以对所设计的零件甚至整机进行可制造性分析， 这包括加工过程的工艺分析、铸造过程的热力学分析、运动部件的运动学分析以及 整机的动力学分析等，甚至包括加工时间、加工费用、加工精度分析等。 2 、以生产为中心的虚拟制造( p v m ) 以生产为中心的虚拟制造是在生产过程模型中融入仿真技术，以此来评估和优 化生产过程，以便低费用、快速地评价不同的工艺方案、资源需求规划、生产计划 等。 3 、以控制为中心的虚拟制造( c v m ) 以控制为中心的虚拟制造是将仿真加到控制模型和实际处理中，实现基于仿真 的最优控制，其中虚拟仪器是当前研究的热点之一，它利用计算机软硬件的强大功 能将传统的各种控制仪表，检测仪表的功能数字化，并可灵活地进行各种功能的组 合。 1 2 3 虚拟制造与仿真 仿真是实现虚拟制造的主要手段。仿真是通过对系统模型的实验去研究一个真 2 第一章绪论 实系统，此系统可以是现实世界中已经存在的或已在设计中的系统。传统的仿真不 是真实系统的完全复现，而是根据研究的需要从某些方面对系统进行简化提炼。使 得此模型既可以代表真实系统的本质特征，又可以使以后的仿真工作的实现简化。 虚拟制造的最终实现就是要利用各种不同层次的仿真手段来模拟优化产品设计制造 的过程，、以达到一次设计成功的目的。 1 2 4 虚拟制造深层含义 虚拟制造也可以对想象中的制造活动进行仿真，它基本不消耗显示物质资源， 所进行的过程是虚拟过程，所产生的产品也是虚拟的。 虚拟制造可以分为三个层次巧3 ： 第一层是宏观层，指能够覆盖从产品需求、产品虚拟设计、产品虚拟生产到产 品虚拟消费、报废循环的整个过程，包含产品生产企业的所有活动以及用户的消费 过程，着就需要表达整个系统中物流、信息流、能源流，以及系统各单元间的关系、 约束机制等，是指高层次大系统仿真； 第二层是中观层，指对加工环境的仿真，包含生产系统的虚拟布局、虚拟调度 等生产系统的仿真，也包含零件的加工过程仿真，如刀具轨迹、加工过程仿真等； 第三层是微观层，指加工过程中制造系统被加工件的各种微观特性的变化，如 磨削加工中工件表面状态的变化，铸造( 锻压) 成型过程中材料的微观现象仿真等。 1 3 虚拟制造技术国内外研究概况 1 3 1 国外研究概况 9 0 年代出现的以虚拟制造技术为代表的创新制造技术，迅速地成为科技界和企 业界的研究热点之一。工业发达国家率先进行了虚拟制造的研究和应用。 美国国家自然科学基金会资助伊利诺依大学、西北大学、普渡大学等8 所大学 和工业界联合成立了( m a c h i n et o o l - a g i l em a n u f a c t u r i n gr e s e a r c h l n s t i t u t e ( m t a m r i ) ) 机构进行机械加工过程模型的研究，研究内容包括车、铣、钻等加工形式，涉及到 有关切削力、振动、切屑形成、工件表面质量等诸多方面。将主要内容按机床行为 建模和过程建模两大部分进行。其中虚拟机床的行为建模包括以下六个部分： ( 1 ) 机床拓扑模型( 2 ) 机床运动学模型( 3 ) 机床控制模型( 4 ) 几何误差模型( 5 ) 主轴动态特 性模型( 6 ) 热误差模型 过程建模主要是建立系统响应、工件属性和加工过程之间的关系，包括 以下三个部分： 3 虚拟车削系统关键技术研究 ( 1 ) 切削过程模型( 2 ) 工件属性模型( 3 ) 工装夹具模型 与此同时，美国n a t i o n a li n s t i t u t eo fs t a n d a r d st e c h n o l o g y 在n a t i o n a la d v a n c e d m a n u f a c t u r i n gt e s t e d 资助下也投入了大量的人力物力开展虚拟制造技术的研究和开 发工作，以便为虚拟制造提高支持工具，并为制定下一代基于信息的制造技术标准 奠定基础m 1 1 。 1 9 9 3 年，东京大学的c i r p 会员k i m u r a 教授将虚拟制造的概念作为并行工程支 撑技术提出，他们认为以模型驱动系统和模块化配置系统是虚拟制造的关键内涵。 o s a k a 大学的o n o s a t o 教授领导的小组开发出虚拟制造系统。该系统有三部分组 成：v i r t u a lw o r k s 实现工厂模型的建立，a c t i v eb l o c k s 实现了过程建模，t i m 则实现时 间信息管理。在以后的研究中他们仍然主要集中于车间层的虚拟制造系统的研制与 开发，逐渐将各种实体，如加工中心、坐标测量机、机器人，运输车等加到这个开， 放的虚拟制造系统中，努力提高人机交互的自然性，改善接口的开放性以及仿真的 并行性与分布性【1 2 1 。 此外，加拿大的b r i t i s hc o l u m b i a 大学，m c m a s t e r 大学，德国d a r m s t a t t 技术大 学计算机图形研究所，新加坡制造技术研究院，比利时虚拟现实协会，韩国p o h a n g 理工大学1 1 3 1 等先后成立了研究机构，开展虚拟制造技术的研究。 1 3 2 国内研究概况 由于我国受到c a d ca e ca m 基础软件、仿真软件、建模技术的制约，阻碍了 虚拟制造技术的发展。但这几年，我国虚拟制造技术受到普遍的重视，发展很快， 发展势头强劲，例如：机械科学研究院与同济大学、香港理工大学合作进行的分散 网络化制造、异地设计与制造等技术的理论研究和实践活动己经取得了不少进展； 清华大学进行了虚拟设计环境软件、虚拟现实、虚拟机床、虚拟汽车训练系统等方 面的研究，i 浙江大学进行了分布式虚拟现实技术、v r 工作台、虚拟产品装配等研究； 西安交大和北航进行了远程智能协同设计研究：天大、北京机床所、大连机床所进行 了机床的虚拟设计的研究；西北工业大学进行了虚拟样机的研究；哈工大、北京机 电所、上海交大、南京理工大学等单位也进行了这方面的研究。国内的研究刚刚起 步，主要集中在三个方面。 1 ) 产品虚拟设计技术： 主要包括虚拟产品开发平台、虚拟测试、虚拟装配以及机床、模具的虚拟设计 实现等。其中清华大学利用美国国家仪器公司的l a b v i e w 开发平台实现了锁相电路的 4 第一章绪论 虚拟，北京机械科学研究院采用c 语言和o p e n g l 进行编程初步实现了立体停车库的 虚拟现实下的参数化设计，可以直观地进行车库的布局、设计、分析和运动模拟。 2 ) 产品虚拟制造技术： 主要包括材料热加工工艺模拟、加工过程仿真、板材成型模拟、模具制造仿真 等。北航与一汽用o p t r i s 开发的板料成型软件己经基本能够模拟类似车门的中等复 杂程度的汽车覆盖件和其他冲压成型件的冲压成型过程；沈阳铸造研究所开发的电渣 熔铸工艺模拟软件包e s r d 3 d 己经应用于水轮发电机变曲面过流部件生产中，其产品 在刘家峡、李家峡、天生桥、太平役等7 个电站中使用j 合肥工业大学研制的双刀架 数控车床加工过程模拟软件已经在马鞍山钢铁股份有限公司车轮轮箍厂应用，使数 控程序现场调试时间由几个班缩短到几小时，并保证一次试切成功：北京机床研究所、 机械科学研究院、东北大学、上海交大和长沙铁道学院等单位也研制出一些这方面 的仿真软件。 3 ) 虚拟制造系统： 主要包括虚拟制造技术的体系结构、技术支持、开发策略等。其中提出了比较 成熟的思想并可能实现的是由上海同济大学张曙教授提出的分散网络化生产系统和 西安交通大学谢友柏院士组建的异地网络化研究中心。 我国在虚拟制造技术方面的研究只是刚刚起步，其研究也多数是在原先的 c a d c a e c a m 和仿真技术等基础上进行的，目前主要集中在虚拟制造技术的理论研 究和实施技术准备阶段，系统的研究尚处于国外虚拟制造技术的消化和与国内环境 的结合上。 据不完全的调查统计，国内进行虚拟制造技术研究的单位达到了1 0 0 家，己经 取得了一些可喜的进展。在虚拟现实技术、建模技术、仿真技术、信息技术、应用 网络技术等单元技术等方面的研究都很活跃。但研究的进展和研究的深度还属于初 期阶段，与国际的研究水平尚有很大的差距，除了三维建模已经有了4 种商业软件 外，其他方面还没有形成产业化。我国的研究多集中于高等院校和少量的研究院所， 企业和公司介入的较少【1 4 j 。 1 4 本课题所要研究的问题提出及主要内容 1 4 1 对目前所研究问题的分析 从以上的各主要研究机构的研究内容和结果来看，目前国内关于虚拟制造的研 究，大多数尚停留在系统框架和总体技术的宏观研究层次上，而对于实质性的面向 s 虚拟车削系统关键技术研究 实际应用的关键细节技术的研究则相对比较少，缺乏相关知识和技术的支持。其每 项研究都是针对虚拟制造的某个特定的方面来研究的，而决定其这样作的原因正是 虚拟制造系统的复杂性决定的。现有的研究成果其局限性表现在j ： ( 1 ) 一些虚拟加工仿真，只是做到了高逼真度的仿真效果，对于虚拟制造技术的最 底层，虚拟切削功能行为描述等方面缺乏研究和技术支持。 ( 2 ) 虽然在虚拟几何建模、基于物理学模型的制造过程仿真技术等方面得到了广泛 的研究应用，但其建模方法及建摸技术仍未有突破性的进展，仍有很大的局限性。 ( 3 ) 虽然虚拟切削加工仿真如刀具轨迹、切削过程等研究取得了一定的进展，但对 虚拟机床动力学模型、实际加工工艺系统误差源对加工结果的影响没有在虚拟加工 过程中反映出来，相应的模型也没有很好建立起来。 ( 4 ) 各个系统各自为是，没有形成统一的系统通信接口标准，系统兼容性差，形成 了系统集成孤岛，对以后的技术推广应用、产品升级换代留下了瓶颈。 1 4 2 课题的设计思想 虚拟产品制造过程的仿真离不开虚拟切削的行为、功能和过程模型的建立。鉴 于以上问题的分析以及结合实际情况，我们对虚拟切削系统中影响产品质量的误差 源进行分析和研究，并建立其虚拟环境，并提出了虚拟切削加工误差源融合系统， 如图i i 所示： 图1 1 虚拟切削加工系统结构 ( 1 ) 误差融合器：对影响被加工零件的各类单项误差因素在误差敏感方向上进行 数学模型的建立，然后对单项误差模型进行合理融合，并将经融合误差反应 6 第一章绪论 成工件的加工误差，才能使误差融合单元在工作性能和功能上与实际的加工 和检测单元接近，能真实地反映实际情况。 ( 2 ) 虚拟加工环境：主要是对该虚拟环境背景进行设置，利用构造实体造型技术 对切削工艺系统如机床、刀具、夹具、工件等部件几何模型的建立，可以对 切削加工过程控制，最后把相对应的参数、误差源数据进行输入，就可以得 到基于虚拟车削误差源系统的输出结果。 ( 3 ) c a d c a m 接口：用户可以通过网络使用该系统，但是不可以修改或删除系统 功能等操作；为了使系统完善，设计人员可以对其进行并行设计操作。另外， 该系统仅仅是虚拟车削系统中一个模块，在与虚拟组合夹具设计、虚拟车削 加工、虚拟装配等模块建立联系时，也会用到这个接口。 基于目前所积累的相关知识和我们所具备的实验条件、环境，首先从影 响加工质量的各个误差模型建立着手，分阶段实施，以模块化、标准化的原 则最终形成完整的虚拟切削系统，为今后进一步的研究奠定基础。 1 4 3 课题所研究的主要内容 根据目前的实验具备条件，以车削加工为研究对象，建立影响车削加工的系统 误差源模型，并对影响零件加工质量的各个误差源进行融合，形成工件加工结果属 性的描述。对于车削加工来说，切削振动也是使工件发生变形的重要因素之一。从 单因素来讲，工艺系统的很多误差源都会对工件的加工质量有影响，对于车削加工 其主要表现在对工件的直径尺寸及表面粗糙度上。但就整体来讲，工艺系统的各种 误差源直接或间接地改变了实际的加工参数，从而也改变了主切削力，也就改变了 工件的表面、形状和精度。 1 单项误差源的建模实际加工单元中各个模块、子系统中的误差源众多， 如何分离单项误差源并建立其相应地有效模型，是实现整个虚拟数控车 削系统功能的关键n 小瞰3 ； 2 误差融合方法在实际加工系统的各个功能模块中，其误差是互相影响 的，只有将各个单项误差源模型进行有效的合成、融合，并通过融合的 综合误差反映成工件的加工误差，才能使整个系统的工作性能与实际一 致啪1 。 3 虚拟环境的建立虚拟环境的建立采用标准图形库o p e n g l 作为图形开发 工具，建立切削加工工艺系统的虚拟环境。 7 虚拟车削系统关键技术研究 1 4 4 实现方法 现有的商业c a d c 崩c a e 软件绝大多数都支持对数控加工的模拟仿真的集成， 其仿真主要集中在对刀具轨迹的显示验证，干涉碰撞检验等。对加工误差的反映只 局限于在初始条件上限制其公差范围，无法对其加工结果的零件质量属性进行描述。 也无法实现加工环境中对加工质量影响因素的各个误差源所影射到其结果上去。基 于上述问题提出了以下解决办法： ( 1 ) 以v i s u a lc + + 为开发平台，利用o p e n g l 图形库作几何图形建模工具，并且使 用a c c e s s 软件建立相应数据库，实现虚拟的切削加工环境。 ( 2 ) 分析切削振动对加工工件质量可能产生的影响，利用m a t l a b s i m u l i n k 搭建动 态车削力及振动位移求解系统，实现振动模型的仿真。 ( 3 ) 建立误差融合器模型，将其加入到虚拟切削环境中，使其能比较真实地反映出 对加工质量的影响效果。 ( 4 ) 模块化设计，提供对其他软件的通信接口，能和后续其他系统集成。 1 4 s 课题研究的意义 “ 在图1 1 虚拟切削加工系统结构中，可以看出影响零件加工质量的几个大的因 素如受力变形、受热变形、振动等均引起工件误差，这些都是影响被加工零件中不 可缺的重要组成部分。这些误差均会导致实际切削参数和名义切削参数发生变化， 引起了加工误差，实时地改变了零件精度。研究影响工件误差来源以及各因素之间 的作用机制，融入到虚拟车削加工系统中，为虚拟制造的底层研究提供了技术支持， 将有利于今后整个虚拟制造系统的集成研究。其可以在产品的设计阶段对产品的制 造和加工过程进行全面的仿真和模拟，对加工性能以及产品的质量进行系统的评价 与预测，从而可以大大缩短产品的开发周期，降低生产成本，实现制造的敏捷性。 这对于提高我国制造业的水平和促进企业效益的提高是十分必要的。 8 第二章虚拟切削误差融合及其关键技术 第二章虚拟切削误差融合及其关键技术 先进制造技术已经成为当今国际科技竞争的一个焦点。制造业的自动化需要更 加可靠的加工过程控制策略。当考虑零件的加工精度时，应将加工系统的工艺系统 以及影响加工质量因素以某种方式包括到切削过程的模型中。为此，误差融合单元 对影响工件精度的因素进行研究是很有意义的，这也是建立现实模型的基础。 2 1 虚拟切削误差融合概念 2 1 1 虚拟切削误差融合概念 现实存在的制造单元是物质流、信息流在控制环境下的协调工作和在各个生产 层次上实现从投入到生产的有效转变，因而现实制造加工单元可以分为两个更小的 子单元：实际信息单元和实际物理单元。 实际物理单元可以是材料、零部件、产品、半产品、机床等实体，当制造单元 运行时，这些实体由特定的行为和相互作用，制造单元本身也与环境以物质和能量 的方式发生作用。实际信息单元由许多信息、信息处理和决策活动组成，包括设计 制造过程的静态信息和动态信息。 假设一个计算机系统能够接受来自实际信息单元的信息和控制命令，执行接收 的控制命令并将执行状态返回到实际信息单元，如果所返回的状态报告与实际物理 单元返回状态报告一致，那么这种模拟实际物理单元响应的计算机系统进成为虚拟 物理单元。虚拟物理单元应与真实实体有相同的性能、行为和功能，同样，如果一 个计算机系统能够模拟实际信息单元并为实际物理单元产生控制命令，那么该计算 机系统就成为虚拟信息单元。 由虚拟信息单元和虚拟物理单元构成的加工制造单元就称为虚拟加工单元，其 不消耗真实的物质资源和动力能量。类似地，我们可以给出如下定义：若有一计算 机系统能接收虚拟制造单元生产的虚拟产品，并模拟真实零件产品的误差状态特性， 实现预测该虚拟产品加工质量，能真实的反映实际加工情况，那么就称该单元为虚 拟加工的误差融合单元【2 6 1 。 2 1 2 加工过程误差分析与误差融合 误差融合单元实现单项误差的融合，从而使虚拟产品包含有综合加工误差，使 虚拟加工工件与实际工件具有接近的误差特征和尺寸特征。 在实际切削成形过程中，由于半静态误差、动态误差和热变形误差的存在，使 9 虚拟车削系统关键技术研究 切削过程中刀具与工件间的实际相对位置和理想位置之间存在偏移，从而使切削过 程包含误差。要准确地建模与仿真工件表面的产生过程，应建立一套适用性较强的 基于理想切削模型的误差融合方法，能够融合机床动特性、切削参数变化以及相关 的误差源。 2 1 3 虚拟切削误差融合的要求 虚拟切削误差融合单元是实际加工质量在虚拟加工环境下的映射，其加工的是 数字化的产品而不是真实的产品。实现该单元应满足以下要求”1 ( 1 ) 功能一致性 该单元实现的功能应该与实际加工的预测结果一致。虚拟信息单元生产并发送的信 息和控制命令在功能上应与实际信息单元一致，虚拟物理单元相应控制命令并返回 状态报告在功能上应与实际物理单元一致。 ( 2 ) 结构相似性 该单元结构应与实际加工和实际检测结果是近似的或者是吻合的，结构相似性可提 供给用户一种直观方式进行定义、组织和修改。 ( 3 ) 可重构性 该单元是面向未来的大制造系统，是被其他系统集成的，因此它的组织与实现应具 有非常高的柔性和兼容性。在建立切削加工单元的各种模型时，应采用模块化的方 法和面向对象的技术，注重各种模型与模块的重用性和重组性，以及各模块间的组 合能力。 ( 4 ) 性能上可比性 该单元的性能应与实际加工结果具有统一性、一致性，即通过该单元预测出来的加 工质量以及相应误差及分布与实际加工质量与误差相似，能够真实的反映实际情况。 2 2 虚拟切削误差融合单元实现的关键技术 误差融合单元的目的在于建立一套集成化的模块系统，该模块系统能够模拟实 际加工单元的性能和功能，生产虚拟产品，并将该虚拟产品的相关信息传输到误差 融合接口对虚拟产品的虚拟加工质量进行预测。要实现误差融合单元的关键技术很 多，其主要包括以下几个方面： 2 2 1 单项误差的建模 实际加工单元与关键工件检测单元中的误差来源众多，如何分离单项误差源并 建立其模型，是实现该系统模块与实际加工单元与预测单元性能具有可比性的非常 1 0 第二章虚拟切削误差融合及其关键技术 关键因素。在众多的误差源当中，如果全盘考虑所有的误差源的影响，在系统建模 当中是非常繁琐和不可取的。因此，对影响产品加工质量的重要因素加以考虑优化， 以主要因素对加工零件的影响作为突破口，建立单项误差模型。具体来讲，为完整 描述加工工件实际表面成形的数学模型，在确定了影响加工误差的各单项原始误差， 根据单因素的分析原理，建立单项原始误差与该因素所造成的单项加工误差的数学 关系为：i - f ( 8 ) ，其中i 为单项原始误差造成的单项加工误差，吼为单项原始误 兰 z l0 2 2 2 整体误差融合方法 实际车削单元中的误差是相互影响的、相互作用的，只有将各单项误差模型进 行合理融合，并将经融合误差反应成工件的加工误差，才能使误差融合单元在工作 性能和功能上与实际的加工和检测单元接近，能真实的反映实际情况d - 在单项误差模型建立的基础上，在加工零件误差敏感方向上进行整体误差融合， 其表达式为： r 。一厂。一 = 冬1 a i + s z m = n + l ；，式中坠l i 为n 个系统误差的代数和，吕n + 1 为 ( m n ) 个随机误差的平方和【2 7 3 1 1 。误差方向规定为：使工件直径增大的误差为“+ ”， 反之为“”。 2 - 3 本章小结 虚拟切削误差融合在虚拟切削系统中是一个非常重要的组成部分，提出了虚拟 切削误差融合的概念，在分析了虚拟切削误差融合单元实现所必须解决的关键技术 问题及其解决方法的基础上，提出了整体误差融合方法。为整个工艺系统误差对加 工零件的影响的仿真提供了基础。 第三章车削力的分析 第三章车削力的分析 切削加工过程中由于各种干扰因素的存在，切削振动是无法避免的。切削中如 有振动发生，会降低零件的加工质量，加剧刀具磨损。切削力是切削加工过程的基 本参数，其动态变化将直接影响切削过程中刀具与工件之间的相对位移、刀具磨损 及被加工工件的表面质量等。本章即针对车削加工过程，分析动态车削力的影响因 素，建立动态车削力模型【3 2 】。 目前预测型的力模型大都以具体工况的单位切削力( 由实验获得) 与切削面积的 乘积作为瞬时力模型，因此分析切削面积变化规律是研究切削力波动和工艺系统动 态变化的途径之一。切削层形状和几何形状直接决定瞬间切削力的大小，对切削负 载的分析建模是仿真时变切削力的基础。为便于仿真过程与结果的分析研究，切削 力建模采用的是由切削用量指数关系表达的经验公式形式。 3 1 车削力的来源与分类 金属切削时，刀具使加工材料转变为切屑所需的力，称为切削力。总的来说切 削力来源于两个方面3 3 1 ： 1 切削层金属、切屑和工件表面层的弹性、塑性变形所产生的抗力。 2 刀具与切屑、工件表面间的摩擦力。 切削力是一个空间矢量，其大小和方向随切削条件的变化而变化，为研究和测 量方便，工程中一般将切削力按机床的运动坐标分解成三个互相垂直的分力，即： 主切削力总切削力在主运动方向上的分力，又称为切向分力，它和切削速度的 方向一致。 背向力总切削力在垂直于工作平面方向上的分力，外圆车削时称为径向分力。 背向力容易使工件产生变形和振动，是影响工件加工质量的主要分力。 进给力总切削力在进给运动方向上的分力，又称为轴向力。 3 2 车削力分析 3 2 1 动态车削力形成原因 在正常的切削过程，由于各种干扰因素的综合作用，使切削力发生波动，导致 工件与刀具之间存在相对振动，刀具偏离理想切削位置，使切削层参数发生变化。 这种变化又改变了切削层面积，再考虑到切削再生效应，切削层面积的进一步变化 形成车削力的连续波动过程，使实际加工时的车削力是变化量，而不是理想切削时 1 3 虚拟车削系统关键技术研究 的固定数值，于是形成动态车削力。动态车削力的形成如图3 1 示。 图3 1 动态车削力的形成 3 2 2 动态车削力模型 在实际的加工过程进行时，切削系统会受到各种因素的干扰产生力的波动，使 实际的切削力由静态力和各种干扰因素造成的波动切削力叠加而成。为建立面向实 际加工的瞬时车削力模型，本论文做了如下假设： 虚拟加工过程一直处于正常切削状态，刀具一直未脱离工件表面，瞬时切削力与 切削层参数为线性关系，即公式( 3 2 ) 成立； 未考虑刀具磨损即刀具切削角度变化对切削力的影响； 未考虑主轴系统质量偏心即主轴系统振动对切削力的影响。 这样动态切削力模型由静态力即名义切削力f 垒、工件硬度不均匀形成的变切削 力耳跏、刀具与工件的相对振动使切削层参数变化时的变切削力r f r 、及由于切削再 生效应引起的再生力耳e 口构成。动态切削力最邶。可表示为： r 似= f 名+ 耳口n + r i r + 耳e 茸 ( 3 1 ) 其中心是最n s 的稳态成分，辱靓、辱叼和r 构成了r 雌的动态变化成分。 3 -