（机械电子工程专业论文）混联机床的数控加工仿真与机床精度检测.pdf

独创性申明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学 位论文是我个人在导师指导下进行的研究t 作及取得的成果。尽我所知， 除特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我 一同工作的尉志对本文所论述的工作的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并已致谢。 术论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担切相关责任 一乏 论文作者签名：丝五2 够年； 月z 厶口 保护知识产权申明 本人完全了解西安理工大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在 校攻读学位期问所取得的所有研究成果的知识产权属西安理工大学所有。 本人保证：发表或使用与本论文相关的成果时署名单位仍然为西安理工大 学，无论何时何地，未经学校许可，决不转移或扩散与之相关的任何技术 或成果。学校有权保留本人所提交论文的原件或复印件允许论文被查阅 或借阅；学校可以公布本论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或 其他手段复制保存本论文。 ( 加密学位论文解密之前后，以上申明同样适用) 论文作者签名：至磊导师签名：崖至：笔，j 啤多月矗产日 摘要 论文题目：混联机床的数控加工仿真与机 床精度检测 学科名称：机械电子工程 硕士生：于磊( 签名) 指导教师：黄玉美教授( 签名) 答辩日期： 2 丝。二：。! z 墨互! 差 摘要 本文针对目前数控机床领域中加工仿真与精度枪测两个问题，结合西安理工大 学机械门动化研究所自主开发的6 p m 2 数控混联机床开发出数控加工图形仿真系 统与机床回转精度检测仪。该图形仿真系统以m a t l a b 6 5j , j 开发t 具，采i t 该软 什的数据可视化技术及其基丁矩阵数组的编程语言，最终实现了根据n c 代码在 计臂：机上模拟显示数控j j ul 一过稃。本文第一、三章深入探讨了m a t l a b 环境下二 维h 形的曲而建模以及机床简化模型的建亨，研究了图形模型运动的变换处理，并 提出，一种模型数据替代法以实现铣削加_ l _ l 件材料的左除过程显示，然后详细论 述如何将实际数控加l 代码转换为仿真环境f 模犁驱动代码，并开发j ，n c 代码解 释器模块。 本文后半部分仵分析了当前的机床同转精度枪测技术后，介绍了种新型的机 床匝f 转精度检测仪。它使用了h 前多种广泛应用的高精度检测仪器，可以精确检测 机床回转i ：作台的定何与重复定位精度以及准确反映同转台的动态性能，另外还可 以测量u 空间内任意两平面内的绝对夹角。文中详细介 “r 该检测仪的机械结构、 基木原理，亓使用运动控制 对该检洲仪实现了全c j j 环控制。 j u 工实验旺明，数控加一l 图形仿真系统在6 p m 2 机床上的应用是成功的。同时， 该实验初步成功地实现了对数控加t 精度的误筹补偿。 关键词：6 p m 2 混联机床m a t l a b 加1 仿真精度检测 a b s t r a c t s u b j e c t ：n u m e r i c a lc o n t r o lp r o c e s s i n g s i m u i a + 1 、i o na n d p r e c t s i o nm e a s u r i n go fs e r i a lp a r a l l e lm a c h n e t o o l s p e c i a l t y ：m e c h a n i c e l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g a u b h ( ) r ：w a n gl e i ( s i g n a t u r e ) 幽丝 1 、u 。r ：“a n gy u m e i ( s i g n 扎t u r e ) l 薯。4 。手：2 么。s - ：叠： 一 a b s t f a c t a i m i n gi op r o c e s s i n gs i m u l a t i o na n dp re c is i o nm e a s u r i n gi nt h cf i e i ( 1o f n u m e r i c a c e n t r e a tp t e s e n t ，t h isp a p e rd e v e l o p sl h en cp r o c e s s i n gg l 、a p h i c s s i m u a t i o i ls y s t e ma n dm a c h i n et o o r e v o l u t i 0 1 1p t e e is io nm e a s u r i n gi n s t r u m e n t o r6 1 5 1 2n c s e r i a 卜p a r a l l e lm a c h i n ed e v e l o p e db yi n s t i t u t ee 1 1i l i a ( ：h i 1 e a u t o m a t i o no fx a u ti t s e l f ，a d o p t i n gi l i a t l a b6 5 sd a t av fs u a i t e c h n o l n g ya n d p r o g l - a m n l el a n g u a g eb a s e do n 1 i a r 【1 ix a t 【a y ， ih e g r a p h i c ss i m u l a t i 0 1 1s y sl e m e v e n t u a l jys u c c e e d si f ls h o w in gn cp r o c e s so n t h ec o i l l p u t e ra c c o r d i u g t on cc o d e c h a p t e rt w oa n dt h l c oj nt h i sp a p e rd e e p l yd i s c u s sb e n d i n gs u r f a c em o d e ln g o f3 - df i g u r ua n dp r e d i g e s t e dm o d e t i l l g0 rm a c h i n et 0 0 1 ，in t r e d u c et h ef i g n r e s m o t i o ne x c h a n g ep r o c e s s i n ga n de s p e c i a l l vb r i n gf o r w a r dam e t h u do fm o d e ld a t a s u b sl i t ul i o na i m e dt 0s h o wt i l e i i i i n gp r o c e s s t h el w oc h a p t ersth e nd s c u s s h o wt oc h a n g ea c t u a ln cc o d ei n t om o d e ld r 【v i n gc o d ei ns i m u l a b i o ne l l v i l o n l l l e n t a n d t h u sd e v e l o pan cc o d ei n t e r pre 1e fi l l o d e l t h el a t t e rs e c t i o no ft h isp a p e ri n t r o d u c e san e w 一1y p el n a c h in et 0 0 i r e v o l u t i o rp r e c i s io nm u a s u f i n gi l _ 】s t r u n l e n ta f t e ra n a i y z i n gc u r r e n tr e v e l ul j o n p r e c is i o nl l l e a s t l f in gt e c h n o l o g y t h isi n s t r u m e n ti n c i u d e ss e r e f a lw f d ejyu s e d h i g hp r e c i s i o 1m e o s u r i n gi n s t r u l l l e l ll s 1 c ? i ni r e a s u r et h el o c a t i o np r e c j s i o d a n dr e p e t i t i o i l o c a t i o np r e c j s i o aa n dp r e c is e lyr e f l e c ld y h a m jcc a p a b i i j t y o lt h em 8 c h i n et o o jr e v n 】u t j o r i tc a na ls om e a s u r et h ea b s 0 1 a t ea n 9 1eb e t w e e n t w er a n d o mp 1 a n e s t h iss e e t i o nd is c u s s e si t sb a s icp r i n c i pl ca n ds u c c e e d s ine x e l i n g u l 卜c l o s e dl o o pc o n u - o o ni tl l s in gt h em o t i o nc o i ll 1 0 1 1 e f h ep t ( 】lp s s in ge x p e r i m e n td r e v e st h a tilss u c c e s s t t i if o l ln cp i o c e s s jn g 9 1 1 a p h i c ss i m u h t i o i ls y sl e l l l m c a n w h i l et h ee x p e ii l l l e n ts u c c e s s f u l l yi i l l l l lc i r l e i il s e f f o fc o l n p e l l s a t i o nt on cp r o c e s s i n gp t l e c is i o np r e l j m l n a f i l v k o yw o r d s ：6 p m 2s e f i a l p a r a l l elr o a c h i n et 0 0 l ，m a 1 1a b 、p 1 n c o s s in gs i i i i u l h ti o f l 1 r e c i s i o dm e * i s ur i n g 1 绪论 1 绪论 1 1 数控机床仿真技术的研究和发展现状 仿真技术作为一门独立的学科已有四十多年的力史，它具有多领域 技术融合的性质。仿真是基于模型、甚至虚拟模型的试验科学，它通过 构造系统模型，在模型上做试验并对试验结果进行分析，取得和真实事 件相同的效果，节省了人力、物力等诸多方面的资源消耗，同时加快了 产品的开发周期，凶而具有安令、经济、高效、可控、便于观测、无破 坏性、可多次重复等显著的优点，仿真技术所具有的这些显著优点和所 取得的明显效益，赋予仿真应用强大的生命力，推动仿真理论不断的向 更深层次发展。 1 1 1 图形仿真技术在数控加上中的意义 近年来，随着我国经济的迅速发展，国内企业的技术改革步伐也相 应加快，数控加工技术已得到广泛的应用。对数控加工来说，编制正确 高效的加工程序足十分重要的，它要确保刀具能够安全而有效地加工出 合格的零件。 现在，数控自动编程技术已初步解决了数控编程的问题，但埘于n c 程序的测试，却役有较好的方法。传统上。对于数控程序的最典型的校 验方法是采用上艺件试切的方法：用木料、石蜡、泡沫、塑料等一些非 金属材料作为试切材料进行加工，当加 = 完成后，通过手工或坐标测量 仪对t 件进行测量柬捡验n c 程序的正确性。这种方法虽然直观地反映 了u 工过程，但存在着一些固有的缺点： 试切调整时间较长。 加工精度不高。 - 影响周围环境。 西安理x - 走学硕士荦住论文 加j ，参数无法校验。 j 1 9 2 费_ l = j 巨人。 为此，人们一卣赴研究能逆。a ”l - _ 代替试切的仿真方法。随着计算机投 术和c a d 技术的发展，图形仿真技术也得到了很快的发展。利用计算 机的高速度、大存储以及较强的图形功能，刘数控程序进行图形仿真校 聆，以图形的力法检查刀具路径，动态模拟数控加丁的全过程，以榆验 数控程序和加工方法的f r 确性，避免干涉碰撞的发生，这必将仃约大量 的财力和时间，产生较好的经济效益。基于此原因，仿真技术的发展i 吸 引了越柬越多的研究人员，新理论、新方法层出小穷“1 。 1 1 2 数控加工仿真的研究与发展现状 数控加工仿真集制造技术、机床数控理论、汁算机辅助设计( c a d ) 、 计算机牟| | i 助制造( c a m ) 和建模与仿真技术于一体。数控加：【：仿真过程 就是借助汁算机，利用系统模型对实际加工系统进行实验研究的过程。 该过程r ，j 通过图1 1 所示的要素问的三个基本活动米描述。 幽1i 坚崇间的三个基本活动 建模活动是通过对实际系统观测或检测，在忽略次要凶素及f i 可检 测变最的基础上，用物理或数学的方法进行描述，从而获得实际系统的 简化近似模型。 仿真模型足对系统的数学模型( 简化模型) 进行一定f 门算法处理， 使其成为合适的形式( 如将数值积分变为迭代运算模型) 之后，成为能 被计算机接受的“可汁算模型”。 仿真实验是指：附系统的仿真模型在计算机上运行的过程。 从试切环境的模型釉。 米肴日前数控加1 巾叨削过程仿真分儿何 仿真刷力学仿真两个疗丽。儿仿真1 i 考虑l 刀削参数、切削力及其它物 1 绪论 邢因素的影响，只仿真刀具和工件几问体的运动，以验汪n c 陧吁的正 确性。它司以减少或消除因程序错误而导致的机床损伤、失h 碱圳、- j 具j 厅断、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q j 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| 牛来预测刀具破损、刀具振动，从而达到控制切削参 数，优化切削过程的目的“1 。 真正意义上占，j 数控加工仿真系统席具有以下的功能： ( 1 ) 建立起面阳数控机床的完善的数控加工仿真系统，为实际斗i 产过 程提供i j 靠、优化的n c 代码，史现数控智能加工。 ( 2 ) 建立晴向实际加工过程的仿真系统，综合考虑实际加工中的各种 干扰凼素，使仿真过程高度真实地反映实际生产过程。 ( 3 ) 由于具有对n c 代码进行验证与优化的过程，仿真系统能够极大 地避免实际加工过程。l t 可能出现的各种异常现象，简化了实际加工过程 中检测与诊断设备，提高了加工安全性与经济效益。同时仿真系统还能 逼真地模拟数控j u 工过程，可作为虚拟机床进行数控机床加工培洲与维 护等工作。 迄今为i e ，国内外已开发研制出的绝大多数数控仿真系统只能称为 个儿何仿真系统。如清华大学与华中理上大学共同开发的加工过程仿 真器l i m p s 和哈尔滨工业大学的数控加工过程三维动态图形仿真器 n c m p s ，它们较好地解决了加_ 过程图形的描述及数控代码验证问题，但 并没有模拟仿真出数控切削加工时机床、刀具、工件所实际表现出的物 理特性。因此，力学仿真足数控加工仿真中的难点，也是今后数控加工 仿真发展的重点”1 。 一旦童竺三垄兰竺兰竺笙查 1 2 机床精度检测技术的研究与发展现状 1 2 1 机床精度问题概述 精密加工技术的迅速发展和零件加工精度的不断提高，对数控机床的 精度提出了更高的要求。 般来说，要求主要包括机床的几倒精度、运 动槠度、位胃精度以及静度、抗振性等静态和动态性能指标。位胃精 度是数控机床最重要的，也是最具有该类机床特征的一项指标，它包括 定位精度、重复定位精度与反向问隙“”。 数控机床的定位精度是指在机床 作机构沿一个坐标轴移动途中的 不同点上，当机床工作机构作多次双向定位时，其实际位置与程序舰定 位胃的偏差。在实测中测量次数n 小于1 0 时，则采用下式计算标准偏差 s j 一 如黔一习二 其中：i 一弟j 次测量； j 一测量点的序列号： x 一测量点的实际偏差t 可用x i ，t ，xui 代替( 分别表示正向趋 向和反向趋向定位点的偏差) ； x ，一偏差的平均值，可用x t ，x ，l 代替( f 向和反向趋近定 1 n 一f 位点的平均偏差l 其中x ，t2 音善x “t ，x ji2 吉善x ii。 n 倒 。 n 爿。 机床的定位精度为双向趋近奁个f j 标位酉寸i j + 3 s 4 ，f + 3 s ，t 巾的最大值与鼻，一3 s ，t - 3 s ，t m q 晟小值之差值， 洲： a = ( 盖，+ 3 s ，) 。一( ，一3 s ，) 。 ( 1 2 ) 各测点的重簋定位精度为： 结淹 r ，t ；舔，t ，r ，0 = 6 s ，0 f1 3 ) 则机床的重复定位精度为斧测点重复定位精度q j 的最大值，即： r = ( r ，) ( 1 4 ) 反向间隙为子目标位簧反向差值中的最大绝列值，即： b = x ，卜x ( 1 - - 5 ) 而机床回转运动精度则是指巨1 转轴连续运动的动态精度。 1 2 2 精度检验 对于数控机床的精度检验，方法有多种。美国n a s ( 国家宇航标准) 9 7 9 在i 一年前就开发了标准化的“圆形一菱形一方形”试验( 现在是c m t b a 的标志1 。该方法需要仔细定义试件的切削方法和测量切削结果；它可能 要花几天时间，这依赖于计量室的条件。但这种测试无法评估机床的所 有性能“圆形一菱形一方形”试验的大多数切削运动是在x - y 平面上进 行的，因此沿x z 和y z 平面上的精度人部分没有；9 | 4 定。一家航空航天 工厂发现通过“圆形一菱形一方形”试验的机床，用q c l 0 球杆仪检查后 发现在x z 和y z 平面_ 卜 的随动误差高达8 0 0 1 1 1 。 美国国家标准b 5 5 4 中说明了“一日测试”，它实际上是多项测试的 简化。该测试适用于有三个线性轴的机床。“一日测试”包括：线性位移 精度、叔向重复性、空删位置精度以及两轴联动轮廓性能。完成b 5 5 4 一e t 测试的基本硬件利软件包括球杆仪、激光下涉仪系统及附件利p c 软 件”。 1 2 3 误差补偿 检定出机床误差后，我们便可分析误差成因，依据捡定结果及误差 模型对机床各坐标轴的运动进行适当的修正来提高机床精度，这便是误 差补偿。机床误差补偿的基本思想就是人为地造出种新的误差去抵消 或夫大减少当前成为问题的原始误差，通过测量、分析、统计及归纳等 西安理1 2 走学硕士学位沦丈 措施掌握原始误并的特点耵i 舰律，建立误差数学模型以及跌差补偿模刑， 从而减少因机床误差而产 三的加工误差，提高零件n 勺加1 精度。 漠筹补偿的天键是建立起征确的机脒误差模型和误差补偿模型。误 筹补偿最终执行可以通过软件或硬f l 二来完成。冈此数拧机床误差补偿按 误芳补偿执行手段的差异可以划分为软件误差补偿与硬件误蓐补偿。 硬件误差补偿足把已获得的误差值存储谯机械结构上，如靠模、 1 1 1 轮、误筹尺等进行补偿，或利用误差平均作刖原理使误差相互抵消。这 种力法的关键是需预先知道被补偿误差的值，通常只适合用于预先标定 误差补偿，并目只能补偿币，项误差或部分综合误差。另外，这种力法在 机床装配后难以调整补偿值，随着机床使用时问的增加，补偿效果会逐 步下降，并且无法补偿如短周期误差等局部误差。 软件误差补偿则根据被补偿误差修改机床加工t 序，利川计算机控 制程序过程来实现。这种方法对于任何数控机床部可使月j ，并且i 5 e i ，实 现单项误差补偿，电u 实现综合误差补偿。软件误差补偿是现代补偿技 术发展的方向“。 1 3 课题研究的目的 本课题的丌展足结合西安理工大学机械自动化研究所自主开发f i y 6 p v 1 2 混联数控机床进行的，包含两部分的内容：图形j j u 丁= 仿真系统和机 床角度检测系统。 6 p m 2 混联机床柑刈_ | 二普通机床有很大的差异，它的t 轴系统靠一个 z - r i g f 联机构来驱动t 件的运动则是依赖于三个串联4 = 【| 1 。编制数控加 工程序时，给定的坐标功能二产只是= ：= 个并联轴和三个串联辅。实际加：r 中六轴联动下，很难去直接判断月具侄工件卜i 的运动轨迹以及加_ l 2 扁的 效果是否同编程人妯所发慰的一致。为解决这个问题，本文第_ 、三学 研究了6 p m 2 机床的图形加上仿真系统。 在6 p m 2 混歧机脒帛联轴中仃一个回转轴【轴，实际加工巾它的定位 精度、重复定位精度以及回转运动精度如何，直接天系到复杂工件的加 f 质量，凼此，本课题j 刊时也? 睁如埘对该轴型转运动的定位精度、重复 定位精度及回转运动精度进行检测列为研究内容，并丌发出机昧回转运 动精度检测仪。 1 4 各章主要内容 本文由六章组成，下面分别对这人章内容简单介绍： 第章“绪论”重点介绍厂图形仿真技术及精度检测在数拧加j _ = 中 的意义、发展现状和研究背景，并简要介绍了各章的主要内容； 第二章“数控加工仿真过程实现方法”阐述了在m a t l a b 环境下 进行脚工仿真的实现方法及一些关键技术。该章首先分析了目前流行的 仿真技术，并以图形加t 仿真系统所使用的m a t l a b 与之比较，其次介 绍了m a t l a b 软件中的图形处理部分，分析了如何建立机床模型，最后 着重论述了如何处型图形模型运动，并提出了一种数据替代方法以实现 切削加一r 件材料切除； 第三章“数控加工仿真系统总体设计”主要论述了如何设计应用于 6 p m 2 数控机床的图形加工仿真系统。在论述过程中，首先简要介绍了6 p m 2 混联数控机床的概况，随后给山仿真系统的总体结构，重点介绍了系统 中的n c 代码、n c 代码解释器和加工环境设置等几个模块，最后介绍了仿 真系统图形控制界面的设计与制作。 第四章“机床回转运动精度检测仪”沦述了一个用于检测转台定位 精度、重复定位精度、 口转运动精度以及空f 司两平面夹角的精度检测仪。 该章对比目前的检测技术介绍了该检测系统的优势，然后详细介绍其总 体结构和所用到的高精度检测仪器附件，晚明该检测仪的基本 二作原理 以及控制方式，并以个定位精度测试米说明其i f , 试方法： 第五章“数控加工实验”主要论述了实际加工实验。该章叙述了实 验目的、实验的一些基本参数等，并利用二、三章所论述的数控加工仿 西哥理工走学硕士学位论文 真系统实现 f 算机虚拟加_ _ 过程，之后进一步对实陌i 加l q in 勺汉差做了 初步误差补偿尝试； 第六章t 总结与展颦”对全史进行总结性概括， 刈后续的工作方 向作了简单介绍。 2 数控铣削加工仿真过程实现方法 2 1 仿真技术概述 数控仿真系统的几何模型建立包括制造环境建模和设备模型库的管 理，通过各种数据结掏建立图形数据库，并管理仿真系统的各种数据库 调用。在_ 加工仿真系统的研究中，人们己经尝试过使用多种实体造型 方法，如c s g 法、br e p 法、空间单元分解等。经多年研究，仿真技术在 试切环境的模型化、仿真汁算和图形显示等方面取得了重要的进展，目 前j 下向模型的精确化、仿真计算实时性和图形显示真实感方向发展。 从试切环境的模型特点来霜，同前数控切削加上仿真分为几何仿真 和力学仿真两个方面。 2 1 1 几何仿真技术 几何仿真是随着几何模型的发展而发展的，包括定性图形显示和定 量干涉验证两方面。几何仿真方法i i 分为：试切法、轨迹显示法、基于 实体造型的仿真方法以及基于曲面造型的仿真方法。 除试切法外，轨述显不法是用计算机控制铅笔绘图器，以笔代替刀 具，以纸代替毛坯，记录刀具运动的二维图形。这种方法可以显示三轴 加工刀具轨迹，但因运动仅局限于平面，因此局限性很大，无法真实反 映i 维空间中的刀具运动轨迹。网此下面重点介绍基于实体造型与曲面 造型的仿真方法。 21 11 基于实体造型的n c 仿真技术“1 “4 “2 ” 实体造型是构造物体的一种方法，这种方法用来描述物体的表面及 物休的内部特眭。实仆造型中最常用的表示方法有边界表示法( b r e p ) 、 体素构造表示法( c s g ) u 八义树法。 ( i ) 体素法 西每理工大学硕士学位论文 通过把一些简单、规! i ! | j 的物体进行m j 尔运算，最终组合具有复杂 结构的物体。这种方法的数据结构为有序二义树，非终端结点是基本体 索或变换参数。在动态膜拟材料去除过程时，有两种方法进行佃尔减运 算，一种足毛坯实体与刀具实体作市尔减；另一种是以象素为单位作为 7 j 具运动的步长，刀具每前进一形，立即做毛坯与7 j 具模，( 1 _ ! 的布尔减， 即局部布尔减运算。 ( 2 ) 八叉树泫 陔方法是继边界描述( b r e p ) 及体素法( c s g ) 之后的义、种三维实体 模型的描述方法，它片j 一个立方体序列包围一个形体所占据的空m 。该 方法首先构造一个彤体的最小外接【e 方体，然后将其分割成大小l ：i i 同的 八个子立方体，并嗣把每个子立方体均看作根结点的子结点，分别检杏 这八个了结点：包含形体边界的子结点立方体为黑体，反之为白体，直 至分割的予立方休均为白体。采用八叉树法表示可提高模型儿伺拙述的 精确性和粕尔运算的快速法。 211 2 基于曲面造型的n c 仿真技术 由于现有实体造型投术未涉及公差和偏置曲面表示，阅此，j e f a r d 提出r 一种基于 1 1 面技术的验i e 方法，即z - b u f f er 法。该方法将曲断离 敞成系列的网格点，采用zb u f f e r 算法将网格点的z 丝标2 1 铣刀z 深 度比较。由f 该算法的铣削误差是沿着切削方向计算的，并不是曲面法 向， lj j e 实际偏差是保守的，也不能丌j 于轮廓铣削。c h a p p e l 提 用矢最 仿真材料去除法，f 日零什曲面法矢利枉形刀具模型在一系列离散的位置 上求交。这样带求两个优点： 足f 扫j 二完全避免了中问仿真步骤r 因而 具有很高的计算效枣： ：足仿真中包含了尺i j 公差验证，铣削偏差可通 过和零件曲面法矢的关系得到。 2 1 力学仿真技术 动态铣削过程仿舆首先必须建、- 铣削过程的力学模型，存此模删的 基础上仿真动态铣削，j ，铣削州刀具设讣、机床工具设汁以及刀具磨 损耳破损影响很大，仿真铣削力是力学仿真的牡础。 h s k i m 在总结前人研究的基础上提出动态n c 铣削力模型，这 模型不仪考虑了刀振，还考虑j 切削条件、刀具形状等其它诸多剀素。 同时y a n g 也提出了球头刀铣削力学模型。根据铣削力学模型，y s t a r n g 研究出动态铣削过程铣削力仿真系统，仿真冉的切削力与测得切削力吻 合很好。仿真出的切削力可进一步预测刀具破损，铣削振动，也i _ 以 控制进给率选择，优化切削参数。 2 2 仿真实现算法预备 目i u 的三维图形仿真实现力法主婪有女 ji i 两种：是借助于现有的 c a d 软什，血u ：s o l i d e d g e 、s o l i d w o r k s 、u g 等；二就是采用o p e n g l 、 m a t l a b 等图形库函数编程开发。 第一种方法首先通过软件e j 身的实体造，弘技术对机床的各个模块如 蝰标轴、主轴、刀具、工件等进行建模，然后利用软件提供的接口进行 二次卅发，驱动各棚应模块运动，以实现加工过程的动态仿真。 采用这种方法的优点伍于利用了现有的图形库，不需要花费大量的 时问与精力重复去做些前人已经研究过、比较成熟的内：辞，如应用第 一节巾讨论的一些仿真，。法去生成模块的三维造型以及对这些模块进彳j 二 布尔运算等等。这样，我们就可以集。p 精力玄处理数控j j 口工中j 具轨迹 规划、n c 代码预处理以及干涉碰撞等问题。 这种方法的不足之处就存十局限性比较大，不够灵活。hj 丁需要软 件提供的接r 爿能埘其二次外发，才能驰动模块运动以及进f j 二三维丈时 交互，冈此软件接口丌放的程竖对：次丌发就具卣了决定性的意义。存 实际次，1 ：发的过程中可能会处处受制，向无法随意去实现1 1 己的想法。 第科乃浊相刈于第一种则要灵活的多。o p e n g l 独寺于硬件，独立 于操作系统，包括1 0 0 多个罔形函数，它_ j 以文现二维利三维的高级图 西安理工大学硕士学位论文 形技术，包括建模、变换、比线处理、色彩处理、动 | 丑i 以及更先进的能 j _ f c f | 纹理映射等。 然而，o p e n g l 也有不足之处。企使刚o p e n g l 绘图| 1 0 ，即使是1 个 规则的儿何体，也需要通过点、线等绘制函数去构成。若足绘制的三绯 体非常复杂，则需要处理的点或线的数量就足个很人的数目：假若需 要做的的仿真中有若r 个这样的复杂三维体，那么计算这样一些复杂三 维体的点或线将更是一个相当繁琐的过程。 m a t l a b 数掘可视化功能e | 前也已相当强大，图形绘制简单、便捷， 可以实现计算数据的二维、三维，至四维表达。另外m a t t a b 还提供了 图形清染功能、运用颜色调日d , ( c o l o r m a p ) 、表而细化处理( s h a d i n g ) 、设置 光照效果0 i g h 0 、凋节光照强度( b r i g h t e n ) 等渲染工具，可使仿真加工环境 更加逼真。利用m a t l a b 强人的图形编辑功能，可在加工过程中的任意 时刻对图形区域进行旋转、缩放从而可从任意视角对 u 亡现场进行观 察，并可对任何细微部分进行局部观察。 另外，在m a t l a b 中，其三维图形表面的数据点的表示与计算均是 采用矩阵方式，应用起来i 一分方便。它的丌放性也非常好，用户可以随 自己的意愿改变其自身带的大部分函数源代码。因此本文二、三章所论 述的数控加工仿真系统即是在m a t l a b 平台上开发的。 2 2 1m a t l a b 简介 m a t l a b 的首创者足c l e v em o l e ri ；l - t ：在2 0 世纪7 0 年代巾期， 他与合作伙伴”发出了当时在矩阵计算方面具有相当水平的两个软件 包一l i n p a c k ( 线性代数软件包) 和f i s l ) a c k ( 解特征值问题的软件包) ， 这是用f o r t 】r a n 语苦编写完成的。7 0 年代术剑8 0 年代衲，c l e v em o l e r 博 二l 利川这两个软件包，丌发出了最甲的m a t l a b ( m a t r i xl a b o r a t o r y ) t 即“矩阵实验宅”。 糟个m a t t a b 系统有h 个： 二爱部分： 2 数控铣削加工伤典迂程买现万法 十一 ( 1 ) m a t l a b 语言。它是基于矩阵数细的高级语言，包括流程 李制 晤句、函数、数据结构和输入输出等，另外还具有面向对象编程的特点。 它既适合编j 弓小巧玲珑的程序，也适合于丌发复杂的大型应用稃序； ( 2 ) m a t l a b 工作环境。它集成了一系列的j ? 具和应用，方便用户 管理环境变量、输入输出数据、开发、管理、调试用户自己的m 文件以 及m a t l a b 虚用程序： ( 3 ) 图形处理。它既包括高层的二维和三维的数据可视化、图像处理、 动画的指令，也包括低层的绘图指令，允许用户为应用程序设计自己的 用户图形界面； ( d ) m a t l a b 数学函数库。它包括数量庞大的计算函数，从简单的 基本函数到复杂的矩阵求逆、矩阵的特征值、贝塞尔函数和快速傅罩叶 变换等； ( 5 ) m a t l a b 应用程序界面( a p i ) 。它是一组动态的库函数，使得用 户在自己的c 和f o r t r a n 程序中可以和m a t l a b 交互，调用m a t l a b 的 动态链接库作计算“” 2 s l 。 在本次设计中，主要用到的是g u i 和数据可视化两个部分。 2 2 2 高级图形处理 m a t l a b 中幅图形由多个图形对缘组成，除了图形，还有坐标轴、 线条、曲向、文水和其它。这些对象按父对象和子对象组成层次结构。 计算机屏幕是根对象，并且是所有其它对象的父亲。图形窗口是根对象 的子对象；坐标轴和用，o 界面对象是图形窗口的了对象；线条( 1 i n e ) 、文 本( t e x t l 、曲 百j ( s u r f a c e ) 、补片( p a t c h ) l i 影像( 1 i g h t 、i m a g e ) 对象是坐标 轴对象的了村象。这种层次关系在图2 一l 中给出。 有时为了调整图彤刈象，我们还需要用一些底层图形控制命令来对 图形进彳了更为细腻的处理，句柄的控制便是其中最重要的一个。 h2 1m a q l , a b 对蒙层次关系 在m a t l a b 中，每- 卟- x 象都有一个数字来标识，叫做句柄。每次 刨建一个列象时，就为它建立一个唯一的句柄。在使片j 时，一般把句柄 赋给个变量以便1 二以后凋用。 m a t l a b 中可以直接山商级绘图函数获得伺柄，另外还j 以由句柄 函数获得旬柄。一旦获得了n ) i ! ；x , j 象的句柄，即可得到图形对象的属性， 了中可以对图形对象的属性进行重新设置，以满足一i 同问题的需要。 对象属性的i 5 2 置呵以有两种方法： ( 1 ) 在创建肘象的同时就没置其属性，格式如下 h = f u n c ( ，p z o p e r l ) 7 n a m e l ，p r o p e r t y v a l u e l ，p r o p e r t y n a m e 2 ，p r o p e r t y v a l u c 2 ，) ； 其中，f u n c 为函数名，h 为返回的句柄。 ( 2 ) 用s e t 命令设置l 二! l 创建刈象的属性 s e t ( h ，p r o p e r t y n a m e l ，p r o p e r t y v a l u e l ，p r o p e r c y n a m c 2 ，p r o p e r t y v a l u c 2 1 ： 其叶，h 为被没营0 象的句 丙，f r o f e r t ，n a m e 为对象的属性名， 2 数控铣削加工仿真过程买现方法 一 p m p e r t y v a l u c 为对玺的媾性值“”。” 3 1 1 ， 因此，本文存设计时主要采用底层函数与高层函数的综合，并以 旬柄图形的力式刈数控机床模型进行仿其操作。 2 3 仿真环境模型建立 2 3 1 模型数据准备 抽象地说，m a t l a b 中一个参数化曲面是由两个相对独立的变量i 和j 决定，这两个变量分别在x 和y 方向上连续变化，- - + 以变量i 和j 作为自变量的函数x ( i ，j ) 、y ( i ，j ) 、z ( i ，j ) 形成网 格共同指定了该参数化曲丽。5 _ - 1 ，】 如图2 2 所示，m a t l a b 使用一系列三 个一组的点【x ( ：) y ( ：) z ( ：) 】指定曲丽州格点，并 且曲面每一个内部点都与u u 个邻点相连；曲面 边界上的点有三个邻点；而网格曲面拐角上的 点则只有两个邻点。 图2 2 曲面连接方式 m a t l a b 中三维图形绘制最重要的函数是s u r f a c c ，这也是住建立模 型时使用最多的 个函数。其基本语法为： hs u r f = s u r f a c e ( x ，y z ，c ) 其中： hs u r f 一三维图形对象返回的句柄； x 、y 、z 一三维图形在m a t l a b 定义的坐标系中的x 轴、y 轴、z 轴的二维坐标矩阵； c 一决定所绘m 的维图形的颜色； 从该函数扩展出儿个相关的函数直：s u r f 、s u r f l 等，用法均类似“”“”“。 西簧理工火学硕士学位论丈 2 3 2 栈掣模块绘制 数挖加工的卜要运动就是刀具与工件的相剥。运动，两者在仿真中的 重要性1 i 言而喻。j 避j 】j 数控机床铣削加_ t 的刀具j 二耍有、f ，j 【毫立铣刀、 端铣刀、球头刀、环形刀、鼓形7 j 以及锥，肜刀等，本：宵以构造简单的球 头 为例，来既叫住m a t l a b 中的模型绘制“”“”1 。 实际的球头刀刀头宵切削刃，其条数不定，具体条数视加二。悄况而 定。但无论其切削刃的条数足多少，高速旋转后切削刃便形成了个半 球呵，而上的每点均i u 以用来加工。凼此，在考虑球头刀模型时，并 不需要将每条l 刃削刃的形状都如实建模，只需将其简化成切削州形成的 半球面rj 刀杆的组合即可，这样叮以降低仿真 运算的复杂程度，有利于仿真l f i j | 面的速度与连 续性。 球头刀的简化示意图如图2 3 所示。它 有两个参数：刀具半径r 和j 具长度h ，山圆 柱体和二仁球体组合而成：从m a t l a bi 维绘 图的角度来看，它仍然是d 半径为r 、高度为 h 的心柱与3 f 径为r 的半球组成，但这哩圆柱 和半球的概念已经改变。此处的吲柱与半球不 忿 、j 1 再足体，而足面，电即加一 。 j 刀具相对 ：工件j n j 形成的也络而。 列j 二圆柱面，m a t l a b 巾有专门的雨数c y l i n d e r 。浚函数主要是用 来绘制回转面，其原理足：将回转的3 6 0 。范围分成n 等份，然后住小 同高度上对每个角度值计算出巴f 4 专面上的埘应的x 、y 坐帆i 值，回转耐 f ：仝船网格点的：维坐标处i 卿：x 、y 、z 得出之后，利用s u r f a c e 函数将 再网格，j 、i j 邻点连接起来，最后对网格着包处理。这样，通过对不同j 苛 度上的回转半径值进行修改， ： | 】可以得山1 i 同彤j 队的吲转。球火7 j f l 刀柄属于全部商要卜回转、p f 夤川 刊的回转而，冈此可以f 照容易地绘制u i 2 数控铣削加工仿真过程买现方法 米。 利于半球面，m a 1 l a b 中没有完全对应的函数，但我们依然可以通 过解剖m a t l a b 中绘制球面的s p h e r e 函数的机理将半球绘制出来。该函 数绘制球面采用的足球面坐标方程： 先给出0 的范同( 一c0c z ) 与的范围t 一要c c i d z - ) ，然后通 过参数方程 z = r c o s 西c o s 0 y = r c o s 西s i n 0 z=rs l n 曲 计算出球面上给点的坐标值x 、y 、z ，最后利用s u r f a c e 函数将各网格点 与邻点连接起来，对网格着色处理。我们将的范围改为0c 西c 三之后， 便形成了需要的半球面。 两个部分的数据得到之后，再将两个数据矩阵连接成整体，使用 s u r f a c e 函数即可以绘制出球头j 。完成之后，还可以使用光源( 1 i g h t ) 、 色图( c o l o r m a p ) 、表面细化处理( s h a d i n g ) 等对其进行效果处理，使用 辅函数对坐标系进行澜节以及使用s e t 函数设置该图形的t a 嘤标签属性 等，部分程序代码如下： f , k c ，y c ，z c l = c y i i n d e r 0 ( 1 0 ，r ，h 2 ) ； x s ，y s ，z s = s p h e r e 0 ( 1 0 ，r ) ； x , y ，z = r o t y 一( x s ，y s ，z s ，0 ，0 ，0 ，1 8 0 ) x = x c ；x 】； y = y c ；y 】； z = z c ；z 1 ； 【mh i = s i z e ( z ) ； c = r e p m a t ( 0 1 1 1 _ ，n ) ； c ( 1 ：1 3 ，：) = 1 ； 得到圆柱面数据阵 得到半球面数据阵 半球面旋转1 8 0 。 两矩阵整合 定义颜色阵 西安理工大学硕士学位沧丈 h s = s u r f a c e ( x ，y , z ，c ) ；绘隆j ，得至0 右j 柄 l i g h t ( 。p o s i t i o n 。【100 】，s t y l c 。，。i n f i n i t e 。) ；添加光源 s h a d i n gi n e r p ；表面细化处理 s c t ( h s ，。t a 9 1 b u l b t o o l ) ；设置标签 其他模块的图形绘制也同样是依据l ：述方法及步骤进行分析建摸， 不1 = 耳赘述。 2 3 3 模型的运动处理 没有运动，加工就不可能实现，所以，实际的加上运动存仿真环境 中电必不可少。仿真环境中的运动被称为图形变换，也就是将图形的几 何信息经过几何变换后产生新的图形。图形变换既可以看作是