（机械电子工程专业论文）虚拟数控车削加工物理仿真研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 数控车削加工作为现代机械加工的主要方式，是目前应用最广泛的加工方法之 一，因此对数控车削加工过程进行仿真具有重要的理论研究与实际应用价值。 本文在前人研究成果的基础上，重点对虚拟加工物理仿真的模型建立的方法进 行了一些尝试性的研究，主要内容如下： 鉴于车削物理因素中，切削力和切削温度对工件加工误差影响比较大，本文用 v c 编程实现了车削加工对切削力和切削温度预测，进而分析了工件在受力变形条件 下的误差，最后提出了误差补偿思想，为仿真系统提高预测精度提供了研究方法。 关键字：数控车削，物理仿真，v c ，误差 a b s t r a c t n ct u r n i n gi st h em o s ti m p o r t a n tm a c h i n i n gm e t h o do fm o d e mt i m e s ，i ti sc u r r e n t l yt h e m o s tw i d e l yu s e da l lo v e rt h ew o r l d ，s oi t sv e r yu s e f u lt or e s e a r c ht h en c t u r n i n gs i m u l a t i o n a si th a ss om u c ht h e o r ya n dp r a c t i c em e a n i n g t h i sp a p e rf o c u s e s0 nt h em e t h o do fm o d e l i n ga n dh a sd o n es o m ea t t e m p t e d r e s e a r c hb a s e do nt h ef o u n d a t i o no ft h ep r e d e c e s s o r s a c h i e v e m e n ta n dt h em a i n c o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： i nv i e wo fc u t t i n gf o r c ea n dc u t t i n gt e m p e r a t u r ea l et h em a i ni n f l u e n c i n gf a c t o r so f p h y s i c a lf a c t o r s t om a c h i n i n ge r r o ro f w o r k p i e c ei nt u m i n g ，t h i sp a p e ra c h i e v e st h ep r e d i c t i o n t ot h ec u t t i n gf o r c ea n dc u t t i n gt e m p e r a t u r ew i t ht h eu s eo fv c p r o g r a m , a n dt h e na n a l y s e st h e e i t o rw h i c hc o m e sf r o mw o r k p i e c ef o r c e dd e f o r m a t i o n , f i n a l l y , r a i s e st h et h i n k i n go fe r r o r c o m p e n s a t i o nw h i c hp r o v i d e sar e s e a r c hm e t h o dt oi m p r o v ep r e d i c t i o np r e c i s i o no f s i m u l a t i o ns y s t e m g u ox i a o h a n g ( m e c h a n i c a la n de l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f z h a n gw e n j i a n k e yw o r d s ：n ct u r n i n g ，p h y s i c a ls i m u l a t i o n ，v c ，e r r o r 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 数控车削加工作为现代机械加工的主要方式，是目前应用最广泛的加工方法之 一，因此对数控车削加工过程进行仿真具有重要的理论研究与实际应用价值。 本文在前人研究成果的基础上，重点对虚拟加工物理仿真的模型建立的方法进 行了一些尝试性的研究，主要内容如下： 鉴于车削物理因素中，切削力和切削温度对工件加工误差影响比较大，本文用 v c 编程实现了车削加工对切削力和切削温度预测，进而分析了工件在受力变形条件 下的误差，最后提出了误差补偿思想，为仿真系统提高预测精度提供了研究方法。 关键字：数控车削，物理仿真，v c ，误差 a b s t r a c t n ct u r n i n gi st h em o s ti m p o r t a n tm a c h i n i n gm e t h o do fm o d e mt i m e s ，i ti sc u r r e n t l yt h e m o s tw i d e l yu s e da l lo v e rt h ew o r l d ，s oi t sv e r yu s e f u lt or e s e a r c ht h en c t u r n i n gs i m u l a t i o n a si th a ss om u c ht h e o r ya n dp r a c t i c em e a n i n g t h i sp a p e rf o c u s e s0 nt h em e t h o do fm o d e l i n ga n dh a sd o n es o m ea t t e m p t e d r e s e a r c hb a s e do nt h ef o u n d a t i o no ft h ep r e d e c e s s o r s a c h i e v e m e n ta n dt h em a i n c o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： i nv i e wo fc u t t i n gf o r c ea n dc u t t i n gt e m p e r a t u r ea l et h em a i ni n f l u e n c i n gf a c t o r so f p h y s i c a lf a c t o r s t om a c h i n i n ge r r o ro f w o r k p i e c ei nt u m i n g ，t h i sp a p e ra c h i e v e st h ep r e d i c t i o n t ot h ec u t t i n gf o r c ea n dc u t t i n gt e m p e r a t u r ew i t ht h eu s eo fv c p r o g r a m , a n dt h e na n a l y s e st h e e i t o rw h i c hc o m e sf r o mw o r k p i e c ef o r c e dd e f o r m a t i o n , f i n a l l y , r a i s e st h et h i n k i n go fe r r o r c o m p e n s a t i o nw h i c hp r o v i d e sar e s e a r c hm e t h o dt oi m p r o v ep r e d i c t i o np r e c i s i o no f s i m u l a t i o ns y s t e m g u ox i a o h a n g ( m e c h a n i c a la n de l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f z h a n gw e n j i a n k e yw o r d s ：n ct u r n i n g ，p h y s i c a ls i m u l a t i o n ，v c ，e r r o r 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文虚拟数控车削加工物理仿真研究， 是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。据本人所知，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，也不包含为获得华北电力大学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：壶壶筮 日 期：巡2 至：堡 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：鱼查筮 日期：幽! 至：盟 导师签名： 日 期：! 竺芝：童：! d 华北电力大学硕士学位论文 1 1 概述 第一章绪论 随着科学技术的飞速发展和顾客需求的日益多样化，制造业面临全球范围的激 烈竞争，竞争的焦点在于如何更好更快地响应市场的需求，它可以概括为产品上市 快( t - t i m e ) 、质量好( q - q u a l i t y ) 、成本低( c c o s t ) 和服务好( s - s e r v i c e ) 等四项指 标。而以先进制造技术a m t ( a d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y ) 去谋求t 、q 、 c 、s 、e ，已成为9 0 年代人们的共识。从某种程度上说，2 1 世纪的竞争，就是先进 制造技术的竞争，先进制造技术已经成为世界科技发展的热点。 一个产品从概念设计到投放市场，一般需经过以下五步( 称为产品的生命周 期) ：概念设计、详细设计( 包括与产品制造相关的工艺设计) 、加工制造( 包括装配) 、 测试、培训维护( 即售后服务) 。为了达到t 、q 、c 、s 这四项指标，在制造业广泛 采用了先进制造技术，如：计算机辅助分析与设计、数控加工、自动化立体仓库、 自动导引运输设备、制造资源规划与管理、柔性制造及机器人装配等，它们或用于 产品设计，或用于产品加工制造，或用于生产计划的制定，而唯有计算机仿真技术 以及更高层次的虚拟制造技术在整个生命周期中都获得了应用。 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自7 0 年代以来，c a d 技术是众多计算机应用技术中推广 应用最为深入和最为广泛的专业应用领域之一，特别在制造业中的影响力更为突 出。8 0 年代初，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 r i n t e g r a t e dm 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 n 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 i r t u a l m 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 e m a n u f a c 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 i s e ) 等新概念，并且在发达工 业国家得到了不断的发展，在先进制造领域发挥着巨大的作用n 3 。 1 1 1 虚拟制造技术的概念 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 ) 又称拟实制造，是一个集成的、综合 的可运行制造环境，用来提高各个层次的决策和控制。一些国外文献上也称为像素 制造( m a n u f a c t u r i n go np i x e l s ) 或屏幕制造( s c r e e nm a n u f a c t u r i n g ) 。内涵是乜1 ： ( 1 ) 通过建模和仿真，提高加工过程的质量。 ( 2 ) v m 最重要的作用是为实施i p p d ( i n t e g r a t e dp r o d u c tp r o c e s s 华北电力大学硕士学位论文 d e v e l o p m e n t ) 提供一个工具，特别是用于预测产品成本和控制功能。 ( 3 ) v m 根据计算机模拟的产品开发环境，使设计者在真正加工之前就模拟地制 造产品。这里的“产品开发 包括了与产品相关的所有活动，不仅包括技术上的和 商业上的，而且还包括了产品的设计和生产。但是，v m 的仿真并不包括所有的这些 方面。 ( 4 ) v m 是基于模型的制造，使用的工具反过来影响这些模型。最初的工具是仿 真，利用仿真可以降低制造成本，而且可以检查真实空问和虚拟空间的许多参数。 因此，虚拟制造技术是由多学科知识形成的综合技术，其本质是以计算机支持 的仿真技术为前提，对设计、制造等生产过程进行统一建模，在产品的设计阶段实 时、并行地模拟出产品未来制造全过程及其对产品设计的影响，预测产品性能、产 品制造技术、产品的可制作性，从而更有效、更经济、更柔性灵活地组织生产。 1 1 2 数控仿真技术的概念及分类 数控加工仿真是虚拟制造的一个重要的分支和基础。数控加工仿真是指数控加 工过程在虚拟环境中的映射；它是c a d c a m 的重要组成部分，它能有效保证c a d c a m 生成的n c 代码的正确性，无过切和碰撞等干涉现象，能有效减少实际数控加工时 间，提高生产效率，数控仿真长时间一直与c a d 、c a m 系统捆绑，没有独立发展空 间。然而随着数控加工仿真技术不断发展和完善，仿真技术逐渐为人们重视、发展、 研究和使用；计算机仿真学学科性不断增强，尤其是几何造型平台的出现，数控加 工仿真技术具有了独立发展空间。 目前，数控仿真系统按照是否有物理因素的介入分为几何仿真和物理仿真： ( 1 ) 几何仿真几何仿真方法的发展是随着几何模型的发展而发展的。几何仿 真不考虑切削参数、切削力及其它因素的影响，只仿真刀具一工件几何体的相对运 动。几何仿真的关键是数控机床的三维几何模型的构建和有效的仿真算法的确定。 通过几何仿真可以减少或消除因程序错误而导致的机床损坏、夹具或刀具折断、零 件报废等问题。 ( 2 ) 物理仿真物理仿真是几何仿真功能的完善和扩充，揭示了加工过程的物 理本质。在物理仿真中关键是如何提取几何仿真中的切削层参数，并将其应用于切 削力的计算和加工参数的优化中，所以物理仿真中首先要建立切削力模型，再在此 基础上仿真动态切削，从而可以来获取切削过程中夹具一刀具一工件的力学特性。 物理仿真通过仿真切削过程的动态力学特性可以来预测刀具磨损和破损、夹具的振 动，控制切削参数，从而达到优化切削过程的目的，利于提高加工效率和质量d 1 。 2 华北电力大学硕士学位论文 1 1 3 国内外数控仿真技术的研究现状 国外从2 0 世纪8 0 年代开始，在数控仿真方面进行了广泛的研究和开发。数控 仿真经历了从几何仿真走向加工过程物理仿真的过程，开发了基于数值分析和模拟 来预测工件、刀具物理属性的原形软件，取得了许多研究成果h 1 。v o e l c k e r 和h u n k 两人于1 9 8 1 和1 9 8 2 最早将实体建模技术引入n c 程序检验，并利用p a d l ( c s g ) 模型 做了一个试验系统：1 9 8 6 年r bj e r a r d 和c h a p p e l 将曲面离散技术引入到数控仿真， 从而解决数控仿真速度问题；九十年代，日本和德国在仿真技术方面也进行了相当 多的研究，日本的h o r i s h i m ad e n k i 工学院引入了面向对象数据结构，可视化设计 和智能管理概念开发了v m s s 系统，它可以有效地进行f m s 建模睛3 ；德国提出的采用 c o s i m a 图像仿真系统，能够识别程序的大部分图形错误，从而改善n c 编程质量， 大大缩短机床上的机床调试时间，并以d e c k e ld o d 加工中心的实体模型模拟加工 中心的n c 加工过程，既适用于通常的n c 加工，也适于柔性制造系统的仿真哺1 。 目前，国外的数控仿真技术已形成了商品化软件口1 ，如：日本的s o n y 公司研制 的f r e d a m 系统可对球头铣刀加工自由曲面进行三维仿真，并进行干涉、碰撞检查； 英国d e l c a m 公司的产品p o w e r m i l l ，不仅提供五轴联动的实体切削仿真过程，而且 提供五轴加工机床动作仿真过程，动态仿真五轴加工过程机床各轴各机构运动关 系，仿真软件支持摆刀轴、双旋转工作台、摆刀轴与旋转工作台的组合；美国c g t e c h 公司开发的数控仿真软件y e r i c u t ，不仅实现多轴仿真，还增强了切削状态分析功 能：还有法国d e l m i a 公司的y n c ，c i m c o 公司的c i m c oe d i t 等其它数控仿真软件呻1 。 我国开展数控加工图形验证技术的研究始于2 0 世纪8 0 年代末一1 ，但即使是由 华中理工大学和清华大学合作研制的加工过程仿真器m p s 以及由哈尔滨工业大学在 国防工委“八五 科研项目柔性制造系统f m s 关键技术研究计划支持下开发的数控 加工过程三维动态图形仿真器n c m p s ，也存在着不具备精度检验的能力，且皆以工 作站为硬件基础，这种功能上的局限性和运行软件所需要的昂贵硬件投资限制了软 件系统的推广应用。为了解决上述问题，哈尔滨工业大学的刘华明教授带领课题组 开发了一套基于微机的复杂曲面数控加工仿真验证软件包。该系统的三维模型没有 采用c s g 和b - r e p 表达，而是在自己独有的复杂曲面离散技术的基础上构建的，这 种曲面离散技术的优点是极大地降低了仿真验证系统对硬件的要求。 目前，国内市场上也有一些功能较完善的数控仿真软件，如南京宇航自动化研 究所的y h c n c 系列数控仿真软件，支持多种数控系统，具有良好的用户界面，真实 感图形显示的效果也较好，系统运行效率高；南京航空航天大学的s u p e r m a n 2 0 0 0 c a d c a m 的仿真模块n 们。但这些软件与国外的软件相比还有相当的差距，需要不断 完善和商品化。 3 华北电力大学硕士学位论文 1 1 4 国内外数控仿真技术存在的问题 目前进行的v n c 加工过程仿真，主要有两种情况：一种是从金属切削的角度出 发，仿真某具体切削过程内部各因素的变化过程，研究其切削机理，供生产实际与 研究应用；另一种则是将加工过程仿真作为系统的一部分，重点在于构造完整的虚 拟制造系统。这两种方式的仿真方法是相同的，即首先对机加工工艺系统建立连续 变化模型，然后用数学离散方法将连续模型离散为离散点，通过分析这些离散点的 物理因素变化情况来仿真加工过程，最常用的是用有限元法分析各种物理因素的仿 真，比如：切削力仿真、温度仿真和切屑的生产、卷曲和折断等。由于v n c 加工过 程仿真还处于起步阶段，目前尚存在以下问题u ： ( 1 ) 仿真的加工形式少，研究范围窄，几何仿真租糙、失真。 在众多的切削加工种类与形式中，目前的仿真主要集中于铣、磨两种。即使在 这两种加工方法上，仿真也局限在很窄的范围内。如铣削中多是仿真棒铣刀和端铣 刀，而这种仿真系统对其它种类的铣刀( 如加工成形表面用铣刀) 却无能为力。其原 因是机械加工种类繁多，存在着车、铣、刨、磨、镗等多种加工形式；另一方面加 工机理复杂，不同的加工方法、刀具形状的加工模型有较大差别。同时，目前的仿 真系统大多进行几何仿真，即对刀位轨迹、工件与刀具的干涉检验等，也称为n c 校验( n cv e r i f i c a t i o n ) 。但在机加工过程中，几何校验只是前提条件，更为重要 的是切削力、刀具振动及刀具磨损等在切削过程中起决定因素的各物理量。首先， 在v n c 加工过程几何仿真中，为保证图形生成速度的实时性，仿真环境中的光照模 型只能模拟最简单的平行光，导致图形生成方式为区域填充或渐变色，不能符合光 学原理。仿真场景中物体的视屏投影为平行投影，不符合透视学理论。仿真环境不 能表现粗、精加工时主轴转速的变化及纹理形态，不能生成与实际形态一致的切屑 模型。另外目前国际上一些比较优秀的软件( p r o e 、u g 、m a s t e rs o l i d 等) 均利用 扩展z 缓区的d e x e l 法克服繁复的布尔集合运算满足实时仿真要求来完成实时数控 加工仿真。d e x e l 法表示的工件是以像素数据结构存在的，没有任何实体空间描述， 因而图形生成质量较差，而且用户不能以任意视觉观察被加工实体，无法正确判断 刀具轨迹干涉、碰撞，并对其进行轨迹优化。为此，美国p t c 公司制造部经理p a u l g i a c o n i a 提出n 副：未来数控加工仿真应向精细化及逼真化方向发展。 ( 2 ) 物理仿真过程都是考虑理想切削状态，与实际切削过程有较大差距。 首先，数控加工仿真系统形体描述均基于某一特定几何造型系统。目前几何造 型的具体方式有构造实体几何法( c s g ) 、扫略法( s w e e p ) 和边界表达法( b _ r e p ) 等， 不同的几何造型法采用不同的数据结构，目前国际上应用较广的几何造型系统有 i b m 公司的c a d a m 等，s d r c 公司的g e o m o d ，p t c 公司的p r o e 及s p a t i a lt e c h n o l o g y 4 华北电力大学硕士学位论文 公司的a c i s 等。这些造型的基本元素点、线、面、体等均由理想形状几何形体构 成，不含任何物理性质以及基于这种变化所引起物体宏观形状的改变。对于切削加 工而言，这种物质微观结构变化体现在刀具与工件相互作用时产生的力、热变形。 起宏观作用结构则是基于这种力、热变形所引起工件形状、位置及表面质量的改变。 目前加工仿真技术不可能由工件切削机理出发获得工件实际形状，只能对相互作用 的工件形体进行布尔求交运算，因此仿真结果必然失真。其次，目前的数控加工仿 真忽略或淡化了“过程，即很少或者根本就没有考虑工艺系统中物体相互作用时 的刀具磨损与切屑的生成、卷曲与折断等问题了；也没有真正考虑工艺系统中各部 件的运动( 切削和空程) 过程中的“顺行一与“干涉”问题。即对数控加工过程不进 行实质的仿真。最后，在目前的仿真系统中预先设定了大量的的假设因素，如设定 工艺系统刚性满足要求，无振动；加工材料结构统一，无硬点等缺陷；刀具无磨损 变形：切削要素不发生变化等。这种假设的理想状况不能将切削过程中的随机干扰 如主轴的偏移、刀具的磨损、机床的振动等因素考虑进去。 1 1 5 国内外数控仿真技术的发展趋势 随着网络的普及，对现代的数控加工仿真系统提出了更高的要求，传统的集中 安装的单体式仿真应用程序己很难满足要求。未来新型数控仿真系统必须具备如下 特性1 引： ( 1 ) 分布式特性数控加工仿真需要多方参与，仿真过程所需的原始数据往往 来自多个部门的数据库，这些部门在地理上是分布的，甚至有可能分布在世界的不 同地区。例如，机床参数由机床管理部门提供，夹具参数由工艺装备设计与管理部 门提供，刀具参数来自刀具刃磨与管理部门的数据库，工件材料特性、刀具材料特 性分别来自不同的数据库。 ( 2 ) 高性能计算最精确的数控仿真方法是基于实体造型的仿真方法，然而这 种方法需要进行大量的三维实体布尔运算，属于计算密集型算法。单台微机难以提 供如此高的计算能力。要想基于实体造型的仿真达到实用要求，有三种方法，一是 采用大型的高性能并行计算机；二是采用多台微机或工作站构成的计算机集群 ( c l u s t e r ) ，但是这两种方法成本高昂，不够灵活，难以普及：第三种方法是采用 新兴的网格( g r i d ) n 盯技术。 网格是一种新兴的基础设施，它将从根本上改变我们思考和使用计算机的方 式。网格的目标是将各种计算资源，包括c p u 计算能力、存储能力、各种设备集成 到一起，使它们协同工作。人们可以象使用电能一样自由地使用各种计算资源。 由于桌面计算机的普及，即使是在一个公司内部，也可聚集上千台p c 机构造 成桌面计算机网格。据统计，桌面计算机系统在白天有8 5 的时间是空闲的，而 5 华北电力大学硕士学位论文 在晚上这一比例高达9 5 。桌面计算机网格可收集这些闲散的计算资源。因此分 布式数控仿真网格将是未来的主要研究方向，这需要研究相应的系统结构及适用于 网格平台的仿真算法。数控仿真网格也将成为范围更大的制造网格的一个关键组成 部分。 1 2 论文研究的意义 由于数控加工几何仿真无法精确预测数控加工的真实过程，不能为用户提供合 理的切削加工参数，为避免过度的切削力、振动等导致机床损坏和零件加工精度超 差现象的发生，加工操作人员往往牺牲加工效率而选择非常保守的切削参数，严重 制约了数控机床效率的发挥。而数控加工物理仿真可以预测数控加工的真实过程， 通过仿真切削过程的动态力学特性科学地预测刀具、夹具及工件的变形、疲劳、振 动及温升：通过计算机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，在实际加工之前获得优化的切削加工参数，避免传统的加工参数依照手册或 经验的保守选择，大大提高人们的预测水平，充分发挥机床的潜能，对提高零件的 加工效率具有重要的意义。同时数控加工物理仿真对保证加工质量特别是大型整体 结构件的加工质量具有重要的现实意义。在我国航空大型整体结构件的加工中，由 于工艺过程存在的问题常造成工件报废的情况，不仅延误产品研制周期，而且造成 重大经济损失，因此急待加强对数控加工过程物理仿真的研究，通过仿真，更加科 学可靠地对加工产品的质量进行预测，设计合理的切削工艺方案，提供满足加工要 求的误差补偿方法。 在数控加工物理仿真研究中，切削力模型建立和仿真、加工误差模型的建立和 误差补偿以及加工参数优化都需要从数控加工几何仿真获取几何信息，因此在几何 仿真的基础上进行物理仿真，将几何仿真和物理仿真相结合，既能解决几何仿真的 局限性问题，又可以提供物理仿真所需的信息，是数控加工仿真技术的发展方向。 所以，在虚拟制造技术的研究中，建立虚拟车床的物理模型，研究虚拟数控车 削加工物理仿真，具有很重要的意义。 1 3 论文研究的主要内容 物理仿真主要是力学仿真，它是虚拟数控加工过程仿真的核心部分，其内涵就 是综合考虑实际切削中的各种因素，建立与实际切削拟合程度高的数学模型，从真 正意义上实现虚拟加工与实际加工的“无缝连接 ，满足虚拟数控加工的沉浸感和 交互性n 引。只有对物理仿真的机理研究透彻，才能真正意义上的满足虚拟制造的目 的即实际加工过程在计算机上的真实映射。基于本人论文工作时间有限，能力有限， 物理仿真的研究主要集中于以下几个方面： 6 华北电力大学硕士学位论文 ( 1 ) 切削力分析计算模型 车削时的静态切削力使得工件发生弯曲变形，从而使刀尖坐标系沿弯曲方向发 生了偏移而影响工件加工误差，切削力也使得刀具磨损使刀尖坐标系产生偏移从而 影响工件的加工误差。建立切削力计算模型，分析误差。 ( 2 ) 切削温度分析计算模型 切削温度对工件加工精度的影响很大，所以建立切削温度分析计算模型，进而 分析切削温度变化对工件加工精度的影响。 ( 3 ) 加工误差模型 工件加工误差受到许多因素的影响，这给加工误差仿真带来了许多困难，因为 要精确仿真出加工误差，不但要考虑每一单项因素对加工误差的影响，而且还得综 合考虑各因素的权重。通过对加工过程中的物理因素进行分析，对加工精度进行预 测，并据此提出补偿方法。 7 华北电力大学硕士学位论文 第二章数控车削加工仿真系统总体模型 针对具体机床编制车削加工仿真软件是实现车削加工过程全面仿真必经之路， 由于车削加工计算机仿真受具体情况的影响很大，这从根本上限制了车削仿真的应 用和发展。所以，只能从局部出发来逐渐解决问题。这就是说每一个车削仿真软件 针对某种特定类型的机床，而每一个运行的程序要映射到具体的机床上，如果要映 射到同类型的其他机床上，就需要重新设定机床环境参数，这些环境参数中同机床 本身相关的参数是在机床出厂的说明书中提供的。 对于高档的c n c 机床，可以把虚拟加工软件同机床的控制联系起来，在完成机 床加工同步显示的任务时，实现机床加工误差的软补偿，这种方式为提高机床的加 工精度，提供一条低成本、高科技的途径。 总之，车削仿真软件不能大而全，要走短小精悍的道路。 2 1 车削仿真系统的基本特性 随着生产不断向自动化、复杂化、大规模化的方向发展，在实际生产实施前， 对生产系统进行详细仿真以及预测的要求也越来越强烈。另一方面，随着环境破坏、 资源枯竭等社会问题的日益深刻，对当今的生产技术也提出了更高的要求、即不仅 要求所制造的产品及设备的功能、质量能满足使用要求，更要求考虑产品、设备从 其设计、制造、使用直至报废的整个生命周期中对社会、环境带来的影响。所以， 车削仿真系统一定要考虑到实际生产加工的需要，要针对实际加工中出现的问题来 进行研究，最终的目的是提高实际生产效率。 2 1 1 车削仿真的体系结构 随着制造业的高速发展，车削仿真系统应该具有以下的特点： ( 1 ) 所构造的计算机模型应如实地、详细地、多方面地表达实际机床所具有 的结构、属性，以便于仿真系统的开发、控制及维护。 ( 2 ) 加工过程的仿真，要尽可能忠实地遵循实际生产系统的约束，并尽能详 细地模拟生产过程的物理现象。 ( 3 ) 系统仿真结果的比较、评价，要通过计算机图形、虚拟现实等技术以直 观易懂的形式提供给使用者，用户界面要友好。 ( 4 ) 在系统功能的实现上，要能尽量准确、近乎实时地响应实际机床。 ( 5 ) 在实际应用方面、所开发的v m 系统不局限于某些特殊的要求，具有广泛 的应用性。 r 华北电力大学硕士学位论文 2 1 2 车削仿真的总体设计原则 鉴于国内目前的实际水平和软件基础，我们在设计车削仿真系统时应该遵循以 下原则： ( 1 ) 先进性：即所设计的软件在主要技术上与国内外同类软件相比，应该具 有一定的先进水平。 ( 2 ) 实用性：即设计的虚拟车削系统应该具有实际的应用前景。国外虚拟加 工软件己经很成熟，而且在国内有很大的市场，但是它们还有很多不适合中国国情 的地方。 ( 3 ) 可靠性：即系统能够准确地模拟车削加工过程，仿真结果真实可靠，有 一定的实用价值，能反映出加工的实际过程。 ( 4 ) 移植性：即为了使研究成果能够进一步推广应用，虚拟车削采用标准的 编程语言和图形软件编码实现，尽量减少对硬件的依赖性。 ( 5 ) 扩展性：即虚拟车削系统应该采用模块化结构，一方面便于维护和修改， 另一方面根据实际需要可以方便地进行扩充 ( 6 ) 集成化：包括两方面的含义，一是便于与己有的集成制造系统仿真软件 集成，二是易于与其他的系统，如c a d c a m 软件交换信息。 2 2 仿真系统总体模型 物理仿真的主要内容包括切削力仿真、加工误差仿真、切屑的生成过程仿真、 刀具的偏移、变形和磨损仿真及数控切削机床的振动与温度仿真等。物理仿真系统 中包括机床、工件、刀具、加工过程模拟等多方面因素，涉及到多个模型，其仿真 模型结构如图2 1 所示。车削模型包括机床的几何参数、运动关系、伺服系统、刚 度和热影响等。虚拟车削与实际机床一样，可以认为是一组相互连接的活动部件集 合。它们完成所要求的相对运动，提供工件和工件一刀具系统上相关点的瞬间空间 位置关系。因为机床的类型各式各样，品种千变万化，要想能够表达各种机床，就 需要采用模块化的原理，定制各种标准的模块，这样经过少量的修改就可以建立各 种机床的模型。各模块应该标准化、通用化、集成化、层次化、灵便化、经济化、 并具有互换性、相容性和相关性，使系统具有开放性和适应性。加工过程模块根据 机床动力学和热力学的理论预测加工结果，其中包括切削力、刀具磨损、表面质量 及加工误差等。利用车削仿真系统，用户输入n c 程序、工件模型和刀具模型，就 可以得到加工质量、加工效率、刀具状况等信息。通过这些参数的加工过程仿真来 对虚拟加工产品进行评价。由于研究论文时间有限，本文对物理因素中的切削力和 切削温度进行了研究，并预测在切削力影响下工件受力变形误差。 9 华北电力大学硕士学位论文 图2 - i 数控车削加工物理仿真的总体结构模型 2 2 1 车削仿真的建模要求 机械加工过程的建模和仿真技术在生成机械加工过程活动所涉及到的加工对 象、设备和装置，如加工的产品、机床、夹具和刀具等几何实体模型( 为节约建模 工时和便于突出观察部位，通常可不影响到整体性能的结构细节作一定的简化) 基 础上，构建可模拟机械加工实时运行时的具有运动和动力特征的仿真模型。所生成 的加工过程及其物理特性诸如：切削轨迹、切屑形成过程、应力场、温度场、变形 和振动等，通过荧屏的三维直视，可真实地观察其连续或瞬间的运动形态和特性参 数。 建立运动仿真和物理特性仿真的模型的基础在于专业的理论分析和科学实验。 1 0 华北电力大学硕士学位论文 由此开发出的各类专业性的仿真软件是赋予虚拟图像以符合真实加工过程的动作 和特性的关键，也是虚拟制造技术的基础。 机械加工的虚拟制造模型从总体上可分为加工条件模型和加工过程模型两大 类。 ( 1 ) 加工条件建模 加工条件建模是指工件在加工时所处的外界情况，主要有两方而，就是工件的 情况，即加工对象模型：设备的情况，即加工资源模型。 加工对象建模：包括毛坯模型、各工序的半成品模型和成品模型，以及所加工 的工件的材质的性能。 加工资源建模：包括机床、夹具、刀具库和刀具等制造资源的各种实体对象的 三维几何模型，以及这些模型间的关联。 ( 2 ) 加工过程建模 加工过程建模用以建立表示产品物理特性和加工历程的模型，它包括几何、运 动学和物理特性等三个层次的模型。 1 ) 几何模型层：建立与工艺过程相关的物理实体的几何模型，通常可以从由 加工条件建模生成的加工对象模型库中调用或作一些必要的修改如装夹和定位的 基面或组合件加工等。 2 ) 运动学模型层：它是在几何模型层基础上融入刀具和机床的运动轨迹所构 成的模型，用以评估轨迹的合理性和n c 代码的正确性，防止出现过切、碰撞或干 涉。 3 ) 物理特性模型层：它是在运动学模型层基础上融入工艺信息( 材料性能和切 削条件等) 和切削过程的动力学和热力学等效应而构成的模型，如：工艺系统变形、 振动以及材料切除率和加工精度评估等模型。 2 2 2 车削仿真模块化思想 车削仿真同实际机床一样，应该成系列化、模块化，确保虚拟车削具有良好的 可扩展性、各个模块之间具有较高的独立性、虚拟车削系统具有较强的易维护性。 模块是指具有独立的功能和规范化的结合要素的结构单元。切削过程分为两部分， 一部分用来预测切削力、切削温度等参数，另一部分是计算与工件有关的参数和状 态。 2 2 3 车削误差分析 车削的主要误差由车床的尺寸误差和表面误差组成，具体分类如图2 2 所示。 在此基础上我们把车削误差分为两类，从宏观方面上把影响尺寸误差的因素归为一 1 1 华北电力大学硕士学位论文 类，从微观方面把影响表面误差的因素归为一类。在此基础上提出误差集聚法，可 建立多误差因素共同作用下的切削加工数学模型，使之纳入机床加工过程的几何与 物理误差。提出车削加工切点法，可应用于其它类型机床的切削加工物理仿真。根 据误差敏感方向，将三维误差简化为二维平面误差。在车削加工工件尺寸及形状皆 连续动态变化时，应用有限元方法准确计算出工艺系统因弹性变形所引起的误差。 给出的误差综合模型，既适合车削加工误差的分析与控制，也适合数控加工误差的 实时补偿。产品的质量和效率是机械加工中最受关注的核心问题之一，需要在工艺 设计阶段n c 程序设计时尽量选择优化的加工条件。因此对切削误差预测建立精确 而可靠的模型，不论是为改进加工精度与效率还是为实现虚拟制造都有着重要意 义。 2 2 4 车削误差模型 2 - 2 车削误差的原因与分类 工件加工误差受到许多因素的影响，这给加工误差仿真带来了许多困难，因为 要精确仿真出加工误差，不但要考虑每一单项因素对加工误差的影响，而且还得综 合考虑各因素的权重。c a n d e r s s o n n 6 1 对定位误差和刀具磨损对工件精度的仿真模 型分别作了较为详细的研究；h u a i z h o n gl i n 刀对机床热变形和振动对工件加工误差 的模型作了深入的研究等。影响加工误差的因素还包括机床运动精度误差、刀具尺 寸误差以及主轴偏移、导轨变形、夹紧力、刀具、零件热变形和弹性变形误差及加 工方法引起的误差等。基于上述研究对这些单项误差按模糊理论进行模糊综合评 判，得出影响工件加工精度的总误差模型。 1 2 华北电力大学硕士学位论文 e b ( f ) ，j ，( f ) ，z ( f ) 】= 形巨b ( ，) ，y ( ，) ，z ( f ) 】 ( 2 1 ) j - l 式中，x ( ，) ，y ( t ) ，z ( t ) 为时刻t 是工件表面上生成点的位置；形表示第f 个误 差叠加时的权重；巨b ( f ) ，y ( f ) ，z ( f ) 】表示第f 个误差在时刻r 的误差值。上式又可表达 为影响刀具位置和姿态的自变量为时间r 的误差函数： 打 e ( f ) = 形e ( r ) i - i ( 2 - 2 ) 这样可以在虚拟加工中融入误差并方便的计算出时间t 时工件上某点的加工误 差，然后将产品的理论模型与毛坯去除材料后得到的加工模型求差可得加工误差模 型。在v n c 机床加工过程中，通过对不同区域中加工误差的大小进行检查，可对 其大小及其可能产生的原因进行分析评判，并为产品的可制造性评估提供依据。 1 3 华北电力大学硕士学位论文 第三章数控车削物理仿真分析模型 加工过程是一个复杂的非线性，时变系统，它涉及到切削速度、切削深度、进 给量、刀具几何形状等大量参数，以及弹性变形、塑性变形、热一力耦合等复杂过 程、工件内部组织结构与性能的变化等多方面的问题。加工过程物理仿真更是融合 了金属切削理论及实验研究的成果、数学建模方法和仿真软件开发等多方面技术， 而建立加工过程数学模型又是其中的核心，是开发加工过程的物理仿真系统的前提 和基础，通过对加工过程建立数学模型，预测切削加工过程中的各物理量的实时变 化，分析切削参数对加工过程的影响。 3 1 切削力模型 切削力是切削加工过程中十分重要的物理量，它直接决定着切削热的产生，影 响刀具磨损、破损、使用寿命、，工件的加工精度和已加工表面质量。在生产实际中， 切削力又是计算切削功率、制定切削用量、监控切削状态、设计和使用机床、刀具、 夹具的必要依据。在自动化加工设备中，为了提高加工效率，常常采用恒功率切削。 功率是力与速度的乘积，因此切削力的监测就必不可少。大多数自适应加工、智能 加工系统均配备有切削力检测装置n 8 1 9 1 ，很容易随时了解到加工过程中切削力的变 化情况，随时采取相应控制措施。因此在虚拟加工系统中，需要事先建立切削力模 型，才能根据加工要素的变化预测每时每刻切削力的变化及其产生的影响。 人们在长期的生产实践与科学研究中总结出各种切削力的预测方法，主要有两 类啪1 ，一类是理论公式法，它是用材料力学理论得出的简化公式： = f 。口。珀4 a 。+ c ) ，该公式可以反映各种要素对切削力的影响：f 。增大，工件材 料的强度增大，但变形系数a 。有些减小，总体上切削力呈增加趋势：背吃刀量a 。和 进给量厂分别代替切削宽度和厚度，它们增加会导致切削力增大；当刀具前角增大 时，人。和c 均减小，故切削力减小。理论公式的优点在于能够反映影响切削力因素 的内在联系，有助于定性分析问题：不足是在公式推导时简化了许多条件，因此计 算结果不够准确，在实践中很少得到应用。另一类是实验公式法。简单地说就是利 用测力仪测出各种因素变化时的切削力，将实验数据加以适当处理，得到经验公式。 t a y l o r 公式就是典型代表。 3 1 1 切削力经典模型 金属切削过程非常复杂，影响因素颇多，所以长期以来，尽管中外学者对切削 力的理论建模作了大量的工作，但仍没有得到与切削实际相吻合的理论公式。然而 理论公式能很好地反映切削过程，可以解释切削过程的很多现象，因此对它进行研 1 4 华北电力大学硕士学位论文 究是非常有必要的。以前的学者都致力于对剪切角的研究，下面就介绍几种这方面 的研究。 一、“最小能量说 它是由恩斯特和麦钱特于1 9 4 1 年提出的。“最小能量说 即金属切削时，剪切 平面位于要求剪切能量最小的位置，从而求出角。他们分析的前提条件是：直角自 由切削；切削层通过单一剪切平面变为切屑；切削过程中没有积屑瘤产生；切削时 切屑成带状：剪切平面上的剪切强度不受作用在该面上的正应办的影响；不考虑切 屑单元分离时的能量和后刀面上作用的力。他们把切屑当作处于平衡状态下的刚 体。 二、奥克斯勒理论 1 9 6 7 年奥克斯勒等以加工硬化滑移线场理论为基础，且认为切削层是通过有一 定宽度的带状剪切区转变为切屑，从而提出了他认为可以广泛用于低速和高速切削 求剪切角的理论： =