（机械制造及其自动化专业论文）基于vericut的激光加工技术研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 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 l m 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。激光切割以其切割范围广、速度高、切缝窄、热影响区小、加工柔性好等优点而广 泛应用于各种加工领域，是激光加工中发展最为成熟的技术。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，将制造业的激光加工和虚拟制造结合在起，具有 一定的创新性。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。 ( 1 ) 介绍虚拟制造和激光切割技术的背景、定义、特点、应用及其国内外的发展现 状，论述选题的背景、意义和解决的问题。 ( 2 ) 以埘t - 5 0 4 0 激光数控机床为实体模型，利用v e r i c u t 仿真系统对激光切割虚拟 机床进行建模，构建激光切割的虚拟制造加工环境，建立了虚拟激光束“刀具”同激光 切口宽度的对应关系，为实现激光加工的虚拟制造搭建接口。 ( 3 ) 针对虚拟加工激光束“刀具”同切口宽度的对应关系，进行了激光加工切口宽 度的理论计算预测和试验研究工作。探讨了激光与材料的相互作用，对激光切割过程中 的能量分析，通过简化类型，建立了切口宽度的计算预测公式，对切口宽度进行了计算 预测；以不锈钢材料进行激光加工试验研究，确定激光加工的工艺参数，通过试验获取 了不同激光加工参数与切口宽度的关系，详细研究激光加工工艺参数( 包括激光功率、激 光加工速度等) 对加工切割质量的影响，并通过切割试验切口质量对比获取激光切割 0 5 r m 厚不锈钢i c r l 8 n i 9 t i 的最佳加工工艺参数组( v = 8 0 衄m i n ，p = - 8 0 i o o w ，辅助气体为 压缩空气，气压为0 5 m p a ) ，并将切口宽度的计算值与试验值进行对比，分析存在误差的 原因，在最佳工艺参数组内对计算值进行参数修正，获取修正后的切口宽度计算公式。 ( 4 ) 探讨了激光切割不锈钢薄板的工艺制定，利用c a x a 进行数控编程，在虚拟机床 进行加工，反映现实的加工环境和加工过程，对虚拟加工的工件进行质量评佶，对工件进 行过切和欠切检查，对虚拟工件进行加工尺寸的测量，并对存在误差的尺寸进行修正。 对工件进行实际切割，减少了大量试验和试切的成本，生产周期缩短，精度大大提高。 最后对整体论文工作进行总结，并进一步对今后激光加工技术的发展进行了展望， 本文所作的工作说明了激光加工虚拟制造技术的可行性和可靠性，切实能为实际生产加 工提供指导和帮助。 关键词：虚拟制造；激光切割；v e r i g u t ；数控编程 大连理工大学硕十学 奇论文 r e s e a r c ho nl a s e rm a c h i n i n gt e c h n o l o g yb a s e do nv e r i c u t a b s t r a c t a sa d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gd e v e l o p sq u i c k l yw h i e hd e p e n d so nt h ei n f o r m a t i o n i n t e g r a t i o nt e c h n o l o g y , v i s u a lm a n u f a c t u r i n ga t t r a c t s t h ee x t e n s i v ef o c u si nt h e m a n u f a c t u r i n ga n dh a sb e c o m et h eo n eo f h o tf i e l d si n v e s t i g a t i n go nt h es c i e n c ea n db u s i n e s s l a s e rc u t t i n gh a sb e e nf o u n dw i d e l yu s i n gi nt h em a n u f a c t u r i n gi n d u s t r yb e c a u s eo f i t sm a n y a d v a n t a g e s ，s u c ha st h ew i d e - r a n g ec u r i n gs c a l e , h i g hc u t t i n gs p e e d ，n a r r o wc u t t i n gk e r f , s m a l lh e a t a f f e c t e dz o n e s ，a n df l e x i b l ec u t t i n gp r o c e s sa n ds oo n a n dl a s e rc u t t i n gi so n eo f t h em o s tc o n s u m m a t et e c h n o l o g i 船i ti si n n o v a t i v et oc o m b i n et h el a s e rm a c h i n i n gw i t l lv m w h i c ht a k et h el a s e rc u t t i n g8 8t h eo b j e c t i v e v i s u a lm a n u f a c t u r i n gc o n n e c t i n gw i t hl a s e r m a c h i n i n gr e f e rt ot h en ct e c h n o l o g y , l a s e ri n t e r a c t i o nt h e o r y 谢t l lm a t e r i a l s ，c a d c a m ， a n ds i m u l a t i o n , s ot h ei n v e s t i g a t i o nh a st h es i g n i f i c a n ta c a d e m i cm e a n i n g ( 1 ) i nt h i sp a p e ri n t r o d u c i n gv i s u a lm a n u f a c t u r i n ga n dl a s e rc u t t i n gb 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 na n di t sd e v e l o p i n gp r e s e n t a th o m ea n da b r o a d t h eb a c k g r o u n d , s i g n i f i c a n c eo f t h es e l e c t e dt o p i c i sd i s c u s s e da n ds o l v i n g q u e s t i o n s ( 2 ) t a k i n gl m t - 5 0 4 0l a s e rn cm a c h i n et o o la st h ee n t i t ym o d e l ，l a s e rc u t t i n gv i r t u a l m a c h i n ew a se s t a b l i s h e d i t sm a c h i n i n ge n v i r o n m e n tw a sa l s oc o n s t r u c t e df o rv i r t u a l m a n u f a c t u r i n go fl a s e rc u t t i n g m e a n w h i l et h er e l a t i o nb e t w e e n t h ek e r fw i d t ha n d t o o r o f t h ev i r t u a ll a s e rb e a mw a se s t a b l i s h e ds oa st oc o n s t r u c ti n t e r f a c eo f t h ev m ( 3 ) r e s e a r c ho nt h eb a s a lt h e o r yo fl a s e rc u t t i n g a ne x a m p l eo fs t a i n l e s ss t e e l ， i n v e s t i g a t i n gt h el a s e ri n t e r a c t i o nw i t l lm a t e r i a l t y p e sf o rl a s e rc u t t i n ga n da n a l y z i n ge n e r g y d u r i n gl a s e rc u t t i n g b u i l d i n gt h en u m e r i c a lm o d e l i n gf o rl a s e rc u t t i n g , t h r o u g hs i m p l i f i e d m o d e l i n g , b u i l d i n go na c a d e m i cf o r e c a s t e df o r m u l af o rc u t t i n gk e f f , m e a n w h i l ec a l c u l a t i n g t h ew i d t ho fc u t t i n gk e r f , p r o v i d et h ea c a d e m i cd a t af o re x p e r i m e n t a n dt h ee x p e r i m e n t r e s e a r c ho fl a s e rc u t t i n gs t a i n l e s ss t e e li sc a r r i e do u t ，t h ee f f e c to ft h ep r o c e s s i n gp a r a m e t e r s ( i n c l u d i n gl a s e rp o w e r , c u t t i n gv e l o c i t y , e ta 1 ) o nt h ec u t t i n gq u a l i t yi sd i s c u s s e di nd e t a i l i n s e a r c ho ft h eb e s tp a r a m e t e rg r o u p ，c o m p a r ew i t hc a l c u l a t ev a l u ea n de x p e r i m e n tv a l u ef o r l a s e rc u t t i n gw i d t h , a n a l y z i n gt h er e a s o no fg a r o r , a n dm o d i f yc a l c u l a t ev a l u ei nt h eb e s t p a r a m e t e rg r o u p ，o b t a i n i n gm o d i f yc a l c u l a t ef o r m u l ai nt h eb e s tp a r a m e t e rg r o u p ( 4 ) a n a l y z i n gt e c h n i c s o fl a s e rc u t t i n g , u s i n gc a x as o f t - w a r ep r o g r a mt h en c p r o c e d u r e ，t h e nc u t t i n gi nt h ev i r t u a lm a c h i n et o o l ，m e a n w h i l ec h e c k i n gt h er i g h tf o rn c p r o c e d u r e e v a l u a t i n gt h eq u a l i t yo f p r o d u c tf o rv i r t u a lm a c h i n i n g , c h e c k i n ge x e e s s a n dg o u g e f o rp r o d u c t , m e a u r e i n g m a c h i n i n gs i z e s a n dc n cp r o c e d u r ee x i s te r r o rw h i c hc a nb e 基于v e r i c u t 的激光加工技术研究 c 0 删e d l 弱盯m a c i l i i l i r 培i np r a c t i c er e d u c e sag r e a td e a lo fc o s tf o rt e s ta n de x a m i n a t i o n m a c h i n i n g , s h o r t e np r o d u c ec y c l ea n di m p r o v e dp r e c i s i o ng r e a t l y f i n a l l y , as u m m a r yo f t h e w h o l et h e s i sw o r ki sm a d e ，a n dt h ed e v e l o p i n gp r o s p e c to f t h e l a s e rv mt e c h n o l o g yi sf o r e c a s t e d d e m o n s t r a t i n gt h ef e a s i b i l i t ya n dc r e d i b i l i t yo ft h el a s e r v i mt e c h n o l o g y , a n dp r o v i d i n gt h ei n s t r u c t i o na n dh e l pf o rp r a c t i c e k e yw o r d s ：v i r t u a lm a n u f a c t u r i n g ；l a s e rc u t t i n g ；v e r i c u t ；c n cp r o g r a m i n g i v 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：日期：型；! ! ：! 至 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名 导师签名： 曼塑趁 漱 大连理工大学硕士学伊论文 1 绪论 1 1 l ； 述 在新形势下，制造业的经营战略发生了很大变化，在3 0 6 0 年代企业追求的是规模 效益，如：美国福特汽车公司、通用汽车公司相继采用刚性流水线进行大批量生产；7 0 年代更加重视降低生产成本，如：日本丰田公司采用准时化生产；8 0 年代提高产品质量 成为主要耳标；进入9 0 年代新产品开发及交货期成为竞争的焦点。由此产生了多种多样 的制造哲理，如：精益生产、并行工程、敏捷制造和虚拟制造等，从不同角度研究如何 增强企业的竞争力。2 0 世纪中叶以来，以微电子、信息技术为基础，以计算机网络和通 信为核心的信息技术革命，对社会资源配置、经济运行和竞争方式以及人类生活方式产 生了深刻的影响，并产生了一场新的产业革命，将人类推向以高技术为基础的知识经济 时代。为了适应迅速多变的市场需求，提高竞争力，现代化企业必须解决t q c s e 难题， 即以最快的上市速度( t ，t i m et om a r k e t ) 、最好的质量( q ，q u a l i t y ) 、最低的成本 ( c ，c o s t ) 、最优的服务( s ，s e r v e r ) 、及清洁的环境( e ，e n v i r o n m e n t ) 来满足不 同顾客的需求。 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 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，先迸 制造技术进一步向更高水平发展，出现了虚拟制造( v m ，v i r t u a lm a n u f a c t u r i n g ) ，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 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。 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，成为研究的热点之一。虚拟制造就是在这种情况下，在强调柔性和快速响应 的前提下，随着计算机技术、特别是信息技术的发展，从它诞生之日起，其潜在的优势 就受到广泛的关注和认可，被认为是下一代制造技术的基础。尽管虚拟制造的出现的时 间不长，但它对制造业的革命性的影响却很快地显示了出来，出现了许多成功的应用范 例“1 。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。 本文根据先进制造技术对激光加工技术的要求，本着以降低成本、提高工件的加工 质量和加工精度的要求，提出了“基于v e r i c u t 的激光加工技术研究”这一课题。通过 基于v e r i c u t 的激光加工技术研究 对虚拟制造、激光切割所产生的背景、相关技术、发展现状进行探讨和阐述，并对激光 加工的虚拟制造技术应用和发展现状进行分析，分析本文所要做的工作和解决的问题。 1 2 虚拟制造简介 1 2 1 虚拟制造的定义 虚拟制造的概念最早由美国在2 0 世纪9 0 年代提出。由于虚拟制造技术出现的时间不 长，许多专家学者从不同的角度对虚拟制造的内涵进行了探索，并给出相应的定义，比 较代表性的有以下几种【l 】： ( 1 ) 佛罗里达大学g l o r i aj w i e n s 等人将虚拟制造定义为：虚拟制造是这样一个概 念，即与实际制造一样，只是在计算机上执行制造全过程，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。 ( 2 ) 美国空军w r i g h t 实验室的定义为：虚拟制造是仿真、建模与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。 ( 3 ) 马里兰大学e d w a r dl i n 的定义为：虚拟制造是一个用于增强各级决策与控制的 一体化的、综合性的制造环境。 综合以上定义，清华大学肖田元教授的研究小组给出如下定义：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。 由此可见，“虚拟制造”虽然不是实际的制造，但却实现实际制造的本质过程，是一 种通过计算机虚拟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，提高人们的预测和决策水平，使得制造技术走出主要依赖于经验的狭小天地，发展 到了全方位预报的新阶段。它不是原有单项制造仿真技术的简单组合，而是在相关理论 和已积累知识的基础上对制造知识进行系统化组织，对工程对象和制造活动进行全面建 模。采用计算机仿真来评估设计与制造活动，以消除设计中的不合理部分。 1 2 2 虚拟制造系统的特征 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，它是产品的设计、开 发与实现过程在计算机上的本质实现，与实际制造相比较，具有如下主要特征【l 棚： f 1 ) 虚拟制造是实际制造过程在计算机上的映射和本质表现，即采用仿真与虚拟现 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 大连理丁大学硕士学位论文 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 造过程各进程的决策与控制能力； ( 2 ) 虚拟制造虽然不是实际的制造，但却实现实际制造的本质过程，是种通过计 算机虚拟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，提高 人们的预测和决策水平； ( 3 ) 产品的设计与制造是在虚拟环境下进行的，在计算机上进行产品设计、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；还可以将已开发的产品( 部件) 存放在计算机 里，不但可以大大节省仓储费用，更能根据用户需求或市场变化快速改变设计，快速投 入批量生产，从而能大幅度压缩新产品的开发时间，提高质量，降低成本； ( 4 ) 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协同工作， 相互交流。信息共享。 1 2 3 虚拟制造系统的分类 按照与生产各个阶段的关系，可将虚拟制造分成三类，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 d 埘) 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 ) i l l s 。 ( 1 ) 以设计为中心的虚拟制造 这类研究是将制造信息加入到产品设计与工艺设计过程中，并在计算机中进行数字 化“制造”，仿真多种制造方案，检验其可制造性或可装配性，预测产品性能、报价和 成本。其主要目的是通过“制造仿真”来优化产品设计及工艺过程，尽早发现设计中的 问题。 ( 2 ) 以生产为中心的虚拟制造 这类研究是将仿真能力加入到生产计划模型中，其目的是方便和快捷地评价多种生 产计划，检验新工艺流程可信度，产品的生产效率，资源的需求状况( 包括购置新设备、 征询盟友等) ，从而优化制造环境的配置和生产的供给计划。 ( 3 ) 以控制为中心的虚拟制造 这类研究是将仿真能力增加到控制模型中，提供对实际生产过程仿真的环境。其目 的是在考虑车间控制行为的基础上，评估新的或改进的产品设计及与车间生产相关的活 动，从而优化制造过程，改进制造系统。 以设计为中心的虚拟制造在设计阶段为设计者提供设计信息。以生产为中心的虚拟 制造在生产计划期间使用虚拟技术来优化生产过程。以控制为中心的虚拟制造在虚拟中 基于v e r i c u t 的激光加工技术研究 利用了机床的控制模型。三者之间的关系如图1 1 所示。虚拟制造将各种独立的制造技 术集成在一个虚拟环境当中，在这一环境中，制造工程师通过观察零件在虚拟设备和虚 拟车间的加工情况，在设计的初始阶段就可以将对设计的评价反馈给设计工程师，从而 设计出更合理的工艺过程和更科学的生产调度和管理计划。 图1 1 虚拟制造系统的体系结构 f i g 1 1s t r u c t u r eo f v i r t u a lm a n u f a c t u r i n gs y s t e m 1 2 4 虚拟制造的关键技术 虚拟制造以信息技术、仿真技术和虚拟现实技术为支持。虚拟制造技术涉及面很广， 诸如环境构成技术、过程特征抽取、元模型、集成基础结构的体系结构、制造特征数据 集成、多学科交驻功能、决策支持工具、接口技术、虚拟现实技术、建模与仿真技术等。 其中后3 项是虚拟制造的核心技术【l 划。 ( 1 ) 建模技术 虚拟环境建模指对虚拟环境及其中的虚拟物体的外观、形状和物理特性进行描述， 并将相应的接口设备映射到仿真环境之中。虚拟制造系统应当建立一个包容生产模型、 产品模型、工艺模型的信息体系结构。生产模型包括对系统生产能力和生产特性的静态 描述和对系统动态行为和状态的动态描述。虚拟制造系统的产品模型要使产品实施过程 中的全部活动融于一体，必须具有完备的产品模型，支持这些活动的全集成。工艺模型 将工艺参数与影响制造功能的产品设计属性联系起来，以反映生产模型与产品模型间的 交互作用。 ( 2 ) 仿真技术 仿真就是应用计算机对复杂的现实系统经过抽象和简化形成系统模型，然后在分析 的基础上运行此模型，从而得到系统一系列的统计性能。由于仿真是以系统模型为对象 的研究方法，而不干扰实际生产系统，同时仿真可以利用计算机的快速运算能力，用很 短时间模拟实际生产中需要很长时间的生产周期，因此可以缩短决策时间，避免资金、 人力和时间的浪费。计算机还可以重复仿真，优化实施方案。 一4 一 大连理工大学硕十学位论文 ( 3 ) 虚拟现实技术t t ( v i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g y ) 虚拟现实技术是在为改善人与计算机的交互方式，提高计算机可操作性中产生的， 它是综合利用计算机图形系统、各种显示和控制等接口设备，在计算机上生成可交互的 三维环境( 称为虚拟环境) 中提供沉浸感觉的技术。虚拟现实系统包括操作者、机器和 人机接n 3 个基本要素。它不仅提高了人与计算机之间的和谐程度，也成为一种有力的 仿真工具。利用v r s 可以对真实世界进行动态模拟，通过用户的交互输入，并及时按输 出修改虚拟环境，使人产生身临其境的沉浸感觉。虚拟现实技术是v m 的关键技术之一。 1 2 5 虚拟制造研究概况 由于虚拟制造技术具有诱人的应用前景，国内外研究者作了大量的研究，并出现了 许多成功的应用范例【l l 。 ( 1 ) 国外研究概况 美国波音公司投资4 0 亿美元研制波音7 7 7 喷气式客机，从1 9 9 0 年l o 月开始至u 1 9 9 4 年6 月仅用了3 年零8 个月时间就完成了研制，一次试飞成功，投入运营。波音公司分散 在世界各地的技术人员可以从7 7 7 客机数以万计的零部件中调出任何一种在计算机上观 察、研究、讨论，所有零部件均是三维实体模型。可见虚拟产品设计给企业带来的效益。 英国h e r r i o t - w a t t 大学机械与化学工程系的虚拟制造小组于1 9 9 3 年起开始进行 虚拟现实技术的研究，目前正从事与虚拟装配有关的一系列研究工作，他们的目标是为 工业应用提供各种虚拟现实工具，最终实现虚拟原型。他们主要从事于虚拟装配规划和 知识获取、虚拟环境中的对象形变研究、虚拟环境中的冲突检测研究、基于特征识别的 n c 零件编程、基于特征的设计，以及虚拟测试等。 欧洲空中客车一改过去的传统产品研制及开发方法，采用虚拟制造及仿真技术， 把空中客车试制周期从4 年缩短为2 5 年，不仅提前投放市场，而且显著降低了研制费用 及生产成本，大大增强了全球竞争能力。 日本大阪大学的0 n o s a t o 教授领导的小组从1 9 9 1 年开始用了一年时间于1 9 9 2 年 建立了v i r t u a lw o r k s ，它是一个构建工厂模型的建模与仿真工具，着力于提高v i r t u a l w o r k s 的人机交互的自然性、改善接口的开发性，以及仿真的并行性与分布性。 从以上的研究和应用状况，国外各个国家对虚拟制造的研究都是十分的重视，已经 产生较大的经济效益，将信息化同工业化相结合，其发展前景和空间将十分广泛。 ( 2 ) 国内研究概况 近几年来，虚拟制造技术也引起了我国科技工作者的关注，据不完全统计，目前全 国已有3 4 家科研机构、高等院校和企业正在开展技术方面的研究。 基于 v ，e r i c - u t 的激光加工技术研究 清华大学c i m s 中心提出了支持虚拟制造的产品元建模方法，为产品生命周期的 各阶段分析与评价提供了可供操作的模型支持； 清华大学在国家8 6 3 c i m s 主题重大关键技术攻关项目的支持下，开展了剑杆织 机的虚拟产品开发，进行了剑杆织机的三维数字建模及产品性能分析、加工过程仿真、 虚拟装配技术等的研究与应用，并建立了具有相当共性的支持创新设计的虚拟产品开发 环境； 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个小时，并保证 一次试切成功。 上海同济大学张曙教授提出了分散网络化生产系统，西安交通大学谢友柏院士 组建了异地网络化研究中心。清华大学国家c i m s 工程技术中心提出了基于产品数据管理 ( p d m ) 集成的体系结构。它包括虚拟加工平台、虚拟企业平台，分别对产品的“可 加工性”、“可生产性”和“可合作性”进行决策支持。 从国内的研究可以看出，我国虚拟制造技术的研究刚刚起步，目前仍停留在国外理 论的消化与国内环境的结合上。具体成熟的虚拟技术应用到实际当中还比较少，特别是 在产品的开发设计中，虚拟技术还没有发挥出它应有的作用。对虚拟制造技术的研究还 处在技术跟踪阶段，主要集中在基本单元技术的研究上。 1 3 激光切割简介 1 3 1 激光切割的特点 激光切割是是利用经聚焦的高功率密度激光束照射工件，在超过阈值功率密度的 前提下，使被照射处的材料迅速熔化、汽化、烧蚀或达到燃点，就可看出激光切割技术的 特点和优点【6 7 1 ： ( 1 ) 激光切割的功率密度较高，达1 0 6 1 0 w c m 2 。切缝宽度小，最小可至0 1 0 m ，一 般也在0 1 3 - 一0 3 8 m m 范围内，材料的利用率高。 ( 2 ) 因为激光作用时间短，所以工件变形少，周边热影响区很小，约为o 0 8 0 1 m m 。 ( 3 ) 只须定位而不需夹紧、划线、去油等准备工序，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。 ( 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。 6 大连理工大学硕七学位论文 ( 7 ) 切割速度快，为机械方法的2 0 倍。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1 0 0 ：1 以上，对于金属也可达2 0 ：1 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 ) 噪音低和振动小，对环境基本无污染。 1 3 2 激光切割的现状 n 1 国外现状 作为先进制造技术之一的激光切割技术，以每年1 5 2 0 的速度增长【”9 1 。现在激 光切割技术已从特殊用途的加工技术变为通用的、具有多种加工能力的) i n 3 - 技术。目的， 国外探索的激光切割应用范围正在不断地扩大，已达2 0 多个领域。激光被誉为“万能 加工工具”、“未来制造系统的共同加工手段”，不仅在国防工业领域而且在民用工业 领域也获得了广泛应用。工业用激光器的制造及其引入生产的速度已成为衡量一个国家 工业生产效率及其在发达国家中地位的标准之一。 从工业应用领域来看，金属和非金属的激光切割是激光切割最主要的应用领域，其 中最具有代表性和应用最为广阔的是汽车制造业，在美国汽车工业中，通用汽车公司已 经建立了2 2 条激光加工生产线，其中切割生产线占总体的6 5 以上。在欧洲汽车工业中， 三维激光切割首先用于原型样机的制造和试生产，也用于中小批量生产；同样在日本汽 车工业中，较多的三维激光切割用于小批量产品的切割、样车的生产。近年来，美、日、 德、英等国正致力于研制各种工业用激光器，研究各种激光加工方法及工艺，激光切割 工艺己初具规模，正在形成一门新的产业。 从激光切割工艺研究现状来看，日本在激光切割工艺方面的研究走在世界的前歹， 美国、德国以及一些欧洲国家也在七、八十年代开始在大量的激光切割工艺试验的基础 上，总结激光切割工艺，建立工艺数据库。 ( 2 ) 国内现状 同国外的发展情况相比，我国激光加工技术研究起步较晚，激光加工的整体水平比 较落后，工业生产自动化程度不是很高，但是国家在激光加工技术方面的研究给予了相 当的重视，除了将激光加工技术列入国家重点科技攻关外，它在国家自然科学基金、国 家“8 6 3 ”计划、国家“火炬”计划等也有相当的项目被列入。目前，许多学者对钢板、 合金钢、硬质合金及硅钢片等的切割工艺进行了研鳅4 7 5 2 】，总结了激光切割工艺，建立 工艺数据库，对激光加工技术方向的学科发展的贡献很大。 基于v e r i c l f f 的激光加工技术研究 总体来说，我国的激光切割技术的综合水平还是比较低，激光加工的工艺参数库还 不是很完善，研究的空间还是很大。 1 3 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 为： ( 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 进一步的提高。 ( 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，并改善能量之间的藕合；采 用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w e b 技术的发展，实行了激光加工的虚拟制造技术，建立基于w e b 的网络数据库，采用模糊推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 问进行成了不可避免的趋势。 ( 7 ) 三维高精度大型数控激光切割机及其切割工艺技术，为了满足汽车和航天等工 业的立体工件切割的需要，三维激光切割机正向高效率、高精度、多功能和高适应性方 向发展，激光切割正朝着激光切割单元f m c 、无人化和自动化方向发展。 1 4 本文的选题背景和研究内容 1 4 1 选题背景 虚拟制造系统是制造系统在信息空间的映射，计算机仿真是实现虚拟制造系统的基 本方法。如图1 2 所示，在制造过程中，存在大量的设计行为，实践检验( 即图中的试加 工过程) 是需要付出较大成本的，由于现实条件的限制，不可能对所有的设计进行检验。 大连理t = 大学硕士学位论文 虚拟制造系统将这一检验过程映射到信息空间来完成，可以降低设计方案的检验成本和 试加工的成本。 图1 2 产品制造模式 f i g 1 2p r o d u c tm a n u f a c t u r i n gm o d e 激光加工的虚拟制造是指激光加工在虚拟环境中的映射，它集激光制造技术、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 将制造业的激光加工和虚拟制造结合在一起，具有一定的创新性。激光加工的虚拟制造 加工过程的建模和仿真是基础的工作，涉及到机械、物理、力学、数学和自动化等多门 学科，对该问题的研究具有十分重要的意义。 对激光加工虚拟制造进行研究，能够通过计算机所产生的三维模型及其运动仿真而 感知虚拟的加工环境。激光加工的成本比较高，采用虚拟制造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。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。图1 3 为虚拟制造的过程 图。 图1 3 虚拟制造过程图 f i g 1 3p r o c e s s i n go f v i r t u a lm a n u f a c t u r i n g 基于v e r i c u t 的激光加工技术研究 1 4 2 激光加工虚拟制造技术研究现状 由于激光加工具有许多优点和广泛的应用，针对激光加工方面的研究的学者比较多 但对大多数学者对激光加工工艺的研究比较多，通过查找国内外文献，对激光加工虚拟 制造技术方面的研究的人还不是很多，以下是学者对此的研究现状。 ( 1 ) j e n d o ，s o h b a ，t a n z a i 研究了薄板加工的虚拟制造1 。采用i g r i p 软件来 虚拟加工薄板件的激光打孔和激光加工的过程，通过i g r i p 软件，对加工工序进行优化， 来获取最节省的加工时间。 ( 2 ) 江苏大学张朝阳、张永康研究了基于i n t e r n e t 的激光切割加工过程的建模与虚 拟仿真，分析了主要工艺参数对激光切割加工质量的影响。创建了激光切割机的三维 几何实体，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， 并对激光切割进行仿真加工，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。 ( 3 ) 江苏大学丁俊勇、张永康研究了基于激光切割的虚拟制造系统的研究口。1 ，通过 对虚拟制造技术的分析，提出了基于激光切割的虚拟制造系统l c v m s ，建立基于j 2 e e 平 台的三层分布式体系结构，依次是客户层、e j b 层、数据层，并对应于系统体系结构的各 个逻辑层，采用组件化的技术将系统的功能组件化，包括一个切割路径优化的组件、一 个数控代码自动生成的组件、三个对后台数据库进行访问的实体e j b 组件，各层之间通 过相应的协议进行通讯，以达到相互协作的目的，建立激光切割的应用软件，实现远程的 分布式切割方式，打造虚拟制造的平台。 ( 4 ) 中国科学院力学研究所张桃红、虞钢，提出了虚拟激光柔性加工系统的体系结 构1 ，运用i g r i p 建立包括虚拟场景和虚拟加工设备的虚拟激光柔性加工平台，以覆盖 件模具表面激光硬化加工为例，综合分析其过程中各影响因素( 几何、激光、材料等方面 的因素) 。建立了基于神经网络的工艺力学模型，并嵌入到虚拟加工平台中，以实现包括 几何仿真与物理仿真的完整仿真过程，预测加工效果，为真实加工提供有效依据。 从上面的论述可以看出，对于激光加工的虚拟制造，研究工作主要集中在对激光切 割加工路径的优化，激光加工过程的仿真和激光加工虚拟制造的平台的构建上，还没有 完全针对激光加工制造进行虚拟制造的研究，在虚拟的加工环境中对产品进行加工，并 对产品进行质量评估，进行误差修正，一次实际加工获得合格产品，改变传统的激光方法 通过试切加工来验证产品的加工质量，大大减少激光试验所需要的费用，减少材料浪 费，延长机床和激光器的使用寿命，改善加工质量和生产效率，提高数控加工程序的可 靠性和检验过程的安全性。 大连理工大学硕士学位论文 1 4 3 论文的主要工作 针对以上问题，本文进行以下内容的研究： ( 1 ) 介绍虚拟制造和激光切割技术的背景、定义、应用以及国内外的发展现状，并 详细分析阐述激光加工虚拟制造所涉及的知识领域和本课题研究的意义。 ( 2 ) 介绍j k 7 0 1 f l 型y a g 固体激光器的结构、主要参数及数控系统等功能，掌握机床加 工仿真系统v e r i c u t 软件的功能模块。采用虚拟制造软件v e r i c u t 的功能模块。以 l m t 一5 0 4 0 激光数控机床为实体模型，利用v e r i c u t 仿真系统对激光切割虚拟机床进行建 模，构建激光切割的虚拟制造加工环境，建立了虚拟激光束“刀具”同激光切口宽度的 对应关系，为实现激光加工的虚拟制造搭建接口。这是激光切割虚拟制造技术研究的前 期工作。 ( 3 ) 对激光加工的基本原理进行研究，以不锈钢为例，探讨激光与材料的相互作用和 激光切割过程中的能量分析，通过简化模型，建立了切口宽度的理论计算预测公式，对 切口宽度进行了理论计算，为试验提供理论数据；并对不锈钢材料迸行激光加工试验研 究，分析激光加工工艺参数( 包括激光功率、激光加