虚拟加工环境建模及实现技术

1、虚拟加工环境建模及实现技术      引言  虚拟加工技术是虚拟制造的关键使能技术之一。它基于计算机仿真技术和虚拟现实技术实现产品的数字化加工过程，评价设计零件的可加工性，并检验数控加工工艺的科学性。从而为产品的并行开发提供有力的支持，大大缩短了开发/生产周期，降低了生产成本，提高了产品质量。 虚拟加工环境是虚拟加工系统的基础。在虚拟加工环境中进行可视化加工仿真，不仅给用户提供了身临其境的沉浸感，更能对潜在的刀具与床身、夹具等的碰撞、干涉作出有效预测，实现对NC代码的全面验证。此外，由虚拟设备组成的三维虚拟加工环境也可用于车间布局优化

2、、人机分析以及调度仿真等。因此构建虚拟加工环境是实现虚拟加工系统的首要任务，具有重要的意义。 现有的虚拟加上模型存在如下缺点件:依赖于特定建模软件，对不同CAD系统几何模型支持不够;模型不支持可重构等。针对这些问题，在分析虚拟加工环境的建模需求的基础上，本文提出了由部件层、设备层和环境层组成的虚拟加下环境层次模型，给出了各层次模型的具体实现方法和技术，最后用实例验证了这些技术的有效性。 1虚拟加工环境的层次模型  完整的虚拟加工环境通常由虚拟的加工设备、物料运输设备、工件、刀具、夹具以及其它辅助设备、人员和车间环境组成，其中虚拟加工设备是最主要的组成元素。虚拟加工环境不仅为

3、使用者提供了一个具有沉浸感的仿真环境，更是对实际加工系统的本质映射。因此其模型必须与实际的加工系统在结构上具有相似性，在功能和行为上具有一致性。 综合而言，虚拟加工环境的模型首先要精确表达部件-设备-制造单元(生产线)-车间环境之间的拓扑关系。其次，虚拟部件、设备、生产线、车间环境模型所包含的信息必须完整，能够满足虚拟加工的要求，如机床模型要包含反映机床加工时运动学关系的信息。第三，模型应当具备相当的柔性以支持快速重构，虚拟车间可以根据需要添加、裁剪、移动虚拟加丁设备，实现车间级重构，而虚拟加工设备也可根据需要添加、裁剪、更改零部件，实现设备级重构。此外，模型应是三维的，具有良好的交互性。根据

4、上述需求，我们提出了如图1所示的层次结构的虚拟加工环境模型，包括部件层、设备层和环境层。  在虚拟加工层次模型中，环境模型EV由环境配置模型EVS和环境行为控制模型EVC描述，设备模型EQ由设备配置模型EQS由设备行为控制模型EQC描述，而部件模型CP则由部件几何模型CPG和部件物理属性仿真模型CPP描述。这些关系可形式化表达为: 2虚拟加工环境的实现技术  从虚拟加工环境层次模型可以看出，首先要开发通用的虚拟部件，建立虚拟部件库;再由通用的虚拟部件装配成不同的虚拟设备;然后在虚拟设备的基础上构建出虚拟环境。 2.1部件模型  作为虚拟加工环境

5、的基石，部件模型由部件的几何模型和物理属性仿真模型组成。部件几何模型是反映真实部件外观的约束模型，不仅包括支持三维实体显示的信息，还包括支持装配和仿真的几何数据。而物理属性仿真模型则是反映真实部件物理属性的约束模型。   日前的商用CAD软件已经很成熟，功能强大，而开发一个独立的几何建模模块，需要投入大量的人力财力。基于此考虑，我们选择从商用CAD软件建模，然后导入到虚拟加工系统中的方法建立部件几何模型。但是，从国产的CAXA到国外品牌UG/NX. Pro/E等，商用CAD软件种类繁多，不同的用户使用的软件种类可能并不相同。为了使虚拟加工系统具有通用性，所开发的CAD接口模

6、块也必须具有通用性和扩展性，可以导入常用的CAD模型，并可以在其基础上增加新的接口模块。 VRML是Internet上3D文件描述、交换的标准，常用CAD软件都支持这种格式的文件输出。为此，我们开发了VRML文件解析器。首先将在三维CAD软件中特征造型得到的部件几何模型导出成为VRML文件，再解析后导入到虚拟加工系统中，此模型包括二角面片、顶点、法线等用于显示的相关信息，称为部件的显示几何模型。由于VRML文件丢失了描述部件形状、尺寸、坐标等的特征信息，而这些信息是部件进行装配、仿真操作所必需的，所以还要进一步对三维CAD软件进行二次开发以获取这些信息。这些特征信息导入虚拟加工系统后得到部件的

7、另一个几何模型，称为工程语义模型。显示几何模型和工程语义模型关联在一起，共同组成部件的完整几何模型。这里采用一种通用的方法来实现这种关联;根据特征信息建立特征表面的面方程，依次判断三角面片集是否满足特征表面方程及尺寸约束，如果满足，则该二角面片集与该特征表面一一对应。图2是部件几何模型的UML类图。   组成设备的部件，它们不仅有几何属性.还有运动学、动力学(振动、变形二)、热力学等属性。因此，在建立部件几何模型后，还需要建立部件的物理属性仿真模型。运动学模型是最基本的物理属性仿真模型。虚拟部件根据真实部件在实际制造设备中的功能分类可定义为不同的角色(例如主轴、刀架等)。对于不同的角色，其运动学模型有不同的运动类型和运动约束。我们设计了