數(shù)控后加工與仿真(1)

1、數(shù)控后加工與仿真技術(shù)0842823101 曹麗珠0842823106 劉雪穎0842823114 高凡凡數(shù)控加工仿真概述v概述：概述： 利用計算機技術(shù)來模擬實際的機床加工過程，它驗證數(shù)控加工程序的可靠性和預測切削過程v作用：作用： 減少工件的試切，提高生產(chǎn)效率v特點：特點： 形象、科學、安全、經(jīng)濟 產(chǎn)生背景 隨著計算機集成制造(ClM)、敏捷制造(AM)、并行工程(CE)等先進制造技術(shù)的發(fā)展與應用，企業(yè)之間競爭日趨激烈，企業(yè)設計、制造模式正在發(fā)生轉(zhuǎn)變已要求將產(chǎn)品的可制造性分析提前到設計階段，甚至市場分析階段，其綜合性和復雜性使仿真技術(shù)成為重要的和必不可少的研究工具，只有通過仿真才熊確定產(chǎn)品設計

2、和生產(chǎn)工藝的可行性和合理性，才能保證產(chǎn)品制造的成功和確保生產(chǎn)周期。 加工過程的計算機仿真是采用先進的計算機建橫與圖形仿真技術(shù)，在計算機上模擬加工環(huán)境和數(shù)控加工的全過程，是驗證數(shù)控程序的正確性、檢查產(chǎn)品設計與可制造性的有效工具。加工過程仿真包括幾何仿真和物理仿真。幾何仿真主要用于數(shù)控程序驗證，包括刀具軌跡驗證、干涉和碰撞檢查兩個方面，其目的在于確定數(shù)控程序的正確與否。物理仿真則是對加工撾程的熱學、力學特性進行建模仿真分析，主要用于驗證各種加工參數(shù)的選擇是否合理。 近年來，Internet的飛速發(fā)展打破了地域限制，為實現(xiàn)異地協(xié)同設計與網(wǎng)絡化制造奠定了基礎，同時也對制造過程仿真提出了新的要求?，F(xiàn)有的

3、仿真軟件(如ProE、UGS的加工仿真模塊)多是在單臺計算機上運行，無法支持基于web的異地協(xié)同設計以及實施網(wǎng)絡化制造的要求。該文針對上述問題，將數(shù)控加工仿真與網(wǎng)絡集成，進行了基于Web的數(shù)控加工仿真的研究，提出了一個基于Web的數(shù)控加工幾何仿真系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，并以數(shù)控彎管過程為例，采用先進的VRML、J2EE技術(shù)，實現(xiàn)了一個基于web的數(shù)控彎管幾何仿真系統(tǒng)。數(shù)控仿真技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國外:v美國Maryland大學開發(fā)了用于培訓數(shù)控操作人員的虛擬數(shù)控機床仿真器v韓國Turbo-TEK公司開發(fā)出面向培訓的虛擬數(shù)控銑削加工環(huán)境v日本SONY公司研制的FREDAM系統(tǒng)可對球頭銑刀加工自由曲面進行三維

4、仿真，并進行干涉、碰撞檢查v意大利Bologna大學用B樣條曲面建立端銑刀與工作臺模型，采用真實感圖形顯示銑床精加工過程國內(nèi):v華中理工大學開發(fā)的NCPVSS系統(tǒng)，具有數(shù)控銑削加工過程仿真功能v同濟大學了數(shù)控程序微機動畫仿真系統(tǒng)v清華大學CIMS工程研究中心開發(fā)的“通用加工過程仿真器”已在多家企業(yè)得到應用仿真加工流程NC程序數(shù)控指令翻譯生成刀具掃描體碰撞干涉檢查生成半成品圖形顯示下一指令數(shù)控加工仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)裝夾建模CAD/CAMNC程序加工過程仿真托盤裝夾工件裝夾夾具裝夾NC代碼翻譯加工過程仿真干涉檢查經(jīng)驗檢驗幾何建模工件建模夾具建模機床建模托盤裝夾模型機床定義加工模型機床裝配坐標定義刀庫邏輯

5、主軸邏輯工作臺邏輯幾何信息加工位置加工中心設備模型裝刀裝托盤設置零偏材料切除率計算刀具庫切削負荷計算刀具參數(shù)刀具建模進給速度優(yōu)化數(shù)控加工仿真技術(shù)的分類l物理仿真 物理仿真是將切削過程中的各種物理因素的變化映射到虛擬制造系統(tǒng)中，在實際加工過程之前分析與預測各切削參數(shù)的變化及干涉因素對加工過程的影響，能夠揭示加工過程的實質(zhì)，分析具體工藝參數(shù)下的工藝規(guī)程質(zhì)量及工件加工質(zhì)量，輔助在線檢測與在線控制，進行工藝規(guī)程的優(yōu)化。l幾何仿真v基于Web的數(shù)控加工幾何仿真系統(tǒng)研究 物理仿真研究的內(nèi)容v物理仿真研究內(nèi)容包括：分析加工過程中的瞬時切削力、刀具與工件之間的相對運動、刀具磨損、工件的加工質(zhì)量、工藝參數(shù)對加工

6、質(zhì)量的影響及危險、異常情況的報警等。 物理仿真的功能v1.視覺功能 NC代碼的可視化，可加工過程中過切、欠切的可視化，刀具和機床的可視化，刀位軌跡、運動干涉的可視化，刀具和加工件接觸點變化的可視化，零件質(zhì)量分析的可視化，零件粗糙度的可視化。v2.觸覺功能 定義為操作人員的工藝操作。 v3.聽覺功能 實際機床加工時，機床會發(fā)出不同的聲音，刀具切削材料、機床振動、刀具和夾具碰撞、進刀退刀和換刀時導軌發(fā)出的聲音，加工過程中出現(xiàn)險情時發(fā)出的警報聲。聲音表示機床和刀具的狀態(tài)，不同的聲音表示不同的機床和刀具狀態(tài)，可以通過聲音來檢測數(shù)控加工的過程。物理仿真的要求v要求真實，有錯必顯、即顯，多視向觀察；v要求

7、加工中有聲音的伴奏；v要求有質(zhì)量分析報告；v仿真過程中允許人為的工藝操作；目前物理仿真研究難點問題v加工過程模型難以建立；v仿真模型的通用性差；v仿真系統(tǒng)的實用性差；v與幾何仿真未充分結(jié)合；物理仿真的主要形式1.預測道具切削性能；2.預測切屑大小及形狀；3.預測機床或工件熱變形對加工精度的影響；4.預測切削力；仿真系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)輸入層硬件環(huán)境運行環(huán)境數(shù)據(jù)仿真庫刀具材料刀具幾何參數(shù)切削參數(shù)工件材料工件幾何參數(shù)工藝系統(tǒng)參數(shù)。建模與仿真層切削力建模與仿真振動建模與仿真刀具磨損建模與仿真表面質(zhì)量建模與仿真機床穩(wěn)定建模與仿真切削溫度建模與仿真剪切區(qū)建模與仿真切屑的形成建模與仿真軟件環(huán)境輸出層切削力振動位

8、移切削溫度場分布表面質(zhì)量機床穩(wěn)定性極限刀具壽命及磨損狀態(tài)切屑形狀加工過程物理仿真技術(shù)v分析方法 以剪切面理論為基礎，應用剪切滑移理論確定以剪切角為主的力學模型，研究重點在于確定切削過程中的切削力及切削振動涉及到的相關(guān)問題。v實驗方法 實驗方法針對針對大量實際進行的切削過程，通過實驗確定下來DCFC(動態(tài)切削系數(shù))中的各動態(tài)切削系數(shù)。v機械建模方法 綜合考慮到切削過程是涉及到多輸入多輸出的綜合系統(tǒng)，通過建立使用于多種切削條件的綜合切削模型，建立出各輸入輸出相關(guān)因素的影響關(guān)系，達到揭示切削過程、預測各有效輸出參數(shù)、表達系統(tǒng)輸入與輸出間關(guān)系的目的。 物理仿真模型v切削力模型v振動模型v表面粗糙度模型

9、v切削溫度場模型v刀具磨損模型數(shù)控加工仿真存在的問題v仿真的加工形式少，研究范圍窄v無理仿真過程都是考慮理想切削狀態(tài)，與實際切削過程有較大差距 v仿真手段限制仿真系統(tǒng)的發(fā)展 v仿真模型實用性差v仿真模型通用性差v未與幾何仿真充分結(jié)合幾何仿真l基于Web的數(shù)控加工幾何仿真系統(tǒng)研究基于web的數(shù)控加工幾何仿真系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu) 數(shù)控加工過程是一個復雜的過程，加工過程中零件毛坯形狀不斷發(fā)生變化，同時加工過程中加工載荷的變化也會引起刀具與工件的不同程度變形，基于web的數(shù)控加工幾何仿真計算量大，對數(shù)據(jù)吞吐率的要求也非常高，是一個極其復雜的Web應用。因而，在進行體系結(jié)構(gòu)設計時應參考當前面向復雜Web應用的主

10、流架構(gòu)N層結(jié)構(gòu)，利用最先進的Web標準和技術(shù)來構(gòu)建系統(tǒng)，以提高系統(tǒng)的吞吐率和應用的實現(xiàn)效率。 Java以其平臺盂關(guān)性、移植性強、安全性高、穩(wěn)定性好、分布式、面向?qū)ο蟮葍?yōu)點而成為Interact應用開發(fā)的首選語言。Java技術(shù)可分為核心Java技術(shù)和企業(yè)級Java技術(shù)(J2EE)。J2EE是一種利用Java2平臺來簡化諸多企業(yè)解決方案的開發(fā)、部署和管理相關(guān)的復雜問題的體系結(jié)構(gòu)。J2EE提供了能夠方便存取數(shù)據(jù)庫的JDBC 、APl、CORBA技術(shù)以及對EJB(Enterpdse JavaBealls)、Java Semet API、JSP(iava Semr Pages)和XML技術(shù)的全面支持。J

11、2EE使用EJB Server作為商業(yè)組件的部署環(huán)境，在EJB Server中提供了分布式計算環(huán)境中組件需要的所有服務例如組件生命周期的管理、數(shù)據(jù)庫連接的管理、分布式事務的支持、組件的命名服務等等。圖1所示系統(tǒng)是一個四層架構(gòu)，由客戶層、表示層、仿真器層、資源層組成。由于采用了J2EE這一工業(yè)標準，該體系結(jié)構(gòu)具有平臺無關(guān)性、交互性好、可靠性強等優(yōu)點，并且除了瀏覽器需要安裝插件外，無需其他程序，優(yōu)越于普通的客戶機服務器模式。 (1)客戶層 客戶層由附帶有VRML插件(如CosmoPhyer、MS VRML2等)、支持Java技術(shù)的Web瀏覽器(如IE60、Netscape等)構(gòu)成。該層的主要功能是

12、管理加工過程的顯示，處理客戶仿真請求，并保持與表示層的網(wǎng)絡連接。該層基于HTTPTCPIP協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸，以HTMLXML/VRML作為數(shù)據(jù)傳輸標準。 (2)表示層表示層主要管理客戶層同仿真器層的會話，接收從Web瀏覽器傳來的各種仿真請求并將其交給仿真器層進行處理，同時將仿真處理結(jié)果發(fā)送給瀏覽器。該層是使用者直接接觸的層面包括直接看到的功能、界面等，主要進行NC程序的管理、編輯，此外還能進行客戶端瀏覽器檢驗、格式化信息交換的數(shù)據(jù)、整理仿真會話內(nèi)容等工作。 (3)仿真器層仿真器層是系統(tǒng)的核心，該層主要由NC代碼解釋器、幾何仿真引擎、仿真計算引擎三個模塊組成。NC代碼解釋器用于對所編制的數(shù)控程序

13、進行檢驗并對數(shù)控加工過程仿真的動作和狀態(tài)起指揮和控制作用，其主要功能有：根據(jù)該數(shù)控系統(tǒng)的編程細則及相關(guān)的信息，檢查NC程序的錯誤；從NC代碼中提取相關(guān)加工信息、控制機床部件運動的有關(guān)命令和狀態(tài)信息并將相關(guān)信息存在相應的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。NC代碼解釋由詞法分析、語法分析、語義分析、中間代碼生成、仿真驅(qū)動數(shù)據(jù)文件組成。幾何仿真引擎是整個系統(tǒng)的總控模塊，根據(jù)用戶的選擇，將把NC代碼解釋器得到的相關(guān)加工信息以及控制機床部件運動的有關(guān)命令和狀態(tài)信息傳遞給相應的仿真模塊，同時控制仿真過程的執(zhí)行和結(jié)果的輸出顯示。仿真計算引擎負責接收NC代碼解釋器生成的信息，進行運動及變形仿真計算。 (4)資源層資源層由機床庫、工

14、裝夾具庫組成，主要為仿真器層提供各種資源服務。 基于Web的數(shù)控加工仿真，是實旗網(wǎng)絡化制造與異地協(xié)同設計的基礎，可使用戶在同、異構(gòu)環(huán)境下，通過網(wǎng)絡驗證NC代碼的正確性，實現(xiàn)數(shù)控加工幾何仿真的發(fā)布和測覽，滿足多節(jié)點訪問數(shù)控加工仿真的要求，為實現(xiàn)數(shù)控加工的網(wǎng)絡化奠定了基礎。論文研究內(nèi)容在實際應用中效果良好，所提出的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)可以進一步推廣到更廣泛的制造過程領(lǐng)域中，有利于促進網(wǎng)絡化制造這一先進的制造模式的實施。 幾何仿真和物理仿真比較數(shù)控仿真技術(shù)的應用及展望 虛擬數(shù)控機床的應用將給制造業(yè)帶來革命性的飛躍。由于虛擬數(shù)控機床是數(shù)字模型，所以容易實現(xiàn)對數(shù)字模型進行顯示、分析、傳遞和迭代更新，為設計提供并

15、行作業(yè)的可能，用經(jīng)濟快捷的方式提高產(chǎn)品設計品質(zhì)，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。采用虛擬數(shù)控機床技術(shù)，可以為產(chǎn)品設計過程中的可制造性分析提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)，能夠迅速完成在機床上不方便操作的各項任務，如完成數(shù)控程序的調(diào)試、測量產(chǎn)品加工誤差、評定加工效率和檢驗干涉碰撞情況等。還可以利用虛擬機床優(yōu)化切削參數(shù)，優(yōu)化刀具路徑，提高機床設備的生產(chǎn)效率。利用機床加工的全過程與用戶的交互功能，可以為企業(yè)、學校的數(shù)控人才培訓提供快速、安全且不消耗資源的有效手段，并幫助機床制造商向遠程客戶逼真地演示其產(chǎn)品。為制造業(yè)提供最佳的發(fā)展以及為加工過程的優(yōu)化提供決策依據(jù)。虛擬數(shù)控機床的網(wǎng)絡功能為真正實現(xiàn)遠程合作提供保證。 虛擬數(shù)控技術(shù)是由許多

16、先進學科、先進知識形成的綜合技術(shù)系統(tǒng)，是一個極具潛力的前沿研究領(lǐng)域。由于多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡技術(shù)以及仿真技術(shù)的迅速發(fā)展，虛擬數(shù)控技術(shù)將獲得更快的發(fā)展。虛擬機床是虛擬加工技術(shù)的核心，網(wǎng)絡化、智能化、集成化是虛擬制造技術(shù)的發(fā)展方向。虛擬機床軟件的發(fā)展目標應該是根據(jù)國內(nèi)的現(xiàn)實情況和國外軟件的發(fā)展趨勢，針對具體的機床開發(fā)面向工程的實用化小型軟件。把某一類型的虛擬機床作為該類型數(shù)控機床的附件，提高數(shù)控機床的市場競爭力、增加機床產(chǎn)品的附加值。虛擬數(shù)控機床的應用，將為制造技術(shù)帶來勃勃生機，并將虛擬數(shù)控機床的研究開發(fā)推向一個更加嶄新的階段。參考文獻v數(shù)控加工理論與實用技術(shù)，編著 王愛玲、李夢群、馮裕強，機械工業(yè)出版社 170頁187頁；v基于OpenGL的數(shù)控加工