（材料加工工程專業(yè)論文）轎車模具數(shù)控加工仿真優(yōu)化研究.pdf

jj，“一 ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt og u a n g d o n gu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g yf o rt h ed e g r e eo fm a s t e r o fe n g i n e e r i n gs c i e n c e as t u d yo ns i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o no fn c m a n u f a c t u r i n go fa u t o m o b i l em o l d m a s t e rd e gr e ec a n d i d a t e ：y u a ny u p e n g sp e r v 。s o ：p r o f y a n gl u p e r v i s o r r o a n g i ns： m a y2 0 10 f a c u i t yo fm a t e r i a la n de n e r g y g u a n g d o n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y g u a n g z h o u ，g u a n g d o n g ，p r c h i n a ，5 1 0 0 0 36唧75 47，iiiiliy 摘要 摘要 汽車工業(yè)是我國國民經(jīng)濟(jì)五大支柱產(chǎn)業(yè)之一，2 0 0 9 年我國成為汽車全球產(chǎn)銷量 第一的國家，同年國務(wù)院發(fā)布了汽車產(chǎn)業(yè)調(diào)整振興規(guī)劃，提出由汽車產(chǎn)銷大國 向汽車制造強(qiáng)國邁進(jìn)的戰(zhàn)略目標(biāo)。要發(fā)展民族品牌車型急需數(shù)控機(jī)床和高精密模具 等先進(jìn)制造裝備的相應(yīng)發(fā)展，因此研究汽車模具關(guān)鍵技術(shù)之一的數(shù)控加工仿真技術(shù) 具有重要意義。 論文應(yīng)用成熟的商業(yè)化數(shù)控仿真系統(tǒng)v e r i c u t ，在深入研究建模仿真方法的 基礎(chǔ)上，建立我校z x k 3 2 b 、g - x k 5 3 2 5 、m c v 7 6 0 b p 、m c h 一5 0 0 d 、h u r c o v t x u 等機(jī)床的虛擬模型并應(yīng)用u gp o s tb u i l d e r 工具開發(fā)了z x k 3 2 b 機(jī)床專用后 處理器。在前述工作基礎(chǔ)上，以加工轎車儀表盤模具型芯為例，對(duì)轎車模具數(shù)控加 工仿真優(yōu)化技術(shù)開展了較為深入的研究并進(jìn)行了真實(shí)加工，論文結(jié)論如下： ( 1 ) 基于v e r i c u t 的全過程仿真，可以方便的檢測機(jī)床碰撞干涉事故、優(yōu)化 n c 代碼、縮短制造周期，有利于制造系統(tǒng)的集成，必將成為今后轎車模具先進(jìn)制 造技術(shù)的一個(gè)重要研究方向。 ( 2 ) 目前3 軸、4 軸和5 軸機(jī)床加工質(zhì)量和加工效率的對(duì)比研究較少。本文應(yīng) 用v e r i c u ta u t o d i f f 加工質(zhì)量檢查模塊對(duì)經(jīng)3 軸、4 軸和5 軸機(jī)床加工后工件 的質(zhì)量和加工效率進(jìn)行分析，結(jié)果表明加工達(dá)到了設(shè)計(jì)的精度要求；此外，在加工 復(fù)雜空間曲面時(shí)，5 軸加工中心相比3 軸機(jī)床能顯著提高工件表面質(zhì)量，縮短加工 時(shí)間。 ( 3 ) 利用o p t i p a t h 模塊優(yōu)化加工代碼，結(jié)果表明能節(jié)省2 7 5 的加工時(shí)間，并 且達(dá)到了使加工更為平穩(wěn)、減少刀具磨損、提高加工質(zhì)量的目標(biāo)。在z x k 3 2 b 機(jī)床 進(jìn)行實(shí)際加工驗(yàn)證 o p t i p m h 功能的有效性和仿真系統(tǒng)的可靠性，證明了優(yōu)化加工 代碼對(duì)降低轎車模具加工成本有現(xiàn)實(shí)意義。 本文關(guān)于建模仿真方法的研究可應(yīng)用于轎車模具數(shù)控加工行業(yè)，建立的虛擬機(jī) 床可用于廣東工業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)室對(duì)學(xué)生進(jìn)行數(shù)控操作培訓(xùn)和數(shù)控編程模擬實(shí)驗(yàn)。 關(guān)鍵詞：v e r i c u t ；數(shù)控加工；仿真；優(yōu)化；機(jī)床 廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 a b s t r a c t t h ea u t o m o b i l ei n d u s t r yi so n eo ft h ef i v ep i l l a ri n d u s t r i e so fo u rn a t i o n a le c o n o m y i n2 0 0 9c h i n ab e c a m et h ew o r l d sn o 1 一a u t o m o t i v ep r o d u c t i o na n ds a l e sc o u n t r y , t h e s t a t ec o u n c i lh a di s s u e d ”a u t o m o b i l e i n d u s t r ya d ju s t m e n tp r o m o t i o np l a n ”i nt h es a m e y e a rw h i c hp r o p o s e dt h es t r a t e g i ct a r g e tt h a tb r i n go u rc o u n t r yt oap o w e r f u la u t o m o b i l e m a n u f a c t u r i n gn a t i o n d e v e l o p i n g n a t i o n a lb r a n dv e h i c l e t y p eu r g e n t l y n e e d s c o r r e s p o n d i n gd e v e l o p m e n to fa d v a n c e dm a n u f a c t u r ee q u i p m e n ts u c ha sn cm a c h i n e t o o la n dh i g hp r e c i s i o nm o l da n ds oo n t h e r e f o r es t u d yo ns i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o n o fn c m a n u f a c t u r i n go fa u t o m o b i l em o l di si m p o r t a n t t h i ss t u d yw a sc a r r i e do u ta b o v e t h eb a c k g r o u n d t h i st h e s i su s e st h ew o r l d sm o s ta d v a n c e dm a c h i n i n gs i m u l a t i o ns y s t e mv e r i c u t t oc r e a t et o o ll i b r a r ya n dv i r t u a lm o d e lo fz x k - 3 2 bm i l l i n gm a c h i n e ，g - x k 5 3 2 5m i l h n g m a c h i n e ，l e a d w e l lm c v - 7 6 0 b pm a c h i n i n gc e n t e r , l e a d w e l lm c h 5 0 0 d m a c h i n i n gc e n t e ra n dh u r c ov t x uf i v e a x i sm a c h i n i n gc e n t e r z x k 3 2 bm a c h i n e s p e c i f i cp o s t - p r o c e s s o rw a sd e v e l o p e db yu gp o s tb u i l d e r o nt h i sb a s i s ，t a k ep r o c e s s i n g t h ed a s h b o a r dm o l dc o r ea st h ee x a m p l e ，c a r r y i n go u tr e s e a r c ho ns i m u l a t i o na n d o p t i m i z a t i o nt e c h n i q u e so fv e h i c l em o l dn cm a n u f a c t u r ea n dc o n d u c t i n gr e a lm a c h i n i n g o f d a s h b o a r dm o l dc o r e p r o p o s ef o l l o w i n gv i e w p o i n t s ： ( 1 ) t h em a c h i n i n gs i m u l a t i o ns y s t e mb a s e do nv e r i c u tc a ne a s i l yd e t e c tt o o l c o l l i s i o na c c i d e n t sa n do p t i m i z en c p r o g r a m ，i m p r o v i n gp r o c e s s i n ge f f i c i e n c y , s h o r t e n m a n u f a c t u r i n gc y c l e ，w i l lb e c o m ea ni m p o r t a n tr e s e a r c hd i r e c t i o no fa d v a n c e dt e c h n i q u e o fv e h i c l em o l dm a n u f a c t u r ea n dp r o m o t et h ed e v e l o p m e n to fc h i n a sm a n u f a c t u r i n g i n d u s t r y ( 2 ) a tp r e s e n tt h ec o m p a r a t i v es t u d yo n3a x i s ，4a x i sa n d5a x i sm a c h i n i n gq u a l i t y a n dm a c h i n i n ge f f i c i e n c yi sf e w t h i st h e s i su s e sa u t o d i f fm o d u l ep r o v i d e di n v e r i c u tt oa n a l y s i sa n di n s p e c tt h ep r o c e s s i n gq u a l i t yo fw o r kp i e c eb ys o l i da n d s u r f a c ec o m p a r i s o nm e t h o d c o m p a r e dt h eq u a l i t yo fw o r kp i e c ea n dt h e p r o c e s s i n g e f f i c i e n c ya f t e r3 - a x i s ，4a x i sa n d5 - a x i sm a c h i n i n g t h er e s u l ts h o w st h a tt h ep r o c e s s i n g h a sa c h i e v e dt h ed e s i g no f p r e c i s i o n i na d d i t i o n ，i nt h ep r o c e s s i n go fc o m p l e xs p a t i a l i i a b s t r a c t s u r f a c e ，t h e5 - a x i sm a c h i n i n gc e n t e rc a l ls i g n i f i c a n t l yi m p r o v et h es u r f a c eq u a l i t ya n d r e d u c ep r o c e s s i n gt i m ec o m p a r e dw i t h3 - a x i sm a c h i n et 0 0 1 ( 3 ) u s eo p t i p a t hm o d u l et oo p t i m i z et o o lp a t h t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w t h a t b yo p t i m i z i n gn cp r o g r a mc a ns a v e2 7 5 o fp r o c e s s i n gt i m ea n di m p r o v e t h eq u a l i t yo f w o r kp i e c ew h i c hh a sp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c eo fr e d u c i n gp r o c e s s i n gc o s to fv e h i c l em o l d t h e nu p l o a dt h eo p t i m i z e dn cp r o g r a mt oz x k - 32 bm a c h i n et o o lt od ot h er e a l m a c h i n i n gt e s tt ov e r i f yt h er e l i a b i l i t yo fv e r i c u ts i m u l a t i o ns y s t e m t h er e s e a r c ho nm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o ni nt h i st h e s i sc a nb ea p p l i e dt ov e h i c l e m o l dc n cm a c h i n i n gi n d u s t r y t h em a c h i n et o o l s b u i l ti nt h i sa r t i c l ec a nb eu s e df o r c n cp r o g r a m m i n gt r a i n i n gf o rt h es t u d e n t so fg u a n g d o n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y k e y w o r d s ：v e r i c u t ；n cm a n u f a c t u r e ；s i m u l a t i o n ；o p t i m i z a t i o n ；m a c h i n et o o l i i i 廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 目錄 摘曇娶i a b s t r a c t ，i i 第一章緒論1 1 1 選題背景與意義1 1 2 國內(nèi)外研究技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢2 1 2 1 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢2 1 2 2 數(shù)控仿真技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢3 1 3 本論文的主要研究工作3 第二章數(shù)控加工理論與v e r i c u t 數(shù)控加工仿真系統(tǒng)5 2 1 數(shù)控加工數(shù)學(xué)擬合方法5 2 2 數(shù)控加工仿真技術(shù)6 2 3 切削參數(shù)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型6 2 4v e r i c u t 系統(tǒng)簡介7 2 5v e r i c u t 系統(tǒng)組成模塊8 2 6v e r i c u t 系統(tǒng)的主要特點(diǎn)9 2 6 1c n c 機(jī)床仿真和驗(yàn)證9 2 6 2n c 程序優(yōu)化9 2 6 3 良好的開放性9 2 7 本章小結(jié)1 0 第三章仿真加工平臺(tái)的構(gòu)建1l 3 1 廣東工業(yè)大學(xué)z x k 3 2 b 數(shù)控銑床建模o 1 1 3 2g s k 9 8 3 m 數(shù)控系統(tǒng)分析與開發(fā)1 9 3 3z x k 3 2 b 機(jī)床后處理器開發(fā)一2 4 3 3 1 后處理器簡介2 4 3 3 2z x k 一3 2 b 機(jī)床后處理器開發(fā)過程2 6 3 3 3z x k 一3 2 b 機(jī)床后處理器的安裝及驗(yàn)證2 9 3 4 刀具庫的創(chuàng)建3 0 3 5 廣東工業(yè)大學(xué)g - x k 5 3 2 5 機(jī)床建模3 2 i v 目錄 3 6 廣東工業(yè)大學(xué)l e a d w e l lm c v - 7 6 0 b p 機(jī)床建模3 4 3 7 廣東工業(yè)大學(xué)l e a d w e l lm c h 5 0 0 d 機(jī)床建模3 6 3 8h u r c ov t x u 五軸加工中心建模3 8 3 9 本章小結(jié)4 0 第四章v e r i c u t 仿真加工的實(shí)現(xiàn)及數(shù)據(jù)分析4 2 4 1 仿真加工結(jié)果分析j 一4 2 4 1 1u g c a m 系統(tǒng)4 2 4 1 2 加工工藝方案的制定原則4 4 4 1 3z x k 3 2 b 機(jī)床仿真加工一4 5 4 1 4g - x k 5 3 2 5 機(jī)床仿真加工5 0 4 1 5l e a d w e l lm c v - 7 6 0 b p 機(jī)床仿真加工一5 1 4 1 6l e a d w e l lm c h 5 0 0 d 機(jī)床仿真加工5 1 4 1 7h u r c ov t x u 機(jī)床仿真加工5 2 4 1 8 仿真加工結(jié)果分析5 4 4 2 o p t i p a t h 優(yōu)化對(duì)比與分析5 9 4 2 1 o p t i p a t h 程序優(yōu)化原理5 9 4 2 2o p t i p a t h 程序優(yōu)化方法6 0 4 2 3o p t i p a t h 程序優(yōu)化過程與結(jié)果6 l 4 3 虛擬加工與實(shí)際加工數(shù)據(jù)對(duì)比6 3 4 4 本章小結(jié)6 4 ： 結(jié)論與展望- 6 6 參考文獻(xiàn)6 8 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文7 2 獨(dú)創(chuàng)性聲明7 3 致 射7 4 v 廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 c o n t e n t a b s t r a c t ( c h i n e s e ) i a b s t r a c t ( e n g l i s h ) i i c h a p t e r 1i n t r o d u c t i o n 1 1 1b a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c e so ft h i st h e s i s 1 1 2d o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lr e s e a r c hs t a t u sa n dt r e n d so ft h i ss u b j e c t 2 1 2 1p r e s e n ts i t u a t i o na n dd e v e l o p m e n tt r e n d so f n cm a c h i n et o o l 2 1 2 2r e s e a r c h s t a t u sa n dt r e n d so f n cm a n u f a c t u r es i m u l a t i o n 3 1 3m a i n _ r e s e a r c hw o r ko ft h i st h e s i s 3 c h a p t e r2c n cm a c h i n i n gt h e o r ya n dv e r i c u ts i m u l a t i o ns y s t e m 5 2 1m a t h e m a t i c sf i t t i n gm e t h o do fn c m a c h i n i n g 5 2 2n c m a c h i n i n gs i m u l a t i o nt e c h n o l o g y 6 2 3m a t h e m a t i c a lo p t i m i z a t i o nm o d e lo f c u t t i n g 6 2 4v e r i c u t i n t r o d u c t i o n 7 2 5v e r i c u ts y s t e mc o m p o s e dm o d u l e s 8 2 6m a i nf e a t u r e so fv e r i c u t 9 2 6 1s i m u l a t i o na n dv e r i f i c a t i o n 9 2 6 2n c p r o g r a mo p t i m i z a t i o n 9 2 6 3p r o p e r t yo f d e v e l o p m e n t 9 2 7s u m m a r y 10 c h a p t e r3s i m u l a t i o np l a t f o r mc o n s t r u c t i o n 11 3 1z x k - 3 2 bn c m i l l i n gm a c h i n em o d e l i n g 11 3 2a n a l y s i sa n dd e v e l o p m e n to fg s k 9 8 3 mc n c s y s t e m 1 9 3 3d e v e l o p m e n to f z x k 一3 2 bp o s t p r o c e s s o r 2 4 3 3 1i n t r o d u c t i o no f p o s t p r o c e s s o r 2 4 3 3 2d e v e l o p m e n tp r o c e s so f z x k - 3 2 b p o s t p r o c e s s o r 2 6 3 3 3i n s t a l l a t i o na n dv a l i d a t i o no f z x k 一3 2 bp o s t p r o c e s s o r 2 9 3 4c r e a t i o no f t o o ll i b r a r y 3 0 c o n t e n t 3 5g x k 5 3 2 5n cm i l l i n gm a c h i n em o d e l i n g 3 2 3 6l e a d w e l lm c v - 7 6 0 b pm a c h i n i n gc e n t e rm o d e l i n g 3 4 3 7l e a d w e l lm c h 5 0 0 dm a c h i n i n gc e n t e rm o d e l i n g 3 6 3 8h u r c ov t x um a c h i n i n gc e n t e rm o d e l i n g 3 8 3 9s u m m a r y 4 0 c h a p t e r4i m p l e m e n t a t i o no fv e r i c u t s i m u l a t i o na n dd a t aa n a l y s i s 4 2 4 1s i m u l a t i o nr e s u l ta n a l y s i s 4 2 4 1 1u g c a ms y s t e m 4 2 4 1 2p r i n c i p l e so fm a k i n gp r o c e s s i n gc r a f t 4 4 4 1 3t h em a c h i n i n gs i m u l a t i o no fz x k - 3 2 bm a c h i n et o o l 4 5 4 1 4t h em a c h i n i n gs i m u l a t i o no fg x k 5 3 2 5m a c h i n et o o l 5 0 4 1 5t h em a c h i n i n gs i m u l a t i o no fl e a d w e l lm c v - 7 6 0 b pm a c h i n ec e n t r e 5 1 4 1 6t h em a c h i n i n gs i m u l a t i o no fl e a d w e l lm c h - 5 0 0 dm a c h i n ec e n t r e 5 1 4 1 7t h em a c h i n i n gs i m u l a t i o no fh u r c ov t x um a c h i n ec e n t r e 5 2 4 1 8s i m u l a t i o nr e s u l ta n a l y s i s 5 4 4 2o p t i p a t ho p t i m i z a t i o nc o m p a r i s o na n da n a l y s i s 5 9 4 2 1o p t i p a t ho p t i m i z a t i o nt h e o r y 。5 9 4 2 2o p t i p a t ho p t i m i z a t i o nm e t h o d 6 0 4 2 3p r o c e s sa n dr e s u l to fo p t i p a t ho p t i m i z a t i o n 6 1 4 3v i r t u a la n dr e a lm a c h i n i n gd a t ac o m p a r i s o n 6 3 4 4s u m m a r y 6 4 c o n c l u s i o n sa n de x p e c t a t i o n 6 6 r e f e r e n c e s 6 8 p u b l i s h e dp a p e rd u r i n gd e g r e es t u d y 7 2 d e c l a r a t i o n 7 3 a c k n o w l e d g e m e n t 7 4 v i i 第一章緒論 第一章緒論 1 1 選題背景與意義 汽車工業(yè)是我國國民經(jīng)濟(jì)五大支柱產(chǎn)業(yè)之一，2 0 0 9 年在面臨嚴(yán)峻的國際金融危 機(jī)的困難形勢下，我國汽車的產(chǎn)、銷量卻雙雙以4 0 以上的增幅逆勢而上，以產(chǎn)、 銷量超過1 0 0 0 萬輛的硬指標(biāo)成為汽車全球產(chǎn)銷量第一的國家1 1 1 。同年國務(wù)院發(fā)布了 汽車產(chǎn)業(yè)調(diào)整振興規(guī)劃，提出汽車工業(yè)形成自主創(chuàng)新、自主開發(fā)的能力，最終 實(shí)現(xiàn)行業(yè)“由大轉(zhuǎn)強(qiáng) 的戰(zhàn)略目標(biāo)i z 。我國汽車裝備取得了長足的進(jìn)步，但與發(fā)達(dá) 國家相比仍有很大差距。隨著汽車工業(yè)競爭日趨激烈，汽車換型時(shí)間不斷縮短，要 想在競爭中取勝、發(fā)展自主創(chuàng)新汽車產(chǎn)品技術(shù)、打造民族品牌車型，急需數(shù)控機(jī)床 和高精密模具等先進(jìn)制造裝備的相應(yīng)發(fā)展。目前國內(nèi)新建汽車生產(chǎn)企業(yè)中，設(shè)備投 資占全部建設(shè)投資的6 5 - 7 5 ，其中制造技術(shù)先進(jìn)的企業(yè)，進(jìn)口設(shè)備投資己占全 部設(shè)備投資的8 0 以上【3 】。制造技術(shù)水平直接決定了汽車生產(chǎn)企業(yè)在市場競爭中的 生存與發(fā)展，因此研究汽車工業(yè)關(guān)鍵制造技術(shù)之一的數(shù)控加工仿真技術(shù)對(duì)探索中國 汽車的自主品牌的創(chuàng)建與發(fā)展壯大之路就顯得尤為重要。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種先進(jìn)技術(shù)正逐漸應(yīng)用于制造系統(tǒng)中，其中2 0 世紀(jì)中 期數(shù)控技術(shù)和數(shù)控機(jī)床的發(fā)展給機(jī)械制造業(yè)帶來了革命性的變化。數(shù)控加工具有加 工柔性好、加工精度高、生產(chǎn)率高、減輕操作者勞動(dòng)強(qiáng)度、改善勞動(dòng)條件的特點(diǎn)， 有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化以及經(jīng)濟(jì)效益的提高【4 】。數(shù)控機(jī)床是一種高度機(jī)電一體化 的產(chǎn)品，適用于加工批量小、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、精度要求較高的零件、需要頻繁改型的 零件、需要縮短生產(chǎn)周期的急需零件嘲。數(shù)控加工技術(shù)是現(xiàn)代自動(dòng)化、柔性化及數(shù) 字化生產(chǎn)加工技術(shù)的基礎(chǔ)與關(guān)鍵技術(shù)，它的發(fā)展和運(yùn)用，開創(chuàng)了制造業(yè)的新時(shí)代。 因此，數(shù)控技術(shù)的水平、擁有量和普及程度，已經(jīng)成為衡量一個(gè)國家綜合國力和工 業(yè)現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志。 另一方面，隨著計(jì)算機(jī)硬件和可視化技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在制造系統(tǒng) 中得到廣泛的應(yīng)用。數(shù)控加工仿真是c a d c a m 系統(tǒng)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)1 6 。現(xiàn)代制造業(yè) 中產(chǎn)品形狀越來越復(fù)雜，精度要求也越來越高，傳統(tǒng)的加工設(shè)備和制造方法己難于 適應(yīng)這種多樣化的復(fù)雜形狀零件的高效高質(zhì)量加工要求，如果在實(shí)際切削前，用戶 可以利用仿真軟件在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行模擬加工零件，就可以消除程序中的錯(cuò)誤，避免 廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 發(fā)生真實(shí)的碰撞【7 】。因此數(shù)控加工仿真系統(tǒng)是檢驗(yàn)設(shè)計(jì)、加工過程是否正確的重要 途徑。當(dāng)n c 代碼在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行了仿真并修正了程序之后，利用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)n c 程序進(jìn)行優(yōu)化，每一步切削分別設(shè)置適當(dāng)?shù)倪M(jìn)給速度，能夠大量縮短加工時(shí)間，并 改善操作的連續(xù)性和提高加工質(zhì)量i s 。采用仿真加工和代碼優(yōu)化技術(shù)，將仿真軟件 嵌入到制造系統(tǒng)中，使其成為實(shí)際加工的支撐環(huán)境，對(duì)于制造業(yè)具有重要的意義。 1 2 國內(nèi)外研究技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢 1 2 1 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢 計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)( c o m p u t e rn u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) 是利用數(shù)字信號(hào)進(jìn)行控制 的自動(dòng)控制技術(shù)。1 9 4 8 年美國p a r s o n s 公司在加工直升機(jī)葉片輪廓時(shí)，首先提出了 數(shù)控機(jī)床的設(shè)想。麻省理工學(xué)院在此基礎(chǔ)上于1 9 5 2 年成功地研制出世界上第一臺(tái)數(shù) 控機(jī)床。7 0 年代數(shù)控技術(shù)成為c a d c a m 技術(shù)的一部分，推動(dòng)了c a d c a m 技術(shù)的一 體化發(fā)展，并逐步形成了計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)( c i m s ) 的概念，數(shù)控技術(shù)的產(chǎn)生給 機(jī)械制造業(yè)帶來了革命性的變化，標(biāo)志著制造業(yè)領(lǐng)域中計(jì)算機(jī)控制時(shí)代的開始，是 現(xiàn)代制造技術(shù)的基礎(chǔ)，具有重要的實(shí)際意義和深遠(yuǎn)的影響。 我國數(shù)控技術(shù)的發(fā)展起步于2 0 世紀(jì)五十年代。“十五”期間，國家科技部將數(shù) 控機(jī)床列為制造業(yè)信息化工程的三大重點(diǎn)之一，在8 6 3 計(jì)劃和科技攻關(guān)計(jì)劃中分別安 排了“精密制造與數(shù)控關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用與示范 和“數(shù)控關(guān)鍵技術(shù)與裝備產(chǎn)業(yè)化支撐 技術(shù)及應(yīng)用”等項(xiàng)目?，F(xiàn)已取得重要的階段性成果。目前我國己基本掌握了多軸坐 標(biāo)聯(lián)動(dòng)技術(shù)，復(fù)合加工技術(shù)的研究也取得很大成績，自主研制的五軸聯(lián)動(dòng)車銑復(fù)合 中心、五軸五面加工中心、雙主軸車削中心等關(guān)鍵設(shè)備均己實(shí)現(xiàn)商品化【?！?。進(jìn)入2 l 世紀(jì)，隨著制造業(yè)對(duì)數(shù)控機(jī)床的大量需求以及計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)的飛速進(jìn) 步，數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用范圍還在不斷擴(kuò)大，并且不斷發(fā)展以適應(yīng)生產(chǎn)加工的需要。數(shù) 控機(jī)床正向著高速化、高精化、復(fù)合化、智能化、開放化、網(wǎng)絡(luò)化、綠色化的趨勢 發(fā)展 1 0 j ，生產(chǎn)制造技術(shù)逐漸由傳統(tǒng)立式綜合加工機(jī)和車床提升為臥式綜合加工、5 軸加工以及復(fù)合化多軸機(jī)床類的高性能、高附加值產(chǎn)品，其中的并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床被認(rèn) 為是具有革命性的機(jī)床設(shè)計(jì)的突破，代表了2 1 世紀(jì)機(jī)床發(fā)展的方向】。 2 第一章緒論 1 2 2 數(shù)控仿真技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 仿真技術(shù)是基于虛擬模型的試驗(yàn)科學(xué)，具有安全、經(jīng)濟(jì)、高效、可控、便于觀 測、無破壞性、可多次重復(fù)等顯著的優(yōu)點(diǎn)。八十年代初以來得到了迅速發(fā)展的數(shù)控 加工過程計(jì)算機(jī)圖形仿真技術(shù)，是利用計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)與產(chǎn)品的數(shù)控加工技術(shù)相結(jié) 合，通過動(dòng)畫的形式形象而直觀地模擬數(shù)控加工的實(shí)際過程，并對(duì)零件加工精度進(jìn) 行分析評(píng)價(jià)的技術(shù) 1 2 1 。傳統(tǒng)上為檢查數(shù)控程序的正確性，防止干涉和碰撞的發(fā)生， 常采用刀具軌跡顯示法和機(jī)床試切法對(duì)數(shù)控程序進(jìn)行校驗(yàn)。這些方法對(duì)于大型復(fù)雜 工件來說，是極為繁雜的，而且調(diào)試周期長，成本高。而借助于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和仿 真技術(shù)，將機(jī)床、加工零件毛胚、夾具及刀具的幾何模型進(jìn)行快速布爾運(yùn)算，最后 采用真實(shí)感圖形顯示技術(shù)，把加工過程中各模型動(dòng)態(tài)地顯示出來，以模擬零件的實(shí) 際加工過程1 1 3 】。其特點(diǎn)是仿真過程的真實(shí)感較強(qiáng)，基本上達(dá)到了試切等傳統(tǒng)走刀軌 跡的驗(yàn)證效果，大大提高了數(shù)控機(jī)床的有效工時(shí)和使用壽命。目前，在數(shù)控加工仿 真中，兩個(gè)并行發(fā)展的研究領(lǐng)域是切削過程物理仿真和切削加工幾何仿真。幾何仿 真主要用于驗(yàn)證n c 程序的正確性，即可檢驗(yàn)n c 程序控制的刀位軌跡是否符合加工 要求，有無過切或欠切，又可檢驗(yàn)干涉和碰撞，避免了耗時(shí)、費(fèi)力的試切過程1 。 幾何仿真的研究是最為成熟的，目前有大量成熟的軟件上市，如法國達(dá)索公司的 c a t i a 、英國d e l c a m 公司的p o w e r m i l l 、還有美國的c g t e c h 公司的仿真軟件v e r i c u t 以及p r o e ，u g 等專業(yè)級(jí)的應(yīng)用軟件 15 1 。國內(nèi)在這一方面也做了不少的工作，如哈 爾濱工業(yè)大學(xué)f m s 研究中心研制的并通過專家鑒定的數(shù)控加工過程三維動(dòng)態(tài)圖形仿 真器n c m p s 、清華大學(xué)和華中理工大學(xué)合作研制的加工過程仿真器h m p s 、上海宇 龍軟件工程有限公司開發(fā)的數(shù)控加工仿真系統(tǒng)等 1 6 1 ，國內(nèi)對(duì)于數(shù)控加工仿真的研究 主要在具體應(yīng)用對(duì)象方面，在具體的技術(shù)實(shí)現(xiàn)上也主要是應(yīng)用o p e n g l 顯示動(dòng)畫技 術(shù)，也有很少是應(yīng)用部分c a d c a m 系統(tǒng)的仿真模塊實(shí)現(xiàn)的，所以我國現(xiàn)階段主要 研究開發(fā)面向工程化、實(shí)用化的軟件1 1 7 1 。 1 3 本論文的主要研究工作 ( 1 ) 應(yīng)用目前世界上最先進(jìn)的數(shù)控模擬仿真系統(tǒng)v e r i c u t ，針對(duì)廣東工業(yè)大 學(xué)z x k 3 2 b 銑床、g x k 5 3 2 5 銑床、廣東工業(yè)大學(xué)工程訓(xùn)練中心l e a d w e l l m c v 7 6 0 b p 加工中心、l e a d w e l lm c h 5 0 0 d 加工中心和h u r c ov t x u 五軸加 工中心等機(jī)床在計(jì)算機(jī)環(huán)境下進(jìn)行了虛擬建模和刀具庫的創(chuàng)建。 廣東_ y - , _ l k 大學(xué)碩士學(xué)位論文 ( 2 ) 應(yīng)用v e r i c u t 系統(tǒng)中提供的數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)工具對(duì)g s k 9 8 3 m 數(shù)控系統(tǒng)進(jìn) 行了分析與開發(fā)；應(yīng)用u gp o s tb u i l d e r 工具開發(fā)了z x k 3 2 b 機(jī)床專用后處理器。 ( 3 ) 以加工轎車儀表盤模具型芯為例，應(yīng)用u g c a m 系統(tǒng)進(jìn)行工藝分析和生 成刀具軌跡，接下來在v e r i c u t 系統(tǒng)里完成z x k 3 2 b 銑床、g - x k 5 3 2 5 銑床、 l e a d w e l lm c v 7 6 0 b p 加工中心、l e a d w e l lm c h 5 0 0 d 加工中心和h u r c o v t x u 五軸加工中心的仿真加工。 ( 4 ) 應(yīng)用v e r i c u t 中提供的加工質(zhì)量檢查模塊( a u t o d i f f 模塊) 以體檢 查和面檢查的方式對(duì)加工后工件的表面質(zhì)量進(jìn)行分析。對(duì)比了經(jīng)3 軸、4 軸機(jī)床和5 軸加工中心加工后工件的質(zhì)量和加工效率。 ( 5 ) 應(yīng)用o p t i p a t h 優(yōu)化模塊優(yōu)化加工代碼以達(dá)到節(jié)省2 7 一5 的加工時(shí)間，并且 使加工更為平穩(wěn)、減少刀具磨損、延長機(jī)床壽命、提高工件加工質(zhì)量的目的。應(yīng)用 經(jīng)過仿真檢驗(yàn)后的數(shù)控程序輸入到z x k 3 2 b 機(jī)床進(jìn)行實(shí)際加工，對(duì)虛擬加工與實(shí)際 加工數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證仿真系統(tǒng)的可靠性。 4 第二章數(shù)控加工理論與v e r i c u t 數(shù)控加工仿真系統(tǒng) 第二章數(shù)控士j o - f 理論與v e r ic u t 數(shù)控加工仿真系統(tǒng) 2 1 數(shù)控加工數(shù)學(xué)擬合方法 數(shù)控加工中，對(duì)于一些形狀簡單的零件，比如由直線、圓、橢圓、漸開線、雙 曲線等構(gòu)成的規(guī)則形體，可以用數(shù)學(xué)表達(dá)式表達(dá)出來，而對(duì)于一些由復(fù)雜曲面構(gòu)成 的不規(guī)則形體，比如航天航空器輪廓曲面、汽輪機(jī)葉片、復(fù)雜模具自由曲面等，則 無法用數(shù)學(xué)解析式精確表達(dá)。遇到這種非規(guī)則曲線的加工問題時(shí)，非圓曲線通常給 出一系列的坐標(biāo)點(diǎn)加以表達(dá)，這就需要對(duì)列表曲線加以擬合【1 8 】。曲線擬合有多種計(jì) 算方法，如直線逼近、三次樣條函數(shù)擬合、圓弧樣條函數(shù)擬合、非均勻有理b 樣條 ( n u r b s ) 和雙圓弧逼近擬合等。 2 2 數(shù)控加工仿真技術(shù) 數(shù)