虛擬加工技術(shù)研究.pdf

虛擬加工技術(shù)研究黃新燕 , 李小寧(南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 , 江蘇南京 210024)摘要 : 論文概要地介紹了虛擬加工技術(shù)的研究內(nèi)容 , 并對國內(nèi)外在數(shù)控加工過程的幾何驗(yàn)證的發(fā)展和研究概況及存在的問題作了論述。最后 , 論文對虛擬加工平臺的研究內(nèi)容作了詳細(xì)地介紹。關(guān)鍵詞 : 幾何驗(yàn)證 ; 物理驗(yàn)證 ; 虛擬加工 ; 仿真中圖分類號 : TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 : B 文章編號 1001 - 3881 (2003) 3 - 119 - 20 引言虛擬加工技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)以可視化的 、逼真的形式來直觀表示零件數(shù)控加工過程 , 對干涉、碰撞、切削力和變形進(jìn)行預(yù)測和分析 , 減少或消除因刀位數(shù)據(jù)錯(cuò)誤而導(dǎo)致的機(jī)床損壞、夾具或刀具折斷以及因切削力和切削變形造成的薄型或精密零件的報(bào)廢。從而進(jìn)一步優(yōu)化切削用量 , 提高加工質(zhì)量和加工效率。數(shù)控加工過程是一個(gè)極其復(fù)雜的過程 , 涉及的因素很多 , 開展對虛擬加工技術(shù)的研究要應(yīng)用到微分幾何、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、仿真技術(shù)、金屬切削理論及機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)等相關(guān)學(xué)科的知識和最新技術(shù)。因此 , 虛擬加工技術(shù)研究的進(jìn)展與這些領(lǐng)域中的研究和發(fā)展是緊密相關(guān)的。本文將對目前虛擬加工技術(shù)領(lǐng)域的研究內(nèi)容及研究狀況作一介紹。1 研究內(nèi)容及研究概況目前 , 對虛擬加工技術(shù)的研究可以分成兩個(gè)大的方面 : 其一是著重對虛擬加工硬件環(huán)境的研究 ; 其二是著重對加工過程的研究。(1) 虛擬加工硬件環(huán)境該方面的研究著重于對實(shí)際的加工環(huán)境進(jìn)行仿真 , 追求逼真的效果 1 。圖 1 虛擬加工硬件環(huán)境結(jié)構(gòu)加工硬件環(huán)境研究分三個(gè)層次 (如圖 1) 車間層 ,加工中心或機(jī)床層及刀具、夾具和毛坯層。硬件環(huán)境研究所涉及到的關(guān)鍵技術(shù)有 :幾何建模 , 運(yùn)動(dòng)建模及坐標(biāo)系建模。車間層只是為了增加環(huán)境的真實(shí)感 , 起到烘托和陪襯的作用 , 幾何建模的核心在于模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡潔 , 數(shù)據(jù)量少 , 從而減少漫游時(shí)的計(jì)算量 , 提高速度。加工中心和機(jī)床則是環(huán)境中的關(guān)鍵。因此 , 在幾何建模中側(cè)重于床身、立柱、主軸和工作臺這些主要的部件。加工中心和機(jī)床包含了大量的特征數(shù)據(jù) , 這需對模型作適當(dāng)?shù)暮喕?。另?, 加工中心和機(jī)床得通過工作臺的運(yùn)動(dòng)及刀具沿主軸方向的運(yùn)動(dòng)來加工工件的。因此 , 除了進(jìn)行幾何建模 , 還必須對其運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)行研究 , 在模型中添加運(yùn)動(dòng)約束數(shù)據(jù)。刀具、夾具和毛坯在加工環(huán)境中是最靈活的 , 隨加工對象、加工工藝的不同而變化。這三個(gè)元素還必須滿足一定的約束條件 , 準(zhǔn)確地與環(huán)境對接 , 融為一體 , 因此須進(jìn)行坐標(biāo)系建模 , 目前采用的方法是通過設(shè)計(jì)特殊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中既記錄幾何信息、拓?fù)湫畔?, 又記錄運(yùn)動(dòng)約束和位置方向數(shù)據(jù)。(2) 加工過程驗(yàn)證早期利用計(jì)算機(jī)對加工過程的研究是從數(shù)控加工仿真開始的。目前 , 對加工過程的研究包括幾何驗(yàn)證和物理驗(yàn)證兩個(gè)方面 : 在幾何驗(yàn)證方法方面的發(fā)展是隨著幾何建模技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的。按建模方法的不同可分為直接實(shí)體建模法、光線表達(dá)法、離散矢量法和空間分割法 2 , 其特點(diǎn)是以刀具和工件幾何體為主要檢驗(yàn)對象 , 目的是保證刀位數(shù)據(jù)的正確性 , 減少或消除因刀位數(shù)據(jù)錯(cuò)誤面導(dǎo)致的一系列問題 , 加工過程的幾何驗(yàn)證國外已經(jīng)有相當(dāng)成熟的數(shù)控加工仿真商品化軟件問世 , 現(xiàn)在幾何驗(yàn)證的研究熱點(diǎn)在 5 軸復(fù)雜曲面加工的幾何驗(yàn)證 , 關(guān)鍵在于精確地構(gòu)造設(shè)計(jì)曲面的幾何模型和刀具掃描的幾何模型 ; 物理驗(yàn)證是以切削參數(shù)、切削力和其他物理因素對切削過程的影響為研究對象 , 通過切削過程的動(dòng)力學(xué)模型可實(shí)現(xiàn)切削變形、刀具破損的檢測監(jiān)控、切削振動(dòng)的預(yù)報(bào)以及切削參數(shù)的調(diào)整與控制。但是 , 由于數(shù)控加工過程的物理行為的高度非線性、不確定性 , 使加工過程的物理模型建立非常困難 , 物理驗(yàn)證還局限于 3 軸或 3 軸以下數(shù)控加工范圍 , 開展較多的是針對復(fù)雜曲面 3 軸端銑加工 , 研究切削用量對切削力的影響 , 從而達(dá)到優(yōu)化切削用量的目的。另外 , 由于切削振動(dòng)對工件的表面質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生影響 , 同時(shí)也會(huì)造成加工設(shè)備和刀具的損壞 , 因此 , 針對不同的刀建立其振動(dòng)模型也是當(dāng)前物理驗(yàn)證研究的熱點(diǎn)之一?？傊?, 物理驗(yàn)證還處于研究階段 , 沒有成熟的商品化軟件問世。雖然 , 加工過程的研究在幾何驗(yàn)證和物理驗(yàn)證各自的領(lǐng)域中取得了許多成績 , 但幾何驗(yàn)證和物理驗(yàn)證是分離的。而實(shí)際物理模型的建立是和幾何模型分不開的 , 例如 : 切削力模型的建立和切削的幾何尺寸有密切的關(guān)系 , 而這些數(shù)據(jù)可以從幾何驗(yàn)證中方便地獲得。對于薄型精密零件的加工 , 由切削力引起的變形成為影響加工質(zhì)量的主要因素 , 進(jìn)行物理驗(yàn)證時(shí)建立911機(jī)床與液壓 20031NO13常規(guī)的切削力模型已不能滿足需求 , 必須借助有限元分析的手段。目前 , 在物理驗(yàn)證中利用有限元對切削變形進(jìn)行分析不處于起步階段。2 虛擬加工技術(shù)平臺課題研究得點(diǎn)為了將幾何驗(yàn)證和物理驗(yàn)證有機(jī)地結(jié)合起來 , 擬構(gòu)建虛擬加工平臺 , 利用該平臺對薄型需采用三坐標(biāo)銑削加工的零件的加工過程進(jìn)行研究。圖 2 虛擬加工平臺虛擬加工平臺是指在數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行的切削加工過程在虛擬環(huán)境下的映射 , 虛擬加工平臺為一些零件的加工提供一個(gè)試切環(huán)境 , 圖 2 所示為虛擬加工平臺總體框架示意圖。該平臺采用通用的 CAD/ CAM 軟件 ,來建立毛坯、刀具和零件的幾何模型及生成零件的數(shù)控程序 , 分析平臺也采用通用的軟件 Cosmos/ Works。該平臺側(cè)重于對加工過程本身進(jìn)行研究 , 通過對建模理論的研究構(gòu)建零件加工中間模型 , 從而獲取加工過程中和切屑有關(guān)的幾何數(shù)據(jù) , 建立切削力模型 , 將幾何驗(yàn)證和物理驗(yàn)證緊密結(jié)合。并根據(jù)切削力和幾何約束 , 利用有限元分析軟件對變形進(jìn)行分析、計(jì)算。(1) 零件中間模型建模在純幾何驗(yàn)證中通常并不記錄零件加工過程中的幾何和拓?fù)湫畔?, 只記錄像素信息。幾何驗(yàn)證與物理驗(yàn)證相結(jié)合 , 就必須記錄加工過程中的幾何信息和拓?fù)湫畔?。因?, 零件成型過程的中間模型的建立成為虛擬加工平臺的關(guān)鍵之一。圖 3 零件中間模型建立圖 3 所示為零件中間模型的建模方案。首先將毛坯模型轉(zhuǎn)換為擴(kuò)展的八叉樹模型 , 通過加工仿直 , 與刀具掃描體作布爾運(yùn)算得到零件在加工過程中的中間模型 , 由于是八叉樹模型所以可以為有限元分析所運(yùn)用 , 同時(shí) , 也可將零件加工過程模型轉(zhuǎn)換為多面體 B- rep 模型 , 再通過模型重建轉(zhuǎn)換成通用 CAD 建模軟件采用的 B - rep 模型 , 將該模型與同 CAD 建模得到的理論模型相比較 , 從而可以對加工精度進(jìn)行預(yù)測。多面體 (Polyhedral) B - Rep 模型是 B - Rep 模型的一種特例 , 在這種表示方法中 , 所有的面都是平面 , 所有的曲線都是直線段 , 所需保存的幾何信息僅僅是點(diǎn)的坐標(biāo) , 拓?fù)湫畔⒖梢越⑦@些點(diǎn)的正確的順序。以立方體為例 , 其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為 :BLOCK Faces :(face - ID : 1 , (connected - face : 3 4 5 6) , (loop -edge - ID : 1 2 9 10) )(face - ID : 2 , (connected - face : 3 4 5 6) , (loop -edge - ID : 3 4 11 12) )(face - ID : 6 , (connected - face : 1 2 3 4) , (loop - edge -ID : 2 8 10 12) )Edges :(edge - ID : 1 , (connected - face : 13 , (connected -vertex - ID : 1 2) )(edge - ID : 2 , (connected - face : 1 4) , (connected -vertex - ID : 3 4) )(edge - ID : 12 , (connected - face : 2 6) , (connect2ed - vertex - ID : 6 7) )Vertces :(vertex - ID : 1 , (connected - face : 1 3 5) , (connect2ed - edge : 1 5 9 ) , (coordinate : x , y , z) )(vertex - ID : 2 , (connected - face : 1 3 6) , (connect2ed - edge : 1 7 10) , (coordinate : x , y , z) )(vertex - ID : 8 , (connected - face : 2 4 5) , (connect2ed - edge : 4 6 11) , (coordinate : x , y , z) )(2) 切削力模型早期的切削力仿真系統(tǒng)所依據(jù)的都是切削力的經(jīng)驗(yàn)公式 , 這些經(jīng)驗(yàn)公式的特點(diǎn)之一是 : 認(rèn)為切削力和材料切除率 (MRR) 有關(guān)。這在早期的文獻(xiàn)中可以見到。但用材料切除率只能計(jì)算平均切削力而無法求得瞬時(shí)切削力 , 而瞬時(shí)切削力在切削變形和加工誤差分析中是很關(guān)鍵的。本虛擬加工平臺對薄壁類零件的銑削加工的切削力模型進(jìn)行了研究。銑刀在銑削時(shí) , 由于切屑的變形摩擦 , 銑刀的刀齒受到切削力的作用。通常 , 將切削力分解為兩個(gè)方(下轉(zhuǎn)第 144 頁 )021 機(jī)床與液壓 20031NO13探討的問題。2 平面圖形中內(nèi)部結(jié)構(gòu)實(shí)線的處理機(jī)件圖樣規(guī)定 : 看不見的輪廓線用虛線表示 , 而Auto CAD 中由立體圖轉(zhuǎn)換成平面三視圖就目前而言 ,不管用哪種操作方法都不能滿足這一規(guī)定 , 這就有待我們?nèi)ヌ接懞烷_發(fā)。帶著這個(gè)問題 , 我們不斷實(shí)踐 ,反復(fù)摸索 , 認(rèn)為采取如下措施可以解決將實(shí)線改成虛線的問題。即用炸開 ( Explot) 命令 , 將平面視圖中需改圖線的內(nèi)形結(jié)構(gòu)炸開 , 然后用“ Erase”命令刪去被修改的實(shí)線 (此時(shí) , 立體圖上該部分圖線被刪去 ) 。點(diǎn)擊狀態(tài)行的“ Mode”轉(zhuǎn)換開關(guān)進(jìn)入圖紙空間 , 在原圖層上 , 選擇點(diǎn)劃線 , 用畫線命令在平面視圖上畫出孔的軸線 ; 選擇虛線 , 用畫線命令在平面視圖上畫出孔的素線 ; 選擇實(shí)線在立體圖上畫出孔的素線。如圖 12。圖 11圖 12經(jīng)過圖形輸出的驗(yàn)證 , 我們認(rèn)為是可行的。在此提出主要是起一個(gè)拋磚引玉的作用 , 供熱衷于 Auto CAD軟件研究與開發(fā)的仁人志士及同行們探討 , 希望通過探討 , 得到更行之有效且操作方便快捷的好方法。3 結(jié)束語Auto CAD 中由立體圖轉(zhuǎn)換成平面圖的繪圖方法是工程圖學(xué)的一個(gè)發(fā)展方向。但在轉(zhuǎn)換過程中還有一些不完善的地方 , 需要通過交流、探討得到解決 , 以便更好地為社會(huì)生產(chǎn)實(shí)際和教學(xué)服務(wù)。參考文獻(xiàn)【 1】 孫宏江 1Auto CAD20001 機(jī)械工業(yè)出版社【 2】 曾先君 1Auto CAD20001 北京希望電子出版社【 3】 蔡漢民 , 陳建國編 1Auto CAD 三維造型實(shí)例詳解 1 人民郵電出版社收稿時(shí)間 : 2002 - 06 - 07(上接第 120 頁 )向 : 切向切削力 Ft 和徑向切削力 Fr ,如圖 4 所示 。Ft = Kthb , Fr = KrFt式中 Kt 稱為單位切削力 ,是一個(gè)常數(shù) ,與工件材料、刀圖 4 銑削切削力具幾何形狀以及平均切削厚度有關(guān) 。 Kr 是兩個(gè)力的比例系數(shù)。對于平面銑削加工切削深度 b 通常為常數(shù) , h 為切屑厚度 ,且h = S rsin St 為每齒進(jìn)給量St = f / z其中 , f 為進(jìn)給速度 , 可以從數(shù)控程序中獲得 , Z 為齒數(shù)。沿著刀具運(yùn)動(dòng)軌跡對切削力進(jìn)行計(jì)算 , 并繪制出切削力變化曲線 , 依據(jù)該曲線就可針對切削力較大的點(diǎn)進(jìn)行有限元分析 , 同時(shí) , 通過改變切削參數(shù)也可直觀地了解切削參數(shù)對切削力的影響。3 結(jié)論本文對虛擬加工技術(shù)的國內(nèi)外研究狀況作了概要的敘述 , 針對目前將幾何驗(yàn)證和物理驗(yàn)證分離的狀況 , 討論了虛擬加工平臺的結(jié)構(gòu) , 重點(diǎn)討論了將幾何驗(yàn)證與物理驗(yàn)證結(jié)合在一起的零件中間模型的建模方法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) , 以及物理驗(yàn)證中最關(guān)鍵的切削力模型。參考文獻(xiàn)【 1】 王知行 , 梁宏寶 1 虛擬加工技術(shù)的