數(shù)控后加工與仿真

數(shù)控后加工與仿真第1頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月數(shù)控加工仿真概述概述：

利用計(jì)算機(jī)技術(shù)來模擬實(shí)際的機(jī)床加工過程，它驗(yàn)證數(shù)控加工程序的可靠性和預(yù)測(cè)切削過程作用：

減少工件的試切，提高生產(chǎn)效率特點(diǎn)：

形象、科學(xué)、安全、經(jīng)濟(jì)第2頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月產(chǎn)生背景

隨著計(jì)算機(jī)集成制造(ClM)、敏捷制造(AM)、并行工程(CE)等先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，企業(yè)之間競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，企業(yè)設(shè)計(jì)、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(shè)計(jì)階段，甚至市場(chǎng)分析階段，其綜合性和復(fù)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(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)仿真是采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)建橫與圖形仿真技術(shù)，在計(jì)算機(jī)上模擬加工環(huán)境和數(shù)控加工的全過程，是驗(yàn)證數(shù)控程序的正確性、檢查產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(yàn)證，包括刀具軌跡驗(yàn)證、干涉和碰撞檢查兩個(gè)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(duì)加工撾程的熱學(xué)、力學(xué)特性進(jìn)行建模仿真分析，主要用于驗(yàn)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(shí)現(xiàn)異地協(xié)同設(shè)計(jì)與網(wǎng)絡(luò)化制造奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)也對(duì)制造過程仿真提出了新的要求?，F(xiàn)有的仿真軟件(如Pro／E、UGS的加工仿真模塊)多是在單臺(tái)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，無法支持基于web的異地協(xié)同設(shè)計(jì)以及實(shí)施網(wǎng)絡(luò)化制造的要求。該文針對(duì)上述問題，將數(shù)控加工仿真與網(wǎng)絡(luò)集成，進(jìn)行了基于Web的數(shù)控加工仿真的研究，提出了一個(gè)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(jìn)的VRML、J2EE技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于web的數(shù)控彎管幾何仿真系統(tǒng)。第3頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月數(shù)控仿真技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀國(guó)外:美國(guó)Maryland大學(xué)開發(fā)了用于培訓(xùn)數(shù)控操作人員的虛擬數(shù)控機(jī)床仿真器韓國(guó)Turbo-TEK公司開發(fā)出面向培訓(xùn)的虛擬數(shù)控銑削加工環(huán)境日本SONY公司研制的FREDAM系統(tǒng)可對(duì)球頭銑刀加工自由曲面進(jìn)行三維仿真，并進(jìn)行干涉、碰撞檢查意大利Bologna大學(xué)用B樣條曲面建立端銑刀與工作臺(tái)模型，采用真實(shí)感圖形顯示銑床精加工過程國(guó)內(nèi):華中理工大學(xué)開發(fā)的NCPVSS系統(tǒng)，具有數(shù)控銑削加工過程仿真功能同濟(jì)大學(xué)了數(shù)控程序微機(jī)動(dòng)畫仿真系統(tǒng)清華大學(xué)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(yīng)用第4頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月仿真加工流程N(yùn)C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第5頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月數(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(yàn)檢驗(yàn)幾何建模工件建模夾具建模機(jī)床建模托盤裝夾模型機(jī)床定義加工模型機(jī)床裝配坐標(biāo)定義刀庫(kù)邏輯主軸邏輯工作臺(tái)邏輯幾何信息加工位置加工中心設(shè)備模型裝刀裝托盤設(shè)置零偏材料切除率計(jì)算刀具庫(kù)切削負(fù)荷計(jì)算刀具參數(shù)刀具建模進(jìn)給速度優(yōu)化第6頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月數(shù)控加工仿真技術(shù)的分類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(shí)際加工過程之前分析與預(yù)測(cè)各切削參數(shù)的變化及干涉因素對(duì)加工過程的影響，能夠揭示加工過程的實(shí)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(cè)與在線控制，進(jìn)行工藝規(guī)程的優(yōu)化。幾何仿真基于Web的數(shù)控加工幾何仿真系統(tǒng)研究第7頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月物理仿真研究的內(nèi)容物理仿真研究?jī)?nèi)容包括：分析加工過程中的瞬時(shí)切削力、刀具與工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)、刀具磨損、工件的加工質(zhì)量、工藝參數(shù)對(duì)加工質(zhì)量的影響及危險(xiǎn)、異常情況的報(bào)警等。物理仿真的功能1.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(jī)床的可視化，刀位軌跡、運(yùn)動(dòng)干涉的可視化，刀具和加工件接觸點(diǎn)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。2.觸覺功能定義為操作人員的工藝操作。3.聽覺功能實(shí)際機(jī)床加工時(shí)，機(jī)床會(huì)發(fā)出不同的聲音，刀具切削材料、機(jī)床振動(dòng)、刀具和夾具碰撞、進(jìn)刀退刀和換刀時(shí)導(dǎo)軌發(fā)出的聲音，加工過程中出現(xiàn)險(xiǎn)情時(shí)發(fā)出的警報(bào)聲。聲音表示機(jī)床和刀具的狀態(tài)，不同的聲音表示不同的機(jī)床和刀具狀態(tài)，可以通過聲音來檢測(cè)數(shù)控加工的過程。第8頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月物理仿真的要求要求真實(shí)，有錯(cuò)必顯、即顯，多視向觀察；要求加工中有聲音的伴奏；要求有質(zhì)量分析報(bào)告；仿真過程中允許人為的工藝操作；第9頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月目前物理仿真研究難點(diǎn)問題加工過程模型難以建立；仿真模型的通用性差；仿真系統(tǒng)的實(shí)用性差；與幾何仿真未充分結(jié)合；第10頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月物理仿真的主要形式預(yù)測(cè)道具切削性能；預(yù)測(cè)切屑大小及形狀；預(yù)測(cè)機(jī)床或工件熱變形對(duì)加工精度的影響；預(yù)測(cè)切削力；第11頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月仿真系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)輸入層硬件環(huán)境運(yùn)行環(huán)境數(shù)據(jù)仿真庫(kù)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(dòng)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(jī)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(dòng)位移切削溫度場(chǎng)分布表面質(zhì)量機(jī)床穩(wěn)定性極限刀具壽命及磨損狀態(tài)切屑形狀第12頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月加工過程物理仿真技術(shù)分析方法以剪切面理論為基礎(chǔ)，應(yīng)用剪切滑移理論確定以剪切角為主的力學(xué)模型，研究重點(diǎn)在于確定切削過程中的切削力及切削振動(dòng)涉及到的相關(guān)問題。實(shí)驗(yàn)方法實(shí)驗(yàn)方法針對(duì)針對(duì)大量實(shí)際進(jìn)行的切削過程，通過實(shí)驗(yàn)確定下來DCFC(動(dòng)態(tài)切削系數(shù))中的各動(dòng)態(tài)切削系數(shù)。機(jī)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(dá)到揭示切削過程、預(yù)測(cè)各有效輸出參數(shù)、表達(dá)系統(tǒng)輸入與輸出間關(guān)系的目的。第13頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月物理仿真模型切削力模型振動(dòng)模型表面粗糙度模型切削溫度場(chǎng)模型刀具磨損模型第14頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月數(shù)控加工仿真存在的問題仿真的加工形式少，研究范圍窄無理仿真過程都是考慮理想切削狀態(tài)，與實(shí)際切削過程有較大差距

仿真手段限制仿真系統(tǒng)的發(fā)展仿真模型實(shí)用性差仿真模型通用性差未與幾何仿真充分結(jié)合第15頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月幾何仿真基于Web的數(shù)控加工幾何仿真系統(tǒng)研究第16頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月基于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(gè)復(fù)雜的過程，加工過程中零件毛坯形狀不斷發(fā)生變化，同時(shí)加工過程中加工載荷的變化．也會(huì)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(jì)算量大，對(duì)數(shù)據(jù)吞吐率的要求也非常高，是一個(gè)極其復(fù)雜的Web應(yīng)用。因而，在進(jìn)行體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)參考當(dāng)前面向復(fù)雜Web應(yīng)用的主流架構(gòu)——N層結(jié)構(gòu)，利用最先進(jìn)的Web標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)來構(gòu)建系統(tǒng)，以提高系統(tǒng)的吞吐率和應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)效率。

Java以其平臺(tái)盂關(guān)性、移植性強(qiáng)、安全性高、穩(wěn)定性好、分布式、面向?qū)ο蟮葍?yōu)點(diǎn)而成為Interact應(yīng)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(jí)Java技術(shù)(J2EE)。J2EE是一種利用Java2平臺(tái)來簡(jiǎn)化諸多企業(yè)解決方案的開發(fā)、部署和管理相關(guān)的復(fù)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(kù)的JDBC、APl、CORBA技術(shù)以及對(duì)EJB(EnterpdseJavaBealls)、JavaSemetAPI、JSP(iavaSemrPages)和XML技術(shù)的全面支持。J2EE使用EJBServer作為商業(yè)組件的部署環(huán)境，在EJBServer中提供了分布式計(jì)算環(huán)境中組件需要的所有服務(wù)．例如組件生命周期的管理、數(shù)據(jù)庫(kù)連接的管理、分布式事務(wù)的支持、組件的命名服務(wù)等等。第17頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月第18頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月圖1所示系統(tǒng)是一個(gè)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(biāo)準(zhǔn)，該體系結(jié)構(gòu)具有平臺(tái)無關(guān)性、交互性好、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，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(jī)／服務(wù)器模式。

(1)客戶層客戶層由附帶有VRML插件(如CosmoPhyer、MSVRML2等)、支持Java技術(shù)的Web瀏覽器(如IE6．0、Netscape等)構(gòu)成。該層的主要功能是管理加工過程的顯示，處理客戶仿真請(qǐng)求，并保持與表示層的網(wǎng)絡(luò)連接。該層基于HTTP／TCP／IP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，以HTML／XML/VRML作為數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)。第19頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月

(2)表示層表示層主要管理客戶層同仿真器層的會(huì)話，接收從Web瀏覽器傳來的各種仿真請(qǐng)求并將其交給仿真器層進(jìn)行處理，同時(shí)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(jìn)行NC程序的管理、編輯，此外還能進(jìn)行客戶端瀏覽器檢驗(yàn)、格式化信息交換的數(shù)據(jù)、整理仿真會(huì)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(jì)算引擎三個(gè)模塊組成。NC代碼解釋器用于對(duì)所編制的數(shù)控程序進(jìn)行檢驗(yàn)并對(duì)數(shù)控加工過程仿真的動(dòng)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(xì)則及相關(guān)的信息，檢查NC程序的錯(cuò)誤；從NC代碼中提取相關(guān)加工信息、控制機(jī)床部件運(yùn)動(dòng)的有關(guān)命令和狀態(tài)信息．并將相關(guān)信息存在相應(yīng)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(dòng)數(shù)據(jù)文件組成。第20頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月幾何仿真引擎是整個(gè)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(jī)床部件運(yùn)動(dòng)的有關(guān)命令和狀態(tài)信息傳遞給相應(yīng)的仿真模塊，同時(shí)控制仿真過程的執(zhí)行和結(jié)果的輸出顯示。仿真計(jì)算引擎負(fù)責(zé)接收NC代碼解釋器生成的信息，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)及變形仿真計(jì)算。(4)資源層資源層由機(jī)床庫(kù)、工裝夾具庫(kù)組成，主要為仿真器層提供各種資源服務(wù)。第21頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月基于Web的數(shù)控加工仿真，是實(shí)旗網(wǎng)絡(luò)化制造與異地協(xié)同設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，可使用戶在同、異構(gòu)環(huán)境下，通過網(wǎng)絡(luò)驗(yàn)證NC代碼的正確性，實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工幾何仿真的發(fā)布和測(cè)覽，滿足多節(jié)點(diǎn)訪問數(shù)控加工仿真的要求，為實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工的網(wǎng)絡(luò)化奠定了基礎(chǔ)。論文研究?jī)?nèi)容在實(shí)際應(yīng)用中效果良好，所提出的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步推廣到更廣泛的制造過程領(lǐng)域中，有利于促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)化制造這一先進(jìn)的制造模式的實(shí)施。

第22頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月幾何仿真和物理仿真比較第23頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月數(shù)控仿真技術(shù)的應(yīng)用及展望虛擬數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用將給制造業(yè)帶來革命性的飛躍。由于虛擬數(shù)控機(jī)床是數(shù)字模型，所以容易實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字模型進(jìn)行顯示、分析、傳遞和迭代更新，為設(shè)計(jì)提供并行作業(yè)的可能，用經(jīng)濟(jì)快捷的方式提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)品質(zhì)，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。采用虛擬數(shù)控機(jī)床技術(shù)，可以為產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(jī)床上不方便操作的各項(xiàng)任務(wù)，如完成數(shù)控程序的調(diào)試、測(cè)量產(chǎn)品加工誤差、評(píng)定加工效率和檢驗(yàn)干涉碰撞情況等。還可以利用虛擬機(jī)床優(yōu)化切削參數(shù)，優(yōu)化刀具路徑，提高機(jī)床設(shè)備的生產(chǎn)效率。利用機(jī)床加工的全過程與用戶的交互功能，可以為企業(yè)、學(xué)校的數(shù)控人才培訓(xùn)提供快速、安全且不消耗資源的有效手段，并幫助機(jī)床制造商向遠(yuǎn)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(jī)床的網(wǎng)絡(luò)功能為真正實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程合作提供保證。虛擬數(shù)控技術(shù)是由許多先進(jìn)學(xué)科、先進(jìn)知識(shí)形成的綜合技術(shù)系統(tǒng)，是一個(gè)極具潛力的前沿研究領(lǐng)域。由于多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及仿真技術(shù)的迅速發(fā)展，虛擬數(shù)控