1加工過程仿真

虛擬加工技術虛擬加工技術1．1虛擬加工系統(tǒng)概述1．2虛擬加工建模技術1．3碰撞與干涉檢測技術1．1．1加工過程仿真在產品開發(fā)過程中，利用計算機仿真技術對產品整個生命周期進行仿真和評估，從而以最優(yōu)質量、最低成本和最快速度將產品推向市場。加工過程仿真種類很多,這里主要針對的是切削過程仿真概念:經過CAD/CAM處理后的數(shù)控加工程序，在正式加工之前，一般要經過刀具軌跡檢驗和試切。試切的過程也就是對CAD/CAM/NC系統(tǒng)生成的NC程序的檢驗過程。

原因:傳統(tǒng)的試切是采用塑模、臘模或木模在專用設備上進行的。幾何仿真:從純幾何角度出發(fā)，仿真刀具切削工件的過程。分類:力學仿真:是從力學角度出發(fā)，對數(shù)控加工過程中的動態(tài)力學行為進行仿真。

刀具路徑仿真:即建立工件、刀具、機床的實體模型，刀具沿著由工藝確定的軌跡切削，以發(fā)現(xiàn)一些不適當?shù)牡毒哕壽E。作用:評估工藝參數(shù):過大的切削深度會產生顫振，毀壞刀具和工件，過高的進給率會導致難以接受的表面粗糙度等。1．1．2虛擬加工系統(tǒng)在虛擬環(huán)境下對產品對象實現(xiàn)幾何及物理性能變化的過程稱為虛擬加工（或數(shù)字化加工）。概念:（1）全面逼真地反映現(xiàn)實加工環(huán)境和加工過程。（2）可以真實地描述加工過程中的物理效應。功能:（3）能對加工過程中出現(xiàn)的碰撞、干涉進行檢測，并提供報警信息。（4）可以對夾具的實用性給予評價。并對產品可加工性和工藝規(guī)程的合理性進行評估。對加工精度、加工時間進行精確估計1．1．3虛擬加工過程的構成虛擬加工過程如圖1－1所示：

圖1－1虛擬加工過程虛擬加工過程是在NC指令驅動下，由機床刀具模型的運動過程和工件模型的變形過程構成。刀具在虛擬空間掃過一定的體積，可以把刀具運動過程中包絡的空間形狀稱為“虛形體”（SweptVolumeSolid）。概念:圖1－4（a）中A為立銑刀，當銑刀沿AB方向移動時，形成如圖1－4（b）所示的虛形體。

圖1－4虛形體建模示意虛擬加工仿真系統(tǒng)的結構如圖1－2所示。圖1－2虛擬加工仿真系統(tǒng)結構結構:第1層為幾何模型層：建立與工藝過程相關的物理實體的三維實體模型。

第2層為運動學模型層：根據(jù)幾何模型和運動軌跡信息（NC代碼），確定幾何實體之間的運動關系。第3層為物理效應模型層：例如切削力模型、切削形狀模型，工件已加工表面形狀模型，以及工件、機床、刀具、夾具的動力學模型。第4層為輸出層：獲得完整的工藝特性分析結果。1．1．4虛擬加工仿真的內涵（1）定義虛擬機床：包含確定機床類型、坐標數(shù)、控制系統(tǒng)、機床坐標原點、圖形坐標原點、編程原點等。

（2）定義刀庫、刀具：選定刀具、定義刀具參數(shù)，如銑刀直徑、長度；定義切削參數(shù)，如轉速，進給量等。建立環(huán)境:（3）定義工件或夾具在托盤、機床上的裝夾方案。（4）安裝夾具、毛坯和刀具。（1）刀具運動軌跡仿真：讀入NC代碼，檢查代碼語法、語意的正確性，生成刀具位數(shù)據(jù)，并驅動虛擬機床運動。過程仿真:（3）機床運動過程仿真：此時將毛坯安裝在機床工作臺上（或夾具上），刀具運動軌跡分解成機床各部件運動。（4）材料去除過程仿真：刀具按運動軌跡對毛坯進行材料切除，以模擬實際切削過程，生成產品加工結果模型。（2）夾具安裝使用過程仿真：將毛坯安裝在夾具上。

1．2．1安裝仿真建模坐標變換法:夾具、毛坯或工件在工作臺上的安裝定位可通過將夾具或產品坐標系原點與圖形坐標系原點重合。實際安裝位置可通過對安裝件坐標系的平移與旋轉變換實現(xiàn)。在構建有裝配關系的部件時，在部件上設定原點和安裝點。原點是部件的安裝基準點，安裝點是部件上安裝其他零部件時的安裝點。部件鏈接法:如圖1－3所示為德國VF120－RW加工系統(tǒng)模型。圖1－3德國VF120－RW加工系統(tǒng)模型示例:1．2．2工件成形建模工件的成形過程的描述方法有4種：

（1）動畫描述法：以工序開始、結束及中間的幾個典型位置時的工件形狀為關鍵幀，生成與刀具位置相適應的動畫，在仿真循環(huán)中隨著機床的運動，顯示相應的加工過程。（2）離散單元表達法：將工件用很小的立方體或薄片構造。在虛擬加工過程中，檢測虛擬刀具與工件之間的碰撞。（3）虛形體法：虛擬機床加工過程中，通過虛形體與工件的布爾求交運算來實現(xiàn)工件成形。（4）行為函數(shù)法：把虛擬加工過程中毛坯形狀的變化和刀具的運動分別用不同的行為函數(shù)定義。當觸發(fā)事件發(fā)生時，它們就能在虛擬加工中按照真實世界中的行為特征發(fā)生運動，以模擬刀具切削的過程。1．2．3加工誤差建模加工過程中影響工件尺寸、形狀及表面微觀形貌的因素主要有機床幾何誤差（或機床靜態(tài)誤差）。機床動態(tài)誤差，刀具誤差，切削力變形誤差，熱變形誤差，振動誤差。（1）時變性：這些誤差在機床設備壽命周期內是變化的，是設備運行總時間T的函數(shù)。例如機床的幾何誤差隨著設備的磨損而增加。特征:（3）方向性：不同的方向的誤差對工件的尺寸形狀影響不同。（4）多坐標系：誤差來源不同坐標系也不同。首先對每項誤差按其成因建立坐標系，進行分散處理，然后通過坐標系變換將所有誤差集中納入工作坐標系。建模方法:碰撞與干涉檢測是加工過程仿真的重要內容。在實際加工過程中，碰撞會造成工件報廢和設備損壞，甚至威脅到操作者的人身安全。

原因:1．3．1碰撞的概念通常把以下3種干涉情況稱為碰撞。（1）刀具非切削部位與物體的干涉（2）刀具快速趨近工件時的切削（3）夾具可動零件在運動范圍內與其他固定零件的干涉刀具切削部位與剛加工過的表面的干涉稱為過切1．3．2包容盒檢測法對待檢測的物體分別作包容盒，對包容盒進行求交運算。若不相交，則繼續(xù)檢測其他形體；若相交，則進一步對相交部位的形體進行棱邊和面的求交計算。若交點在面內，則判定為形體相交，否則，檢測其他形體。概念:優(yōu)點:包容盒形狀簡單，求交速度快缺點:在描述曲面和孔時誤差較大1．3．3分層檢測法將機床最大加工范圍用立方體表示，沿刀軸方向，用垂直于刀軸的平面分隔為薄層，每層都有標識號ID。檢測時只檢測可能發(fā)生碰撞的IDmax和IDmin范圍內的空間。圖1－6機床最大加工范圍空間分層模型將三維檢測轉化為平面內的碰撞檢測，降低了檢測的復雜程度。優(yōu)點:概念:1．3．4法矢檢測法在刀具體上加表面法矢量，并按一定的密度布置到刀具的“經度”和