虚拟机床的建模与加工过程仿真

2018-06-11 57

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引言

虚拟制造系统的建模分为目标系统层、虚拟制造模型层和模型构造层三个层次，模型构造层用于提供描述制造活动及其对象的基本模型结构，其中虚拟机床的建模及加工过程的仿真是最基础的工作，涉及面也最广，同时也是构造虚拟工厂乃至虚拟公司的基础。

1.虚拟机床VMT(Virtual Machine Tool)

虚拟机床是指数控机床(如加工中心)在虚拟环境下的映射。为追求“身临其境”的逼真性和“超越现实”的虚拟性，虚拟机床应满足如下要求：

全面、逼真地反映现实的加工环境和加工过程；
能对加工中出现的碰撞、干涉提供报警信息；
能对产品的可加工性和工艺规程的合理性进行评估；
能对产品的加工精度进行评估、预测；
必须具有处理多种产品和多种加工工艺的能力。

虚拟机床主要由加工环境模型、加工过程模型、加工过程仿真模型、虚拟操作界面和图形处理模块构成。加工环境模型包括毛坯、中期产品模型、目标产品模型、刀具、夹具、机床以及其他制造资源和环境物等各种实体对象的三维几何模型及模型间的关系。加工过程模型则包括各种加工方法对应的切削过程中的热变形、受力变形及振动模型。

图1 四坐标虚拟机床

2. 虚拟加工过程的建模

2．1虚拟机床建模

虚拟机床是虚拟加工过程的载体和核心，由几何模型和运动模型构成。如图1为一四坐标卧式加工中心的简化几何模型。图中虚拟机床中有两个坐标系，一个是机床的绝对坐标系X’Y’Z’，另一个是虚拟环境的图形显示坐标系XYZ。由于加工中心的刀具换刀位置是固定的，故将机床坐标系的原点定在换刀位置的中心。将图形坐标系的原点定在工作台安装面的中心。

虚拟机床中一个运动部件对应一个坐标，如图1 所示，工作台、部件1、2、3分别对应于坐标B、X、Z、Y。各运动部件及床身按一定规律构成一运动链，并规定运动链起始于工作台，终止于机床主轴，如图2所示。运动链中相邻部件间存在接触关系，床身为不动件，以其为界将运动链分为两段，每一段均具有层次结构。即每段中离床身近者运动时，离床身远者均将随之而动。如部件2沿Z坐标运动时，工作台和部件1将随之沿Z坐标运动；而部件3沿Y坐标运动时，主轴将随之而动。

虚拟机床的虚拟运动由各运动部件的平动、转动及相互间的联动构成。多个运动部件的联动采用插补算法可转化为单运动部件的平动或转动。因此，虚拟机床的运动可通过对部件进行平移和旋转变化来实现。虚拟运动速度由平移和旋转的步距值来控制。运动过程的建模则采用面向对象的虚拟现实建模语言VRML来完成。具体来说利用VRML语言将每一个运动部件定义为一个运动对象，这样每一个运动对象在VRML语言中可看成是一个节点，一个节点包括一组它能接受和发送的事件，如改变位置(平移或旋转)和改变颜色的事件等。加工过程的每一场景可以定义为一组节点，完整的加工过程则为一系列场景的集合。
图2 虚拟机床运动链图3 虚形体建模

2．2加工过程的建模

加工过程模型表示所有用于代表产品行为和制造过程的物理模型，包括各种加工方法对应的切削过程中的热变形，切削力作用下系统刚性变形，夹紧变形等。加工过程模型是评估和预测产品加工精度和可加工性的主要依据，它们的建立与加工方法、切削条件(刀具结构形状、刀具材料、工件材料等)和切削用量等有关。具体的数学模型可通过实验或有限元分析建模来建立有关。

2．3仿真过程建模

虚拟机床中的加工是由NC指令控制刀具运动完成的，在执行每一段NC指令的过程中，刀具从某一起始位置经某一路径运动到另一位置。在此过程中，刀具在空间扫过了一定的体积，可以把刀具在运动过程中包络的空间形体称之为“虚形体”(Swept Volume Solid)。如图3所示，图3a中的圆柱铣刀(切削刃部分)沿刀具轨迹AB运动后形成如图3b所示的虚形体。与实际形体相对而言，它并非真实形体，但在计算和建模时，可以把它作为真实形体来处理。虚形体与刀具本身的几何形状、刀具运动的轨迹以及刀具运动的起始位置都有着密不可分的联系。由于虚形体是由静态物体在运动过程中形成的，可采用静态物体(刀具)边界曲面在运动中形成包络面的方法对虚形体进行建模。将虚形体与其它静态形体进行求交运算，可检查加工过程中的碰撞和干涉；而将毛坯与虚形体进行求差运算，可仿真材料的去除过程。因此，通过对虚形体的建模，可实现对加工过程的仿真。

3. 虚拟加工过程仿真

3.1仿真环境的建立

建立仿真环境主要包括定义虚拟机床、刀库和刀具，安装夹具、毛坯和工件。

定义刀库包括按加工顺序选定每把刀具，并定义刀具参数。

定义虚拟机床包括根据加工要求确定机床类型、坐标数、控制系统，机床坐标原点，图形坐标原点和编程原点。缺省状态下以图形坐标系的原点为编程原点。

夹具、毛坯和工件在工作台上的初始安装可通过将产品坐标系的原点与图形坐标系的原点重叠来实现，实际安装位置可通过对产品相对图形坐标原点进行平移变换得到。产品建模时坐标系一般是固定的，而对不同机床来说其坐标系是不一样的，因此当在工作台上安装夹具或毛坯时，其在图形坐标系中的位置由如下的坐标的变换来确定：
(x,y,z,1)=A*B*(x1,y1,z1,1)

式中(x1,y1,z1)为产品坐标系中的一点，(x,y,z)为虚拟环境中图形坐标系下的相应点。

a11~a33通过选择产品坐标系的某一坐标面，如XOY，XO-Y，XOZ，-XOZ，YOZ，-YOZ之一，与图形坐标系的坐标基面XOY面重叠来确定。(x0,y0,z0)为工作台安装面的中心在机床坐标系中的坐标值。

3.2加工过程仿真

加工过程的仿真采用三种形式：

刀具运动轨迹仿真，此时只是刀具按加工轨迹围绕毛坯运动，目的是直观检验刀具运动轨迹的合理性。
机床运动过程仿真，此时将工件安装在机床工作台上，刀具运动轨迹分解为机床各运动部件的运动，目的是直观检验刀具与机床部件及机床部件间的碰撞和干涉。
材料去除过程仿真，此时刀具按其运动轨迹对毛坯进行材料切除，目的是模拟实际的切削过程，生成产品加工结果模型，对加工精度和可加工性进行评估。在此仿真过程中，通过估算切削力、夹紧力和切削热，将工艺系统因热变形和受力变形造成的刀具与工件间的相对位移与刀具的理论运动轨迹叠加，使所生成的产品加工结果模型能反映动态因素对加工质量的影响。

3.3加工误差的评估

将产品零件的理论模型与毛坯去除材料后得到的加工结果模型求差，可得到加工误差模型。加工误差模型中，加工区域按误差大小的不同以不同的颜色表示,通过对其进行直观检查，可对加工误差的大小及其产生的原因进行分析、判断，并为产品的可加工性评估提供依据。

4. 结论

虚拟机床不仅为未来建立虚拟制造系统奠定基础，而且可以在以下几方面发挥积极作用：

培训NC代码编程人员和机床操作人员;
数控设备选型;
评估加工精度;
检验NC代码;
评估产品的可加工性;
评估工艺规程的合理性。

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