| 摘要：根据实际加工情况提出了一种虚拟NC 车削加工仿真系统的设计及实现原理。在Visual C++平台上利用OpenGL技术建立虚拟加工机床数字化模型，用C++语言实现物理仿真相关的各个数学模型的建立，进行虚拟环境下数控车削加工的几何仿真及物理仿真，实现产品的虚拟车削制造。 |
虚拟制造(Virtual Manufacturing , VM)技术是虚拟现实(virtual Reality , VR)技术与计算机仿真技术在制造领域的综合发展和应用。VM的实质是“计算机中的制造”，即在计算机中借助建模与仿真技术及时地完成制造全过程的模拟和示范，并预测、评价产品性能和产品的可制造性。数控(NC)车削程序的编制过程与工艺过程相似，都具有经验性和动态性，在程序编制过程中错误是经常发生的。为此，在数控机床上加工零件之前一般要进行数控程序(NC代码)校验，并进行首件试切，这种试切过程往往要冒一定的风险，稍有不慎，就会发生事故。用传统试切的方法来检验刀具路径既费时又费力。通过数控加工仿真(或称虚拟NC加工可以大大减少上述情况的发生，提高数控编程效率和质量，增强数控机加车间的制造能力。1 虚拟数控车削加工仿真系统
目前，为提高软件应用效率，许多CAM 软件都为用户增设了虚拟NC加工软件模块。本文介绍了一种基于真实的三维NC车削加工的仿真系统的设计及实现原理建立虚拟加工原理。系统以Visual C++为平台，采用OpenGL技术建立虚拟加工环境；利用C++语言建立物理仿真的各个数学模型；通过用SQL Server建立的多个数据库支持几何仿真的图形算法与物理仿真的数值计算，实现虚拟环境下数控车削加工的几何仿真及物理仿真。通过对数控车床及其加工过程进行仿真，显示产品加工过程和结果，实现产品零件的虚拟加工，并验证NC代码的正确性，预测产品零件的表面质量和加工精度等参数。系统采用总体设计、模块分解、模块设计、再组装成全系统的开发方法，总体结构。2 系统的构成及功能
2.1 仿真环境模型的建立
虚拟数控车削加工仿真环境或虚拟设备的建立主要是指对车床总体，如主轴、刀架、尾座、控制面板、静止床体进行特征建模，实现机床主要部件的相对运动，设备模型尽可能简化，只要能表达设备的形状特征和功能特征即可。建立机床信息库、夹具库、刀具库、材料库，为凡何仿真中的求交运算和物理仿真中加工误差等数值的计算提供相关数据信息。2.2 几何仿真的实现
数控车削过程仿真主要分为几何仿真和物理仿真两部分。几何仿真不考虑切削力等其他物理因素的影响，只仿真刀具和工件的几何运动，实现实体的真实感图形显示，一般也称为刀具运动轨迹仿真；而物理仿真则是将切削过程中的各物理因素的变化映射到虚拟制造系统中，通过动态的力学特性来预测刀具磨损、表面粗糙度等参数。虚拟NC系统对NC代码能否正确处理是虚拟加工活动成败的关键。系统不可能直接执行NC代码，需要将它转换为计算机易于处理的数据信息才能够实现工件加工过程的动态仿真。实现几何仿真的流程，这个过程包括4个阶段：NC文件读入、NC代码错误检查、刀位轨迹计算(其中包括碰撞和干涉检验)、加工动态模拟。- NC文件读入
- 可读取已有的NC 文件或在编辑界面直接由手工编写NC文件，为计算刀具轨迹提供源NC数据。系统一个字符一个字符地依次读入，然后分门别类地将其转换成计算机容易处理的数据信息，同时可以对NC程序进行修改以增强系统的灵活性。
- NC代码语法错误的检查
- 由人工编写的NC代码可能会有一些语法上的错误，所以在计算刀具轨迹之前要进行该类错误的检查，检错的规则主要依据NC 代码定义、加工要求及工艺规范。例如G04的程序段里不能有其他指令；主程序必须以M02或M03结束；圆心坐标在圆弧插补时不能省略等。
- 刀位轨迹的计算和动态模拟
- 一般的NC车削编程都是按照工件的被加工轮廓进行编制的，所以可以通过用刀具所走的轨迹和工件毛坯求交的办法实现工件的模拟加工。逐条读入NC代码计算出刀具所走的路径后，与工件实体模型进行求交运算，每计算出刀具下一步的插补位置，就调用实体显示程序实时的仿真加工过程。通过显示零件的成形过程可以进行干涉和碰撞检查，如果在加工过程中出现了干涉和碰撞，系统即发出警告，提示操作者修改NC程序，最后输出错误记录。
2.3 物理仿真的实现
采用实验建模和理论建模相结合的方法进行物理仿真，研究的内容包括分析加工过程中的瞬时切削力、切屑与冷却液模拟、刀具磨损、表面粗糙度预测和工件的加工误差计算，最后形成加工报告，为分析、优化NC代码编制提供一定的依据。- 切削力仿真
- 由机械制造工艺学和材料力学的经验公式建立车削加工过程瞬时切削力的数学模型，通过确定与切削用量三要素有关的动态切削力系数来确定动态切削力，实时地用色带显示瞬时切削力的大小。
- 刀具磨损与变形
- 在实际加工中，如果刀具磨损量过大，便不能继续加工。可对刀具磨损量进行计算，并设定一个极限值，如果超过该数值，系统会提示换刀。普通车刀的制造误差与加工精度没有直接关系，但是它的磨损对被加工工件的尺寸精度和形状误差都有影响。例如加工外圆柱面时，车刀的磨损量可直接用于计算圆柱度误差，刀具尺寸磨损量计算公式为
| µ=µ0+ | L | kµ ， |
|
| 1000 |
式中：µ0为刀具的初期磨损；kµ为磨损曲线的斜率；L为切削路程。可用材料力学中的悬臂梁结构代替加工过程车刀的受力模型进行刀具变形的研究。 - 切屑与冷却液模拟
- 切屑形成过程和冷却液的仿真可以增强仿真的真实感，不同的刀具会产生不同形状的切屑，并有不同的排屑方式。可以以实际的切屑模型为参考，根据切屑的形成机理及变形规律，分析影响切屑形状的各个因素的主次程度，建立数学模型，实现对车屑形状的参数化计算，绘制车屑形状；利用流体力学中的伯努利方程对冷却液的形状进行描述，利用OPenGL的纹理技术，显示冷却液的流动状态。在车削加工过程中使用冷却液可以提高零件的表面质量和加工精度。NC 车削加工过程切屑与冷却液仿真。
- 表面粗糙度
- 根据切削时刀具与工件之间的相对振动、刀尖几何形状和刀具与工件的相对运动(即进给运动)来分析表面粗糙度。在理想的切削条件下，刀具相对工件做进给运动，加工表面的切削层残留面积与刀具形状完全一样，但是在实际车削加工中，表面粗糙度的形成是加工表面的残留面积、工艺系统的微观振动、积屑瘤等物理因素综合影响的结果。由于是模拟加工，不可能考虑各个机床的随机性事件，所以在建立表面粗糙度的数学模型时应选取影响较大的因素进行组合，把相关因素按一定的权重组合在一起，建立一个整体的数学模型：
| Δ= | n | kiΔi ， |
| Σ |
| i=1 |
式中：Δi表示第i个影响因素所产生的表面粗糙度的数值，ki表示第i个影响因素叠加时的权重。 - 工件的加工误差计算
- 车削加工的误差来自工艺系统的原有误差和加工过程误差。工艺系统的原有误差如主轴回转误差等可以由机床参数库提供，在计算时直接调用即可。加工过程误差是由刀具的磨损、切削力变化、工件受热变形等引起的，各个影响因素所造成的误差数值都可以单独计算，例如由切削力变化引起的误差为
| Δg= | λCpfi0.75 | &Deltaαp ， |
|
| Kxt |
式中：又为FY/FZ; Cp为与被加工材料和切削条件有关的系数；αp为被吃刀量；&Deltaαp＝&Deltam(毛坯误差)=αp1-αp2; f为进给量；FY和FZ为切削力，Kxt为工艺系数的刚度。- 利用与计算表面粗糙度类似的方法，分析影响加工误差的各个因素的主次程度，建立整体的数学模型后计算出加工误差。
- 代码加工结果输出
- 以零件三维图形和加工质量分析报告的形式对仿真结果进行文件输出，使代码编译人员和工艺设计人员能够直观地了解程序的正确性和合理性，便于代码的修改。
3 结论与展望
采用数控车削加工仿真技术可以节省NC程序编制时间，优化NC 程序，减少试切费用，进而缩短产品的上市时间，降低生产成本，提高企业生产效率。本系统只是对物理仿真的各个影响因素进行了单独的分析与计算，在实际加工中各个因素之间互相都有影响，如何妥善处理各个因素之间的影响是加工过程需要深入研究的问题。
