数控后加工与仿真(1)

产生背景
随着计算机集成制造(ClM)、敏捷制造(AM)、并行工程(CE)等先进制造技术的发 展与应用，企业之间竞争日趋激烈，企业设计、制造模式正在发生转变．已要求将产 品的可制造性分析提前到设计阶段，甚至市场分析阶段，其综合性和复杂性使仿真技 术成为重要的和必不可少的研究工具，只有通过仿真才熊确定产品设计和生产工艺的 可行性和合理性，才能保证产品制造的成功和确保生产周期。 加工过程的计算机仿真是采用先进的计算机建横与图形仿真技术，在计算机上模 拟加工环境和数控加工的全过程，是验证数控程序的正确性、检查产品设计与可制造 性的有效工具。加工过程仿真包括几何仿真和物理仿真。几何仿真主要用于数控程序 验证，包括刀具轨迹验证、干涉和碰撞检查两个方面，其目的在于确定数控程序的正 确与否。物理仿真则是对加工挝程的热学、力学特性进行建模仿真分析，主要用于验 证各种加工参数的选择是否合理。 近年来，Internet的飞速发展打破了地域限制，为实现异地协同设计与网络化制 造奠定了基础，同时也对制造过程仿真提出了新的要求。现有的仿真软件(如Pro／E、 UGS的加工仿真模块)多是在单台计算机上运行，无法支持基于web的异地协同设计 以及实施网络化制造的要求。该文针对上述问题，将数控加工仿真与网络集成，进行 了基于Web的数控加工仿真的研究，提出了一个基于Web的数控加工几何仿真系统体 系结构，并以数控弯管过程为例，采用先进的VRML、J2EE技术，实现了一个基于 web的数控弯管几何仿真系统。
几何仿真
基于Web的数控加工几何仿真系统研究
物理仿真研究的内容
物理仿真研究内容包括：分析加工过程中的瞬时切削力、刀 具与工件之间的相对运动、刀具磨损、工件的加工质量、工 艺参数对加工质量的影响及危险、异常情况的报警等。
物理仿真的功能
1.视觉功能 NC代码的可视化，可加工过程中过切、欠切的 可视化，刀具和机床的可视化，刀位轨迹、运动干涉的可视 化，刀具和加工件接触点变化的可视化，零件质量分析的可 视化，零件粗糙度的可视化。 2.触觉功能 定义为操作人员的工艺操作。 3.听觉功能 实际机床加工时，机床会发出不同的声音，刀 具切削材料、机床振动、刀具和夹具碰撞、进刀退刀和换刀 时导轨发出的声音，加工过程中出现险情时发出的警报声。 声音表示机床和刀具的状态，不同的声音表示不同的机床和 刀具状态，可以通过声音来检测数控加工的过程。
刀具库 刀具参数 刀具建模
数控加工仿真技术的分类
物理仿真
物理仿真是将切削过程中的各种物理因素的变化映射到虚拟制造系统中，在实际 加工过程之前分析与预测各切削参数的变化及干涉因素对加工过程的影响，能够 揭示加工过程的实质，分析具体工艺参数下的工艺规程质量及工件加工质量，辅 助在线检测与在线控制，进行工艺规程的优化。
(2)表示层 表示层主要管理客户层同仿真器层的会话，接收从Web 浏览器传来的各种仿真请求并将其交给仿真器层进行处理，同 时将仿真处理结果发送给浏览器。该层是使用者直接接触的层 面．包括直接看到的功能、界面等，主要进行NC程序的管理、 编辑，此外还能进行客户端浏览器检验、格式化信息交换的数 据、整理仿真会话内容等工作。 (3)仿真器层 仿真器层是系统的核心，该层主要由NC代码解释器、几 何仿真引擎、仿真计算引擎三个模块组成。NC代码解释器用于 对所编制的数控程序进行检验并对数控加工过程仿真的动作 和状态起指挥和控制作用，其主要功能有：根据该数控系统的 编程细则及相关的信息，检查NC程序的错误；从NC代码中提 取相关加工信息、控制机床部件运动的有关命令和状态信息． 并将相关信息存在相应的数据结构中。NC代码解释由词法分 析、语法分析、语义分析、中间代码生成、仿真驱动数据文件组 成。
软 件 环 境
输出层
切削力 振动位 移 切削温 度场分 布 表面质 量 机床稳 定性极 限 刀具寿 命及磨 损状态 切屑形 状
加工过程物理仿真技术
分析方法 以剪切面理论为基础，应用剪切滑移理论确定
以剪切角为主的力学模型，研究重点在于确定切削过程中的 切削力及切削振动涉及到的相关问题。
实验方法 实验方法针对针对大量实际进行的切削过程，
数控仿真技术国内外研究现状
国外:
美国Maryland大学开发了用于培 训数控操作人员的虚拟数控机床 仿真器 韩国Turbo-TEK公司开发出面向 培训的虚拟数控铣削加工环境 日本SONY公司研制的FREDAM 系统可对球头铣刀加工自由曲面 进行三维仿真，并进行干涉、碰 撞检查 意大利Bologna大学用B样条曲面 建立端铣刀与工作台模型，采用 真实感图形显示铣床精加工过程
装夹建模 托盘装夹 工件装夹 序
加工过程仿真 NC代码翻译 加工过程仿真 干涉检查 经验检验
几何建模 工件建模 夹具建模 机床建模
几何信息
机床定义 机床装配 坐标定义 刀库逻辑 主轴逻辑 工作台逻辑
加工模型
加工位置 装刀 装托盘 设置零偏
加工中心设备模型
材料切除率计算 切削负荷计算 进给速度优化
国内:
华中理工大学开发的NCPVSS系 统，具有数控铣削加工过程仿真 功能 同济大学了数控程序微机动画仿 真系统 清华大学CIMS工程研究中心开 发的“通用加工过程仿真器”已 在多家企业得到应用
仿真加工流程
NC程序
数控指令翻译
生成刀具扫描体
碰撞干涉检查
生成半成品
图形显示
下一指令
数控加工仿真系统结构
图1所示系统是一个四层架构，由客户层、表示层、仿真 器层、资源层组成。由于采用了J2EE这一工业标准，该体系结 构具有平台无关性、交互性好、可靠性强等优点，并且除了浏览 器需要安装插件外，无需其他程序，优越于普通的客户机／服务 器模式。 (1)客户层 客户层由附带有VRML插件(如CosmoPhyer、MS VRML2 等)、支持Java技术的Web浏览器(如IE6．0、Netscape等)构 成。该层的主要功能是管理加工过程的显示，处理客户仿真请 求，并保持与表示层的网络连接。该层基于HTTP／TCP／IP协议 进行数据传输，以HTML／XML/VRML作为数据传输标准。
基于Web的数控加工仿真，是实旗网络化制造与异地协 同设计的基础，可使用户在同、异构环境下，通过网络验证NC 代码的正确性，实现数控加工几何仿真的发布和测览，满足多 节点访问数控加工仿真的要求，为实现数控加工的网络化奠定 了基础。论文研究内容在实际应用中效果良好，所提出的系统 体系结构可以进一步推广到更广泛的制造过程领域中，有利于 促进网络化制造这一先进的制造模式的实施。
几何仿真引擎是整个系统的总控模块，根据用户的选择，将 把NC代码解释器得到的相关加工信息以及控制机床部件运 动的有关命令和状态信息传递给相应的仿真模块，同时控制仿 真过程的执行和结果的输出显示。仿真计算引擎负责接收NC 代码解释器生成的信息，进行运动及变形仿真计算。 (4)资源层 资源层由机床库、工装夹具库组成，主要为仿真器层提供 各种资源服务。
物理仿真的要求
要求真实，有错必显、即显，多视向观察； 要求加工中有声音的伴奏； 要求有质量分析报告； 仿真过程中允许人为的工艺操作；
目前物理仿真研究难点问题
加工过程模型难以建立； 仿真模型的通用性差； 仿真系统的实用性差； 与几何仿真未充分结合；
物理仿真的主要形式
1. 2. 3.
4.
预测道具切削性能； 预测切屑大小及形状； 预测机床或工件热变形对加工精 度的影响； 预测切削力；
参考文献
数控加工理论与实用技术，编著 王爱玲、李梦群、冯裕强，机械工业出 版社 170页—187页； 基于OpenGL的数控加工仿真系统研究【期刊论文】 余斌、刘荣忠-四川 大学学报(工程科学版)； 数控车削加工仿真技术的研究[期刊论文]-制造技术与机床，田美丽； [ ]国外NC加工仿真技术的现状分析，陈志伟 江晓峰 数控加工仿真关键技术研究 南京航天大学博士论文，1999 顾立志 金属切削过程仿真及其在切削参数优化中的应用研究 哈尔并工 业大学，1998 周济 周艳红 数控加工技术 国防工业出版社，2002 黄明吉 虚拟数控技术及应用 化学工业出版社 ,2005 姜玉宪 控制系统仿真 北京航空航天大学出版社 1998
通过实验确定下来DCFC(动态切削系数)中的各动态切削系 数。
机械建模方法 综合考虑到切削过程是涉及到多输入多输
出的综合系统，通过建立使用于多种切削条件的综合切削模 型，建立出各输入输出相关因素的影响关系，达到揭示切削 过程、预测各有效输出参数、表达系统输入与输出间关系的 目的。
物理仿真模型
切削力模型 振动模型 表面粗糙度模型 切削温度场模型 刀具磨损模型
数控后加工与仿真技术
0842823101 曹丽珠 0842823106 刘雪颖 0842823114 高凡凡
数控加工仿真概述
概述： 概述： 利用计算机技术来模拟实际的机床加工过程， 它验证数控加工程序的可靠性和预测切削过 程 作用： 作用： 减少工件的试切，提高生产效率 特点： 特点： 形象、科学、安全、经济
仿真系统的体系结构
输入层
刀具材料 刀具几 何参数 切削参 数 工件材 料 工件几 何参数 工艺系 统参数 。。。。。。
数 据 仿 真 库
硬 件 环 境
运 行 环 境
建模与仿真层
切削力建模 与仿真 振动建 模与仿 真 刀具磨 损建模 与仿真 表面质 量建模 与仿真 机床稳 定建模 与仿真 切削温 度建模 与仿真 剪切区 建模与 仿真 切屑的 形成建 模与仿 真
数控加工仿真存在的问题
仿真的加工形式少，研究范围窄 无理仿真过程都是考虑理想切削状态，与实际切削 过程有较大差距 仿真手段限制仿真系统的发展 仿真模型实用性差 仿真模型通用性差 未与几何仿真充分结合
几何仿真
基于Web的数控加工几何仿真系 统研究
基于web的数控加工几何仿真系统体系结构
数控加工过程是一个复杂的过程，加工过程中零件毛坯形状不断发生变化， 同时加工过程中加工载荷的变化．也会引起刀具与工件的不同程度变形，基于 web的数控加工几何仿真计算量大，对数据吞吐率的要求也非常高，是一个极其 复杂的Web应用。因而，在进行体系结构设计时应参考当前面向复杂Web应用 的主流架构——N层结构，利用最先进的Web标准和技术来构建系统，以提高系 统的吞吐率和应用的实现效率。 Java以其平台盂关性、移植性强、安全性高、稳定性好、分布式、面向对象 等优点而成为Interact应用开发的首选语言。Java技术可分为核心Java技术和企 业级Java技术(J2EE)。J2EE是一种利用Java2平台来简化诸多企业解决方案的 开发、部署和管理相关的复杂问题的体系结构。J2EE提供了能够方便存取数据 库的JDBC 、APl、CORBA技术以及对EJB(Enterpdse JavaBealls)、Java Semet API、JSP(iava Semr Pages)和XML技术的全面支持。J2EE使用EJB Server作为商业组件的部署环境，在EJB Server中提供了分布式计算环境中组件 需要的所有服务．例如组件生命周期的管理、数据库连接的管理、分布式事务的 支持、组件的命名服务等等。