虛擬制造中的數(shù)控銑削仿真加工技術

■中國第一重型機械股份公司 （黑龍江齊齊哈爾 161042） 董大勇

虛擬制造中的數(shù)控銑削仿真加工技術

■中國第一重型機械股份公司 （黑龍江齊齊哈爾 161042） 董大勇

摘要：本文研究了銑削加工過程仿真系統(tǒng)的理論方法及其關鍵技術，介紹了以VC++6. 0為開發(fā)工具,采用OpenGL開發(fā)了三維數(shù)車削仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)可對工件進行仿真加工,并將加工過程顯示在屏幕上。

虛擬制造利用信息技術、仿真技術、計算機技術對現(xiàn)實制造活動中的人、物、信息及制造過程進行全面的仿真，以發(fā)現(xiàn)制造中可能出現(xiàn)的問題，在產品實際生產前就采取預防措施，從而達到產品一次性制造成功，以達到降低成本、縮短產品開發(fā)周期及增強產品競爭力的目的。由于計算機技術和計算機圖形學的飛速發(fā)展，計算機仿真技術在制造系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。采用仿真加工來代替或減少實際中的試切工作，對數(shù)控加工有十分重要的意義。

1. 虛擬數(shù)控銑床體系結構

在建立虛擬數(shù)控銑床模型時，為追求身臨其境的逼真性和超越現(xiàn)實的虛擬性，虛擬數(shù)控銑床應滿足以下要求：

（1）與真實機床相似的結構，以便模仿真實機床的任何功能，并可使設計者以直觀的方式設計和修改系統(tǒng)。

（2）能全面逼真地反映現(xiàn)實的加工環(huán)境和加工過程，能對加工中出現(xiàn)的碰撞、干涉提供報警信息。

（3）具有完善的圖形接口。完善的圖形接口使用戶既能像在真實環(huán)境中那樣操作虛擬數(shù)控機床，又能完全真實地以圖像的形式觀察機床運行的各種狀態(tài)和各種機床運行參數(shù)，從而最大限度地提高人機融合程度。根據(jù)上述分析，分析虛擬數(shù)控銑床的體系結構，如圖1所示。

數(shù)控銑床的加工仿真平臺主要包括虛擬環(huán)境的建造和銑床各組成部分的運動控制。在OpenGL應用程序框架中添加銑床模型的OpenGL代碼，并添加鼠標和鍵盤響應，以控制銑床整體模型。為了方便用戶與虛擬環(huán)境進行交互，還可以加入其他按鈕或工具條，這樣就形成了完整的虛擬環(huán)境。運動的控制部分主要包括對銑刀和工作臺的運動控制，以實現(xiàn)刀具和工件的相對運動。

圖1　虛擬數(shù)控銑床結構

2. 幾何建模模塊

數(shù)控銑床的加工過程仿真平臺是利用VC++ 6.0結合OpenGL編程接口完成的。由于OpenGL自身的特點，在該環(huán)境下無法創(chuàng)建

像數(shù)控銑床這樣的復雜模型。為了在OpenGL環(huán)境下得到完整清晰的數(shù)控銑床模型，首先利用三維造型軟件Pro/ENGINEER Wildfire 2.0完成對數(shù)控銑床模型的建造，將其保存為WRL格式，然后用Deep Exploration將文件格式轉換成3DS格式，就可以在程序中直接讀取3DS文件，并將其裝配起來。在繪制機床時利用了OpenGL顯示列表技術，將每個零部件都生成一個OpenGL的顯示列表，這樣可以大幅度提高重繪效率，滿足實時繪制的要求。然后在OpenGL的編程環(huán)境下，調用這些代碼就可以重現(xiàn)數(shù)控銑床的三維模型。數(shù)控銑床的完整模型如圖2所示。

圖2　數(shù)控銑床模型

3. 加工過程仿真模塊

虛擬加工過程仿真將描述加工過程的解析模型與工件和機床的實體模型結合。在虛擬加工中解析模型可以表達切削加工的物理過程，而實體模型表示加工過程的幾何形狀。因此，給定設計好的零件、所用機床及零件的工藝過程，可以在計算機上進行如下工作：

（1）驗證工藝規(guī)程得到的刀具軌跡的正確性。在此情況下，采用工件的實體模型和機床模型來模擬加工過程，刀具沿設計好的軌跡切除工件上的材料，由此可以很容易地檢查到刀具運動軌跡不合理的地方，及時加以改進。

（2）驗證工藝規(guī)程中確定的切削參數(shù)是否合理可行，預測所選擇的切削參數(shù)是否會導致一些不希望的結果出現(xiàn)，如尺寸超差、震顫、刀具過渡磨損及表面粗糙度值等。

（3）準確評估一個工藝規(guī)程的優(yōu)劣，而且基于該評估，可以確定合適的加工條件以改進甚至優(yōu)化工藝規(guī)程。利用虛擬加工，可以改進對加工時間和加工成本的估算精度。

4. NC代碼解析模塊

由于加工過程仿真是由NC程序驅動的，所以，在加工過程仿真時，先要對NC程序分析和解釋，發(fā)現(xiàn)其中存在的錯誤，提取加工過程仿真時的有用信息，并將NC程序轉換為仿真驅動數(shù)據(jù)。數(shù)控代碼的計算機處理流程如圖3所示。

該處理過程為：首先將數(shù)控程序讀入到計算機內存中，由數(shù)控代碼檢錯器對程序進行詞法檢錯、語法檢錯和邏輯檢錯。經(jīng)過糾錯的NC程序更正后進入數(shù)控代碼翻譯器，計算出各時間片段的機床各坐標的位移，驅動模型的運動實現(xiàn)NC代碼驅動的加工過程仿真。

圖3　數(shù)控代碼的處理流程

5. 結語

本系統(tǒng)通過對輸入的數(shù)控加工代碼的圖形驗證，實現(xiàn)了數(shù)控加工過程的仿真且具有如下特點：

（1）在校驗和編譯數(shù)控代碼的基礎上，通過對機床、刀具、夾具和工件的三維圖形顯示，實現(xiàn)了實際數(shù)控加工過程的仿真。

（2）仿真時模擬刀具、工件幾何體、加工環(huán)境及材料去除的過程，消除了因程序誤差而導致的機床刀具、夾具損壞及零件的報廢等問題。

（3）仿真時可以實時顯示當前所仿真的程序行，更有利于使用者檢查代碼的正確性。

此外，該系統(tǒng)可作為虛擬制造中的一個制造單元工具，實現(xiàn)產品的數(shù)字化生產，亦可用來培訓數(shù)控編程人員。

參考文獻：

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收稿日期：（20150415）