虛擬加工環(huán)境建模及實現(xiàn)技術(shù)

1、虛擬加工環(huán)境建模及實現(xiàn)技術(shù)      引言  虛擬加工技術(shù)是虛擬制造的關鍵使能技術(shù)之一。它基于計算機仿真技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)產(chǎn)品的數(shù)字化加工過程，評價設計零件的可加工性，并檢驗數(shù)控加工工藝的科學性。從而為產(chǎn)品的并行開發(fā)提供有力的支持，大大縮短了開發(fā)/生產(chǎn)周期，降低了生產(chǎn)成本，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。 虛擬加工環(huán)境是虛擬加工系統(tǒng)的基礎。在虛擬加工環(huán)境中進行可視化加工仿真，不僅給用戶提供了身臨其境的沉浸感，更能對潛在的刀具與床身、夾具等的碰撞、干涉作出有效預測，實現(xiàn)對NC代碼的全面驗證。此外，由虛擬設備組成的三維虛擬加工環(huán)境也可用于車間布局優(yōu)化

2、、人機分析以及調(diào)度仿真等。因此構(gòu)建虛擬加工環(huán)境是實現(xiàn)虛擬加工系統(tǒng)的首要任務，具有重要的意義。 現(xiàn)有的虛擬加上模型存在如下缺點件:依賴于特定建模軟件，對不同CAD系統(tǒng)幾何模型支持不夠;模型不支持可重構(gòu)等。針對這些問題，在分析虛擬加工環(huán)境的建模需求的基礎上，本文提出了由部件層、設備層和環(huán)境層組成的虛擬加下環(huán)境層次模型，給出了各層次模型的具體實現(xiàn)方法和技術(shù)，最后用實例驗證了這些技術(shù)的有效性。 1虛擬加工環(huán)境的層次模型  完整的虛擬加工環(huán)境通常由虛擬的加工設備、物料運輸設備、工件、刀具、夾具以及其它輔助設備、人員和車間環(huán)境組成，其中虛擬加工設備是最主要的組成元素。虛擬加工環(huán)境不僅為

3、使用者提供了一個具有沉浸感的仿真環(huán)境，更是對實際加工系統(tǒng)的本質(zhì)映射。因此其模型必須與實際的加工系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上具有相似性，在功能和行為上具有一致性。 綜合而言，虛擬加工環(huán)境的模型首先要精確表達部件-設備-制造單元(生產(chǎn)線)-車間環(huán)境之間的拓撲關系。其次，虛擬部件、設備、生產(chǎn)線、車間環(huán)境模型所包含的信息必須完整，能夠滿足虛擬加工的要求，如機床模型要包含反映機床加工時運動學關系的信息。第三，模型應當具備相當?shù)娜嵝砸灾С挚焖僦貥?gòu)，虛擬車間可以根據(jù)需要添加、裁剪、移動虛擬加丁設備，實現(xiàn)車間級重構(gòu)，而虛擬加工設備也可根據(jù)需要添加、裁剪、更改零部件，實現(xiàn)設備級重構(gòu)。此外，模型應是三維的，具有良好的交互性。根據(jù)

4、上述需求，我們提出了如圖1所示的層次結(jié)構(gòu)的虛擬加工環(huán)境模型，包括部件層、設備層和環(huán)境層。  在虛擬加工層次模型中，環(huán)境模型EV由環(huán)境配置模型EVS和環(huán)境行為控制模型EVC描述，設備模型EQ由設備配置模型EQS由設備行為控制模型EQC描述，而部件模型CP則由部件幾何模型CPG和部件物理屬性仿真模型CPP描述。這些關系可形式化表達為: 2虛擬加工環(huán)境的實現(xiàn)技術(shù)  從虛擬加工環(huán)境層次模型可以看出，首先要開發(fā)通用的虛擬部件，建立虛擬部件庫;再由通用的虛擬部件裝配成不同的虛擬設備;然后在虛擬設備的基礎上構(gòu)建出虛擬環(huán)境。 2.1部件模型  作為虛擬加工環(huán)境

5、的基石，部件模型由部件的幾何模型和物理屬性仿真模型組成。部件幾何模型是反映真實部件外觀的約束模型，不僅包括支持三維實體顯示的信息，還包括支持裝配和仿真的幾何數(shù)據(jù)。而物理屬性仿真模型則是反映真實部件物理屬性的約束模型。   日前的商用CAD軟件已經(jīng)很成熟，功能強大，而開發(fā)一個獨立的幾何建模模塊，需要投入大量的人力財力。基于此考慮，我們選擇從商用CAD軟件建模，然后導入到虛擬加工系統(tǒng)中的方法建立部件幾何模型。但是，從國產(chǎn)的CAXA到國外品牌UG/NX. Pro/E等，商用CAD軟件種類繁多，不同的用戶使用的軟件種類可能并不相同。為了使虛擬加工系統(tǒng)具有通用性，所開發(fā)的CAD接口模

6、塊也必須具有通用性和擴展性，可以導入常用的CAD模型，并可以在其基礎上增加新的接口模塊。 VRML是Internet上3D文件描述、交換的標準，常用CAD軟件都支持這種格式的文件輸出。為此，我們開發(fā)了VRML文件解析器。首先將在三維CAD軟件中特征造型得到的部件幾何模型導出成為VRML文件，再解析后導入到虛擬加工系統(tǒng)中，此模型包括二角面片、頂點、法線等用于顯示的相關信息，稱為部件的顯示幾何模型。由于VRML文件丟失了描述部件形狀、尺寸、坐標等的特征信息，而這些信息是部件進行裝配、仿真操作所必需的，所以還要進一步對三維CAD軟件進行二次開發(fā)以獲取這些信息。這些特征信息導入虛擬加工系統(tǒng)后得到部件的

7、另一個幾何模型，稱為工程語義模型。顯示幾何模型和工程語義模型關聯(lián)在一起，共同組成部件的完整幾何模型。這里采用一種通用的方法來實現(xiàn)這種關聯(lián);根據(jù)特征信息建立特征表面的面方程，依次判斷三角面片集是否滿足特征表面方程及尺寸約束，如果滿足，則該二角面片集與該特征表面一一對應。圖2是部件幾何模型的UML類圖。   組成設備的部件，它們不僅有幾何屬性.還有運動學、動力學(振動、變形二)、熱力學等屬性。因此，在建立部件幾何模型后，還需要建立部件的物理屬性仿真模型。運動學模型是最基本的物理屬性仿真模型。虛擬部件根據(jù)真實部件在實際制造設備中的功能分類可定義為不同的角色(例如主軸、刀架等)。對于不同的角色，其運動學模型有不同的運動類型和運動約束。我們設計了