1加工過(guò)程仿真

虛擬加工技術(shù)虛擬加工技術(shù)1．1虛擬加工系統(tǒng)概述1．2虛擬加工建模技術(shù)1．3碰撞與干涉檢測(cè)技術(shù)1．1．1加工過(guò)程仿真在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中，利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)產(chǎn)品整個(gè)生命周期進(jìn)行仿真和評(píng)估，從而以最優(yōu)質(zhì)量、最低成本和最快速度將產(chǎn)品推向市場(chǎng)。加工過(guò)程仿真種類很多,這里主要針對(duì)的是切削過(guò)程仿真概念:經(jīng)過(guò)CAD/CAM處理后的數(shù)控加工程序，在正式加工之前，一般要經(jīng)過(guò)刀具軌跡檢驗(yàn)和試切。試切的過(guò)程也就是對(duì)CAD/CAM/NC系統(tǒng)生成的NC程序的檢驗(yàn)過(guò)程。

原因:傳統(tǒng)的試切是采用塑模、臘?；蚰灸Ｔ趯Ｓ迷O(shè)備上進(jìn)行的。幾何仿真:從純幾何角度出發(fā)，仿真刀具切削工件的過(guò)程。分類:力學(xué)仿真:是從力學(xué)角度出發(fā)，對(duì)數(shù)控加工過(guò)程中的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為進(jìn)行仿真。

刀具路徑仿真:即建立工件、刀具、機(jī)床的實(shí)體模型，刀具沿著由工藝確定的軌跡切削，以發(fā)現(xiàn)一些不適當(dāng)?shù)牡毒哕壽E。作用:評(píng)估工藝參數(shù):過(guò)大的切削深度會(huì)產(chǎn)生顫振，毀壞刀具和工件，過(guò)高的進(jìn)給率會(huì)導(dǎo)致難以接受的表面粗糙度等。1．1．2虛擬加工系統(tǒng)在虛擬環(huán)境下對(duì)產(chǎn)品對(duì)象實(shí)現(xiàn)幾何及物理性能變化的過(guò)程稱為虛擬加工（或數(shù)字化加工）。概念:（1）全面逼真地反映現(xiàn)實(shí)加工環(huán)境和加工過(guò)程。（2）可以真實(shí)地描述加工過(guò)程中的物理效應(yīng)。功能:（3）能對(duì)加工過(guò)程中出現(xiàn)的碰撞、干涉進(jìn)行檢測(cè)，并提供報(bào)警信息。（4）可以對(duì)夾具的實(shí)用性給予評(píng)價(jià)。并對(duì)產(chǎn)品可加工性和工藝規(guī)程的合理性進(jìn)行評(píng)估。對(duì)加工精度、加工時(shí)間進(jìn)行精確估計(jì)1．1．3虛擬加工過(guò)程的構(gòu)成虛擬加工過(guò)程如圖1－1所示：

圖1－1虛擬加工過(guò)程虛擬加工過(guò)程是在NC指令驅(qū)動(dòng)下，由機(jī)床刀具模型的運(yùn)動(dòng)過(guò)程和工件模型的變形過(guò)程構(gòu)成。刀具在虛擬空間掃過(guò)一定的體積，可以把刀具運(yùn)動(dòng)過(guò)程中包絡(luò)的空間形狀稱為“虛形體”（SweptVolumeSolid）。概念:圖1－4（a）中A為立銑刀，當(dāng)銑刀沿AB方向移動(dòng)時(shí)，形成如圖1－4（b）所示的虛形體。

圖1－4虛形體建模示意虛擬加工仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1－2所示。圖1－2虛擬加工仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu):第1層為幾何模型層：建立與工藝過(guò)程相關(guān)的物理實(shí)體的三維實(shí)體模型。

第2層為運(yùn)動(dòng)學(xué)模型層：根據(jù)幾何模型和運(yùn)動(dòng)軌跡信息（NC代碼），確定幾何實(shí)體之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系。第3層為物理效應(yīng)模型層：例如切削力模型、切削形狀模型，工件已加工表面形狀模型，以及工件、機(jī)床、刀具、夾具的動(dòng)力學(xué)模型。第4層為輸出層：獲得完整的工藝特性分析結(jié)果。1．1．4虛擬加工仿真的內(nèi)涵（1）定義虛擬機(jī)床：包含確定機(jī)床類型、坐標(biāo)數(shù)、控制系統(tǒng)、機(jī)床坐標(biāo)原點(diǎn)、圖形坐標(biāo)原點(diǎn)、編程原點(diǎn)等。

（2）定義刀庫(kù)、刀具：選定刀具、定義刀具參數(shù)，如銑刀直徑、長(zhǎng)度；定義切削參數(shù)，如轉(zhuǎn)速，進(jìn)給量等。建立環(huán)境:（3）定義工件或夾具在托盤(pán)、機(jī)床上的裝夾方案。（4）安裝夾具、毛坯和刀具。（1）刀具運(yùn)動(dòng)軌跡仿真：讀入NC代碼，檢查代碼語(yǔ)法、語(yǔ)意的正確性，生成刀具位數(shù)據(jù)，并驅(qū)動(dòng)虛擬機(jī)床運(yùn)動(dòng)。過(guò)程仿真:（3）機(jī)床運(yùn)動(dòng)過(guò)程仿真：此時(shí)將毛坯安裝在機(jī)床工作臺(tái)上（或夾具上），刀具運(yùn)動(dòng)軌跡分解成機(jī)床各部件運(yùn)動(dòng)。（4）材料去除過(guò)程仿真：刀具按運(yùn)動(dòng)軌跡對(duì)毛坯進(jìn)行材料切除，以模擬實(shí)際切削過(guò)程，生成產(chǎn)品加工結(jié)果模型。（2）夾具安裝使用過(guò)程仿真：將毛坯安裝在夾具上。

1．2．1安裝仿真建模坐標(biāo)變換法:夾具、毛坯或工件在工作臺(tái)上的安裝定位可通過(guò)將夾具或產(chǎn)品坐標(biāo)系原點(diǎn)與圖形坐標(biāo)系原點(diǎn)重合。實(shí)際安裝位置可通過(guò)對(duì)安裝件坐標(biāo)系的平移與旋轉(zhuǎn)變換實(shí)現(xiàn)。在構(gòu)建有裝配關(guān)系的部件時(shí)，在部件上設(shè)定原點(diǎn)和安裝點(diǎn)。原點(diǎn)是部件的安裝基準(zhǔn)點(diǎn)，安裝點(diǎn)是部件上安裝其他零部件時(shí)的安裝點(diǎn)。部件鏈接法:如圖1－3所示為德國(guó)VF120－RW加工系統(tǒng)模型。圖1－3德國(guó)VF120－RW加工系統(tǒng)模型示例:1．2．2工件成形建模工件的成形過(guò)程的描述方法有4種：

（1）動(dòng)畫(huà)描述法：以工序開(kāi)始、結(jié)束及中間的幾個(gè)典型位置時(shí)的工件形狀為關(guān)鍵幀，生成與刀具位置相適應(yīng)的動(dòng)畫(huà)，在仿真循環(huán)中隨著機(jī)床的運(yùn)動(dòng)，顯示相應(yīng)的加工過(guò)程。（2）離散單元表達(dá)法：將工件用很小的立方體或薄片構(gòu)造。在虛擬加工過(guò)程中，檢測(cè)虛擬刀具與工件之間的碰撞。（3）虛形體法：虛擬機(jī)床加工過(guò)程中，通過(guò)虛形體與工件的布爾求交運(yùn)算來(lái)實(shí)現(xiàn)工件成形。（4）行為函數(shù)法：把虛擬加工過(guò)程中毛坯形狀的變化和刀具的運(yùn)動(dòng)分別用不同的行為函數(shù)定義。當(dāng)觸發(fā)事件發(fā)生時(shí)，它們就能在虛擬加工中按照真實(shí)世界中的行為特征發(fā)生運(yùn)動(dòng)，以模擬刀具切削的過(guò)程。1．2．3加工誤差建模加工過(guò)程中影響工件尺寸、形狀及表面微觀形貌的因素主要有機(jī)床幾何誤差（或機(jī)床靜態(tài)誤差）。機(jī)床動(dòng)態(tài)誤差，刀具誤差，切削力變形誤差，熱變形誤差，振動(dòng)誤差。（1）時(shí)變性：這些誤差在機(jī)床設(shè)備壽命周期內(nèi)是變化的，是設(shè)備運(yùn)行總時(shí)間T的函數(shù)。例如機(jī)床的幾何誤差隨著設(shè)備的磨損而增加。特征:（3）方向性：不同的方向的誤差對(duì)工件的尺寸形狀影響不同。（4）多坐標(biāo)系：誤差來(lái)源不同坐標(biāo)系也不同。首先對(duì)每項(xiàng)誤差按其成因建立坐標(biāo)系，進(jìn)行分散處理，然后通過(guò)坐標(biāo)系變換將所有誤差集中納入工作坐標(biāo)系。建模方法:碰撞與干涉檢測(cè)是加工過(guò)程仿真的重要內(nèi)容。在實(shí)際加工過(guò)程中，碰撞會(huì)造成工件報(bào)廢和設(shè)備損壞，甚至威脅到操作者的人身安全。

原因:1．3．1碰撞的概念通常把以下3種干涉情況稱為碰撞。（1）刀具非切削部位與物體的干涉（2）刀具快速趨近工件時(shí)的切削（3）夾具可動(dòng)零件在運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)與其他固定零件的干涉刀具切削部位與剛加工過(guò)的表面的干涉稱為過(guò)切1．3．2包容盒檢測(cè)法對(duì)待檢測(cè)的物體分別作包容盒，對(duì)包容盒進(jìn)行求交運(yùn)算。若不相交，則繼續(xù)檢測(cè)其他形體；若相交，則進(jìn)一步對(duì)相交部位的形體進(jìn)行棱邊和面的求交計(jì)算。若交點(diǎn)在面內(nèi)，則判定為形體相交，否則，檢測(cè)其他形體。概念:優(yōu)點(diǎn):包容盒形狀簡(jiǎn)單，求交速度快缺點(diǎn):在描述曲面和孔時(shí)誤差較大1．3．3分層檢測(cè)法將機(jī)床最大加工范圍用立方體表示，沿刀軸方向，用垂直于刀軸的平面分隔為薄層，每層都有標(biāo)識(shí)號(hào)ID。檢測(cè)時(shí)只檢測(cè)可能發(fā)生碰撞的IDmax和IDmin范圍內(nèi)的空間。圖1－6機(jī)床最大加工范圍空間分層模型將三維檢測(cè)轉(zhuǎn)化為平面內(nèi)的碰撞檢測(cè)，降低了檢測(cè)的復(fù)雜程度。優(yōu)點(diǎn):概念:1．3．4法矢檢測(cè)法在刀具體上加表面法矢量，并按一定的密度布置到刀具的“經(jīng)度”和