虚拟制造中数控加工过程三维仿真技术的研究

第21卷 第1期 吉 林 化 工 学 院 学 报Vol.21No.1 2004年3月JOURNAL OF J ILIN INSTITU TE OF CHEM ICAL T ECHNOLOGY M ar. 2004收稿日期:2003-12-01作者简介:王小彬(1969-),男,吉林伊通人,吉林电子职业技术学院讲师,在读硕士,主要从事机电一体化仿真系统方面的研究.文章编号:1007-2853(2004)01-0097-04数控加工过程三维仿真技术的研究王小彬,王太勇(天津大学机械学院,天津300072)摘要:以数控车床作为研究,探讨了加工过程仿真系统的理论方法及其关键技术,并以制造系统的仿真与建模理论为基础,结合计算机图形技术和仿真技术,开发了数控机床加工过程三维仿真系统.关 键 词:加工过程;数控机床;三维仿真;插补中图分类号:T H 164 文献标识码:A在数控机床加工之前验证数控加工程序,以确保其正确性,是数控加工过程中的一个十分重要环节.传统数控程序的检验方法是试切法,即采用塑料模、蜡模或木模等非金属材料在数控机床上进行试切加工.这不但耗费人力物力,而且延长了生产周期,有时试切法甚至是十分危险的.运用计算机仿真数控加工可以在实际加工之前,及时发现并除去NC 程序中的错误,确保NC 程序的正确性、合理性.从而使得在不需要真实加工环境下评价数控加工过程成为可能[1].为此,作者开发了以数控车床为代表的数控加工过程三维仿真系统.系统采用Window s2000作为开发平台,以VC++6.0作为开发工具.1 数控加工仿真环境的建立1.1 数控加工过程仿真系统(MPS)的总体结构要开发数控加工过程仿真系统,首先需要设计和建立一个数控加工过程仿真系统的总体结构,用来表达数控加工系统和数控加工过程.要实现对数控加工过程的仿真,首先要建立加工设备的几何模型,它们包括:机床各零部件的几何模型、机床整体设备的几何模型、被加工工件的几何模型和夹具的几何模型.其次是建立加工设备的运动模型.加工设备的运动模型是建立在它们的几何模型基础上的.第三是建立加工过程仿真系统所用的刀具模型.最后是实现对数控加工过程的仿真,主要包括:动态显示加工过程、加工刀具与其它设备的碰撞检测及NC 程序的检验与优化.数控加工过程仿真系统的设计原则,根据数控加工过程仿真系统的功能需求和数控加工技术及数控加工过程的特点设计和建立了数控加工过程仿真系统的总体结构,然后对系统中各模块进行了设计.1.2 几何建模方法的确定几何建模的方法是对实体的描述和表达,它建立在几何信息和拓扑信息处理的基础上.所谓几何信息是指物体在空间的形状、尺寸及位置的描述;拓扑信息是构成物体的各个分量的数目及相互之间的连接关系.按照对这两方面信息的描述及存贮方法的不同,三维几何建模系统可划分为线框建模、表面建模和实体建模三种主要类型[2],如图1所示.图1 三种几何建模方法近几年,人们在实体建模的基础上,除了对几何实体的尺寸、形状加以描述外,附加上工艺信息,例如尺寸公差、表面粗糙度等,研究开发了特征建模技术,以适应CAD/CAM 集成环境的需要,称为新一代的建模系统.2 系统采用的NC 刀具轨迹的算法数控技术的核心问题,就是如何控制刀具和工件的运动.对于平面曲线的运动轨迹需要两个运动坐标协调的运动,对于空间曲线或立体曲面则要求三个以上运动坐标产生协调运动,才能走出其轨迹.通常,数控加工不采用直接计算的方法作为控制轨迹信息的输入,而是采用插补算法.直线和圆弧是构成工件轮廓的基本线条,因此大多数NC 系统一般都具有直线和圆弧的插补功能[3],本系统采用的是直线插补和圆弧插补.2.1 直线插补(G01)的算法设空间直线OA 的起点为坐标原点,终点A 的坐标值为(x e ,y e ,z e ),插补的任务是根据起点和终点的坐标值以及插补次数计算出中间各点坐标.由于在仿真过程中要在每一插补点均要完成一次布尔运算从而实现切削运动,得到加工后零件的形状特征.因此必须控制离散的步长,如果步长太大,插补次数少,则有可能造成零件的某些部分没有切除,影响仿真结果,所以要慎重选择插补次数.图2 空间直线插补下面以平面二维直线插补为例说明直线插补算法.如图2所示,空间直线OA 在XOY 平面上的投影为OB,先对OB 作平面直线插补,即求出B 1、B 2点坐标.如果已知刀具半径为R,起点O 坐标点和终点B 坐标(x e ,y e ,0).插补进给步长L 为:L =TV式中 T 为插补周期;V 为刀具移动速度.则插补次数为:count =intx 2e +y 2e TV(1)则L =x 2e +y 2ecount然后求出各个中间点的坐标:x q =q @(1@x e )x 2e +y 2e,y q =q @(1@y e )x 2e +y 2e(2)其中q =0~count ;由以上各式求出OB 间指定离散点的坐标,在此基础上增加一维坐标,就完成了空间直线插补:Z q =Z e y e#y q =q @(1@Z e )x 2e +y 2e(3)2.2 圆弧插补(G02、G03)的离散化算法圆弧插补的基本思想是在满足精度要求的前提下用弦进给代替弧进给,即用直线逼近圆弧[3].由于圆弧是二次曲线,其插补点的计算要比直线复杂得多.同时圆弧插补必须指定在一个平面内完成,不存在三维圆弧插补问题.图3 圆弧插补在图3中,顺圆上的点B 是继点A 之后的插补瞬时点,其坐标分别为A (x i ,y i )、B(x i +1,y i +1).图中弦AB 是圆弧插补时每周期的进给步长.AP 是A 点的切线,M 是弦的中点,OM L AB ,M E L AF ,E 为AF 的中点.经推导有:x i+1=x i +$x y i+1=y i -$y(4)上式充分反映了圆弧上任意相邻的两插补点坐标之间的关系,只要找到计算$x ($y )的恰当98吉 林 化 工 学 院 学 报2004年的方法,就可以求出新的插补点坐标:根据图3中的几何关系,并根据D 很小,可知[4]:$x i U L y iR $y i U Lx iR(5)L :插补步长把$x i 和$y i 代入式(4)中,可以求出下一个插补点坐标.插补步长可以自己设定,其数值大小影响精度,所取最大值应小于1/16圆周的弦长.在圆弧插补中,由于是以直线(弦)逼近圆弧,因此插补误差主要表现在径向的绝对误差上.该误差取决于进给速度的大小,进给速度越高,则一个插补周期进给的弦长就越长,误差就越大.所以当加工的圆弧半径确定后,为使径向绝对误差不致过大,根据系统允许的最大径向误差合理地选择进给步长.3 数控加工过程动态仿真的实现采用实体造型技术建立加工零件毛坯、机床、夹具及刀具在加工过程中的实体几何模型,然后将加工零件毛坯与刀具的几何模型进行快速布尔运算,最后采用真实感图形显示技术,把加工过程中的零件模型、机床模型、夹具模型及刀具模型动态地显示出来,模拟零件的实际加工过程.其特点是仿真过程的真实感强,具备与实际试切加工相同的效果.3.1 数控加工过程仿真流程开发三维NC 加工过程仿真系统用于NC 代码的正确性和有效性检验,特别是加工过程中的碰撞检验,为用户和设计者提供快速直观的设计结果,减少或替代零件试切这一环节.图4为加工过程仿真系统的工作流程图.图4 加工过程仿真系统流程图3.2 三维实时仿真计算机数控加工仿真是利用计算机图形技术,让计算机模拟真实的加工过程,通过动画的形式形象、直观地模拟数控加工的切削过程.从实际工程应用的角度出发,数控加工动态仿真系统对图形显示性能的要求可归纳为以下两个方面:(1)生成高质量的具有真实感效果的显示图.(2)图形显示的速度性能良好.本系统的数控加工动态仿真采用过程动画技术,首先生成一个毛坯,然后根据机械加工时的材料去除规律来生成动画.另外,在实现动画的过程中采用了双缓存技术(或称虚屏技术)[4].在实时仿真中,每当由NC 程序编译解释模块计算出刀具下一步的插补位置,就需要重新进行刀具实体与工件实体之间的布尔运算,根据运算结果更新工件实体模型数据链表中的信息,然后调用实体显示程序,获取链表中的数据并将工件的模型显示在屏幕上.显然,NC代码的插补和离散计算比判断可见性及实体显示的过程快得多,通过适当地调整刀步,使执行实体显示的次数适当地减少,就可以使不连续的实体运动显示出近似连续的仿真效果.4 系统仿真运行实例下面以加工一个车削零件为例,说明仿真系统的运行过程.图5 零件图如图5所示,为一个车削加工的零件图,图中585m m 不加工.在完成选择装夹方式、选择合适的毛坯和装刀等三个方面的设置工作之后,系统就为加工过程仿真作好了所有必要的准备.如图6所示为加工设置完成之后的系统的状况,其中包括毛坯的设置结果、夹具的设置结果和刀具的设置结果.99 第1期王小彬,等:数控加工过程三维仿真技术的研究当加工设置完成以后,系统就可以读入NC 程序,将其作为加工仿真过程的驱动数据,来开始加工过程.如图7所示是加工该车削零件仿真过图6 加工设置完成之后的系统状况程中的瞬间图之一.本系统采用三维图形显示和高效的插补算法,很好地实现了在计算机中动态模拟了刀具的切削运动轨迹,并可得到逼真的多视角的三维图形效果.本系统在生产实际应用中,取得了令人满意的效果.图7 车削零件加工过程仿真瞬间参考文献:[1] 解放.NC 加工过程的仿真显示的研究与实现[J].机械设计与制造,2003,1:13-15.[2] 孙家广,杨长贵.计算机图形学[J].北京:清华大学出版社,1996.[3] 杜军文,邓广敏.数控技术[J].天津:天津大学出版社,2002.[4] 李颖.OpenGL 技术应用实例精粹[J].北京:国防工业出版社,2001.Research on the three -dimensional simulationtechnology for NC machining processWANG Xiao -bin,WANG Ta-i yong(M achiner y Institute,T ianjin U niversity,T ianjin 300072,China)Abstract:Using NC machine tool as the main research object,the theoretical m ethods and key techniques of machining process simulation are studied.On the basis of simulation and modeling theories of machining system ,a three -dimensional machining process simulation system (M PS)of NC machine tools is developed,associated with the principles of computer graphics and simulation technology.Key words:machining process;NC machine tool;three -dimensional simulation;imterpolation100吉 林 化 工 学 院 学 报2004年。

面向虚拟制造的数控加工仿真技术研究一、本文概述随着信息技术的飞速发展和制造业的数字化转型，虚拟制造技术作为一种前沿的制造模式，正在逐渐改变传统的生产方式。

数控加工仿真技术作为虚拟制造技术的核心组成部分，其在产品设计、工艺规划、生产流程优化等方面具有广泛的应用前景。

本文旨在探讨面向虚拟制造的数控加工仿真技术的研究现状与发展趋势，分析其在提高制造效率、降低生产成本、保证产品质量等方面的重要作用，并展望未来的研究方向和应用前景。

本文将首先介绍虚拟制造技术和数控加工仿真技术的基本概念、原理和特点，阐述其在制造业中的应用价值和意义。

然后，重点分析当前数控加工仿真技术的研究热点和难点问题，包括仿真模型的建立、仿真精度的提高、仿真效率的优化等方面。

接着，探讨数控加工仿真技术在产品设计、工艺规划、生产流程优化等具体应用场景中的实践应用，分析其在实际生产中的效果和影响。

展望数控加工仿真技术的未来发展趋势，提出相应的研究建议和发展方向，以期为推动虚拟制造技术的发展提供有益的参考和借鉴。

二、数控加工仿真技术基础数控加工仿真技术是以计算机图形学、虚拟现实技术、数控编程技术和机械加工技术为基础，通过软件模拟数控机床的实际加工过程，对数控编程进行验证和优化的一种技术手段。

数控加工仿真技术能够模拟机床的运动、切削过程、材料去除以及工件的最终形状等，为数控编程人员提供一个直观、高效的验证环境。

计算机图形学：计算机图形学是数控加工仿真的重要基础，它负责将机床、工件、刀具等三维模型进行渲染和显示，以及模拟切削过程中材料的去除和工件的形状变化。

通过高精度的图形渲染，可以为用户提供逼真的虚拟加工场景。

虚拟现实技术：虚拟现实技术使得用户能够沉浸于数控加工的仿真环境中，通过头戴式显示器、手柄等交互设备，用户可以模拟真实的机床操作，包括工件的装夹、刀具的选择和更换、加工参数的调整等。

虚拟现实技术增强了用户与仿真环境的交互性，提高了仿真的沉浸感和真实性。

虚拟数控加工仿真及其误差分析研究　摘要虚拟制造在加工过程中的重要应用之一就是数控机床加工仿真。

数控加工仿真分为几何仿真和物理仿真两类。

前者主要研究现实世界物体如何以实体的形式在计算机中表现。

其实体属性有几何、材质、光照等，其作用主要有碰撞检验、数控加工程序和加工轨迹检验。

后者主要研究加工过程中，由于切削力、切削热、机床运动误差、加工系统颤振以及负载变化引起加工结果变化的预测问题。

这是虚拟制造最具魅力的地方。

随着金属切削加工不断向高精度、高效率、自动化方向发展，因此对数控加工的物理仿真要求就变得日益迫切。

在此背景下，本文提出了虚拟数控加工仿真及误差分析，即在虚拟状态下通过对数控切削加工的物理过程进行建模、仿真、分析，有效的指导于实际的制造业。

首先本文探讨了国内外虚拟制造技术的研究现状，并在此基础上提出了虚拟数控加工仿真系统的构建，阐述了虚拟数控加工误差分析的理论基础，并通过典型的数控铣削虚拟仿真加工系统VERICUT，针对典型播放器凸模零件全面阐述了机床、刀具、夹具建模过程，同时利用PRO/E完成了零件的造型、走刀路径模拟及自动编程，最终实现了虚拟数控加工仿真，在此基础上充分利用VERICUT对零件的残留高度、精度误差等进行了全面的分析，为典型零件合理的数控加工工艺规划提供了有效的参考。

关键词：数控加工仿真，加工误差分析，刀具路径优化Research on hypothesized numerical control processingsimulation and error analysisAbstractOne of the important applications on hypothesized manufacture in processing process's is the numerically-controlled machine tool processing simulation. The numerical control processing simulation have two kinds which are the geometry simulation and the physical simulation . How does the former mainly study the real world object to display by the entity form in the computer. Its entity attribute has geometry,material quality, illumination and so on, its function mainly has the collision to examine, the numerical control processing program and the processing path examination. The latter mainly studies in the processing process, because the cutting force, the cutting heat, the engine bed kinematic error, the processing system flutter as well as the variation of load cause the processing result change forecast question. This is the hypothesized manufacture most charming place. Along with the metal removal processing to the high accuracy, the high efficiency, the automated direction develops unceasingly, therefore becomes to the numerical control processing's physical simulation request day by day urgent. Under this background, this article proposed the hypothesized numerical control processing simulation and the error analysis, namely through carrying on the modelling, the simulation, the analysis under the virtual state to the n umerical control machining's physical process which are effective instruction in actual manufacturing industry.Firstly, this article has discussed its present situationthe of domestic and foreign hypothesized technique on manufacture research and that based on this and proposed the hypothesized numerical control processing simulation system's construction, elaborated the hypothesized numerical control processing error analysis's rationale, and through model numerical control milling hypothesized simulation processing system VERICUT, elaborated comprehensively in view of the typical player plunger components the engine bed, the cutting tool, the jig modelling process, simultaneously completed the components modelling using PRO/E to feed the way simulation an d the automatic programming. Finally,it has realized the hypothesized numerical control processingsimulation ,which was based on this remained using VERICUT to the components, the curacy error and so on to carry on the comprehensive analysis highly fully,which has provided the effective reference for the typical components reasonable numerical control processing craft plan.Keywords：numerical control processing simulation，processing error analysis, optimization of cutting tool way,插图清单　图２－１数控加工虚拟加工误差分析系统的总体结构．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．１７　图２－２加工误差分析系统模型建立步骤．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．１８　图２－３数控加工仿真系统的基本工作流程．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．１９　图２－４三角片离散化结构．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．２０　图２－５数控机床的几何模型．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．２２　图２－６机床机构简图．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．２３　图３－１数控加工中误差的来源．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．２７　图３－２数控机床坐标系．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．３０　图３－３　工艺系统坐标系．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．３１　图４－１　播放器凸模零件．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．３６　图４－２　机床／切削模型视图及组件树．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．３７　图４－３　设置各工作组件尺寸及位置．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．３８　图４－４　机床结构模型．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．３９　图４－５三轴铣床初始化设置．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．３９　图４－６　数控机床模型．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．４０　图４－７　刀具切削刃部分参数的设置．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．４１　图４－８　与刀具柄部相连接的刀夹部门参数设置．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．４１　图４－９　与主轴孔相适应的刀具柄部参数设置．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．４２　图４－１０　刀具库文件窗口．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．４２　图４－１１　保存刀具库文件．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．４３　图４－１２　播放器凸模加工刀具库．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．４３　图４－１３　数控程序对话框．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．４４　图４－１４　选择机床库数控系统对话框．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．４４　图４－１５　创建工件坐标系．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．４５　图４－１６　【设定】选项参数设置．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．４５　图４－１７　【表】选项卡及参数设置．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．４６　图４－１８　￠１２圆鼻铣刀粗加工轮廓走刀路径．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．４６　图４－１９　￠６圆鼻铣刀精加工轮廓走刀路径．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．４７　图４－２０　播放器凸模仿真加工结果．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．４７　图４－２１　播放器凸模曲面贝高的测量．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．４８　图４－２２　￠１０球头铣刀粗加工表面残留走刀路径．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．４９　图４－２３　￠６圆鼻铣刀精加工拐角走刀路径．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．５１　图４－２４　【数控程序】及【换刀名单】对话框．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．５４　图４－２５刀具参数优化对话框．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．５４　图４－２６　【优化控制】对话框参数设置．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．５５　独创性声明　本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

虚拟仿真技术在数控加工中的应用１虚拟仿真数控机床的建模依据企业现有的三坐标数控镗铣床用ＣＡＴＩＡ软件进行机床部件的三维实体造型建模，如主轴、床身、导轨、刀库等；接着以ＳＴＬ格式输入到ＶＥＲＩ－ＣＵＴ软件系统中进行组装，组装时应把握其装配约束关系（即几何约束关系、运动约束关系和排斥约束关系）设定机床坐标系、部件坐标系和它们之间的关系，然后根据机床的拓扑关系进行装配。

虚拟仿真数控机床建模完成后，要设置各运动部件的运动参数，如工作行程范围、刀具补偿等，其中主轴中心到主轴端面的距离和主轴线的偏移距离参数较为重要，应正确设置，以免影响仿真结果的正确性。

２虚拟仿真数控镗铣床应用研究通过虚拟仿真数控机床的建立，除对机床的运动进行论证和虚拟设计好所应用的机床夹具外，主要是对数控加工过程进行仿真论证，以解决刀具运动轨迹错误、刀具干扰选择错误等问题，同时，利用虚拟仿真技术可以进行加工过程的优化，以充分利用机床和提高生产率。

２．１验证数控加工过程的错误进行仿真验证时，通过系统应用等软件将零件的加工信息转换为ＳＴＬ格式输入到仿真加工系统生成数控加工程序，最后进行仿真加工，验证程序轨迹是否存在错误。

在实际工作中，由于输入数据有误造成仿真加工时零件形状错误与输入图形信息不符，如刀具未进行补偿、未抬刀、啃刀等，此时可返回原图形信息输入模拟数据，进行检验校正干涉碰撞错误，这是数控加工经常产生的错误之一。

验证时观察刀具对非加工部件，如对工作台、夹具等的干涉、碰撞及对工件非加工表面的碰撞，也可对经常发生的干涉现象进行专门的验证。

２．２优化数控加工程序应用ＶＥＲＩＣＵＴ软件时，其带有在知识库基础上建立的优化模块，根据所加工小样的类型选择加工机床参数、应用刀具参数、金属切削数据库等知识进行加工过程的优化，其优化内容主要为粗加工、精加工及高速切削加工时的优化。

２．２．１粗加工优化为提高生产效率、达到尽快去除粗加工余量的目的，根据已给出的进给量对刀具走刀路径上应去除的金属材料进行速度优化，实现粗加工安全、稳定、高效率。