國(guó)家“八六三項(xiàng)目”“高真感虛擬數(shù)控車削加工環(huán)境及實(shí)用系統(tǒng)”.doc

虛擬數(shù)控車削物理仿真系統(tǒng)的研究與開發(fā) 黃雪梅 趙明揚(yáng)* 王啟義* 東北大學(xué)機(jī)械學(xué)院中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所*大連鐵道學(xué)院*摘要 虛擬加工過程仿真是虛擬制造的底層關(guān)鍵技術(shù)。本文面向數(shù)控車削，開發(fā)了一套動(dòng)態(tài)車削物理仿真系統(tǒng)，提出了仿真系統(tǒng)的總體框架，建立了動(dòng)態(tài)物理仿真模型及相關(guān)子模型，分析了動(dòng)態(tài)車削過程的影響因素，闡述了系統(tǒng)開發(fā)過程中有關(guān)模型構(gòu)成及工件數(shù)據(jù)描述等技術(shù)性問題。關(guān)鍵詞 虛擬制造，虛擬加工過程仿真，物理仿真中圖分類號(hào)： TH1661前言 虛擬加工過程仿真是虛擬制造的底層關(guān)鍵技術(shù)，包括幾何仿真和物理仿真兩大部分。目前幾何仿真方面的研究理論比較全面和深入，出現(xiàn)UG、Pro/ENGINEER、MasterCAM等成熟的商業(yè)軟件。而物理仿真由于其切削機(jī)理復(fù)雜、建模難度大等客觀原因，研究還不夠深入。但對(duì)切削過程物理方面因素的分析與預(yù)測(cè)在虛擬制造研究中具有重要意義，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)對(duì)其加以重視并開展了研究工作。美國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)1資助伊利諾依大學(xué)、西北大學(xué)、普渡大學(xué)聯(lián)合進(jìn)行機(jī)械加工過程模型的研究，研究?jī)?nèi)容包括車、銑、鉆等加工型式，涉及到有關(guān)切削力、振動(dòng)、切屑形成、工件表面質(zhì)量等諸多方面。國(guó)內(nèi)也有研究者23致力于面向加工質(zhì)量分析與預(yù)測(cè)的加工過程物理仿真單元及系統(tǒng)的研究與開發(fā)。本文面向數(shù)控車削加工過程，建立了車削加工過程物理仿真系統(tǒng)，就系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)開發(fā)等技術(shù)問題加以研究。2車削物理仿真模型的體系結(jié)構(gòu)2.1 仿真系統(tǒng)的構(gòu)成 車削加工過程是由機(jī)床工件刀具構(gòu)成、涉及到多種影響因素的綜合系統(tǒng)，在加工過程中還會(huì)受到各種隨機(jī)干擾，在建模時(shí)綜合考慮了各種因素，圍繞被切削材料的微觀硬度變化，將其作為物理仿真系統(tǒng)的主干擾因素，建立了工件微觀硬度瞬時(shí)切削力相對(duì)振動(dòng)工件表面粗糙度的虛擬數(shù)控車削加工物理仿真主干模型，總體結(jié)構(gòu)如圖1： 物理仿真模型動(dòng)態(tài)切削力隨機(jī)振動(dòng) 切削負(fù)荷工件硬度變化工件表面粗糙度 刀具模型 圖1 車削加工物理仿真系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)_國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（59775077）和國(guó)家863/CIMS主題項(xiàng)目（863-511-943-011）資助2.2 切削力模型 在正常的車削加工過程中，車刀一直未脫離工件，此時(shí)切削力與瞬間的切削面積成正比，因此能夠引起瞬時(shí)切削面積變化的因素都將會(huì)造成切削力的改變，這些因素包括被切削材料的物理性能即工件的微觀硬度變化、刀具與工件之間的相對(duì)位移及切削的再生機(jī)理等方面。由此瞬時(shí)切削力模型由靜態(tài)力和各種動(dòng)態(tài)因素造成的切削力波動(dòng)疊加而成，即由名義切削力Fnim、工件硬度不均勻形成的變切削力Fran、刀具與工件的相對(duì)振動(dòng)使切削層參數(shù)變化時(shí)的變切削力Fvir及再生力Freg構(gòu)成。動(dòng)態(tài)切削力Fins可表示為：其中工件微觀硬度不均形成的瞬時(shí)切削力模型 Fran為：KSH為排除了工件硬度因素的切削力影響系數(shù)，sj 是樣本實(shí)際硬度，是實(shí)驗(yàn)硬度，此處為工件的平均硬度，m是工件硬度變化對(duì)力影響指數(shù)，A是切削層體積。2.3 工件粗糙度模型在車削加工過程中影響工件表面形貌的主要因素有：刀具幾何形狀、工件旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與切削振動(dòng)等。對(duì)于靜態(tài)切削過程，刀具進(jìn)給量f與刀具圓弧半徑rb是影響表面粗糙度的主要因素。而在實(shí)際的切削過程中，由于切削振動(dòng)使刀具與工件發(fā)生了相對(duì)位移，工件在微觀上形成凸凹不平的表面，從而影響到工件的表面形貌特征，這時(shí)工件的表面質(zhì)量就要在理論粗糙度的基礎(chǔ)上再進(jìn)一步考慮動(dòng)態(tài)切削的各項(xiàng)特征與相關(guān)因素。3 工件的微觀硬度 工件微觀硬度差異對(duì)動(dòng)態(tài)切削過程有明顯影響，先將工件被加工表面劃分出適當(dāng)?shù)膮^(qū)域作為樣本塊，然后應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法表達(dá)出各樣本塊實(shí)際硬度與平均硬度的差異，以此來研究對(duì)動(dòng)態(tài)切削過程的影響。3.1劃分工件為樣本塊將零件表面劃分出獨(dú)立的區(qū)域是研究工件微觀硬度的第一步。綜合分析切削過程，切削用量對(duì)切削過程中的各物理量的變化有直接影響，因此將工件劃分成體積相等的與切削用量相關(guān)的幾何體。我們以外圓車削為例，在工件表面取長(zhǎng)為進(jìn)給量f的圓環(huán)，圓環(huán)的徑向長(zhǎng)度為切削深度ap，而圓環(huán)的進(jìn)一步分割則依據(jù)切削速度v與系統(tǒng)的振動(dòng)特性。這樣工件被加工表面就被分割成與切削用量有關(guān)的體積相等的樣本塊。3.2樣本硬度的確定我們采用理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)合的方法來確定樣本的硬度。理論上，切削材料的微觀硬度差異取決于切削材料種類與熱處理情況。根據(jù)固體混合物中的樣本方差理論，將工件視為由兩種或兩種以上的硬度不同的微觀組織構(gòu)成。通過分析這些微觀組織的性質(zhì)和它們?cè)跇颖緣K中的比例，由數(shù)理統(tǒng)計(jì)知識(shí)確定各樣本塊的實(shí)際硬度。4 仿真系統(tǒng)開發(fā)4.1開發(fā)環(huán)境與開發(fā)方法 仿真系統(tǒng)在Petium Pro233/64MB RAM的微機(jī)上開發(fā)完成，采用VC+6.0作為主開發(fā)軟件，由MFC微軟基礎(chǔ)類庫(kù)創(chuàng)建了系統(tǒng)的基本框架，采用面向?qū)ο蠓椒▌?chuàng)建了仿真系統(tǒng)中的工件類、刀具類、工藝系統(tǒng)類等，對(duì)象的各數(shù)據(jù)成員的有關(guān)加工參數(shù)由Access建立的切削數(shù)據(jù)庫(kù)提供，Access與VC+之間采用ODBC開放數(shù)據(jù)庫(kù)連接完成二者數(shù)據(jù)交換。4.2仿真模型的層次化結(jié)構(gòu) 車削物理仿真系統(tǒng)中包括機(jī)床、工件、刀具、加工過程模擬等多方面因素，涉及到多個(gè)模型，系統(tǒng)采用模塊化開發(fā)方法，其模型的層次化結(jié)構(gòu)如圖2。 切 削 參 數(shù) 數(shù) 據(jù) 庫(kù) 刀 具 材 料 工件幾何 數(shù)據(jù) 工件物理 數(shù)據(jù) 工藝系統(tǒng) 參數(shù) 切 削 用 量 刀具幾何 參數(shù) 工件 模 型 工藝系統(tǒng)模型 刀具 模 型 加 工 過 程 模 擬 瞬 時(shí) 切削力 模 型 相對(duì)振動(dòng) 模 型 工件 表 面形成模 型 加工結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù) 圖2仿真系統(tǒng)模型構(gòu)成及其層次結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)根據(jù)從Access數(shù)據(jù)庫(kù)提取的工件、刀具、切削參數(shù)、切削力系數(shù)等數(shù)據(jù)，根據(jù)給定的切削用量劃分工件待加工表面為樣本塊，然后由建立的仿真模型虛擬加工過程，輸出各采樣區(qū)域的瞬時(shí)切削力、相對(duì)位移、已切削時(shí)間等數(shù)據(jù)存入Access數(shù)據(jù)庫(kù)，形成虛圖3車削仿真系統(tǒng)的部分輸出結(jié)果擬的已加工工件，工件粗糙度模型再對(duì)其進(jìn)行分析，確定工件表面粗糙度的數(shù)值。圖3為仿真系統(tǒng)的部分輸出結(jié)果。4.3工件的數(shù)據(jù)層結(jié)構(gòu) 數(shù)控車床主要進(jìn)行回轉(zhuǎn)體零件的加工，本系統(tǒng)建立了可重構(gòu)的四層多叉樹回轉(zhuǎn)體工件描述方法，其結(jié)構(gòu)如圖4：M1進(jìn)給層2NN211采樣層 - - -12m1m1mn1n11 樣本硬度層 - - d11 F11 F1n d1n Fm1 dm1 Fmn dmn 結(jié)果層圖4仿真系統(tǒng)工件的數(shù)據(jù)層次結(jié)構(gòu) 工件數(shù)據(jù)描述為四層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，即進(jìn)給層、采樣層、樣本硬度層和加工結(jié)果層。進(jìn)給層記錄軸向方向即刀具進(jìn)給方向上的采樣點(diǎn)數(shù)量，采樣層記錄圓周上分得的樣本數(shù)，決定圓周采樣頻率。樣本硬度層記錄各樣本塊符合正態(tài)分布的隨機(jī)硬度值，加工結(jié)果層記錄仿真輸出結(jié)果，包括瞬時(shí)切削力、瞬時(shí)切削負(fù)荷及刀具與工件的相對(duì)振動(dòng)等。該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)為：層次清楚，包含了物理仿真系統(tǒng)中所需的工件幾何與物理信息。 結(jié)構(gòu)靈活，能隨切削參數(shù)及工藝系統(tǒng)而變化，正確反映切削過程的瞬時(shí)變化。 便于數(shù)據(jù)的擴(kuò)充與重構(gòu)，加工結(jié)果層可與幾何仿真進(jìn)行接口，有助于建立完整的虛擬加工過程仿真系統(tǒng)。4.3本車削物理仿真系統(tǒng)的特點(diǎn) 本系統(tǒng)采用了面向?qū)ο蠹夹g(shù)和模塊化實(shí)現(xiàn)方法，具有下列特點(diǎn)： （1）綜合分析加工過程中的特點(diǎn)，排除次要因素，建立以工件微觀硬度瞬時(shí)切削力相對(duì)振動(dòng)工件表面粗糙度為主線的虛擬數(shù)控車削加工物理仿真模型； （2）面向數(shù)控車削加工過程，分析被切削材料的微觀金屬組織構(gòu)成對(duì)車削動(dòng)態(tài)的影響，綜合考慮工藝系統(tǒng)動(dòng)態(tài)及總結(jié)金屬切削理論，將切削過程進(jìn)行微觀和宏觀的結(jié)合及金屬切削理論應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐； （3）應(yīng)用面向?qū)ο蠹夹g(shù)開發(fā)仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)模型的層次化結(jié)構(gòu)，在主干模型開發(fā)完成的基礎(chǔ)上，加入其它模型如刀具磨損、主軸的旋轉(zhuǎn)誤差等，使系統(tǒng)具有良好的開發(fā)性和可擴(kuò)展性； （4）仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)采用層次化結(jié)構(gòu)，并且應(yīng)用切削數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，一方面保證數(shù)據(jù)的順暢流動(dòng)，另一方面可保證與整個(gè)虛擬加工環(huán)境的接口。5 結(jié)論 虛擬制造作為面向二十一世紀(jì)的制造技術(shù)，必將對(duì)未來的人員培訓(xùn)、產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)和銷售等制造業(yè)的各方面產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。虛擬加工物理仿真是其中的關(guān)鍵問題，本文開發(fā)了面向車削的物理仿真實(shí)用系統(tǒng)，涉及到有關(guān)模型的建立、動(dòng)態(tài)干擾分析、系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理等技術(shù)問題。本系統(tǒng)可用于檢驗(yàn)工藝規(guī)程，輔助加工過程中的監(jiān)測(cè)與控制，對(duì)加工過程進(jìn)行優(yōu)化。REFERENCES1. 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