虚拟加工设备的建模和加工过程物理仿真.pdf

第 2 7卷 第 6期 2 0 0 5 年 l 2月 水利电力机械 W ATER CONS E RVANCY ELE C r RI C P OWER MACHI NERY V0 1 2 7 No 6 De e 2 0 0 5 机 械 设 计 与 制 造 虚拟加工设备的建模和加工过程物理仿真 Mo d e l i n g a n d man u f a c t u r i n g p r o c e s s p h y s i c a l s i mu l a t i o n o f t h e v i r t u a l ma n ufa c t u ri n g e q u i p me n t s 范孝 良 金新亮 F AN Xi a o l i a n g J I N X i n l i a n g 华北电力大学 机械工程学院 河北 保定0 7 1 003 M e c h a n i c a l E n g l n e e r i n g c o l l e g e o f N o r t h C h i n a E l e c t ri c P o w e r U n i v e r s i t y B a odi n g 1 003 C h i n a 摘要 介绍了虚拟加工设备建模用到的常用软件 对虚拟数控机床和刀具的建模进行 了讨论 着重研究 了虚拟加工过程物理仿真 利用有限元 F E M 法建立了切削力仿真模型 利用多体系统运动学理论建立了虚 拟数控机床的运动模型 最后 提出虚拟加工物理仿真技术发展中存在的问题以及未来的研究方向 关键词 虚拟机床 虚拟加工过程仿真 有限元方法 加工误差 物理仿真 中图分类号 T H 1 6 6 T P 3 9 1 9 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 6 6 4 4 6 2 0 0 5 0 6 0 0 4 6 0 4 Ab s t r a c t T h i s p a p e r p r e s e n t s s o me s o f t wa r e w hic h i s i n c o mmo n u s e i n v i r t u al ma c h i n e t o o l s i mu l a t i o n Mo d e l i n g o f v i rt u al ma c hin i n g t ool a n d c u t t i n g t o o l i s i n t r o d u c e d T li s pa pe r f o c u s e s o n p h y s i c al s i mula t i o n C u t t i n g f o r c e s mo d e l a n d v i rt u al m a c hiB e t ool S m o v e m e n t m o d e l ar e e s t a b l i s h e d r e s p e c t i v e l y b a s e o n fi ni t e e l e m e n t m e t h o d a n d th e the o r y o f MB S m ul t i b o d y s y s t e m F i n ny e x i t in g p r o b l e m s i n p h y s i c al s i m u l a t i o n a n d th e d i r e c t i o n o f r e s e ar c h i n th e f u t u r e ar e p u t f o r w a r d i n t his pape r Ke y wo r d s v i rt u al ma c h i n e t o o l v i rt u al ma n u f a c t u r i n g p roc e s s s i mula t i o n fi nit e e l e me n t me t h o d ma c h i nin g e a r p h y s i c al s i mula t i o n O 引言 虚拟现实技术 V R 是2 0 世纪 9 0 年代发展起来 的一种新兴技术 它能提供沉浸性的高级用户界面 为用户提供丰富 恰 当 易被吸收 的信息 采用虚拟 制造技术不仅可 以节约新产品开发 的投资 缩短产 品开发周期 优化制造过程 而且能够保证产 品的可 制造性及其性能 确保产品一次开发成功 l 虚拟加工设备几何建模 1 1 虚拟数控机床几何建模 加工设备的几 何建模 是进行 运动学建模 物理 仿真的前提 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 现在软件开发平台很多 较为常用 的有 Mi c r o s o ft V i s u a l C 6 0 B o r l a n d C D e l p h i 等 较为常 用的三 维 制 图软 件 有 O p e n G L P r 0 E等 其 中 O p e n G L 具有强大的绘图功能 提供了十几个生成三 维实体模型的辅助库函数 如球体 立方体 圆柱体 等 可以使用这些函数进行绘制 另外 O p e n G L实用 库可以按 用户指定 的方式绘制 圆柱 圆盘和球等二 次曲面 用这些曲面可以绘制一些较为复杂的实体 将几何模型经过投影变换 减切变换 视口变换等得 到理 想 的视 觉效 果 投影 到 三维 空 间的适 当位 置 O p e n G L通过深度测试实现图形消隐 1 2 虚拟数控机床的运动学模型的建立 数控机床是多体系统的一个特例 将数控机床 收稿 日期 2 0 0 5 0 8 3 0 作者简介 范孝 良 1 9 6 2 一 男 河北承德人 华北电力大学机械工程学院副教授 主要从事 C I M S E R P M I S P D M等的研究与开发工作 维普资讯 第2 7 卷第6 期 范孝良 等 虚拟加工设备的 用二叉树抽象提炼成由线性运动轴和转轴组合而成 的多体系统如图 1 所示 图 1 中左半部分代表由机 床床身到机床刀具的分支 右半部分代表由机床床身 到被加工工件的分支 左右分支内选择转轴和线性轴 的不同组合形式 可以构成不同类型的数控机床 图 1 机床运动结构 二叉树描述 1 3 刀具建模 由于刀具模型在加工过程 中直接影响着加工方 式 刀具轨迹以及工件轮廓精度 因此 选择什么样 的刀具模型至关重要 所谓刀具模型是指刀刃上任 意一成形点在刀具坐标中的坐标矢量表达式 P 一 般的刀具结构没有明显的解析方程 对于这 类刀具 我们可用折线或 曲线逼近切削刃的方法进 行近似 并将刀具模型写成下式 A i 一 i l 2 A 口 Y 口 z 口 1 e 0 0 0 1 式中 n 拟合的折线数量 直线的矢量方程 e i 单位质量 金属切削加工 尤其是超精密加工 应尽量选择 刃形简单的刀具 2 NT过程物理仿真 2 1 切削力仿真模型 在切 削力 的仿 真 中 对 控 可 去 刀 系 刀 所 F K S Kr S 图 2 刀具受力模型 维普资讯 4 8 水利 电力机械 2 0 0 5年 1 2月 式中 x o 刀具的初期磨损 磨损曲线的斜率 切削路程 用材料力学中的悬臂梁结构代替加工过程车刀 的受力模型进行刀具变形的研究 2 3 工件的T误差计算 2 3 1 机床加工系统内部误差计算 机床加工系统内部误差是指机床加工系统内部 因素引起的误差 包括加工原理误差 几何误 差 受 力变形 热变形 刀具磨损 切削力及其力矩 摩擦 力 振动等 虚拟加工过程 可以用成 型函数来描述 建模包 括刀具相对工件的成型运动模型 刀具模型 加工方 式等 成形运动有理想成形运动和实际成形运动之 分 2 者的区别在于后者考虑了真实机床的加工工 艺系统的误差 刀具模型包括刀库 刀刃几何 型面 模型以及刀具的磨损 热变形和力变形等模型 加 工方式包括工件的材料 主轴转速 切削深度 刀具 类型 插补周期等等 机床的成形函数是建立虚拟 加工过程的基础 对于任意多轴数控机床的加工过 程 若设刀具切削点 P在刀具坐标系 的齐次坐标 矩阵为 P t P P P o 基于多体运动学理论 点 P在工件坐标系 的 理想成形函数为 1 P T S G P S P s L k l 引 一 n o 儿 G G P f J m G Q f 机床的实际成形运动可以看成在理想运动的基 础上增加了一个误差运动 基于多体运动学理论 则点 P在工件坐标系 的实际成形函数为 1 s G p s H s n L k s Q m G Q 式中 7 1S G P S 任意两体 5 G从初始静止状态开 始相对运动时 两子坐标 系间的总 理想特征矩阵 两子坐标系间的总实际特征矩阵 并可以根据实 际成形函数与理想成形 函数 的差 值得到空间位置误差为 Ep P 一 P 机床成形函数反映了刀具切削点相对工件的相 对运动 刀具以成形函数所做的有规律运动必然在 工件上形成刀具 轨迹 刀具轨迹 的集合便形成工件 的加工轮廓 通过空间位置误差和轮廓误差之间的 映射模型 我们可以进一步得知轮廓加工误差 2 3 2 加工过程误差计算 加工过程误差是由刀具磨损 切削力变化 工件 受热变形等引起的 各个影响因素所造成的误差数 值都可以单独计算出 例如 由切削力变化引起的 误差为 Ag 式中 F y 的比值 C 与被 加工 材料 和切 削条 件有 关 的 系数 a 吃刀量 a 毛坯误差 a p 1 一 an 2 卜进给量 2 3 3 总体误差模型 因数控加工误差 的来源很多 在建立加工工件 误差计算的数学模型的时候一般选取影响较大的因 素进行建模 把要考虑的相关因素如加工设备内部 误差 刀具几何误差 刀具力变形 热变形等按一定 的权重组合在一起 建立一个整体的数学模型为 ki Ai i 式中 A 第 i 个影响因素所产生的表面粗糙 度 的数值 k i 第 i 个影响因素叠加时的权重 3 仿真实例 在虚拟加工时 首先对机床几何误差 热误差及 其他环境误差等误差参数进行检测和辨识 给出成 形函数 空间误差模型以及轮廓误差计算模型等 然 后进行虚拟加工 并与实体工件精度进行比较 拟 定车削一根直径 0 8 0 m m 长 1 0 0 0 m m的长轴 材料 为 4 5 钢 车刀几何参数为前角 1 2 后角 a 5 主偏角 5 O 刀具材料为 Y T 1 5 加工参数 切深 a 0 5 m m 切 削速度 1 2 0 m ra i n 进给量 f 0 2 5 n m a r 加工过程动画仿真如 图 4 所示 加工结果如表 1 所示 其 中有几个点的仿 真误 差结果与实际加工误差 相差较大 这主要是 由不可 预测的随机误差造成的 维普资讯 第2 7 卷第6 期 范孝良 等 虚拟加工设备的建模和加工过程物理仿真 4 9 图4 加工过程三维动画仿真 表 1 沿轴向实际测量的工件直径与仿真直径 r 啪 4 结束语 现有 的数控加工过程仿真系统不能给用户精确 的结果 很难实现虚拟制造的交互性与沉浸感 模型 的研究仍有待进一步完善 必须从以下 3 个方面加 强物理仿真的研究 实验参数数据库 2 机理方面 仿真机理与实际加工机理及两者 之间的进一步耦合关系 3 仿真方法 仿真手段和方法的多样化 如人 工神经网络 A N N 等 参考文献 1 黄雪梅 虚拟数控车削物理仿真模型及实用系统的开发 J 机电工程 2 0 0 0 6 4 8 4 9 2 张滢 刘冀伟 杨者青 N C车削加工仿真体系结构研究 及实例设计 J 仿真设计与加工 2 0 0 3 1 2 1 8 2 0 3 粟时平 李圣怡 多体系统理论在数控加工精度软件预 测中的应用 J 组合机床与自动化加工技术 2 0 0 4 3 2 6 3 0 4 周凡 潘振显 等 数控车削加工过程仿真系统研究 J 组合机床与自动化加工技术 2 0 0 4 5 3 0 3 1 5 王小彬 王太勇 数控加工过程三维仿真技术 的研究 J 吉林化工学院学报 2 0 0 4 3 9 7 1 13 0 6 王霄 刘会霞 等 虚拟数控加工过程物理仿真模型的建 立 J 计算机仿真 2 0 0 3 4 8 8 9 1 7 辜志刚 谌永祥 三座标数控机床误差补偿技术 J 先 进制造技术 2 0 0 4 2 1 9 2 0 8 张卫波 吕振华 王玲艳 虚拟加工系统研制与加工误差 分析 J 制造业 自动化 2 0 0 4 1 0 3 0 3 4 1 实验方面 应该建立物理仿真全过程 的切削 实习编辑 刘芳 l 1 工业加热 纵观电炉 工业炉设备的杂志 邮发代号5 2 4 1 双月刊大 1 6开单价 8 元 全年定价 4 8元 主编 段新秦 国际标准刊号 I S S N1 0 0 2 1 6 3 9 国内统一刊号 C N 6 1 1 2 0 8 T M 国外总发行 中国国际图书贸易总公司 北京 3 9 9 信箱 国外发行代号 4 6 3 3 B M 全 国电炉行业会刊 光盘国家工程中心用刊 美 国化学文摘 C A收 全国工业炉学会会刊 录源刊 中国科技论文统计用刊 中国科技文献数据 中国金属文献数据库收 库收录期刊 录期刊 电工文摘 冶金文摘 收录期刊 首届中国学