数控加工物理仿真的模型验证技术.pdf

2008年2月 第36卷 第2期 机床与液压 MACHI NE TOOL 模型验证 物理模型验证 仿真模型校核 仿真活动生命周期 中图分类号 TP273 文献标识码 A 文章编号 1001 3881 2008 2 033 4 Verification and Validation of Physical Si mulation M odeling for CNC Processing WANG Yongchao Guangdong Polytechnic NormalUniversity Guangzhou 510635 China Abstract The technology of verification and validation was adopted for the physical simulation ofNC processing The character2 istics and requirements of physical simulation forNC processingwere analyzed by comparingwith geometry simulation forNC process2 ing The verification and validation consists of data validation physicalmodel validation computerized model validation and opera2 tion validation Based on the whole life cycle of simulation activity main approach for physical simulation was presented This research could be helpful to i mprove the reliability of physical simulation forNC processing Keywords Physical simulation for NC processing Model validation Physical model validation Simulation model validation Life cycle of si mulation activity 0 引言 数控加工物理仿真是利用仿真技术来研究数控加 工过程中的物理现象及其规律 以提高数控加工的效 率与质量 随着数控加工向高速高精度方向的发展 迫切需要对加工过程物理现象进行深入研究 数控加 工物理仿真技术为此提供了有力支持 1 由于数控加工过程本身的复杂性 以及加工方法 的多样性 其物理仿真还有许多问题需要研究 其中 一个普遍关心的问题是 仿真模型是否真实客观地反 映了实际加工过程 物理仿真的模型及结果是否可 靠 如果一个数控加工物理仿真模型缺乏足够的可信 度 不能以足够的真实性来反映加工过程 或者不能 以足够的精度来预测加工结果 那么仿真活动就失去 其意义 2 另外 物理仿真模型可信与否涉及到整个 仿真活动生命周期的每一阶段 是仿真建模必不可少 的组成部分 因此 模型验证问题对于数控加工物理 仿真是非常重要的 1 物理仿真的验证 111 物理仿真建模过程 数控加工物理仿真作为一种仿真活动 包含物理 建模与仿真建模两个过程 其关系如图1所示 物理 建模的对象是数控加工过程中待研究的物理现象 3 图1 物理仿 真建模 主要包括 1 剪切区的变化 即材 料剪切过程中的应力 应变 应变率 以及温度场的变化情况 2 切屑形 状 形成过程以及断屑现象 3 切 屑力的变化 切削过程中所消耗的能 量以及切削力的变化情况 4 刀具 的磨损和刀具寿命 主要是研究刀具 与工件 刀具与切屑接触面的情况 切削过程中的振动冲击对刀具寿命和刀具磨损的影 响 5 表面质量 主要是通过建立表面粗糙度 表面残余应力以及影响它们物理因素的关系模型 来 预测表面质量 6 加工精度的研究 即建立尺寸 精度与影响尺寸精度的物理因素的关系模型 用以预 测工件加工后的尺寸精度 物理建模的结果是物理模 型 有时又称为概念模型 4 它可以是以数学方程表 示的解析模型 图形或表格表示的图表模型甚至一些 逻辑规则 仿真建模的对象是数控加工物理模型 是 基于物理模型的二次建模 它主要解决物理模型的计 算机实现问题 即仿真程序对物理模型的表现 在物理建模过程中 常常根据仿真目标的要求舍 弃一些次要因素 物理模型是对数控加工过程某一方 面的抽象 这一点与人们研究一般问题的方法相同 1994 2008 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 但必须注意的是 鉴于计算机软硬件的快速发展对仿 真技术提供了巨大的支持 仿真技术几乎意味着计算 机仿真技术 因此在物理建模阶段必须充分考虑物理 模型的计算机实现问题 它虽然不是物理建模的内在 属性 却是一个现实要求 112 仿真模型验证的主要内涵 数控加工物理仿真模型验证实际上研究的是模型 的可用性 从物理仿真建模过程可见 它包含两个方 面的内容 一是物理模型验证 Validation 它针对 数控加工过程中某一具体问题 检验物理模型是否正 确 其误差是否在可以接受的范围内 即物理模型是 否正确反映了加工过程的某一现象或规律 二是仿真 模型校核 Verification 是指数控加工仿真模型的 计算机程序及其实施是否正确 是否正确实现了物理 模型的计算机化 图2 模型可信度 模型验证具有以下特 点 1 模型正确与否是 相对的 它与数控加工仿 真设定的目标有关 不能 将表面质量的仿真模型应 用于仿真切屑力的变化 必须在物理仿真开始前设 定明确的仿真变量精度指 标 例如对于刀具寿命 必须以这一随机变量的期望 与方差作为验证要求 2 考虑到成本因素 很难 对数控加工物理仿真模型进行全面验证 图2给出了 模型可信度与验证成本的关系 验证成本随着可信度 的提高而上升 模型的使用价值则随着可信度的提高 而增幅不大 为此通常采用的方法是通过大量的测试 与评估 如果通过测试 则判定该模型可信 3 因为即使通过验证的模型也有可能是不可靠的 所以 丰富的数控加工知识和经验对于提高模型验证的准确 性意义重大 模型验证需要仿真专业人员与数控加工 人员合作完成 4 模型验证贯穿于数控加工物理 仿真全过程 基于不正确的物理模型建立的仿真模型 不可能得出正确的仿真结果 不正确的仿真模型的结 果或数据会对物理模型产生不利影响 因为有可能对 物理模型进行不正确的修改或校正 113 与加工过程几何仿真的比较 数控加工过程的几何仿真主要研究以可视化形式 展示数控加工过程 5 用以检查数控加工代码 刀具 轨迹以及碰撞干涉等问题 已有相当成熟的商用软件 如MasterCAM等 因为主要涉及几何量 通过观察 借助于经验即可进行模型验证 所以几何仿真实际是 一种人在回路的仿真形式 人是几何仿真系统的有机 构成 对于物理仿真 涉及的一些量必须经过可视化 技术处理以后 才能被使用人员直观理解 如切削变 形区的热量 稳态切削 系统无振动 条件下的切削 力等 因此 物理仿真的模型验证比不但重要 而且 比几何仿真更为复杂 表1对几何仿真与物理仿真进 行了比较 表1 物理仿真与几何仿真特点比较 几何仿真物理仿真 1 检验数控代码 1 降低加工误差 主要目的 2 显示刀具轨迹 2 预测加工质量 3 碰撞检验等 3 提高刀具寿命等 复杂程度 主要是计算机图形学问 题 计算机 机械 物理 及材料等 关键问题 真实感与实时性物理建模及数据获取 刀具零件 视为刚体视为弹性体及其它 可用软件 多且成熟 容易掌握相对较少 且较难掌握 建模时间 短 效率较高需要不同学科联合 开发成本 低相对较低高 需要多学科协作 技术要求 相对较低 建模相对容易 对使用人员要求较高 2 模型验证的两种模式 根据系统仿真有关理论 数控加工物理仿真的模 型验证分为简单模式和综合模式两种 211 简单模式 简单模式如图3所示 在模型建立的各个阶段 均进行模型验证 物理模型验证的目标是 该模型 所表示的假设或理论对某一数控加工过程是否合 理 仿真模型验证是验证计算机程序是否正确表现 了物理模型 仿真运行校核用以确定仿真模型的输 出是否以足够的精度反映了数控加工过程 此外数 据验证的目标是确保模型建立 模型评估及测试 以及进行仿真试验时有足够多正确的数据 因为在 建模的每一步均要进行模型验证 需要不断地对模 型修改和完善 所以利用这一模式验证时 通常会 出现多个版本的模型 图3 模型验证的简单模式 212 综合模式 所谓综合模式是指将模型验证与系统理论和建模 综合起来 从现实世界和仿真世界之间的关系来进行 模型验证 数控加工过程即为现实世界中待理解探索的对 43 机床与液压第36卷 1994 2008 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 图4 模型验证的综合模式 象 利用系统分析理论对数控加工过程进行抽象 此处系统理论是指对数控加工过程或现象相对完整的 认识与理解 通过数控加工试验获取相关的数据或结 果 并基于这些数据提出假设 如果已经建立了数控 加工的仿真模型 也可以基于仿真运行试验的结果数 据提出假设 对于系统理论同样必须进行验证 采用 的方法是将其与实际数控加工所得数据或结果进行对 比 因此其正确性需要大量的数控加工试验来获得充 分的数据 在仿真世界里 仿真模型的建立首先必须确定仿 真目标 它与系统理论结合在一起才能建立数控加工 物理模型 它可以是数学模型 逻辑模型等形式 仿 真模型规范详细说明了实现仿真模型的计算机软件的 规范和要求 通过实施编程建立计算机仿真模型 对 于计算机模型可以进行数控加工仿真试验 如同现实 世界中一样 在仿真世界里 物理模型验证的任务是蕴含在该 模型中的数控加工理论或针对有关加工现象的某一假 设是否与数控加工的系统性理论相符 以及该模型对 于后续的仿真建模是否合理恰当 规范验证的目标是 针对某一计算机系统 基于物理模型的软件设计或编 程规范是否合理恰当 即按照软件工程的思想进行验 证修改 运行结果验证即检验仿真模型输出的数据或 结果必须与实际加工过程所得数据相符合 同时也必 须与数控加工系统理论一致 3 基本验证方法 物理仿真模型验证最常见的一种情形是由研究人 员在建模过程中对模型进行测试与验证 也可以让仿 真模型使用人员参与其中 对于比较重要或成本较高 的数控加工仿真 可以考虑由独立于开发方和使用方 的第三方来进行验证 模型验证通常采用的方法如表 2所示 从表中可以看出 这些方法虽然形式各异 但均是围绕着数据和模型展开的 表2 模型验证常用方法 方法特点 动画 适用于仿真运行验证 通过直观的动画 形式检验模型是否合理 这是几何仿真 验证的最主要方法 参照模型 即将仿真模型的结果与其它已经验证过 的物理模型或仿真模型进行对比 有时 也用软件测试中的对比模型对仿真模型 进行评判打分 极端条件测试法 是针对仿真条件的 仿真模型结构对于 极端条件或实际加工过程中不常见的一 些工艺组合条件 均相应的正常输出 模型退化测试法 通过合理选择一些输入参数和内部参数 来测试模型退化情形下的行为 以此检 验模型是否正确 事件有效性验证 数控加工过程中仿真事件的发生是否与 实际加工过程中出现的现象相符 例 如 在某一进给速度或主轴转速下 零 件表面质量是否明显下降等 外观验证法 即请数控加工专家对于物理仿真的输出 结果基于其知识和经验判断仿真模型是 否可信 历史数据验证法 在基于历史数据仿真建模时 预留一些 数据用于模型验证 历史方法 理性主义 认为仿真假定条件为真 完 全基于逻辑推理来检验模型 经验主 义 要求仿真假设和模型输出必须符合 实际加工过程 实证主义 只要求模型 能够对数控加工过程正确预测 不关心 模型结构 内部验证法 进行多次仿真运行试验 从结果数据检 验随机变量的分布是否一致 多阶段验证 综合运用理性法 经验法和实证法 即 基于观察和一般性知识提出假设 基于 经验检验模型假设 并将模型输入输出 关系与实际加工过程相比 实时图形展示 即在仿真模型运行的同时进行以图形方 式动态展示有关变量的变化 通过观察 验证模型 敏感性分析 改变模型输入或内部参数的值来确定模 型行为及输出 仿真模型的行为及输出 应与实际加工过程一致 预测验证 利用仿真模型对加工过程进行预测 以 预测结果正确与否判断模型正确与否 跟踪变量轨迹 仿真模型运行过程中跟踪变量的变化情 况 观察变量是否合乎逻辑地变化 图灵测试法 根据数控专家能否区分物理仿真结果和 实际加工过程的结果来判定 如果不 能 则认为仿真模型可信 53 第2期王永超 数控加工物理仿真的模型验证技术 1994 2008 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 311 数据验证 数据虽然不是模型的构成部分 但却与物理模型 验证 仿真模型验证和仿真试验验证紧密相关 而且 常常是模型验证失败的主要原因 因为获取合理 准 确和足够的数据相当耗时费力 建立数控加工过程温 度场变化的物理模型时 测试的温度数据越多 越容 易建立数学或逻辑关系 同样 对于仿真运行 如果 没有足够多关于加工过程的行为数据 也难以对仿真 试验的结果进行对比验证 提高数据本身正确性的措 施包括对数据收集和维护过程规范化 数据内部一致 性检查 通过图形观察其变化趋势等 312 物理模型验证 验证物理模型通常采用数学分析和统计方法 前 者如分析变量之间的关系是否为线性关系 后者如检 验某变量是否符合某一分布形式 在对物理模型验证 时 也必须对其子模型进行验证 从整体上和构成上 检查模型结构是否合理 通常采用外观检测和变量跟 踪两种方法 使用外观法时 需要给数控专家提供流 程框图 图形化的仿真模型 以及一组物理模型方 程 使用变量法时 数控加工专家基于其知识判断变 量变化趋势是否合理 如果专家判断不合理 则对物 理模型进行修改与完善 313 仿真模型验证 仿真模型验证的一个重要影响因素是所采用的编 程语言 即通用编程语言或仿真专用编程语言 一般 而言 与通用编程语言如C C 等相比 仿真专用 编程语言建立仿真模型出错较少 在对基于仿真专用 编程语言建立的仿真模型进行验证时 在验证仿真模 型程序是否正确之前 还必须注意检验该仿真语言本 身是否没有错误 以及随机数的生成是否正确 在对 基于通用编程语言建立的仿真模型进行验证时 必须 遵循软件工程的思想 对于仿真模型的验证有静态测试与动态测试之分 静态测试可采用程序流程检验 检验程序的结构特性 等方法 动态测试则利用不同的初始条件和数据来测 试仿真程序 通过跟踪程序运行 分析模型输入输出 关系 以及对运行结果数据进行一致性检查等方法 314 仿真运行验证 仿真运行验证的目的是检验仿真模型的仿真行为 是否满足研究数控加工过程所要求的准确性要求 例 如 在机床 刀具和工件等条件一定的情况下 恰当 选择切削用量可以取得最大生产效益 不少工厂在生 产中选择切削用量仍处于经验选定状态 为此建立的 切削用量仿真模型 其输出行为必须能够正确反映切 削用量对加工效果的影响 仿真运行的验证原则上可以采用表2中的所有方 法 但必须根据物理仿真目标进行有效选择 通常采 用的方法是 将仿真模型的输出与现实数控加工所得 结果进行比较 或者是与已经通过验证的类似模型的 结果进行比较 对模型输出结果进行数据一致性检查 也是常用的一种方法 4 结论 与数控加工几何仿真相比 模型验证对于保证数 控加工物理仿真活动的质量有重要意义 本文在分析 数控加工物理仿真的建模过程的基础上 提出模型校 验的主要内容 结合仿真活动生命周期论述了模型验 证的简单模式和综合模式 分析了数据验证 物理模 型验证 仿真模型验证和仿真运行验证等 这对于深 入研究物理仿真的可靠性有一定的促进作用 参考文献 1 黄雪梅 赵明扬 王启义 1虚拟数控车削物理仿真系 统的研究与开发 J 1 中国机械工程 2002 13 15 1336 13391 2 Robert G1Sargent1Verification and validation of simulation models C 1Proceedings of the 2005 W inter Simulation Conference 2005 130 1431 3 陈秀生 张承瑞 刘日良 等 1数控加工物理仿真技 术研究 J 1组合机床与自动化加工技术 20