1加工过程仿真

虚拟加工技术虚拟加工技术1．1虚拟加工系统概述1．2虚拟加工建模技术1．3碰撞与干涉检测技术1．1．1加工过程仿真在产品开发过程中，利用计算机仿真技术对产品整个生命周期进行仿真和评估，从而以最优质量、最低成本和最快速度将产品推向市场。加工过程仿真种类很多,这里主要针对的是切削过程仿真概念:经过CAD/CAM处理后的数控加工程序，在正式加工之前，一般要经过刀具轨迹检验和试切。试切的过程也就是对CAD/CAM/NC系统生成的NC程序的检验过程。

原因:传统的试切是采用塑模、腊模或木模在专用设备上进行的。几何仿真:从纯几何角度出发，仿真刀具切削工件的过程。分类:力学仿真:是从力学角度出发，对数控加工过程中的动态力学行为进行仿真。

刀具路径仿真:即建立工件、刀具、机床的实体模型，刀具沿着由工艺确定的轨迹切削，以发现一些不适当的刀具轨迹。作用:评估工艺参数:过大的切削深度会产生颤振，毁坏刀具和工件，过高的进给率会导致难以接受的表面粗糙度等。1．1．2虚拟加工系统在虚拟环境下对产品对象实现几何及物理性能变化的过程称为虚拟加工（或数字化加工）。概念:（1）全面逼真地反映现实加工环境和加工过程。（2）可以真实地描述加工过程中的物理效应。功能:（3）能对加工过程中出现的碰撞、干涉进行检测，并提供报警信息。（4）可以对夹具的实用性给予评价。并对产品可加工性和工艺规程的合理性进行评估。对加工精度、加工时间进行精确估计1．1．3虚拟加工过程的构成虚拟加工过程如图1－1所示：

图1－1虚拟加工过程虚拟加工过程是在NC指令驱动下，由机床刀具模型的运动过程和工件模型的变形过程构成。刀具在虚拟空间扫过一定的体积，可以把刀具运动过程中包络的空间形状称为“虚形体”（SweptVolumeSolid）。概念:图1－4（a）中A为立铣刀，当铣刀沿AB方向移动时，形成如图1－4（b）所示的虚形体。

图1－4虚形体建模示意虚拟加工仿真系统的结构如图1－2所示。图1－2虚拟加工仿真系统结构结构:第1层为几何模型层：建立与工艺过程相关的物理实体的三维实体模型。

第2层为运动学模型层：根据几何模型和运动轨迹信息（NC代码），确定几何实体之间的运动关系。第3层为物理效应模型层：例如切削力模型、切削形状模型，工件已加工表面形状模型，以及工件、机床、刀具、夹具的动力学模型。第4层为输出层：获得完整的工艺特性分析结果。1．1．4虚拟加工仿真的内涵（1）定义虚拟机床：包含确定机床类型、坐标数、控制系统、机床坐标原点、图形坐标原点、编程原点等。

（2）定义刀库、刀具：选定刀具、定义刀具参数，如铣刀直径、长度；定义切削参数，如转速，进给量等。建立环境:（3）定义工件或夹具在托盘、机床上的装夹方案。（4）安装夹具、毛坯和刀具。（1）刀具运动轨迹仿真：读入NC代码，检查代码语法、语意的正确性，生成刀具位数据，并驱动虚拟机床运动。过程仿真:（3）机床运动过程仿真：此时将毛坯安装在机床工作台上（或夹具上），刀具运动轨迹分解成机床各部件运动。（4）材料去除过程仿真：刀具按运动轨迹对毛坯进行材料切除，以模拟实际切削过程，生成产品加工结果模型。（2）夹具安装使用过程仿真：将毛坯安装在夹具上。

1．2．1安装仿真建模坐标变换法:夹具、毛坯或工件在工作台上的安装定位可通过将夹具或产品坐标系原点与图形坐标系原点重合。实际安装位置可通过对安装件坐标系的平移与旋转变换实现。在构建有装配关系的部件时，在部件上设定原点和安装点。原点是部件的安装基准点，安装点是部件上安装其他零部件时的安装点。部件链接法:如图1－3所示为德国VF120－RW加工系统模型。图1－3德国VF120－RW加工系统模型示例:1．2．2工件成形建模工件的成形过程的描述方法有4种：

（1）动画描述法：以工序开始、结束及中间的几个典型位置时的工件形状为关键帧，生成与刀具位置相适应的动画，在仿真循环中随着机床的运动，显示相应的加工过程。（2）离散单元表达法：将工件用很小的立方体或薄片构造。在虚拟加工过程中，检测虚拟刀具与工件之间的碰撞。（3）虚形体法：虚拟机床加工过程中，通过虚形体与工件的布尔求交运算来实现工件成形。（4）行为函数法：把虚拟加工过程中毛坯形状的变化和刀具的运动分别用不同的行为函数定义。当触发事件发生时，它们就能在虚拟加工中按照真实世界中的行为特征发生运动，以模拟刀具切削的过程。1．2．3加工误差建模加工过程中影响工件尺寸、形状及表面微观形貌的因素主要有机床几何误差（或机床静态误差）。机床动态误差，刀具误差，切削力变形误差，热变形误差，振动误差。（1）时变性：这些误差在机床设备寿命周期内是变化的，是设备运行总时间T的函数。例如机床的几何误差随着设备的磨损而增加。特征:（3）方向性：不同的方向的误差对工件的尺寸形状影响不同。（4）多坐标系：误差来源不同坐标系也不同。首先对每项误差按其成因建立坐标系，进行分散处理，然后通过坐标系变换将所有误差集中纳入工作坐标系。建模方法:碰撞与干涉检测是加工过程仿真的重要内容。在实际加工过程中，碰撞会造成工件报废和设备损坏，甚至威胁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种干涉情况称为碰撞。（1）刀具非切削部位与物体的干涉（2）刀具快速趋近工件时的切削（3）夹具可动零件在运动范围内与其他固定零件的干涉刀具切削部位与刚加工过的表面的干涉称为过切1．3．2包容盒检测法对待检测的物体分别作包容盒，对包容盒进行求交运算。若不相交，则继续检测其他形体；若相交，则进一步对相交部位的形体进行棱边和面的求交计算。若交点在面内，则判定为形体相交，否则，检测其他形体。概念:优点:包容盒形状简单，求交速度快缺点:在描述曲面和孔时误差较大1．3．3分层检测法将机床最大加工范围用立方体表示，沿刀轴方向，用垂直于刀轴的平面分隔为薄层，每层都有标识号ID。检测时只检测可能发生碰撞的IDmax和IDmin范围内的空间。图1－6机床最大加工范围空间分层模型将三维检测转化为平面内的碰撞检测，降低了检测的复杂程度。优点:概念:1．3．4法矢检测法在刀具体上加表面法矢量，并按一定的密度布置到刀具的“经度”和