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1、数控后加工与仿真第1页，共26页，编辑于2022年，星期六数控加工仿真概述v概述：概述：利用计算机技术来模拟实际的机床加工过程，它验证数控加工程序的可靠性和预测切削过程v作用：作用：减少工件的试切，提高生产效率v特点：特点：形象、科学、安全、经济第2页，共26页，编辑于2022年，星期六产生背景随着计算机集成制造(ClM)、敏捷制造(AM)、并行工程(CE)等先进制造技术的发展与应用，企业之间竞争日趋激烈，企业设计、制造模式正在发生转变已要求将产品的可制造性分析提前到设计阶段，甚至市场分析阶段，其综合性和复杂性使仿真技术成为重要的和必不可少的研究工具，只有通过仿真才熊确定产品设计和生产工艺的可
2、行性和合理性，才能保证产品制造的成功和确保生产周期。加工过程的计算机仿真是采用先进的计算机建横与图形仿真技术，在计算机上模拟加工环境和数控加工的全过程，是验证数控程序的正确性、检查产品设计与可制造性的有效工具。加工过程仿真包括几何仿真和物理仿真。几何仿真主要用于数控程序验证，包括刀具轨迹验证、干涉和碰撞检查两个方面，其目的在于确定数控程序的正确与否。物理仿真则是对加工挝程的热学、力学特性进行建模仿真分析，主要用于验证各种加工参数的选择是否合理。近年来，Internet的飞速发展打破了地域限制，为实现异地协同设计与网络化制造奠定了基础，同时也对制造过程仿真提出了新的要求。现有的仿真软件(如Pro
3、E、UGS的加工仿真模块)多是在单台计算机上运行，无法支持基于web的异地协同设计以及实施网络化制造的要求。该文针对上述问题，将数控加工仿真与网络集成，进行了基于Web的数控加工仿真的研究，提出了一个基于Web的数控加工几何仿真系统体系结构，并以数控弯管过程为例，采用先进的VRML、J2EE技术，实现了一个基于web的数控弯管几何仿真系统。第3页，共26页，编辑于2022年，星期六数控仿真技术国内外研究现状国外:v美国Maryland大学开发了用于培训数控操作人员的虚拟数控机床仿真器v韩国Turbo-TEK公司开发出面向培训的虚拟数控铣削加工环境v日本SONY公司研制的FREDAM系统可对球头
4、铣刀加工自由曲面进行三维仿真，并进行干涉、碰撞检查v意大利Bologna大学用B样条曲面建立端铣刀与工作台模型，采用真实感图形显示铣床精加工过程国内:v华中理工大学开发的NCPVSS系统，具有数控铣削加工过程仿真功能v同济大学了数控程序微机动画仿真系统v清华大学CIMS工程研究中心开发的“通用加工过程仿真器”已在多家企业得到应用第4页，共26页，编辑于2022年，星期六仿真加工流程NC程序数控指令翻译生成刀具扫描体碰撞干涉检查生成半成品图形显示下一指令第5页，共26页，编辑于2022年，星期六数控加工仿真系统结构装夹建模CAD/CAMNC程序加工过程仿真托盘装夹工件装夹夹具装夹NC代码翻译加工
5、过程仿真干涉检查经验检验几何建模工件建模夹具建模机床建模托盘装夹模型机床定义加工模型机床装配坐标定义刀库逻辑主轴逻辑工作台逻辑几何信息加工位置加工中心设备模型装刀装托盘设置零偏材料切除率计算刀具库切削负荷计算刀具参数刀具建模进给速度优化第6页，共26页，编辑于2022年，星期六数控加工仿真技术的分类l物理仿真物理仿真是将切削过程中的各种物理因素的变化映射到虚拟制造系统中，在实际加工过程之前分析与预测各切削参数的变化及干涉因素对加工过程的影响，能够揭示加工过程的实质，分析具体工艺参数下的工艺规程质量及工件加工质量，辅助在线检测与在线控制，进行工艺规程的优化。l几何仿真基于Web的数控加工几何仿真
6、系统研究第7页，共26页，编辑于2022年，星期六物理仿真研究的内容v物理仿真研究内容包括：分析加工过程中的瞬时切削力、刀具与工件之间的相对运动、刀具磨损、工件的加工质量、工艺参数对加工质量的影响及危险、异常情况的报警等。物理仿真的功能v1.视觉功能NC代码的可视化，可加工过程中过切、欠切的可视化，刀具和机床的可视化，刀位轨迹、运动干涉的可视化，刀具和加工件接触点变化的可视化，零件质量分析的可视化，零件粗糙度的可视化。v2.触觉功能定义为操作人员的工艺操作。v3.听觉功能实际机床加工时，机床会发出不同的声音，刀具切削材料、机床振动、刀具和夹具碰撞、进刀退刀和换刀时导轨发出的声音，加工过程中出现
7、险情时发出的警报声。声音表示机床和刀具的状态，不同的声音表示不同的机床和刀具状态，可以通过声音来检测数控加工的过程。第8页，共26页，编辑于2022年，星期六物理仿真的要求v要求真实，有错必显、即显，多视向观察；v要求加工中有声音的伴奏；v要求有质量分析报告；v仿真过程中允许人为的工艺操作；第9页，共26页，编辑于2022年，星期六目前物理仿真研究难点问题v加工过程模型难以建立；v仿真模型的通用性差；v仿真系统的实用性差；v与几何仿真未充分结合；第10页，共26页，编辑于2022年，星期六物理仿真的主要形式1.预测道具切削性能；2.预测切屑大小及形状；3.预测机床或工件热变形对加工精度的影响；
8、4.预测切削力；第11页，共26页，编辑于2022年，星期六仿真系统的体系结构输入层硬件环境运行环境数据仿真库刀具材料刀具几何参数切削参数工件材料工件几何参数工艺系统参数。建模与仿真层切削力建模与仿真振动建模与仿真刀具磨损建模与仿真表面质量建模与仿真机床稳定建模与仿真切削温度建模与仿真剪切区建模与仿真切屑的形成建模与仿真软件环境输出层切削力振动位移切削温度场分布表面质量机床稳定性极限刀具寿命及磨损状态切屑形状第12页，共26页，编辑于2022年，星期六加工过程物理仿真技术v分析方法以剪切面理论为基础，应用剪切滑移理论确定以剪切角为主的力学模型，研究重点在于确定切削过程中的切削力及切削振动涉及到
9、的相关问题。v实验方法实验方法针对针对大量实际进行的切削过程，通过实验确定下来DCFC(动态切削系数)中的各动态切削系数。v机械建模方法综合考虑到切削过程是涉及到多输入多输出的综合系统，通过建立使用于多种切削条件的综合切削模型，建立出各输入输出相关因素的影响关系，达到揭示切削过程、预测各有效输出参数、表达系统输入与输出间关系的目的。第13页，共26页，编辑于2022年，星期六物理仿真模型v切削力模型v振动模型v表面粗糙度模型v切削温度场模型v刀具磨损模型第14页，共26页，编辑于2022年，星期六数控加工仿真存在的问题v仿真的加工形式少，研究范围窄v无理仿真过程都是考虑理想切削状态，与实际切削
10、过程有较大差距v仿真手段限制仿真系统的发展v仿真模型实用性差v仿真模型通用性差v未与几何仿真充分结合第15页，共26页，编辑于2022年，星期六几何仿真l基于Web的数控加工几何仿真系统研究第16页，共26页，编辑于2022年，星期六基于web的数控加工几何仿真系统体系结构数控加工过程是一个复杂的过程，加工过程中零件毛坯形状不断发生变化，同时加工过程中加工载荷的变化也会引起刀具与工件的不同程度变形，基于web的数控加工几何仿真计算量大，对数据吞吐率的要求也非常高，是一个极其复杂的Web应用。因而，在进行体系结构设计时应参考当前面向复杂Web应用的主流架构N层结构，利用最先进的Web标准和技术来
11、构建系统，以提高系统的吞吐率和应用的实现效率。Java以其平台盂关性、移植性强、安全性高、稳定性好、分布式、面向对象等优点而成为Interact应用开发的首选语言。Java技术可分为核心Java技术和企业级Java技术(J2EE)。J2EE是一种利用Java2平台来简化诸多企业解决方案的开发、部署和管理相关的复杂问题的体系结构。J2EE提供了能够方便存取数据库的JDBC、APl、CORBA技术以及对EJB(EnterpdseJavaBealls)、JavaSemetAPI、JSP(iavaSemrPages)和XML技术的全面支持。J2EE使用EJBServer作为商业组件的部署环境，在EJB
12、Server中提供了分布式计算环境中组件需要的所有服务例如组件生命周期的管理、数据库连接的管理、分布式事务的支持、组件的命名服务等等。第17页，共26页，编辑于2022年，星期六第18页，共26页，编辑于2022年，星期六图1所示系统是一个四层架构，由客户层、表示层、仿真器层、资源层组成。由于采用了J2EE这一工业标准，该体系结构具有平台无关性、交互性好、可靠性强等优点，并且除了浏览器需要安装插件外，无需其他程序，优越于普通的客户机服务器模式。(1)客户层客户层由附带有VRML插件(如CosmoPhyer、MSVRML2等)、支持Java技术的Web浏览器(如IE60、Netscape等)构成
13、。该层的主要功能是管理加工过程的显示，处理客户仿真请求，并保持与表示层的网络连接。该层基于HTTPTCPIP协议进行数据传输，以HTMLXML/VRML作为数据传输标准。第19页，共26页，编辑于2022年，星期六(2)表示层表示层主要管理客户层同仿真器层的会话，接收从Web浏览器传来的各种仿真请求并将其交给仿真器层进行处理，同时将仿真处理结果发送给浏览器。该层是使用者直接接触的层面包括直接看到的功能、界面等，主要进行NC程序的管理、编辑，此外还能进行客户端浏览器检验、格式化信息交换的数据、整理仿真会话内容等工作。(3)仿真器层仿真器层是系统的核心，该层主要由NC代码解释器、几何仿真引擎、仿真
14、计算引擎三个模块组成。NC代码解释器用于对所编制的数控程序进行检验并对数控加工过程仿真的动作和状态起指挥和控制作用，其主要功能有：根据该数控系统的编程细则及相关的信息，检查NC程序的错误；从NC代码中提取相关加工信息、控制机床部件运动的有关命令和状态信息并将相关信息存在相应的数据结构中。NC代码解释由词法分析、语法分析、语义分析、中间代码生成、仿真驱动数据文件组成。第20页，共26页，编辑于2022年，星期六几何仿真引擎是整个系统的总控模块，根据用户的选择，将把NC代码解释器得到的相关加工信息以及控制机床部件运动的有关命令和状态信息传递给相应的仿真模块，同时控制仿真过程的执行和结果的输出显示。
15、仿真计算引擎负责接收NC代码解释器生成的信息，进行运动及变形仿真计算。(4)资源层资源层由机床库、工装夹具库组成，主要为仿真器层提供各种资源服务。第21页，共26页，编辑于2022年，星期六基于Web的数控加工仿真，是实旗网络化制造与异地协同设计的基础，可使用户在同、异构环境下，通过网络验证NC代码的正确性，实现数控加工几何仿真的发布和测览，满足多节点访问数控加工仿真的要求，为实现数控加工的网络化奠定了基础。论文研究内容在实际应用中效果良好，所提出的系统体系结构可以进一步推广到更广泛的制造过程领域中，有利于促进网络化制造这一先进的制造模式的实施。第22页，共26页，编辑于2022年，星期六几何
16、仿真和物理仿真比较第23页，共26页，编辑于2022年，星期六数控仿真技术的应用及展望虚拟数控机床的应用将给制造业带来革命性的飞跃。由于虚拟数控机床是数字模型，所以容易实现对数字模型进行显示、分析、传递和迭代更新，为设计提供并行作业的可能，用经济快捷的方式提高产品设计品质，缩短产品开发周期。采用虚拟数控机床技术，可以为产品设计过程中的可制造性分析提供关键数据，能够迅速完成在机床上不方便操作的各项任务，如完成数控程序的调试、测量产品加工误差、评定加工效率和检验干涉碰撞情况等。还可以利用虚拟机床优化切削参数，优化刀具路径，提高机床设备的生产效率。利用机床加工的全过程与用户的交互功能，可以为企业、学
17、校的数控人才培训提供快速、安全且不消耗资源的有效手段，并帮助机床制造商向远程客户逼真地演示其产品。为制造业提供最佳的发展以及为加工过程的优化提供决策依据。虚拟数控机床的网络功能为真正实现远程合作提供保证。虚拟数控技术是由许多先进学科、先进知识形成的综合技术系统，是一个极具潜力的前沿研究领域。由于多媒体技术和网络技术以及仿真技术的迅速发展，虚拟数控技术将获得更快的发展。虚拟机床是虚拟加工技术的核心，网络化、智能化、集成化是虚拟制造技术的发展方向。虚拟机床软件的发展目标应该是根据国内的现实情况和国外软件的发展趋势，针对具体的机床开发面向工程的实用化小型软件。把某一类型的虚拟机床作为该类型数控机床的
18、附件，提高数控机床的市场竞争力、增加机床产品的附加值。虚拟数控机床的应用，将为制造技术带来勃勃生机，并将虚拟数控机床的研究开发推向一个更加崭新的阶段。第24页，共26页，编辑于2022年，星期六参考文献v数控加工理论与实用技术，编著王爱玲、李梦群、冯裕强，机械工业出版社170页187页；v基于OpenGL的数控加工仿真系统研究【期刊论文】余斌、刘荣忠-四川大学学报(工程科学版)；v数控车削加工仿真技术的研究期刊论文-制造技术与机床，田美丽；v国外NC加工仿真技术的现状分析，陈志伟v江晓峰数控加工仿真关键技术研究南京航天大学博士论文，1999v顾立志金属切削过程仿真及其在切削参数优化中的应用研究哈尔并工业大学，1998v周济周艳红数控加工技术国防工业出版社，2002v黄明吉虚拟数控技术及应用化学工业出版社,2005v姜玉宪控制系统仿真北京航空航天大学出版社1998第25页，共26页，编辑于2022年，星期六Thank You!第26页，共26页，编辑于2022年，星期六