虚拟数控车削物理仿真系统的研究与开发 - 文章

虚拟数控车削物理仿真系统的研究与开发

作者：黄雪梅赵明扬王启义

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摘要虚拟加工过程仿真是虚拟制造的底层关键技术。本文面向数控车削，开发了一套动态车削物理仿真系统，提出了仿真系统的总体框架，建立了动态物理仿真模型及相关子模型，分析了动态车削过程的影响因素，阐述了系统开发过程中有关模型构成及工件数据描述等技术性问题。
关键词虚拟制造，虚拟加工过程仿真，物理仿真

1 前言

虚拟加工过程仿真是虚拟制造的底层关键技术，包括几何仿真和物理仿真两大部分。目前几何仿真方面的研究理论比较全面和深入，出现UG、Pro/ENGINEER、MasterCAM等成熟的商业软件。而物理仿真由于其切削机理复杂、建模难度大等客观原因，研究还不够深入。但对切削过程物理方面因素的分析与预测在虚拟制造研究中具有重要意义，国内外已经对其加以重视并开展了研究工作。美国国家自然科学基金会[1]资助伊利诺依大学、西北大学、普渡大学联合进行机械加工过程模型的研究，研究内容包括车、铣、钻等加工型式，涉及到有关切削力、振动、切屑形成、工件表面质量等诸多方面。国内也有研究者[2][3]致力于面向加工质量分析与预测的加工过程物理仿真单元及系统的研究与开发。本文面向数控车削加工过程，建立了车削加工过程物理仿真系统，就系统的体系结构、系统开发等技术问题加以研究。

2 车削物理仿真模型的体系结构

2.1 仿真系统的构成　　

车削加工过程是由机床—工件—刀具构成、涉及到多种影响因素的综合系统，在加工过程中还会受到各种随机干扰，在建模时综合考虑了各种因素，围绕被切削材料的微观硬度变化，将其作为物理仿真系统的主干扰因素，建立了工件微观硬度—瞬时切削力—相对振动—工件表面粗糙度的虚拟数控车削加工物理仿真主干模型，总体结构如图1：

2.2 切削力模型　　

在正常的车削加工过程中，车刀一直未脱离工件，此时切削力与瞬间的切削面积成正比，因此能够引起瞬时切削面积变化的因素都将会造成切削力的改变，这些因素包括被切削材料的物理性能即工件的微观硬度变化、刀具与工件之间的相对位移及切削的再生机理等方面。由此瞬时切削力模型由静态力和各种动态因素造成的切削力波动叠加而成，即由名义切削力Fnim、工件硬度不均匀形成的变切削力Fran、刀具与工件的相对振动使切削层参数变化时的变切削力Fvir及再生力Freg构成。动态切削力Fins可表示为：

为工件的平均硬度，m是工件硬度变化对力影响指数，A是切削层体积。

2.3 工件粗糙度模型
在车削加工过程中影响工件表面形貌的主要因素有：刀具几何形状、工件旋转运动与切削振动等。对于静态切削过程，刀具进给量f与刀具圆弧半径rb是影响表面粗糙度的主要因素。而在实际的切削过程中，由于切削振动使刀具与工件发生了相对位移，工件在微观上形成凸凹不平的表面，从而影响到工件的表面形貌特征，这时工件的表面质量就要在理论粗糙度的基础上再进一步考虑动态切削的各项特征与相关因素。

3 工件的微观硬度

工件微观硬度差异对动态切削过程有明显影响，先将工件被加工表面划分出适当的区域作为样本块，然后应用数理统计方法表达出各样本块实际硬度与平均硬度的差异，以此来研究对动态切削过程的影响。

3.1划分工件为样本块

将零件表面划分出独立的区域是研究工件微观硬度的第一步。综合分析切削过程，切削用量对切削过程中的各物理量的变化有直接影响，因此将工件划分成体积相等的与切削用量相关的几何体。我们以外圆车削为例，在工件表面取长为进给量f的圆环，圆环的径向长度为切削深度ap，而圆环的进一步分割则依据切削速度v与系统的振动特性。这样工件被加工表面就被分割成与切削用量有关的体积相等的样本块。

3.2样本硬度的确定

我们采用理论分析与实验结合的方法来确定样本的硬度。理论上，切削材料的微观硬度差异取决于切削材料种类与热处理情况。根据固体混合物中的样本方差理论，将工件视为由两种或两种以上的硬度不同的微观组织构成。通过分析这些微观组织的性质和它们在样本块中的比例，由数理统计知识确定各样本块的实际硬度。

4 仿真系统开发

4.1开发环境与开发方法

仿真系统在Petium Pro233/64MB RAM的微机上开发完成，采用VC++6.0作为主开发软件，由MFC微软基础类库创建了系统的基本框架，采用面向对象方法创建了仿真系统中的工件类、刀具类、工艺系统类等，对象的各数据成员的有关加工参数由Access建立的切削数据库提供，Access与VC++之间采用ODBC开放数据库连接完成二者数据交换。

4.2仿真模型的层次化结构

车削物理仿真系统中包括机床、工件、刀具、加工过程模拟等多方面因素，涉及到多个模型，系统采用模块化开发方法，其模型的层次化结构如图2。

系统运行时根据从Access数据库提取的工件、刀具、切削参数、切削力系数等数据，根据给定的切削用量划分工件待加工表面为样本块，然后由建立的仿真模型虚拟加工过程，输出各采样区域的瞬时切削力、相对位移、已切削时间等数据存入Access数据库，形成虚拟的已加工工件，工件粗糙度模型再对其进行分析，确定工件表面粗糙度的数值。图3为仿真系统的部分输出结果。

图3车削仿真系统的部分输出结果

4.3 工件的数据层结构

数控车床主要进行回转体零件的加工，本系统建立了可重构的四层多叉树回转体工件描述方法，其结构如图4：

图4　仿真系统工件的数据层次结构

工件数据描述为四层数据结构，即进给层、采样层、样本硬度层和加工结果层。进给层记录轴向方向即刀具进给方向上的采样点数量，采样层记录圆周上分得的样本数，决定圆周采样频率。样本硬度层记录各样本块符合正态分布的随机硬度值，加工结果层记录仿真输出结果，包括瞬时切削力、瞬时切削负荷及刀具与工件的相对振动等。该数据结构的优点为：①层次清楚，包含了物理仿真系统中所需的工件几何与物理信息。② 结构灵活，能随切削参数及工艺系统而变化，正确反映切削过程的瞬时变化。③ 便于数据的扩充与重构，加工结果层可与几何仿真进行接口，有助于建立完整的虚拟加工过程仿真系统。

4.3 本车削物理仿真系统的特点

本系统采用了面向对象技术和模块化实现方法，具有下列特点：

（1）综合分析加工过程中的特点，排除次要因素，建立以工件微观硬度—瞬时切削力—相对振动——工件表面粗糙度为主线的虚拟数控车削加工物理仿真模型；

（2）面向数控车削加工过程，分析被切削材料的微观金属组织构成对车削动态的影响，综合考虑工艺系统动态及总结金属切削理论，将切削过程进行微观和宏观的结合及金属切削理论应用于生产实践；

（3）应用面向对象技术开发仿真系统，实现模型的层次化结构，在主干模型开发完成的基础上，加入其它模型如刀具磨损、主轴的旋转误差等，使系统具有良好的开发性和可扩展性；

（4）仿真系统数据采用层次化结构，并且应用切削数据库进行数据管理，一方面保证数据的顺畅流动，另一方面可保证与整个虚拟加工环境的接口。

5 结论

虚拟制造作为面向二十一世纪的制造技术，必将对未来的人员培训、产品开发、生产和销售等制造业的各方面产生深远影响。虚拟加工物理仿真是其中的关键问题，本文开发了面向车削的物理仿真实用系统，涉及到有关模型的建立、动态干扰分析、系统数据处理等技术问题。本系统可用于检验工艺规程，辅助加工过程中的监测与控制，对加工过程进行优化。

REFERENCES
1. NSF/ARPA Machine tool agile manufacturing research, http://mtamri.me.uiuc.edu/technical programes/processmodeljuly95.html
2. 姚英学,李荣彬.面向加工质量预测的虚拟加工检测单元的研制.中国机械工程,200,11(5):520-524
3. 孙宏伟,马玉林. 基于加工质量预测与分析的数控铣削过程仿真系统研究与开发.制造业自动化,2000,22(6):25-28
4. G.M.Zhang. Dynamic Generation of Machined Surfaces, Part 1: Description of a Random Excitation System. ASME Journal of Engineering for Industry, Vol.113, 1991(5): 137-144
5. H.E.Merrit. Theory of Self –excited Machine Tool Chatter. ASME Journal of Engineering for Industry, Vol.107, 1965(5): 447-454
6. X.P.Li.Theoretical modelling and simulation of milling forces. J of Material processing Technology, 1999:266-272
7. H.Z.Li, X.P.Li. Modelling and simulation of chatter in milling using a predictive force model. I. J. of Machine Tools & Manufacture, 2000,40:2047-2071
8. 黄雪梅,王启义. 虚拟数控车削物理仿真模型及实用系统的开发. 机电工程2000(6):48-49(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (3/13/2005)


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