虚拟制造中的数控铣削仿真加工技术
虚拟制造利用信息技术、仿真技术、计算机技术对现实制造活动中的人、物、信息及制造过程进行全面的仿真，以发现制造中可能出现的问题，在产品实际生产前就采取预防措施，从而达到产品一次性制造成功，以达到降低成本、缩短产品开发周期及增强产品竞争力的目的)由于计算机技术和计算机图形学的飞速发展，计算机仿真技术在制造系统中得到了广泛的应用。采用仿真加工来代替或减少实际中的试切工作，对数控加工有十分重要的意义。
1. 虚拟数控铣床体系结构 在建立虚拟数控铣床模型时，为追求身临其境的逼真性和超越现实的虚拟性，虚拟数控铣床应满足以下要求： （1）与真实机床相似的结构，以便模仿真实机床的任何功能，并a使设计者以直观的方式设计和修改系统。 （2）能全面逼真地反映现实的加工环境和加工过程，能对加工中出现的碰撞、干涉提供报警信息。 （3）具有完善的图形接口。 完善的图形接口使用户既能像在真实环境中那样操作虚拟数控机床，又能完全真实地以图像的形式观察机床运行的各种状态和各种机床运行参数，从而最大限度地提高人机融合程度。根据上述分析，分析虚拟数控铣床的体系结构，如图1所示。
图1 虚拟数控铣床结构 数控铣床的加工仿真平台主要包括虚拟环境的建造和铣床各组成部分的运动控制。在OpenGL应用程序框架中添加铣床模型的OpenGL代码，并添加鼠标和键盘响应，以控制铣床整体模型。为了方便用户与虚拟环境进行交互，还可以加入其他按钮或工具条，这样就形成了完整的虚拟环境。运动的控制部分主要包括对铣刀和工作台的运动控制，以实现刀具和工件的相对运动。 2. 几何建模模块 数控铣床的加工过程仿真平台是利用VC++ 6.0结合OpenGL编程接口完成的。由于OpenGL自身的特点，在该环境下无法创建像数控铣床这样的复杂模型。为了在OpenGL环境下得到完整清晰的数控铣床模型，首先利用三维造型软件Pro/ENGINEER Wildfire2.0完成对数控铣床模型的建造，将其保存为WRL格式，然后用Deep Exploration将文件格式转换成3DS格式，就可以在程序中直接读取3DS文件，并将其装配起来。在绘制机床时利用了OpenGL显示列表技术，将每个零部件都生成一个OpenGL的显示列表，这样可以大幅度提高重绘N率，满足实时绘制的要求。然后在OpenGL的编程环境下，调用这些代码就可以重现数控铣床的三维模型。数控铣床的完整模型如图2所示。
图2 数控铣床模型 3. 加工过程仿真模块 虚拟加工过程仿真将描述加工过程的解析模型与工件和机床的实体模型结合。在虚拟加工中解析模型可以表达切削加工的物理过程，而实体模型表示加工过程的几何形状。因此，给定设计好的零件、所用机床及零件的工艺过程，可以在计算机上进行如下工作： （1）验证工艺规程得到的刀具轨迹的正确性。在此情况下，采用工件的实体模型和机床模型来模蛹庸す程，刀具沿设计好的轨迹切除工件上的材料，由此可以很容易地检查到刀具运动轨迹不合理的地方， 及时加以改进。 （2）验证工艺规程中确定的切削参数是否合理可行，预测所选择的切削参数是否会导致一些不希望的结果出现，如尺寸超差、震颤、刀具过渡磨损及表面粗糙度值等。 （3）准确评估一个工艺规程的优劣，而且基于该评估，可以确定合适的加工条件以改进甚至优化工艺规程。利用虚拟加工，可以改进对加工时间和加工成本的估算精度。 4. NC代码解析模块 由于加工过程仿真是由NC程序驱动的，所以，在加工过程仿真时，先要对NC程序分析和解释，发现其中存在的错误，提取加工过程仿真时的有用信息，并将NC程序转换为仿真驱动数据。数控代码的计算机处理流程如图3所示。
图3 数控代码的处理流程 该处理过程为：首先将数控程序读入到计算机内存中，由数控代码检错器对程序进行词法检错、语法检错和逻辑检错。经过纠错的NC程序更正后进入数控代码翻译器，计算出各时间片段的机床各坐标的位移，驱动模型的运动实现NC代码驱动的加工过程仿真。 5. 结语 本系统通过对输入的数控加工代码的图形验证，实现了数控加工过程的仿真且具有如下特点： （1）在校验和编译数控代码的基础上，通过对机床、刀具、夹具和工件的三维图形显示，实现了实际数控加工过程的仿真。 （2）仿真时模拟刀具、工件几何体、加工环境及材料去除的过程，消除了因樾蛭蟛疃导致的机床刀具、夹具损坏及零件的报废等问题。 （3）仿真时可以实时显示当前所仿真的程序行，更有利于使用者检查代码的正确性。 此外，该系统可作为虚拟制造中的一个制造单元工具，实现产品的数字化生产，亦可用来培训数控编程人员。
1. 虚拟数控铣床体系结构 在建立虚拟数控铣床模型时，为追求身临其境的逼真性和超越现实的虚拟性，虚拟数控铣床应满足以下要求： （1）与真实机床相似的结构，以便模仿真实机床的任何功能，并a使设计者以直观的方式设计和修改系统。 （2）能全面逼真地反映现实的加工环境和加工过程，能对加工中出现的碰撞、干涉提供报警信息。 （3）具有完善的图形接口。 完善的图形接口使用户既能像在真实环境中那样操作虚拟数控机床，又能完全真实地以图像的形式观察机床运行的各种状态和各种机床运行参数，从而最大限度地提高人机融合程度。根据上述分析，分析虚拟数控铣床的体系结构，如图1所示。
图1 虚拟数控铣床结构 数控铣床的加工仿真平台主要包括虚拟环境的建造和铣床各组成部分的运动控制。在OpenGL应用程序框架中添加铣床模型的OpenGL代码，并添加鼠标和键盘响应，以控制铣床整体模型。为了方便用户与虚拟环境进行交互，还可以加入其他按钮或工具条，这样就形成了完整的虚拟环境。运动的控制部分主要包括对铣刀和工作台的运动控制，以实现刀具和工件的相对运动。 2. 几何建模模块 数控铣床的加工过程仿真平台是利用VC++ 6.0结合OpenGL编程接口完成的。由于OpenGL自身的特点，在该环境下无法创建像数控铣床这样的复杂模型。为了在OpenGL环境下得到完整清晰的数控铣床模型，首先利用三维造型软件Pro/ENGINEER Wildfire2.0完成对数控铣床模型的建造，将其保存为WRL格式，然后用Deep Exploration将文件格式转换成3DS格式，就可以在程序中直接读取3DS文件，并将其装配起来。在绘制机床时利用了OpenGL显示列表技术，将每个零部件都生成一个OpenGL的显示列表，这样可以大幅度提高重绘N率，满足实时绘制的要求。然后在OpenGL的编程环境下，调用这些代码就可以重现数控铣床的三维模型。数控铣床的完整模型如图2所示。图2 数控铣床模型 3. 加工过程仿真模块 虚拟加工过程仿真将描述加工过程的解析模型与工件和机床的实体模型结合。在虚拟加工中解析模型可以表达切削加工的物理过程，而实体模型表示加工过程的几何形状。因此，给定设计好的零件、所用机床及零件的工艺过程，可以在计算机上进行如下工作： （1）验证工艺规程得到的刀具轨迹的正确性。在此情况下，采用工件的实体模型和机床模型来模蛹庸す程，刀具沿设计好的轨迹切除工件上的材料，由此可以很容易地检查到刀具运动轨迹不合理的地方， 及时加以改进。 （2）验证工艺规程中确定的切削参数是否合理可行，预测所选择的切削参数是否会导致一些不希望的结果出现，如尺寸超差、震颤、刀具过渡磨损及表面粗糙度值等。 （3）准确评估一个工艺规程的优劣，而且基于该评估，可以确定合适的加工条件以改进甚至优化工艺规程。利用虚拟加工，可以改进对加工时间和加工成本的估算精度。 4. NC代码解析模块 由于加工过程仿真是由NC程序驱动的，所以，在加工过程仿真时，先要对NC程序分析和解释，发现其中存在的错误，提取加工过程仿真时的有用信息，并将NC程序转换为仿真驱动数据。数控代码的计算机处理流程如图3所示。图3 数控代码的处理流程 该处理过程为：首先将数控程序读入到计算机内存中，由数控代码检错器对程序进行词法检错、语法检错和逻辑检错。经过纠错的NC程序更正后进入数控代码翻译器，计算出各时间片段的机床各坐标的位移，驱动模型的运动实现NC代码驱动的加工过程仿真。 5. 结语 本系统通过对输入的数控加工代码的图形验证，实现了数控加工过程的仿真且具有如下特点： （1）在校验和编译数控代码的基础上，通过对机床、刀具、夹具和工件的三维图形显示，实现了实际数控加工过程的仿真。 （2）仿真时模拟刀具、工件几何体、加工环境及材料去除的过程，消除了因樾蛭蟛疃导致的机床刀具、夹具损坏及零件的报废等问题。 （3）仿真时可以实时显示当前所仿真的程序行，更有利于使用者检查代码的正确性。 此外，该系统可作为虚拟制造中的一个制造单元工具，实现产品的数字化生产，亦可用来培训数控编程人员。