五坐标 数控机床的加工仿真

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1、本人声明我声明，本论文及其研究工作是由本人在导师指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均己在参考文献中列出。姓名:李军锋签名:日期丫2 0 0 2泪 3月1日北京航空航天大学学位论文第一章 绪论1 . 1虚拟制造技术1 . 1 . 1虚拟制造技术的概念虚拟制造 ( V i rt u a l M a n u f a c t u r i n g ) 又叫 拟实 制造， 它 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，来达到降低成本、缩短产品开发

2、周期，增强产品竞争力的目的。当然， 虚拟制造也可以对想象中的制造活动进行仿真，它不消耗现实资源和能量，所进行的过程是虚拟过程，所生产的产品也是虚拟的。当 今的制造业基本技术日 臻成熟，其市场处于以消费者为导向的市场环境下，产品品种、 上市时间和用户满意度成为企业取得竞争优势的主要因素。 制造业这种全球化的激烈竞争不断催生了各种先进制造技术和新的制造哲理， 虚拟制造技术将会在下一世纪涌向潮头，其朴素的思想和高新的技术手段都为研究领域和业界所推崇。1 . 1 .2虚拟制造系统的功能构成虚拟制造系统拥有产品和相关制造过程的全部信息，包括虚拟设计、制造和控制产生的数据、 知识和模型信息。 虚拟控制制造

3、系统按照功能归集为三种不同 类型的子环境，共同构成中心三元祸合的系统:( t ) 虚拟制造设计中心: 给设计者提供各种工具以便设计出符合设计准则( 如D F X)的产品模型。( 2 ) 虚拟制造加工中心: 研究开发产品制造过程模型和环境模型及其分析各种可行的生产计划和工艺规划。( 3 ) 虚拟制造控制中心: 评价产品设计、 产品原型、生产计划、制造模拟和控制策略等等。1北京航空航天大学学位论文 = = 二 = = = = 二 = 二 二 二 二 二 = 二1 . 1 .3虚拟制造技术的研究应用由于我国计算机软件行业发展滞后，受到C A D / C A M软件及仿真软件、建模技术的限制，阻碍了

4、虚拟制造技术的发展。目 前，虚拟制造技术也是我国制造业领域的热点研究课题，一些单位先后开展了虚拟制造体系结构、虚拟设备和过程，以及虚拟制造方法等方面的研究工作，取得了 初步成果。主要在三个方面开展了不同深度和广度的工作:( 1 ) 产品的 虚拟设计。主要包括虚拟产品开发平台、 虚拟测试、 虚拟装配以 及机床、模具的虚拟设计实现等。其中清华大学利用美国国家仪器公司的L a b v i e w开发平台 实 现了 锁相电 路的 虚拟， 北京 机械科学研究院 采用C语言 和O p e n G L 进行编程， 初步实现了立体停车库虚拟现实下的参数化设计，可以直观地进行车库的布局、设计、分析和运动模拟。(

5、 2 )产品虚拟制造技术。主要包括材料热加工工艺模拟、加工过程仿真、装配过程的仿真、板材成型模拟、模具制造仿真、虚拟轴机床和虚拟量仪的研制和开发等。北航与一汽用 O P T R I S开发的板料成型软件已 经基本能够模拟类似车门的中 等复杂程度的汽车覆盖件和其它冲压成型件的冲压成型过程;沈阳铸造研究所开发的电渣熔铸工艺模拟软件包E S R D 3 D已经应用于水轮发电 机变曲 面过流部件生产中，其产品在刘家峡、李家峡、天生桥、太平役等 7个电站中使用;合肥工业大学研制的双刀架数控车床加工过程模拟软件已经在马鞍山钢铁股份有限公司车轮轮箍厂应用，使数控程序现场调试时间由几个班缩短到几小时，并保证一

6、次试切成功;北京机床研究所、机械科学研究院、东北大学、上海交大和长沙铁道学院等单位也研制出一些这方面的仿真软件。( 3 ) 虚拟制造系统。 即虚拟企业主要包括虚拟制造技术的体系结构、 技术支持、 开发策略等。 其中提出了比较成熟的思想并可能实现的是由上海同济大学张曙教授提出的分散网络化生产系统和西安交通大学谢友柏院士组建的异地网络化研究中心。随着计算机技术和信息技术的发展，虚拟制造技术的广泛应用是科技进步的必然。北京航空航天大学学位论文二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二 二 二 二 二 二 二 二 二一二 一二一-一一-1 . 1 . 4虚拟制造技术的作用虚 拟

7、 制造 技 术的 应 用 将 会 对 未来 制 造 业的 发展 产生 深 远影响， 它的 重 大 作 用 主要 表现为:( 1 ) 运 用 软 件 对 制 造 系 统 中 的 五 大 要 素( 人 、 组 织 管 理 物 流 信 息 流 能 量 流) 进 行全面 仿真， 使之达到了 前 所未有的高 度集成， 为 先进制 造技术的 进一步发 展提供了 更广大的空间，同时也推动了 相关技术的不断发展和进步。( 2 ) 可 加 深 人 们 对 生 产 过 程 和 制 造系 统 的 认 识 和 理 解， 有 利 于 对 其 进 行 理 论 升 华， 更好地指导实际生 产， 即 对生 产过程、 制 造系

8、统整体进行优化配置， 推动生 产力的跃升。( 3 ) 在 虚 拟 制 造与 现实 制 造的 相 互 影 响 和 作 用 过 程中， 可以 全 面改 进 企业 的 组织 管理工作，而且对正确做出决策有不可估量的影响。( 4 ) 虚 拟 制 造技 术的 应用 将 加 快企 业 人 才的 培 养 速度。 正 如 模 拟驾 驶室 对 驾 驶员 飞行员的培养起到了良 好作用，虚拟制造也会产生类似的作用。虚拟制造技术的广泛应用将从根本上改变现行的制造模式， 对相关行业也将产生巨大影响， 可以说虚拟制造技术决定着企业的未来， 也决定着制造业在竞争中能否立于不败之地。1 . 2数控加工及检测技术1 . 2 .

9、 1数控技术数字控制 ( N u m e r i c a l C o n t r o l ) 技术， 简称数控 ( N C ) 技术， 是一种利用数字脉冲信号进行控制的自动控制技术。采用数控技术的控制系统成为数控系统，而配置了数控系统的机床称为数控机床。1 9 4 8 年，美国P A R S O N S公司在研制加工直升机叶片轮廓时， 首先提出了数控机床的设想。 后来， 麻省理工学院( MI T ) 在此基础上， 于1 9 5 2年 3月成功的研制出世界上第一台数控机床。它的诞生为机械制造业的发展揭开了崭新的篇章。 进入 7 0 年代， 数控技术成为 C A D / C A M技术的一部分，

10、并推动了C A D / C A M北京航空航天大学学位论文二 = = 二 = = = = = 二 = = = = = 二 技 术 的 一 体 化 发 展 ， 并 逐 步 形 成 了 计 算 机 集 成 制 造 系 统( C I M S ) 的 概 念 。目 前 ， 在C A D / C A M系 统 中 ， 数 控 加 工 是 最 能 明 显 发 挥 效 益 的 环 节 之 一 它 在 实 现 设 计 和 加 工自 动 化 、 提 高 加 工 精 度 和 加 工 质 量 、 缩 短 产 品 研 制 周 期 等 方 面 发 挥 着 重要 作 用 。 它 可 以 保 证 产 品 达 到 极 高 的

11、 加 工 精 度 和 稳 定 的 加 工 质 量 ; 操 作 过 程 容 易 实 现自 动 化， 生 产 率 高 ; 生 产准 备 周 期 短 ， 可 以 大 量 节 省 专 用 工 艺 装 备， 适 合 产品 快 速 更新 换 代的 需 要; 它 与C A D 衔 接 紧 密， 可以 直 接 从 产品 的 数 字定 义 产生 加 工 指 令， 保 证零 件 具 有 精 确的 协 调 性 和 互 换 性 : 产品 最 后 用 数 控 测 量 机 检 验， 容易 严 格 控 制 外 形 和尺寸精度。主 要 数 控 加工 方 式 有 平面 轮 廓与 平面 区 域 加工、 参 数 线加 工、 限 制

12、线 加工、曲 面 轮廓加工、曲 面区域加工、曲 线加工、 料加工、 钻孔。1 .2 . 2数控编程与数控检测数 控 机 床 加 工零 件是靠 数 控 指令 程 序控 制完 成的 ， 因 此数 控指 令的 编 程就 成为 数 控加工的 基础。 早 期的 数 控机 床， 零件 加工 程 序由 人 工按 照数 控 机 床控制 系 统的 指 令 格 式进行编写。 数控 机床加工零件的 速度和自 动化 程度与 普通机床相比 虽大为 提高， 但手 工编写数控程序的效率太低。为了 充分发挥数控机床的工作效率，麻省理工学院于 1 9 5 7年开始进行数控编程语言的研究， 并于1 9 5 9 年推出A T P

13、( A u t o m a t i c a l l y P r o g r a m m e d T o o l s )自 动编程语言。 此后， A T P 语言经过多次改进和完善， 现在己 具有编制雕塑曲 面加工程序的能力。 数控自 动编程技术已 经从批处理方式发展到采用人机交互的图形方式进行，数控编程的 编写更加直观、 方便和灵活。目 前， 商品 化的C A D / C A M系统都配有数控编程模块，交互式的数控自 动编程能力已成为C A D / C A M系统最基本的功能。数控机床的 类型很多，有钻铰类、车削类、 线切割类等。按照加工过程中同时控制轴数，数控机床又分为点位式、两坐标、 三坐

14、标、 五坐标等。种类如此繁杂的机床结构和越来越复杂的 控制系统， 使加工范围 从简单零件的二维轮廓扩展到复杂零件的型腔、型面。五坐标数控机床 ( 铣床)的种类非常多。1 9 9 3年，日 本人 S a k a m o t 。和 I n a s a k i经过对五坐标数控机床的调查和结构分析， 根据5 个坐标轴中两个转动坐标的构成形式，北京航空航天大学学位论文1 . 3数控加工仿真1 .3 . 1数控加工仿真的主要类型( 1 ) 基于不同模型的加工仿真。从试切环境的模型特点来看，目 前N C铣削仿真分几何仿真和物理仿真两个方面。几何仿真不考虑切削参数、切削力及其它因素的影响，只仿真刀具工件几何体

15、，以验证N C程序的正确性。它可以减少或消除因程序错误而导致的机床损坏、夹具或刀具折断、零件报废等问题，避免造成损失，同时也可以 减少从产品设计到制造的时间，降低生产成本。 几何仿真方法的发展是随着几何模型的发展而发展的， 包括定性图形显示和定量干涉验证两方面。 在几何仿真中又分为基于实体造型的N C仿真技术和基于曲面的N C仿真技术，这方面国内外研究的比较多。切削过程的力学仿真属于物理仿真范畴，它通过仿真切削过程的动态力学特性来预测刀具磨损和破损、刀具振动，制切削参数，从而达到优化切削过程的目的。刀具的切削过程是非常复杂的，影响因素很多。在铣削加工时，刀具材料性能、刀具类型、刀具级和参数、

16、切削速度、 切削深度和进给量等都影响着切削力，从而影响整个工艺系统的变形，最终影响加工精度。为此，需要建立相应的力学模型，探索简化的加工精度与共建材料性能、刀具参数、切削用量的关系。美国和日 本在此方面的研究较早，美国的N e w H a m p s h ir e 大学的 研究 较为 深入 和系 统， 发 表了 多篇论文。 研究主要集中 在对三轴至五轴加工受力分析上， 最近已 将切削力分型的结果用于进给量的自 动计算。 在西雅图召开的 “ 1 9 9 7美国科学基金会设计与制造领域受资助者”会议上，F u s s e l l 和 J e r a r e l 介绍了 它 们的 研究 项目“ F e e d r a t e S e le c t io n f o r N C M a c h in in g B a s e d o n P a rt T o le r a n c e “ ， 但尚未在商品化 C A D / C A M系统中得到应用。( 2 )基于不同数据的加工仿真根据在仿真过程中 的 数 据驱 动是采用C 以 C u tt e r L o c a t i