论文部分内容阅读
【摘 要】 数控加工机床的广泛应用也促进了人们对其的深入研究，数控加工物理仿真关键技术是当下研究的热点问题之一。本文首先分析了数控加工物理仿真研究现状，在此基础上分析了物理仿真系统的体系结构，最后论述了物理仿真的实现过程。
【关键词】 数控加工;物理仿真;关键技术
一、前言
仿真技术作为当下极为关键的模拟技术之一，可以帮助我们加深对研究问题的理解。数控加工物理仿真过程中，通过各项要素的模拟和分析，可以让我们更加清楚的了解数控加工中存在的不足，有利于我们改进当下的加工技术。
二、数控加工物理仿真研究现状
数控加工几何仿真是将数控机床、刀具、工件和夹具组成的工艺系统当作一个刚性系统，不考虑系统的各种物理因素而进行的仿真，解决对加工过程直观的动态图形描述和精度检验。数控加工物理仿真则是考虑整个工艺系统的动态特性对实际切削过程的仿真，由于产品的可制造性与切削过程中的物理条件密切相关，通过切削过程的物理仿真可以模拟切削过程的动态力学特性，优化切削参数，确保获得好的加工表面质量。单纯的几何仿真不能满足实际的数控加工要求，物理仿真对现代制造业更具有意义。
目前物理仿真主要有以下几种形式：
1、预测刀具切削性能的物理仿真。它可较准确地预测出刀具正常及非正常磨损，并可预测出由于刀面磨损、切削振动及冲击力所引起的刀具断裂。
2、预测切屑的大小及形状。由于切屑形态对工件表面粗糙度有一定影响，若其形态不好，也会缠绕在工件或刀具上，造成拉伤工件表面或打坏切削刃甚至伤人的弊端，因此，对它预测也很有意义。
3、预测机床或工件热变形对工件加工精度的影响。
4、预测切削力。切削力不仅可使刀具和工件产生弹性变形，而且过大的切削力还会破坏机床的执行机构，引起生产事故。
5、预测表面加工质量，优化加工参数。
三、物理仿真系统的体系结构
1、物理仿真的研究内容
加工过程的实质是材料的成型过程，在这个过程中伴随着许多复杂的物理现象的发生，因此物理仿真所需研究的内容众多，根据金属切削加工工业的需要，物理仿真的研究主要集中于以下几个方面：
（一）剪切区的建模与仿真，主要研究材料剪切过程中的应力、应变、应变率以及温度场的变化情况。
（二）切屑的形状及其形成过程的建模与仿真的研究，主要包括切屑的形成过程、切屑的形状以及断屑的研究
（三）切削力的建模与仿真，主要是研究切削过程中所消耗的能量以及切削力的变化情况。
（四）刀具的磨损和刀具寿命的建模与仿真，主要是研究刀具-工件，刀具-切屑接触面的情况，切削过程中的振动冲击对刀具寿命和刀具磨损的影响。
（五）表面质量的建模和仿真研究，主要是通过建立表面粗糙度、表面残余应力以及影响他们的物理因素的关系模型，来预测表面质量。
（六）加工精度的研究，通过建立尺寸精度与影响尺寸精度的物理因素的关系模型，仿真预测工件加工后的尺寸精度。
2、仿真系统的体系结构
根据物理仿真的研究内容及物理因素之间的关系，仿真系统的体系结构如图1所示。
图1 物理仿真系统的体系结构
四、物理仿真的实现
1、物理仿真的模型
图2 物理仿真的模型
2、物理仿真的准备
（一）建立机床库、刀具库和夹具库
建立各种机床的模型库，如法南克，西门子数控机床，建立机床库时，一并加入机床的描述文件，以便对刀位文件进行后置处理，生成与机床相匹配的NC代码，机床模型的建立包括工作台，夹具，工件的固定部分，刀具的固定部分，机床的保护罩，工作台上的燕尾槽。以真实机床作为建模对象。建立刀具的模型库，建立各种刀具的模型，并与刀具的参数相对应，以实现刀具的参数化选择、更改和切换，同样以真实刀具模型作为建模的对象，刀具模型中包括刀刃，螺旋，其模型由逆向工程技术获得。建立夹具的模型库，包含常用的标准夹具模型，并同时支持专用夹具的设计。
图3 数据库之间的关系
（二）建立材料库
建立材料的模型库，包括材质，强度值，模量等特性参数。材质即纹理，材质的获取：以实际加工中获得的工件表面纹理作为材料虚拟材质的定义和参考，借助照相机获取材料经各种加工后表面纹理图片，用OpenGL生成不同加工方式对应的材料的纹理（或材质）位图，以在仿真过程中增强视觉真实感效果。强度值，模量等其它参数，以实际经验数值作为材料物理参数的来源。
（三）建立粗糙度和加工精度库
以实际刀具或加工工艺所能达到的加工精度和粗糙度作为库的数据来源。需要指出的是，上述各库不是孤立的单元，而是一个相互关联的整体，一方面通过仿真配置（工艺参数）以粗糙度、精度库为中心产生作用，即由机床的型号，刀具和夹具的规格和采用的工艺方案，来预知一定材料的毛坯通过数控加工所能达到的精度和粗糙度;另一方面实现面向加工精度和粗糙度的机床、刀具和夹具、刀具和夹具材料的选用，以及工艺方案的选用，在满足加工精度和粗糙度的前提下，实现工艺方案的最优化配置。图中箭头表示“对应或匹配”，在质量分析报告中，精度和粗糙度的数值，按仿真中所选用的刀具、机床、夹具及材料本身从粗糙度、精度库中提取。
3、力学仿真的实现
采用力学分析实现力学仿真。对车床，相互作用的对象为旋转的工件和切削的刀具。加工中，工件相当于一个被支撑的梁，由材料力学经验公式计算加工过程中材料内部应力变化，当材料内部应力大小超过安全值时，系统产生警报，并着色应力集中处。对铣床或加工中心，以同样方式进行力学仿真。力学分析，它能够实现材料加工过程中应力分析，以满足工程分析的要求，并可以避免建立复杂的力学模型。力学分析对象包括运动着的刀具，被切削的零件，以及夹具。在对它们进行力学分析时采用以静代动的近似方法。此外，加工中的变形也可以类似力学分析进行。应力和变形的大小以文件的形式进行适时记录。
4、物理仿真切屑模型的建立
切屑对加工过程可视化必不可少，对加工质量的影响不可忽视，而且对增强仿真的真实感效果同样不可忽视。不同的刀具会产生不同形状的切屑，会有不同的排屑方式。模型建立以实际切屑模型作为参考，采用逆向工程技术重构，其模型在仿真过程中被调用。
5、物理仿真中随机性事件模型的建立
实际加工中难以预测刀具崩刃，夹具松动，工件变形，冷却液停送，停电，这些都会对工件质量产生影响，对这些事件需要找出它的原因，并对原因提炼公式，建立事件模型，以增强数控仿真的真实感。在仿真过程中，人为加入随机性事件，以试探可能出现的问题和相应的补救措施。
6、物理仿真的加工质量分析报告
加工质量分析报告对加工质量进行基于经验的估测，对加工过程进行记录，以完善设计。主要包括加工过程出错记录，换刀记录，零件粗糙度和加工精度记录，应力集中记录，人为随机性事件加入的记录，加工过程各个记录与时间的对应，尤其是加工错误与执行代码和时间的对应。以及刀具磨损记录。
7、物理仿真的要求
要求真实，有错必显、即显，多视向观察;要求加工中有声音的伴奏;要求有质量分析报告，即加工结果的评估报告，由仿真系统生成，以帮助完善设计。仿真过程中允许人为的工艺操作，如调整夹具的尺寸和位置，浏览质量分析报告，对毛坯的中间加工结果进行点位测量。物理仿真系统提供VR接口，支持虚拟现实技术，不仅有助于物理仿真系統的运作，而且有助于增强物理仿真的效果。
五、结束语
综上所述，利用仿真实验的办法来模拟数控加工的过程是极为有效的，能够清晰明确的了解数控加工的水平如何，进而提出改进的办法，为提高数控加工打开突破口。
参考文献：
[1]唐荣锡.CAD/CAM技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2010.12.
[2]乔咏梅，张定华，张淼，等，数控仿真技术的回顾与评述，计算机辅助设计与图形学学报，2008，7（4）.
【关键词】 数控加工;物理仿真;关键技术
一、前言
仿真技术作为当下极为关键的模拟技术之一，可以帮助我们加深对研究问题的理解。数控加工物理仿真过程中，通过各项要素的模拟和分析，可以让我们更加清楚的了解数控加工中存在的不足，有利于我们改进当下的加工技术。
二、数控加工物理仿真研究现状
数控加工几何仿真是将数控机床、刀具、工件和夹具组成的工艺系统当作一个刚性系统，不考虑系统的各种物理因素而进行的仿真，解决对加工过程直观的动态图形描述和精度检验。数控加工物理仿真则是考虑整个工艺系统的动态特性对实际切削过程的仿真，由于产品的可制造性与切削过程中的物理条件密切相关，通过切削过程的物理仿真可以模拟切削过程的动态力学特性，优化切削参数，确保获得好的加工表面质量。单纯的几何仿真不能满足实际的数控加工要求，物理仿真对现代制造业更具有意义。
目前物理仿真主要有以下几种形式：
1、预测刀具切削性能的物理仿真。它可较准确地预测出刀具正常及非正常磨损，并可预测出由于刀面磨损、切削振动及冲击力所引起的刀具断裂。
2、预测切屑的大小及形状。由于切屑形态对工件表面粗糙度有一定影响，若其形态不好，也会缠绕在工件或刀具上，造成拉伤工件表面或打坏切削刃甚至伤人的弊端，因此，对它预测也很有意义。
3、预测机床或工件热变形对工件加工精度的影响。
4、预测切削力。切削力不仅可使刀具和工件产生弹性变形，而且过大的切削力还会破坏机床的执行机构，引起生产事故。
5、预测表面加工质量，优化加工参数。
三、物理仿真系统的体系结构
1、物理仿真的研究内容
加工过程的实质是材料的成型过程，在这个过程中伴随着许多复杂的物理现象的发生，因此物理仿真所需研究的内容众多，根据金属切削加工工业的需要，物理仿真的研究主要集中于以下几个方面：
（一）剪切区的建模与仿真，主要研究材料剪切过程中的应力、应变、应变率以及温度场的变化情况。
（二）切屑的形状及其形成过程的建模与仿真的研究，主要包括切屑的形成过程、切屑的形状以及断屑的研究
（三）切削力的建模与仿真，主要是研究切削过程中所消耗的能量以及切削力的变化情况。
（四）刀具的磨损和刀具寿命的建模与仿真，主要是研究刀具-工件，刀具-切屑接触面的情况，切削过程中的振动冲击对刀具寿命和刀具磨损的影响。
（五）表面质量的建模和仿真研究，主要是通过建立表面粗糙度、表面残余应力以及影响他们的物理因素的关系模型，来预测表面质量。
（六）加工精度的研究，通过建立尺寸精度与影响尺寸精度的物理因素的关系模型，仿真预测工件加工后的尺寸精度。
2、仿真系统的体系结构
根据物理仿真的研究内容及物理因素之间的关系，仿真系统的体系结构如图1所示。
图1 物理仿真系统的体系结构
四、物理仿真的实现
1、物理仿真的模型
图2 物理仿真的模型
2、物理仿真的准备
（一）建立机床库、刀具库和夹具库
建立各种机床的模型库，如法南克，西门子数控机床，建立机床库时，一并加入机床的描述文件，以便对刀位文件进行后置处理，生成与机床相匹配的NC代码，机床模型的建立包括工作台，夹具，工件的固定部分，刀具的固定部分，机床的保护罩，工作台上的燕尾槽。以真实机床作为建模对象。建立刀具的模型库，建立各种刀具的模型，并与刀具的参数相对应，以实现刀具的参数化选择、更改和切换，同样以真实刀具模型作为建模的对象，刀具模型中包括刀刃，螺旋，其模型由逆向工程技术获得。建立夹具的模型库，包含常用的标准夹具模型，并同时支持专用夹具的设计。
图3 数据库之间的关系
（二）建立材料库
建立材料的模型库，包括材质，强度值，模量等特性参数。材质即纹理，材质的获取：以实际加工中获得的工件表面纹理作为材料虚拟材质的定义和参考，借助照相机获取材料经各种加工后表面纹理图片，用OpenGL生成不同加工方式对应的材料的纹理（或材质）位图，以在仿真过程中增强视觉真实感效果。强度值，模量等其它参数，以实际经验数值作为材料物理参数的来源。
（三）建立粗糙度和加工精度库
以实际刀具或加工工艺所能达到的加工精度和粗糙度作为库的数据来源。需要指出的是，上述各库不是孤立的单元，而是一个相互关联的整体，一方面通过仿真配置（工艺参数）以粗糙度、精度库为中心产生作用，即由机床的型号，刀具和夹具的规格和采用的工艺方案，来预知一定材料的毛坯通过数控加工所能达到的精度和粗糙度;另一方面实现面向加工精度和粗糙度的机床、刀具和夹具、刀具和夹具材料的选用，以及工艺方案的选用，在满足加工精度和粗糙度的前提下，实现工艺方案的最优化配置。图中箭头表示“对应或匹配”，在质量分析报告中，精度和粗糙度的数值，按仿真中所选用的刀具、机床、夹具及材料本身从粗糙度、精度库中提取。
3、力学仿真的实现
采用力学分析实现力学仿真。对车床，相互作用的对象为旋转的工件和切削的刀具。加工中，工件相当于一个被支撑的梁，由材料力学经验公式计算加工过程中材料内部应力变化，当材料内部应力大小超过安全值时，系统产生警报，并着色应力集中处。对铣床或加工中心，以同样方式进行力学仿真。力学分析，它能够实现材料加工过程中应力分析，以满足工程分析的要求，并可以避免建立复杂的力学模型。力学分析对象包括运动着的刀具，被切削的零件，以及夹具。在对它们进行力学分析时采用以静代动的近似方法。此外，加工中的变形也可以类似力学分析进行。应力和变形的大小以文件的形式进行适时记录。
4、物理仿真切屑模型的建立
切屑对加工过程可视化必不可少，对加工质量的影响不可忽视，而且对增强仿真的真实感效果同样不可忽视。不同的刀具会产生不同形状的切屑，会有不同的排屑方式。模型建立以实际切屑模型作为参考，采用逆向工程技术重构，其模型在仿真过程中被调用。
5、物理仿真中随机性事件模型的建立
实际加工中难以预测刀具崩刃，夹具松动，工件变形，冷却液停送，停电，这些都会对工件质量产生影响，对这些事件需要找出它的原因，并对原因提炼公式，建立事件模型，以增强数控仿真的真实感。在仿真过程中，人为加入随机性事件，以试探可能出现的问题和相应的补救措施。
6、物理仿真的加工质量分析报告
加工质量分析报告对加工质量进行基于经验的估测，对加工过程进行记录，以完善设计。主要包括加工过程出错记录，换刀记录，零件粗糙度和加工精度记录，应力集中记录，人为随机性事件加入的记录，加工过程各个记录与时间的对应，尤其是加工错误与执行代码和时间的对应。以及刀具磨损记录。
7、物理仿真的要求
要求真实，有错必显、即显，多视向观察;要求加工中有声音的伴奏;要求有质量分析报告，即加工结果的评估报告，由仿真系统生成，以帮助完善设计。仿真过程中允许人为的工艺操作，如调整夹具的尺寸和位置，浏览质量分析报告，对毛坯的中间加工结果进行点位测量。物理仿真系统提供VR接口，支持虚拟现实技术，不仅有助于物理仿真系統的运作，而且有助于增强物理仿真的效果。
五、结束语
综上所述，利用仿真实验的办法来模拟数控加工的过程是极为有效的，能够清晰明确的了解数控加工的水平如何，进而提出改进的办法，为提高数控加工打开突破口。
参考文献：
[1]唐荣锡.CAD/CAM技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2010.12.
[2]乔咏梅，张定华，张淼，等，数控仿真技术的回顾与评述，计算机辅助设计与图形学学报，2008，7（4）.