虚拟数控（共8篇）
虚拟数控 篇1
随着社会的不断进步和科技的迅猛发展, 数控加工技术在机械制造业被广泛的应用, 数控操作者的大量培训便成为时下行业内亟待解决的问题。在传统的操作者教学和培训中, 由于数控编程和基础知识大多都是在课堂进行的, 这种教学方式不但无法合理的对学生传递基础知识, 并且无法做到有效学生动手操作能力培训。这主要是由于在教学中既占用了设备的加工时间, 同时有存在着较为严重的风险, 在培训中一旦发生错误的操作, 经常会导致昂贵的设备损坏问题。随着近年来计算机技术的飞速发展, 尤其是虚拟技术理论和实践的发展, 使得在教学中产生了虚拟实际设备工作状态的方针训练模式。这种训练措施和方法是采用计算机仿真技术为基础来对学生进行实践和动手能力培训, 这种做法不但能够迅速的提高学生的动手操作能力, 而且安全、经济、可靠, 不存在相关的危险因素。
1 虚拟数控机床概述
1.1 虚拟技术的开发应用
数控技术发展在一定程度上推进了工业化文明的发展, 而随着科学技术的不断发展, 工业机床功能和结构不断复杂, 这就在一定程度上加大的维修难度, 同时也对数控维修教学提出了新的要求和难题。在这种社会背景下, 传统的维修教学方法和措施已经无法满足社会发展要求, 无法达到教学的目的, 这就需要对教学方式进行研究和改革, 通过采用先进的科学技术成果进行综合研究, 从而提出了新的教学理论体系———虚拟数控机床。
随着虚拟数控技术的深入发展, 尤其是虚拟数控机床技术的应用与发展为数控维修教学带来了新的方向和升级。在教学中, 采用虚拟数控技术不但能够解决在教学中机床少而无法使得每个学生进行动手操作和掌握数控知识的问题, 而且也能够提高学生维修效率和准确性, 确保在机床维修中维修手段和方法的准确合理。
1.2 虚拟数控机床
我们所说的虚拟数控机床是以计算机为媒介制造出的虚拟执行单元, 这种技术手段也可以看做是通过虚拟制造的底层关键技术和条件。在数控维修教学中采用虚拟数控机床技术的最终目的和措施是在计算机上采用方针加工技术形成一个真实存在的教学环境, 同时让学生在学习中能够有一个全面的、系统的、真实的环境。在实际教学过程中, 虚拟机床不仅能够将教学中的各种知识点全面、系统的展现在计算机屏幕上, 同时还能够对教学的流程和维修环境形成一个系统而又真实的显示模式。这种教学措施和方法能够及时合理的为学生提供知识信息, 同时便于学生在学习中对数控机床的构成原理和组成知识进行掌控。
2 虚拟数控机床的功能
与科学幻想相似, 想象力和技术的相互结合, 造成了在教学中虚拟模式的现实流程, 从而形成了系统化的教学模式。在现代的教学体系中, 虚拟数控机床和实际数控机床在一定程度上是相似的, 尤其是在仿真结构和造型组成上, 更是具有着完整的雷同方式。在数控维修教学中, 学生抗压通过仿真技术来代替实际机床进行操作和维修, 这就避免了真实机床造作中造成设备损坏问题。同时在虚拟机床的教学过程中, 具有着独特的个性化特征, 但是同样也存在着一定的问题, 譬如在教学中出现结构失真或者数据丢失等问题。在虚拟数控机床的教学过程中, 这种模块通常都是独立开发的, 在教学过程中都能够对机床的可操作性和管理型提供合理的解决平台。
在实际数控维修教学中, 其具体表现在虚拟数控机床的实际工作中, 还可以通过对图形接口进行完善来体现真实的虚拟环境下的计算机控制流程, 通过在教学的过程中随时的观察机械运行状态原理和不同运行过程中的机床参数进行分析和控制, 以达到在教学中人皆结合的目的, 使得教学数据接口显示符号更是趋于实际。
目前在国内已经有不少院校将计算机仿真技术和虚拟数控技术应用在数控维修教学工作中, 通过在教学中产生的各种仿真系统和技术流程, 这些教学系统既能单机系统独立运行, 同时又能够在运行的过程中全面的总结有效的工作模式。数控机床的模拟操作在显示屏显示的仿真面板上进行, 而在教学之中通过有机床模型进行三维动画演示来实现学生对各环节维修操作系统的认识。同时在线运行的情况下对机床的工作原理和流程全面的总结, 实现系统化的工作模式和要求。
虚拟数控机床在教学工作中应当具有和真是机床完全相同的结构体系。在机床维修工作中, 任何功能的不足便会产生极大的影响, 甚至是熬成信息结构失真和丢失, 因此其在应用的过程中应当与机床界面和风格相同, 同时为技术人员提供必然的保证依据。
虚拟数控机床具有着强大的网络功能和操作功能, 为实现全面教育提供了基础, 也为实现远程操控和远程教育提供了平台。同时在教学的过程中为完善图形的处理和标准数据的接口提供了基础。用户既能在真实的环境中运行虚拟机床, 又能观察它的各种远行参数, 并能与其他CAD/CAM软件接口。
3 平台的购建
教学过程中通过虚拟数控机床的应用实现了满足了上述的功能需求, 让教学工作在虚拟机床的平台上进行的更为顺畅, 教学效果也有极大的提高。
3.1 NC解释平台, NC解释平台的构建是实现虚拟数控机床在
教学中合理分配教学任务、实现教学目标的关键, 它主要由NC解释器和NC验证器两部分组成。
3.2 NC验证器, 能够验证NC代码的语法正确性。验证器在教学过程中经常被用到, 由于教学效果直观, 深受好评。
3.3 刀具库的设置, 刀具库可以说是数控机床中最难控制的环
节, 刀具库主要包括数控机床运行中常见的各种道具, 且能够在工作中任意转换。
3.4 仿真平台仿真平台包括刀具轨迹仿真、切削力仿真, 加工精
度仿真、三维动画仿真、加工工时统计分析, 仿真平台是虚拟数控机床的核心技术。
4 结论
科技的发展尤其是虚拟技术的进步促使教学中的本来比较复杂的事情和问题, 变得简单化、直观化, 通过虚拟机床在数控维修教学中的应用, 让教学起到了质的变化, 理论和实践很好的予以结合。综上所述鉴于现阶段教学中虚拟数控机床具备了完善的数控机床功能, 因此, 在教学中针对课程和学生人数增加的情况具有良好的实践模式, 有效的缓解了学生与机械之间的供需矛盾。
摘要：从目前的企业发展来看, 企业对数控人才的要求越来越高, 在工作中不仅要求工作人员会基本的数控操作、数控编程, 而且要求工作人员具有较高的数控调试、维护和维修水平。而在实际的数控维护教学中, 由于受到设备和教学方式的限制, 使得在教学中无法满足每一个学生的学习要求, 受此影响, 虚拟数控技术应运而生, 成为现阶段教学的主要方式, 为满足学生的学习要求提供了基础。在教学中要想保证虚拟数控技术更好的应用在数控维修教学中, 还需要对虚拟数控技术相关内容进行总结和归纳。本文主要从数控维修教学的概况和功能分析, 对虚拟数控机床在数控维修教学中的应用进行了全面介绍。
关键词：虚拟,数控技术,机床,数控维修,教学
虚拟数控 篇2
一、现有数控专业教学中存在的问题
目前各技工院校数控课教学中，理论课与实践教学比例应该为1:1，而目前数控设备均为大型设备，价格较为昂贵，一台教学用的数控车床或铣床价格在8万元左右，生产用的数控机床少则几十万，多则上百万。然而许多职业学校经济拮据，数控设备严重缺乏，教师不得不以理论讲授为主，学生动手独立操作与实际维修训练的机会很少。有些职业学校即使有数控设备，数量也非常有限，只能给学生做些演示试验，不能适应实训教学，每个学生在数控机床上的独立操作实训时间很少，而且实训重点也仅放在数控机床的简单操作上，严重脱离生产实际，实训效果很差。主要存在下面几个突出问题。
1.数控加工专业
虽然教师在课堂上讲授了关于数控编程的相关知识，学生也能够进行独立编程，但是学生设计的程序难免出现各种问题，如果直接用学生编制的程序加工，就会出现各种撞刀事件，这样不仅损坏了机床，而且对于学生也可能出现人身伤害。如果有一套软件，能够在正式加工之前能够检验程序的正确性，那么学生再进行实际加工时，会更加安全和准确。
2.数控维修专业
数控维修专业往往在下面几个方面存在教学上的局限性：
（1）机械结构的局限。数控机床由于其机械结构较复杂、体积庞大，无法观察到产品的细节和内部构造；传统教学也不能轻易拆解机床，学生对机床机械结构的理解不直观，机械图样不容易理解，照片、模型不能动态了解实际结构。而如果想进行实际机床拆卸，对于外在所需要的装卸工具也有很大的限制，比如，大型零件的装卸，包括刀库的装卸、机床主轴电机的装卸等，就需要专门的吊车进行。另一方面，即使条件允许，能够对数控机床进行装卸，但是数控机床价格昂贵，新手实际操作容易出现失误或者重复地对机床进行装卸，将导致数控磨损严重，产生大量的维护维修费用，给学校造成经济损失，同时，在装卸过程中的一些安全问题也需要重点考虑。
（2）电气控制的局限。传统电路教学难度大学生不易理解。接线实验损耗大，接线结果不易检查。试验台成本高、数量少。
（3）故障诊断与维修教学设备的局限。传统电路教学故障模拟难度大，多停留在理论教学；而且即使有的学校购买了部分数控维修实验台，但是也是存在种种局限性。
（4）技能鉴定或者考试中的局限。如果用真实的机床来检验，往往存在考核内容工作量大，不但费时费料，还有可能破坏机床，造成事故。如果教师把所有学生的方案都进行批阅，花费时间太多，教学效率极低。特别当需要大量技能鉴定的时候，尤其受到现实条件的限制。
二、如何解决数控维修教学中存在的问题：虚拟数控技术的应用
1.虚拟技术的概念
所谓虚拟技术，是指它利用计算机技术生成一个逼真的，具有视、听、触等多种感知的虚拟环境，用户通过使用各种交互设备，同虚拟环境中的实体相互作用，使之产生身临其境的感觉，是一种先进的数字化人机接口技术。它与传统的模拟技术相比，其主要特征是：操作者能够真正进入一个由计算机生成的交互式三维虚拟环境中，与之产生互动，进行交流。通过参与者与仿真环境的相互作用，并借助人本身对所接触事物的感知和认知能力，帮助启发参与者的思维，以全方位地获取虚拟环境所蕴涵的各种空间信息和逻辑信息。而随着虚拟现实技术及计算机技术的发展，如今出现了可以模拟实际机床加工环境及工作状态的计算机仿真加工系统：虚拟数控技能培训的仿真软件。
2.虚拟数控系统培训软件功能
虚拟数控软件是集虚拟数控加工仿真以及机械原理、结构与拆装、电气原理、电路接线以及故障设置、故障排除以及数控系统、PLC梯形图系统故障诊断排除于一身的完整的三维虚拟数控机床培训系统。机械部分包括加工中心、车床（包括铣床、平床），同时还包括激光干涉仪，用于数控机床安装精度纠正以及测量的操作原理演示。电气原理以及数控系统，包括法兰克、西门子、华中、广数，虚拟数控机床培训系统采用实体机床进行逼真重建的方法，对数控机床的每一个零部件——每一个螺钉、每一个电气元器件进行模拟仿真，每一个部件都可以进行虚拟拆卸、安装，而且每一个元器件都具有属性，可以随意组成电路，设置故障，让学生学习故障排除方法。同时为电路故障排除提供了一个逼真的三维虚拟环境和符合人们自然交互习惯的人机交互界面。数控加工操作面板，与实际系统运转一模一样。同时，系统能够实现真正的自由式人机互动，最重要的是它能够让学生进行拆卸安装以及故障诊断排除，学生自己做什么样的三维互动操作，系统就能做出相应的反应。虚拟数控培训系统能让学生自己决定每一个使用操作步骤，系统能够根据学生的操作做出实时的反应，判断。这样才能真正达到学生动手参与实验操作的目的。
虚拟数控维修软件包括三个基本模块：教学模块、实训模块和考核模块。教学模块中的数控机床包括概述、机械原理、机电控制、虚拟实验、工具备件等。数控系统有FANUC、Siemens、华中、广数等几种常用数控系统。实训模块包括数控机床主机机械部件拆装、电气线路连接、虚拟故障排除等内容。另外，还有一个供教师对学生进行考核的模块。通过这个虚拟软件的应用我们可以在下面教学方面能够获得很好的教学效果。
（1）机械装配方面。虚拟技术通过3D模型可以让学生模拟安装拆卸机床。通过安装拆卸了解机床机械结构。通过动画了解机械运转方式。效果直观、容易理解。模拟机械安装调试操作，模拟多种机械故障，可以让学生模拟操作。
（2）电气线路连接方面。虚拟技术的动态互动电路（活电路）方便学生理解学习。老师可以根据教学课程设置电路图和接线模型，方便电路教学。虚拟接线仿真度高，可直接查看接线结果。
（3）数控机床的维修方面。虚拟技术通过3D仿真机床，模拟机床参数设置，演示参数修改效果。仿真PLC故障，模拟PLC操作排除故障。老师可以根据教学进度任意设置电气故障进行教学。
（4）技能考核（考试）方面。考试模块通过编辑并加载考试项目后，对应试学员的考试模块就会出现考试内容，并可实时考试记录保存，自动评分，就可以实现无纸化考试管理。
因此，这种虚拟数控维修技术有这么两个典型特点：第一，操作安全。运用计算机模拟仿真进行数控实习教学操作更加安全，学生的实操过程和编程指令以及走刀路线都能在模拟仿真中体现出来，学生可以直观地看到自己的加工工艺和加工方法是否正确，再上机床操作，避免了由于学生操作失误而造成对学生自身和设备的危害。学生可以大胆尝试多种选择，消除或减少紧张情绪，减少练习初期由于紧张产生的畏惧心理。第二，允许出错，运用计算机模拟仿真进行数控实习教学允许出错。在模拟仿真中，可设计出多种实际工作中可能发生的变化，包括事故、故障和生产中极少出现的突然情况，使学生得到岗位技能的全面训练。如在设置换刀点时，如果离工件过近，学生就可以在仿真过程中看到换刀时刀具撞上工件的现象。
3.如何合理地将其应用到实际教学中去
针对虚拟数控仿真软件的特点和中职学校数控技术专业实践教学中存在的矛盾，在建构主义学习理论和双主体教学模式的指导下，运用虚拟仿真软件数控建构了一种适合中职数控专业课程课堂教学的探究型学习模式。该模式是基于项目学习的小组合作探究型学习模式。运用虚拟仿真软件开展数控技术专业课程的项目探究教学，有利于实现理论与实践一体化教学。在没有虚拟仿真软件的情况下，一个项目可能有多种解决方案，甚至还有的学生探究不出正确的方案。如果用真实的机床来检验，不但费时费料，还有可能损坏机床，造成事故。如果教师把所有学生的方案都进行批阅，花费时间太多，教学效率极低。运用虚拟数控仿真软件来检验，不但省时省料，十分安全，还能提示错误，解放了教师，学生自己就能知道自己的方案是否正确，不仅有利于探究型课堂的开展，也有利于学生实践能力的提高。
4.合理利用软件仿真，重视实际操作
虽然虚拟数控培训系统有如此出众的功能，但是，在教学中，我们也发现部分学生通过几道程序的编写后沾沾自喜，从而放松学习、训练涣散，最终只能落得一知半解的结果，严重影响了教学质量和浪费了教学资源。产生这种现象的根源在于老师没讲明白软件仿真与实际加工的区别，所以就要求教师具有把教学与生产结合起来的能力，只有具有了这种能力才能把软件仿真教学与实际加工有机地结合起来，取长补短，博采众长，有效地提高教学效率。因此，数控教学只能用软件仿真进行初期感性训练和基本程序与指令代码的练习，而不能把整个教学活动完全放在软件上，对实际加工必须有足够的重视。必须保证软件仿真教学得到充分的运用，同时，又要保证实际操作的地位得到权威性的提高，才能有效地组织数控教学，使数控教学既科学又客观，既高效又实用。
三、总结
鉴于虚拟数控培训系统如此出众的功能，把虚拟数控系统软件引入到教学之中，使之用于数控机床操作培训，无疑是个明智之举。这样，既可以避免因误操作造成价格昂贵的数控机床的损坏，又可以使操作人员在对仿真数控机床操作过程中产生现场感和真实感。同时，由于其成本较低，可以大量地配置终端，彻底解决了数控机床数量不足的难题，使每位学员都能有足够多的实践机会，因此能够让学生更快地熟悉和了解数控加工的工作过程，掌握各种数控机床的操作方法。其更大的好处还在于，在实现了同样培训效果的情况下，将加工出错率及事故发生率降低到了最低程度。
虚拟数控车床仿真系统的研究 篇3
关键词：虚拟现实,数控车床,模型构建,人机交互
虚拟现实 (Virtual reality) 简称VR, 是在计算机环境中逼真地模拟人在现实环境中操作和控制环境行为的人机交互技术虚拟现实技术, 不仅能够有效地替代实验操作, 而且是解决许多现有实验条件下无法验证和探索问题的最好方法。
在数控加工过程中, 为了缩短产品开发周期, 减少产品的开发成本, 许多CAD/CAM软件都开发数控加工仿真模块, 通过对加工过程的模拟取代或减少试切。但目前的CAD CAM也是仅仅提供工件和刀具的轨迹仿真, 而作为一个数控设备的培训系统, 仅仅有刀具轨迹的仿真是远远不够的, 在培训环境里必须考虑到数控加工的所有环节。
在数控车床培训教学中, 虚拟仿真系统可使学员在虚拟世界里沉浸、交互和想象, 从而获得数控机床加工的知识和操作体验, 使学员更快地掌握操作方法, 即使操作不当或数控程序有误也不会造成经济损失, 有效地降低教学成本和提高教学质量。
1 虚拟数控车床的功能框架
虚拟数控车床系统共由三个板块组成 (如图1.1所示) :输入子系统、输出子系统和虚拟健身处理子系统, 其系统框架结构如图1.2所示。
1.1 输入子系统
主要实现虚拟外设传感器 (鼠标、键盘等) 对虚拟数控车床发出指令, 将输入信号传递到虚拟健身环境中去, 以触发各种事件。
1.2 输出子系统
它将虚拟数控车床中的各种信息实时反馈给用户, 主要通过显示器、音响等设备, 同时动态显示虚拟数控车床运动的过程, 将刀架运动、卡盘旋转等信息通过人机界面显示出来。
1.3 虚拟数控车床处理子系统
主要对输入信息进行实时处理, 根据外设输入信号实时调用内部程序模板, 同时该子系统还将处理后的信息实时反馈给输出子系统。
2 场景数据库的层次结构
虚拟数控车培训环境主要由加工环境、车床运动及仿真、培训指南组成, 它的系统结构如图2.1所示。
三维虚拟场景是虚拟数控车系统的一个重要组成部分, 对于大数据量的虚拟数控车场景, 模型数据的管理和层次结构直接影响到系统的运行效率, 虚拟场景数据库文件是以树状结构的二进制数据方式存储的, 按照从上到下的顺序, 主要分为根节点、组节点、体节点、面节点和点节点, 此外还有其它一些特殊用途的辅助节点, 这些节点存储了模型构成要素所必需的位置信息与属性信息。
3 虚拟数控车床的模型构建
为了完成数控加工全景仿真, 首先必须建立虚拟加工环境。建立数控车床仿真环境的目的是为仿真培训提供一个与真实的加工环境相似的虚拟加工环境, 用于仿真和评估各加工及操作过程。虚拟加工环境建立在实体模型基础上, 包括零件、夹具、机床部件和刀具等模型。数控车床几何模型的结构主要是装配结构, 它是以模块为基础形成装配关系决定的。建立数控车床几何模型的关键是几何模型的表达。
3.1 模型优化
模型优化的方法主要有3种:减少多边型的数量 (Polygon、Reduction) 压缩材质贴图和压缩几何对象。具体实现方法如下:通过设定Scene/Resource/Meshes下的MeshResourceGroup节点, 可以削减多边形的数量;通过设定Scene/Resources/Texture下的TextureResourceGroup节点, 可以选择该目录下所有节点的材质贴图压缩, 所有材质贴图被压缩的程度是相同的;而进行几何对象压缩时, 需要在MeshResource Group节点里设定控制网格物件的总数目或者确定所有在MeshResourceGroup的网格物件在UseGroupSettings领域下已被勾选, 然后GeometryCompressionLevel设定所想要整体压缩的程度。
3.2 视觉效果优化
EON比其他虚拟现实软件多了支持NV显卡CG材质的功能以及拥有一些特殊的画面处理手法的功能, 在色彩、视觉上可以达到照片级效果。要使EON最终效果在3DMAX和EON中看起来相同, 最好采用烘焙技术。
4 虚拟数控车床人机交互的实现
4.1 实现机理
在系统中, 虚拟环境下, 人与装配元件的行为交互、装配元件之间的交互及其状态和属性均是通过传感器触发、事件驱动和路由 (Route) 机制实现的。
通过系统中设置的传感器节点 (如MouseSensor、KeyboardSensor、TimeSensor等) 接收用户指令, 然后由路由把相关的数据信息发送出, 以实现交互。路由用于连接节点, 定义事件 (event) 的发送与接收方式, 它体现了节点与节点之间的一种特定的关联。
4.2 虚拟场景交互方式EON支持Microsoft的ActiveX标准, 提供一个名为EonX5.0.1的ActiveX控件
利用该控件用户可以使用VC6.0、VB、C++Builder等支持Com接口的开发语言建立自己的用户界面并与EON内部的路由解释器进行相互通讯, 以实现灵活性更广、功能更强的应用程序。其原理框图见图4.3。
5 结束语
虚拟数控机床操作系统可以脱离真实的车间生产环境, 在一个相对安全和优越的条件下实现对真实机床的模拟操作。随着相关的硬件、软件成本的逐渐减低以及技术方面的不断突破, 虚拟数控车床仿真系统的应用在科研、生产及教育等领域将得予普及, 其发展前景的巨大的。
参考文献
[1]王爱玲.现代数控原理及控制系统[M].北京:国防工业出版社, 2002.
[2]王爱玲.数控机床结构及应用[M].北京:机械工业出版社, 2006.
[3]卓迪仕.数控技术及应用[M].北京:国防工业出版社, 1994.
虚拟数控 篇4
碰撞与干涉检验是加工过程仿真的重要内容,具有很重要的意义。在真实加工中,碰撞会造成工件报废和设备损坏,甚至威胁到操作者的人身安全。在虚拟加工环境下,碰撞与干涉检验不仅要检验刀具、工件、夹具之间的碰撞现象还要检验刀具与已加工表面之间的干涉现象,这些内容对于优化数控程序的编制都是十分重要的。
在虚拟车削加工中,碰撞的危险程度较高,必须极力避免。比如刀具与夹具或工件的碰撞,不但会造成刀具的折断,夹具的损坏,工件的报废,甚至严重的还会造成人身伤害,造成重大的安全事故。干涉是程度轻微的碰撞现象,但对于提高加工精度是不利的,比如车削角度不合理时,刀具后刀面与已加工表面之间会发生严重的干涉,最终造成已加工表面精度下降,甚至报废。现针对以上两类情况进行检验。
1 碰撞算法及实现
在实际的仿真加工过程中,插补运算和工件实体的更新运算都已经消耗了大量的计算机资源,如果此时再使用三维碰撞算法,虽然较为精确,却是不可行的,它将会使计算机资源枯竭,无法达到动态实时仿真的目的,因此必须进行降维处理。对于车削加工而言,其主要进行的是回转体工件的加工,考虑到其对称性以及刀具的运动轨迹近似在刀位点与零件轴线形成的二维加工平面上,因此可以将三维碰撞检验转换为二维。
采用基于固定时间段的碰撞检验方法,每隔Δt就判断一次加工平面上的刀具切面与零件切面和夹具切面是否相交,从而推断碰撞是否发生。为了能够在检验的过程中不漏掉可能发生的碰撞,将时间间隔Δt设定为与插补同步,即每得到一个插补位置时就进行一次碰撞检验,这样高的精度可以达到准确、实时、不漏检的目的,也可以避免重新按步长离散所需的时间。
碰撞检验的核心问题是求交问题,通常采用多边形布尔运算来求解,即通过布尔运算规则,通过一定的顺序来遍历顶点,从而得出运算结果的多边形。但是碰撞检验的目的并不是得出布尔运算的结果,而是对于是否相交的判断,因此如果直接采用多边形布尔交运算来求交集,虽然结果是精确的,但算法复杂,加上Δt取值的微小,其总运算量是巨大的,也难以满足动态实时仿真的要求。现对此进行了优化,采用多边形重叠检验来进行求交判断,该方法可以用来快速判断两个多边形是否会相互重叠,迅速排除掉不可能相互重叠的情况,从而减少计算工作量,加快图形处理的速度。
首先构造多边形的最小包含矩形,多边形的最小包含矩形是指在平面上能包含该多边形的最小矩形。该矩形的四条边分别平行于两坐标轴,所以矩形的位置和大小可以用Xmax,Xmin,Ymax,Ymin四个参数来定义,其值是多边形顶点坐标中的极值,如图1所示。
其次利用多边形的最小包含矩形进行重叠性检验,如果两个多边形的最小包含矩形不发生互相重叠,则这两个多边形之间的交集必为空。此时,必定有如下4个不等式中的一个成立,即:
XAmax≤XBmin,XAmin≥XBmax
YAmax≤YBmin,YAmin≥YBmax
由于最小包含矩形是多边形整体的近似,所以当以上4个不等式都不满足时,还需要根据夹具切面,刀具切面和工件切面的多边形形状在局部进一步离散,通过增加最小包含矩形的方法进行进一步精确检验。
设计了碰撞检验类CollisionCheck来进行碰撞检验:
2 干涉算法及实现
加工干涉是指在切削被加工面时,刀具切削了不该切削的部分,也称为过切。过切严重影响了零件的加工精度和已加工表面品质,必须要采取相应措施减小或消除加工干涉,因此对于干涉现象的检验是十分必要的。对于车削加工而言,干涉情况主要是在圆弧切削中存在着刀具后刀面和已加工表面的干涉。
圆弧加工过程中的干涉检验几何模型如图2所示,假设圆弧起点为A点,终点为B点,最高点为C点,圆心为O。刀具的刀位点是按照圆弧ACB走刀的,其中AC段为第一象限逆弧,存在干涉可能,取该段上的任意点D来分析。当刀位点在D点时,连接OD,经过D点作圆弧的切线L, L与工件轴线的夹角为α,加工平面内刀具的副切削刃与工件轴线的夹角为β。α和β之间的关系决定着刀具后刀面与圆弧面是否发生干涉。当α<β时,刀具不与圆弧面发生干涉,当α>β时则发生干涉。
设计了干涉检验类InterferCheck来进行干涉检验:
由于干涉现象一般在动态仿真的过程中很难直接观测到,因此设计了干涉区域求解函数InterferArear,利用多边形重叠性检验求解出发生干涉的具体区域并进行标识,使用户从计算机屏幕上可以直接观测到干涉发生的具体位置以及干涉范围的大小,增强了干涉检验的直观性。
3 实例分析
在Visual C++6.0平台上结合OpenGL三维图形库进行了测试平台开发,并对所设计的碰撞和干涉检验算法进行了实例分析。碰撞检验算法的实例分析如图3所示,从图中可以看到发生碰撞时,信息提示栏会发出报警信息,指示出发生碰撞的类型及开始发生碰撞时的刀位点坐标值。
干涉检验算法的实例分析如图4所示,从图中可以看到发生干涉时,信息栏会发出报警信息,指示出开始发生干涉时的刀位点坐标值,图中泛红显示的区域为目前已经干涉到的具体区域。
4 结论
通过对虚拟数控车削加工中碰撞检验技术的研究,设计了碰撞检验算法对碰撞现象进行检验。该算法采用基于固定时间段的检验方法,将三维碰撞检验转换为二维多边形的重叠性检验,同时将时间段取为与插补同步,有效避免了漏检情况的发生。对车削圆弧加工中的干涉现象进行了分析,设计了干涉检验算法和干涉区域求解算法,用户可以直接观测到干涉发生的具体位置以及干涉范围的大小。最后开发了测试平台,对算法进行了实例分析,结果表明该算法可以有效地对虚拟数控车削加工中的碰撞和干涉现象进行检验,且与传统的布尔运算方法相比,有效率较高,直观性较好等优点,为进一步完善数控程序提供了依据。
参考文献
[1]郑阿齐.Visual C++实用教程[M].北京:电子工业出版社,2004:186-257.
[2]OpenGL体系结构审核委员会著.OpenGL编程权威指南[M].吴斌,段海波,薛凤武,译.北京:中国电力出版社,2001:134-162.
[3]赵瑾,周来水,张臣,等.数控仿真中的实时碰撞检测算法的研究[J].计算机工程与应用,2005(10):200-202.
浅析数控加工虚拟实训系统的开发 篇5
1 实训系统功能分析
数控加工虚拟实训系统需要尽可能真实的模拟和仿真实际机床操作和加工零件的过程, 同时也要具有高度模拟加工车间的环境, 能够使学习者融合到虚拟环境中去, 还要能够反映出现实世界中的各种数控加工机床的特征和实际工作状态, 这样才能使学习者产生强烈的沉浸感。同时应利用计算机网络技术, 实现常规实训无法实现的功能。因此应实现以下几大功能: (1) 虚拟场景的漫游功能。让学习者按照预先设定的路径或使用鼠标、键盘及其它虚拟交互设备快速的浏览整个虚拟实训系统, 熟悉虚拟实训室的布局和加工环境等, 增强学习者对系统的整体认识。 (2) 动态人机交互功能。拥有良好的人机交互界面, 并实现机床的运动、工件装夹、零件仿真加工等一系列真实机床所具用的常规功能。同时为虚拟交互设备提供数据接口, 真正实现身临其境的沉浸感。 (3) 其它辅助学习功能。根据数控加工实训教学的需要, 适当的在系统中加入数控机床工作原理、机床结构及操作的辅助学习资料, 为学习者提供一站式的数控加工学习系统。
2 虚拟实训系统的结构
数控加工虚拟实训系统包含虚拟场景、虚拟人物、学习模块和仿真加工四大模块, 除了数控加工设备、辅助夹具和厂房模型外, 系统还包含了相关的理论学习资料、教学视频及加工案例等学习资料。系统的总体结构如图1所示。
为了增强系统的适应性, 采用模块化的开发技术, 可以随时根据客户的需求添加相应的设备和实训内容, 满足不同用户的实际需要。
3 总体开发流程
依据数控加工虚拟实训系统的开发功能和总体要求, 使用UG等建模软件构建机床三维模型, 同时使用Photoshop创建模型表面的贴图素材, 通过数据接口将装配模型和贴图素材导入到3ds Max2010中, 优化三维模型, 并进行贴图渲染, 增强真实感, 然后再通过Virtools_Exporter_for_3ds Max插件将模型转化为*.nmo格式导入到Virtools开发平台中。而后利用Virtools的实时渲染引擎, 在Virtools软件中对材质和灯光做进一步的处理和调整, 最后再使用Virtools完善的交互引擎提供的BB模块、VSL、SDK等模块进行交互程序的编制, 所有项目完成后, 再对系统进行整体测试, 完成之后输出为网页格式进行发布。归纳起来, 其具体开发流程如图2所示。
结束语
网络虚拟实训系统的使用, 将大大的节省仪器设备的投入、提升实训教学的安全系数、改善实训教学环境、拓宽学生学习渠道、丰富实训教学手段、提高实训教学质量。虚拟实训系统是一个复杂的三维系统, 不是设备模型的简单堆砌, 需结合客户的实际情况和需求进行相应的开发。同时, 开发工具的选择也是非常重要的, 好的开发工具往往能起到事半功倍的效果。
参考文献
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虚拟数控 篇6
虚拟机床是数字化制造技术中一项重要技术内容, 它的最终目标是为产品的制造建立一个虚拟加工环境, 用于仿真和评估加工过程对产品质量的影响。虚拟机床是随着虚拟制造技术的发展而提出的一个新的研究领域, 它作为数字化制造系统中的一个载体, 其作用是真实地模拟机床切削加工情况, 产生刀具的真实运动轨迹, 形成工件的加工表面, 完成碰撞、干涉检验等功能。应用的主要领域有加工过程模拟、数控加工编程、加工测量等。目前, 国内外对虚拟机床的研究主要集中在虚拟机床的结构描述、加工模型建立、加工精度等方面[1,2,3]。虚拟机床结构描述是对实际机床加工系统进行客观功能的描述并对其各种功能进行综合并模型化, 其研究还处在对机床结构模型的理论研究阶段。虚拟机床加工模型包括切削力、切削加工参数等诸多因素, 由于影响因素较多, 到目前为止还没有一个得到大家广泛认可的加工模型。目前, 国内对于虚拟数控机床的研究还处于起步阶段, 其研究成果[4,5,6]离实用还有一定的距离。本文从实用角度出发, 采用约束与尺寸驱动[7,8]等方法建立了虚拟数控机床模型并进行应用, 为复杂零件的数控加工提供加工模拟、编程、程序验证、加工干涉检查、精度检验等方法。
1 虚拟数控机床组成
虚拟机床由机床装配模型、刀具库、夹具库、控制系统等组成, 如图1所示。机床装配模型是机床功能实现的载体, 加工模拟、运动等功能都需要通过机床的装配模型呈现, 刀具库为机床的切削加工提供刀具, 夹具库为加工提供所需的夹具。机床装配模型、工件、刀具、夹具等组成了一个虚拟加工环境。
虚拟机床控制界面为虚拟机床的控制提供人机接口。机床运动控制、加工模拟、工艺数据提取、运动轨迹计算等操作通过控制界面实现。虚拟逻辑控制器作为机床的逻辑控制单元, 其功能与实际机床的电气控制系统相同。虚拟CNC控制器相当于实际机床的数控系统, 它接受运动轨迹计算模块的数据输出, 为虚拟机床的运动提供插补运算, 分配机床运动轴的位移量。工艺数据提取模块从工件的表面提取加工表面的型面数据, 传递给运动轨迹计算模块。主控系统是虚拟数控机床的核心, 处理虚拟机床的一切事务, 接受控制界面的操作指令, 对任务进行分解, 把任务分配给其他处理单元, 同时接受其他模块的输入信号。
2 虚拟数控机床装配模型
2.1机床装配模型的拓扑结构
机床装配模型的拓扑结构反映了机床各个部件之间的相互关系。一般来说, 机床由主轴部件、工作台部件、机床床身等部件构成。为了简化装配模型结构, 装配模型中可以主要考虑机床运动部件, 省略机床的次要部件, 例如中间传动零件、支撑零件、连接零件等。图2所示为某机床的拓扑结构, 其工作台由两个直线移动轴、回转工作台及底座等组成, 主轴部件则由立柱、Z轴等组成。
该机床模型的拓扑结构采用树形结构表示, 其中实例用来表示部件在装配模型中的位置关系, 标识用来识别机床装配模型在数据库中存储的一个个对象, 根据作用不同又把它分为对象标识、事例标识、实例标识、部件标识等, 相互之间可以查询。有了标识就可以对装配模型遍历, 获取控制对象的标识, 根据控制要求对其进行控制。
2.2机床约束关系
在实物机床中, 机床部件相互之间利用定位元件定位、连接件相连, 实现位置约束。在虚拟环境中, 机床之间的拓扑、运动关系采用约束来实现。机床模型中运动关系的建立以各运动轴为中心, 首先设置机床的各运动轴, 然后在各运动轴与之相关联的部件之间建立约束关系。在图2所示的机床中, Y轴滑台装配在X轴滑台上, 跟随X轴滑台一起移动, C1轴回转工作台安装在Y轴滑台上, 跟随Y轴滑台一起运动, 那么就需要在X轴滑台、Y轴滑台、C1轴回转台之间建立约束关系, 如孔中心对齐、面贴合、平行、垂直等, 当约束关系建立之后, 在装配模型中只要控制X、Y、Z、C1轴运动即可, 其余与之相关联的部件通过约束关系完成相应的运动。
2.3虚拟机床模型数据结构
为了操纵装配模型中的部件运动, 需建立一个与装配几何模型相一致的虚拟装配数据模型, 利用该数据模型把装配模型的相关信息加载到数据模型中, 实现位姿矩阵的变换运算、数据存储。我们建立的虚拟装配数据模型的数据结构如下:
在装配数据模型MC_Assembl中, MC_Component为部件节点, 它承载了部件的静态特性, 如部件名称属性、在装配空间中的位置属性、与其他相邻部件关系属性等, MC_Movement则承载部件的动态特性。
3 运动轴尺寸驱动
3.1运动部件位姿表示
通常机床的运动包括直线移动、旋转运动。若要对机床部件进行驱动, 必须确定运动部件在装配空间的位置关系。为了表示部件在装配空间的位置, 需要用两个坐标系, 即装配空间坐标系OXYZ与部件本身坐标系OwXcYcZc, 它在空间的位姿表示如图3所示。部件在装配空间运动可以描述为部件在装配空间内的移动和部件绕自身坐标系的转动。装配模型组件运动还需要获取移动组件的标识与它的位姿矩阵。位姿矩阵是用来描述装配部件在装配模型空间的位置与姿态的, 它包括X、Y、Z轴的i、j、k分量以及部件自身坐标系在装配空间中的X、Y、Z分量。
在以上建立的装配模型空间中, 运动部件的位姿矩阵表示为
式中, Torign为部件在装配模型空间中的位置矩阵;Tcsys为部件在自身坐标系中的位姿矩阵;Tpos为部件在装配空间中的位姿矩阵。
根据以上矩阵就可以对部件进行运动变换。
3.2运动变换
矩阵变换是实现各运动轴移动或旋转的基础, 该矩阵根据组件的直线位移量或旋转角度组合得到, 该变换矩阵所需的参数矩阵为
T=[xdisydiszdisα β γ]
式中, xdis、ydis、zdis分别为部件在X、Y、Z方向上的移动分量;α、β、γ分别为部件绕X、Y、Z轴旋转的角度。
则组合得到的运动部件变换矩阵为
利用变换矩阵Ttrans对组件的原位姿矩阵Tpos进行变换, 变换过程为
Tnew_pos=TposTTtrans (2)
通过以上变换便得到新的位姿态矩阵, 利用新的位姿矩阵更新部件的原位姿矩阵, 具体采用定位函数对部件进行重新定位, 使部件在装配模型空间中移动到新的位置。在具体实现时, 还需要编写矩阵的转置、相乘、组合等矩阵基本运算函数。
3.3运动轴驱动
虚拟数控机床中各运动轴的运动采用尺寸驱动方法实现。在数控机床中, 由CNC系统完成加工路径的插补运算, 分配各运动轴运动的脉冲数, 再通过驱动器、步进电机或伺服电机、传动机构对工作台、主轴进行驱动, 利用传感器对实际位移量进行反馈。虚拟数控机床中各运动轴驱动与实物机床运动轴驱动相似, 同样需要插补运算, 为各运动轴分配运动位移量, 再通过矩阵变换技术对运动轴驱动, 运动部件的驱动过程如图4所示。
虚拟数控插补运算类似于数控系统中软件插补方法, 在单位时间内对加工路径进行插补运算。虚拟CNC插补模块完成对加工路径的插补运算, 输出各个运动轴的脉冲序列。为了获得与实际加工同样的加工效果, 采用定时模块对脉冲输出进行分配, 获得脉冲序列, 再通过矩阵变换、重新定位过程实现运动轴驱动。
4 加工模拟
加工模拟不仅要模拟工件、刀具的运动, 还要模拟加工后的工件表面形状与表面质量。为了真实地模拟出加工后的表面, 在运动过程中使工件与刀具连续做切割运动, 并移除工件与刀具相交部分, 形成加工表面, 加工模拟的实现过程如图5所示。
在UG装配模型空间中, 两个几何实体之间的逻辑运算只能进行一次, 而加工仿真需要进行若干次相交运算才能形成工件的表面。为解决以上问题, 采用WAVE技术实现, 其步骤为:首先对装配树进行遍历获取工件与阴极的标识, 然后把工件设置为工作部件, 查询它的原型标识, 再对原型标识进行遍历, 查找到与之进行相交运算的刀具实体标识, 用同样的方法得到工件的实体标识。在获取阴极与工件的实体标识后, 再经过建立变换矩阵, 建立链接实体, 查询链接实体特征, 隐藏链接实体, 断开链接实体等步骤, 最后作两个实体的相交运算。在以上实现的过程中, 必须正确运用二次开发函数, 对函数的功能、参数、返回值做出正确判断, 相交运算才能够实现。
5 数控机床设计实例
5.1虚拟数控电解加工机床装配模型
我们利用上述技术建立了五坐标数控电解加工机床的装配模型, 如图6所示。本装配模型是在UG NX软件装配环境中建立的, 机床由工作台、床身、主轴等部件组成, 运动轴包括X、Y、Z、Cw、Ct5个运动轴。
5.2虚拟数控机床应用
整体叶轮加工是一个世界性的难题, 在上述虚拟数控机床技术基础上建立电解加工机床模型, 利用它完成整体叶轮叶片加工仿真、加工路径规划、数控加工程序编程、加工干涉检查等工作, 为整体叶轮的加工提供数字化制造技术。该整体叶轮叶片电解加工采用数控展成法实现, 电解加工与切削加工不同之处在于电解加工中阴极 (刀具) 不需要做旋转运动, 其他运动与数控切削加工相同。利用叶片专用模块计算叶片加工的运动路径, 通过虚拟CNC模块生成各运动轴的运动分量, 其加工运动由虚拟机床的X、Y、Z、Cw四轴运动合成, 利用该虚拟五坐标数控机床加工的叶片如图7所示。
通过在虚拟数控机床中的加工模拟, 对加工路径进行规划, 对运动过程中的运动干涉进行检查, 最后通过数控后处理程序生成机床的数控加工程序。利用上述模拟结果及生成的数控加工程序加工的叶片形状如图8所示。
由加工结果可知, 实际电解加工的结果与叶片模拟结果相一致。本虚拟数控机床采用的运动 () () 轴驱动、动态去除材料、运动轴位移实时分配等技术可用于其他领域的数控加工仿真技术中, 可以解决零件制造中的技术难题, 特别是复杂零件的数控加工, 其应用前景较好。
6 结论
(1) 建立了由机械部件、控制系统、人机接口等模块组成的虚拟数控机床模型;采用装配约束与尺寸驱动技术实现了对机床各运动轴的驱动。
(2) 利用WAVE技术在装配空间与建模空间之间进行对象链接、复制, 相交运算;采用软件插补技术进行运动轴移动量分配, 实现加工的动态模拟, 虚拟加工过程与实际加工过程相同, 加工后的表面质量与实际加工结果一致。
(3) 建立了五坐标虚拟数控机床模型, 并将其应用于整体叶轮叶片的数控电解加工, 成功地解决了叶片加工中的加工模拟、加工路径计算、加工自动编程、运动干涉检查等工作, 该模型具有操作方便、过程直观等优点, 能提高工作效率, 其应用对实际加工具有指导意义。
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虚拟数控 篇7
关键词：数控教学,虚拟现实技术,应用
计算机技术以及信息技术的日益改进, 使得虚拟现实技术逐渐被运用到各个领域中。现阶段, 国际上对于教育领域如何运用虚拟现实技术的研究力度逐渐加大。在数控教学过程中, 应用虚拟现实技术, 具有一定的先进性及实用性。
一、虚拟现实技术的定义
虚拟现实技术指的是在创建高速计算机系统的基础上, 让人能够感受到身临其境, 且能够和环境交互体验的一种虚拟实践技术。该技术结合了信息处理技术、传感技术、职能技术、图像处理技术、模式识别技术、网络技术以及计算机图形学等诸多科学, 利用计算机, 将数字化信息转化为成人能够直接感知的多维信息。此外, 虚拟现实环境主要是由生成系统、图像识别、图形识别、声音识别、感触识别、人工智能系统、传感器系统以及网络通信系统等构成。
而虚拟现实技术的运用, 能够让教师带领学生在虚拟教学环境中学习数控知识, 学生身临其境, 获得直接经验, 提高了感性认知;学生在掌握了基本实践方法后, 敢于尝试, 从而更好地激发了学生对数控学习的主动性及积极性;学校并不需要花费大量资金用于购买设备上;在仿真软件中, 学生能够进行零件加工, 在掌握了各种操作技能后再进行机床实践, 降低了机床、道具等不必要的损耗。
二、在数控教学中应用虚拟现实技术
通过虚拟现实技术, 建立虚拟数控系统, 组织教学活动。虚拟数控系统能够模拟真实机床及数控机床的全部功能, 且不会由于利用了某种相似功能而造成机床结构的失真, 也不会造成数据信息的丢失;学生能够在虚拟环境内完成机床运动以及切削流程等, 继而直接获得有关加工数据信息。
(一) 具体运用
其一, 在数控理论教学中运用软件仿真。数控深入学习是以理论为基础, 数控专业的技术性极强, 要求学生打好数控理论基础, 同时还要对数控设备有准确了解。而软件仿真模式以图文并茂的形式为主, 是一种行之有效的教学手段, 也是必不可少的教学资源, 在数控教学中, 能够激发学生学习的积极性。
其二, 在实践课程, 如编程及数控加工等课程教学中的具体应用。因为数控机床并不多, 无法为班级所有学生提供足量的机床。但是采取虚拟现实技术, 通过仿真软件, 为每位学生掌握机床性能、数控知识创造了可能。
(二) 注意事项
将虚拟现实技术与多媒体相结合, 使得抽象的数控理论教学更加形象化, 学生直接感知数控知识。因为在虚拟现实技术的运用过程中, 教学场所更加逼真, 以往的被动实践教学局面被打破, 学生和虚拟环境相互作用, 从虚拟环境中直接获得了数控知识及实践操作技能。这种新型主动学习模式, 取代了以往的“以教促学”模式, 达到了双向教学目的, 使得学生更容易掌握及内化数控知识, 同时也能够锻炼学生的科学素质及观察能力。
学校对于数控专业学生的培养目的在于提升学生的实践能力, 确保学生能够掌握相关理论知识, 特别是数控专业, 更要注重对学生操作技能的培养。
因为软件仿真教学存在不足之处, 例如:通过软件仿真, 将进给量设定成F10.0 mm/r, 将切削深入ap设定成20.00 mm的情况下就能够完成正常加工流程, 且不会出现警示信息。然而在通常情况下, 数控机床无法在此切削用量下正常工作。所以, 笔者认为虚拟现实技术并不能解决全部的数控教学问题, 还应通过实际操作来弥补, 软件仿真并不能和实际加工混为一谈, 这两者依旧存在一定差距。因此, 在数控教学期间, 应对软件仿真进行科学的运用, 但也不能只依靠软件组织实习教学活动。
在数控教学期间, 对虚拟现实技术进行科学地运用, 还应注重和实践教学相结合, 确保仿真软件真正服务于教学, 将虚拟现实技术作为学生加深数控知识学习的桥梁, 而不是唯一的教学手段, 减少虚拟现实技术应用的负面问题, 发挥出该技术的最佳教学作用。
参考文献
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虚拟仿真技术在数控加工中的应用 篇8
随着CAD/CAM技术的成熟和广泛应用,数控加工技术日益广泛地应用于复杂零件的加工[1],但随着零件复杂程度的增加,加工零件的数控程序的潜在危险也随之增加,可靠性降低。因此,在实际加工前,通常要进行试切和计算机图形仿真,以检验刀具轨迹的正确性和数控程序的可靠性,虚拟仿真 技术以其 独有的优 点越来越 受到重视[2,3]。
目前,商业化的CAM软件如UG,Pro/E,Master CAM,Cimatron等都具有一定的仿真功能,如刀具轨迹仿真和材料去除过程仿真功能,并且也提供了功能很强的二次开发接口( API) ,基于这些二次开发接口可以开发专用的功能模块。我国的一些研究机构和学者也开发出了具有一定实用性的数控仿真系统。此类系统通常采用C/C + + 编程语言,利用Open GL作为图形支持开发,该开发方法需要很高的编程技术。然而,不管是商业化的CAD/CAM软件系统还是我国自主开发的数控仿真系统主要集中于刀具轨迹的仿真,没有考虑具体的加工环境。而对于多坐标数控加工,加工系统中的机床部件、刀具、工件、夹具等各组件的相对运动和空间位置超乎想象的复杂,存在很大的潜在碰撞危险[3]。因此,数控加工可靠性的验证必须基于具体的加工环境。
本文在着重介绍虚拟仿真技术的原理基础上,举例说明基于VERICUT软件的虚拟仿真技术,建立基于实际加工环境的虚拟仿真加工系统,模拟与实际加工完全吻合的加工情况,对数控加工的可靠性进行检验。
1基 于 CAD / CAM 的虚拟仿真加工系统的体系构架
在开发虚拟仿真加工系统时,首先应用CAD/CAM的设计功能建立机床和夹具的各主要零部件模型、工件模型,将其“装配”为虚拟仿真加工系统的设备系统; 然后应用CAD/CAM的自动数控编程功能生成零件的数控加工程序,并根据刀具的选择准备刀具模型; 经过这两步就可以完成虚拟仿真加工的模型和信息准备。
虚拟仿真加工系统是建立在实际物理设备及其对应的活动和信息的基础上的,并且能够随着实际加工系统的改变而对其进行维护。根据其功能,基于虚拟仿真加工系统的体系结构可以分为三个层次和两个用户界面,如图1所示。
a) 虚拟仿真加工系统的三个层次
1) 物理层: 该层是对应的现实制造设备资源,它为虚拟仿真加工系统的建立提供必要的设备资源信息。
2) 模型层: 该层通过对现实制造系统的数字化建立三个数据库,实现设备资源和生产活动的集成。
3) 仿真层: 该层执行加工过程中的仿真,它集成了设备模型、数控程序、工件模型等。在该层虚拟仿真加工系统实现了最终功能,完成数控程序的校验等功能。
b) 虚拟仿真加工系统的两个用户界面
1) 建模界面: 操作员通过该CAD / CAM界面实现与物理层、模型层的交互,并且实现对数据库的维护。
2) 仿真界面: 操作员应用CAD / CAM开发专用的应用模块,实现与模型层的交互,建立虚拟仿真加工系统。操作员可通过该界面实现对虚拟仿真加工过程的控制,并接受反馈的仿真过程结果信息。
2 虚拟仿真加工系统中的机床建模
机床建模是虚拟仿真加工系统的关键模型,是实际机床在虚拟仿真加工系统中的数字化模型,包括几何模型和运动模型。
几何模型是在CAD系统中建立的,首先根据实测得到的机床部件尺寸,建立相应的模型,然后再根据相互关系进行“装配”,形成机床的几何模型。虚拟仿真加工系统中,通过改变机床几何模型各运动零部件的相对位置来模拟加工中虚拟机床的切削运动。
运动模型是处理机床几何模型在数控程序控制下如何改变各运动零部件模型相对位置的模型,与机床的结构紧密相关。以DMU 125P五轴加工中心为例,在运动模型建立过程中,机床各部件都视为刚体,这样机床的结构可抽象为一个运动链模型,如图2所示。在运动链各组成环节的刚体上固接坐标系,通过坐标变换,可以分析整个运动链的运动形式,建立运动链的依赖关系,即运动链的拓扑结构关系,如图3所示。
每一个机床零部件在数控指令驱动下的变换矩阵为其自身节点到根节点各个变换矩阵的乘积,如给定当前的数控坐标为( x,y,z,b,c) ,则刀具和工件的变换矩阵分别为:
式中: Mn0表示零部件n变换之前的矩阵;
T( x,y,z) 表示零部件的平移变换矩阵;
Rk( a) 表示绕轴k旋转a角。
3 虚拟仿真加工功能的实现
a) 系统框架的建立
在虚拟仿真加工开始之前,针对工艺信息,选择相应的虚拟机床、虚拟刀具、虚拟夹具、工件模型组成虚拟仿真加工系统。在虚拟仿真加工中,虚拟机床在数控指令的驱动下带动虚拟刀具、虚拟夹具、工件模型等模拟切削过程,实现对数控程序的正确性和可靠性的验证,其系统框架如图4所示。虚拟仿真加工系统主要包括数控程序检查、数控程序翻译、运动仿真、刀具轨迹检查、碰撞检测等模块。
b) 程序检查模块
数控程序检查模块包括词法、语法检查,主要检查程序中是否有数控指令集外的非法字符、数控指令的参数是否有效、语法上是否合乎逻辑等。
c) 程序翻译模块
数控程序翻译模块以机床的数控程序规范为基础,用以提取G指令、M指令、坐标、进给速度、主轴转速、换刀、循环定义等信息,转换为仿真数控代码。这样在虚拟仿真加工中,才能控制虚拟仿真加工系统的运动仿真和状态设置,为运动仿真模块提供必要的信息。
d) 运动仿真模块
该模块是虚拟仿真加工系统最关键的一个模块,决定了后续的刀具轨迹检查、碰撞检查结果的正确性。在该模块中,首先根据机床的运动模型,建立虚拟仿真加工系统各运动组件( 包括虚拟机床各运动零部件、虚拟刀具、虚拟夹具和工件模型) 的运动模型( 即变换矩阵) ; 然后根据翻译模块所提供的坐标值计算各运动组件的变换矩阵并应用以改变各运动组件的位置,从而可以模拟虚拟仿真加工系统的运动,具体步骤如图5所示。
e) 刀具轨迹检查模块
该模块主要用于刀轴矢量的检查,以避免刀轴的剧烈变化。大多数的CAM系统都提供了加工仿真和刀位轨迹( 刀具轨迹数据包括刀位数据和刀轴矢量) 仿真检查功能。但对多坐标加工而言,加工仿真和仅显示刀位轨迹是远远不能满足要求的。在虚拟仿真加工系统运动模拟的过程中,该模块在显示刀位轨迹的同时,也显示刀轴矢量,这样可以准确地检查刀具相对于工件位置及刀轴的变化。
f) 碰撞检测模块
对五坐标加工而言,刀具相对于工件的运动轨迹很复杂,难以预测,通常需要进行仿真检验数控程序中可能出现的碰撞干涉。大多数CAM系统提供的加工仿真功能仅考虑刀具与工件、夹具间的碰撞检查,而不能检查可能出现的刀具与工作台间、主轴与工件、夹具间的碰撞。在该模块中,根据经运动仿真模块处理后的各运动零部件的相对位置,全面检查可能出现的碰撞。
4 应用实例
DECKEL MAHO公司的DMU 125P机床是五轴五联动加工中心,具有立卧转换功能。在立式状态下,其结构形式如图6所示,a轴为工作台摆动,c轴为工作台转动。在卧式状态下,主轴绕b轴旋转90°,其他状态与立式结构相同。在该机床上进行五轴五联动的加工时,刀具相对于工件的空间运动轨迹复杂,加工前必须进行虚拟仿真加工。
本文以VERICUT软件为平台,构建了DMU 125P加工中心的虚拟仿真加工系统,用来检验数控加工程序、刀具轨迹与潜在的碰撞危险。在构建125P加工仿真环境时,首先根据运动链关系建立机床拓扑结构关系[4],如图7所示; 然后建立机床的数字模型,如图8所示; 最后根据工件、刀具、夹具和机床的数字模型构建虚拟仿真加工环境,如图9所示。
5 结语
随着虚拟仿真技术研究的深入,该技术已不仅仅用于检验数控程序的可靠性,也用于数控程序的优化。基于CAD / CAM软件平台,利用二次开发接口( API) 开发数控加工的优化系统具有一定的可行性。通过建立典型零件和刀具的优化参数知识库,数控加工程序的优化技术将得到越来越广泛地应用,可以显著提高数控加工的效率,对于制造企业具有明显的经济实用价值。
摘要：虚拟仿真技术是通过建立基于实际加工环境的虚拟仿真加工系统,模拟与实际加工完全吻合的加工情况,对数控加工的可靠性进行检验。介绍了基于CAD/CAM的虚拟仿真加工系统的体系构架、虚拟仿真加工系统中的机床建模和虚拟仿真加工功能的实现,并以实际案例说明了虚拟仿真技术的实现过程。
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