虚拟数控铣削技术的研讨

大老虎

虚拟数控铣削技术的研讨
8 m" s# x  v5 ]  [+ T* q伴随着计算机技术、控制技术和系统工程的开展，制造技术正逐渐向集成制造、智能制造方向开展。数控技术是现代化加工设备的根底，开展先进制造技术，必需开展数控技术。为了有效的处理数控加工在理论应用中存在的问题，面向普通数控机床用户，针对机械零件中占90%以上的普通零件，以铣削加工为背景，在Windows环境下设计一个仿真数控铣削软件，将仿真结果变换成指令直接输出给数控加工中心，以进步NC编程的效率与质量，改善NC加工环境是非常有益的。
　　1 数控技术
# G+ c9 S" ?8 x2 f" a( r　　数控技术是20世纪40年代中后期为顺应加工复杂外形零件而开展起来的一种自动化控制技术。数控加工以加工外形复杂、改型频繁、小批量消费的零件为主。其主要优点是:加工精度高，消费效率高，自动化程度高，运用数字信息，便于计算机控制。特别是近年来随着CAD/CAM技术的开展及应用，数控加工技术的优越性愈加明显，而制造业与数控技术别离的日益紧密，使得机械制造设备的数控化程度已成为权衡一个国度制造技术程度的重要标志。
6 r# L0 N% R/ O3 Y( P　　但是，在理论应用中，数控加工技术还存在着若干问题:
+ t) l' Z/ }! e2 \　　数控设备管理方面的问题
8 M& s* P- t" m5 Q' [' x　　操作人员素质的进步
　　数控程序的编制有难度
　　无法停止产品的检验等等
) H9 c; ?6 b4 d　　这些问题直接招致了数控机床应用率的降低，不能发挥出先进技术和设备的最大潜力。同时，由于检验手腕的限制或检验设备精度不够，致使检验结果不契合图纸请求，机床不能正常消费，因此必需尽快处理数控加工技术应用中存在的问题，特别是数控程序的编制，它是数控加工的关键环节，程序编制的好坏将直接影响到数控机床的加工质量和经济效益。
: o% e( L& {* A8 X" \- V　　2 虚拟数控技术是现代数控技术的一个开展方向
6 f/ l1 v8 Q0 p- j9 V: m; M　　2.1 虚拟制造技术
. x+ i& j& j. \( y. n7 \2 x　　虚拟制造(VM)的概念
　　虚拟制造是近年来由美国首先提出来的一种全新概念，它基于计算机仿真和虚拟理想技术，在计算机上完成产品的设计、消费以及企业的管理与控制，完成理论产品在计算机上的全过程的模拟，又称为拟实制造，是虚拟理想技术在制造范畴的应用。虚拟制造提供一个集成环境，集成了一些孤立的制造技术如CAD、CAM、CAPP等，使许多用户可以在不同的中央同时执行局部或全部功用，CAD/CAM的产品也可称为虚拟产品，但是其研讨仍处在概念设计和细致设计分析阶段，而VM的虚拟产品包含了产品生命周期的各个阶段，完成理论制造之前，对产品的功用及可制造性的潜在问题停止预测。
' ]0 B6 C: V0 o- n+ C8 J　　虚拟制造具有下列特性:
4 c+ y% K% ~- D! s/ [　　产品与制造环境是拟实模型，一切加工过程在计算机上停止，而不依赖传统的原型样机的反复修正，从而缩短开发周期，进步质量，降低本钱。
　　可使不同地点不同专业开发人员在同一个产品模型上协同工作，信息资源共享。
　　虚拟制造的关键技术
　　虚拟制造的研讨意义
% ^$ B" x6 z( F) M( O　　系统建模和验模技术:包括制造全过程的系统模型树立，面向对象技术的应用，模型的修正，存储及检索。
　　仿真技术:包括设计、制造、管理各类计算机仿真算法，虚拟理想技术在设计、制造、管理过程中的应用技术。
　　拟实制造平台:支持产品的并行设计、工艺规划、加工、装配和维修等过程，停止可制造性分析。它是以完好的信息模型为根底的众多仿真分析软件的集成，包括力学、热力学、运动学、动力学等可制造分析。
　　矫捷制造与VM矫捷制造的思想是充分思索到小范围，模块化的消费方式，应用虚拟企业的方式，完成劳动力、资源、资本和信息的最优配置，而虚拟制造平台和虚拟企业平台为矫捷制造提供了可协作性支持。
4 O, s  z% g5 O( X; y6 k　　并行工程与VM并行工程是对产品及其相关过程(包括制造过程和支持过程)停止并行、一体化设计的一种系统化的工作方式。这种工作方式使开发者从一开端就思索到产品全生命周期中的一切要素。为了到达并行的目的，必需树立高度集成的主模型，充分应用仿真技术，而VM的开展则使CE实时化、可视化，促进了理论消费中CE的开展.
6 ?1 j% R7 h# G. g; m5 A　　精益消费与VM精益消费请求简化消费过程，减少信息量，消弭过量臃肿的消费组织，使产品及其消费过程尽可能地简化和标准化，这为VM的完成创造了有利条件，而VM又对精益消费起指导作用。
　　2.2 虚拟数控铣削技术
1 @2 x/ I) E3 Q0 X; h; S/ v: X- P　　虚拟数控铣削的概念
　　虚拟数控铣削的特性
　　针对具有代表性的数控铣床，应用虚拟制造的优势，经过计算机技术构造一个逼真的虚拟的数控铣削加工环境，在此环境中集成了铣削加工从设计功用到制造功用的全部或者大局部功用，操作者可观测整个过程，及时发现加工中存在的问题，并加以修正，最后向数控铣床输出NC代码。虚拟数控铣削技术可处理数控技术在理论中存在的问题，以指导理论消费，更好的发挥数控机床的优点。

　　图1 虚拟铣削加工与理论加工
　　虚拟数控铣削与理论数控铣削在功用和构造上都应该是逐一对应的，见图1。它可以根据理论加工机床或加工中心的情况停止初始化，然后在虚拟铣床上停止铣削加工仿真，可以真实地描绘出刀具运动轨迹，完成诸如碰撞、干预检验等功用。它消费的是数字产品，不耗费理论的资源和能量，仅是模拟产品的设计、开发与完成过程，具有以下特性:
& q, b: W' r4 r4 x) I　　功用分歧性
　　构造类似性
　　组织灵敏性
　　集成化
　　智能化
　　3 虚拟数控铣削的完成
　　3.1 虚拟加工平台的选择
! f' J  L1 k1 Q+ {) a　　VM并不是一个全新的技术范畴，它是已有的CAD技术与数据库技术、计算机网络技术、人工智能技术、虚拟理想技术等相穿插的一门综合技术。目前，国外曾经呈现了一些相关软件，这些软件都是继承已存在的CAD技术，并将它作为设计工具放入虚拟理想环境中。他们的一些共同特性就是与已存在的CAD软件(如ugI、Pro/E、IDEAS等)有很好的接口。
　　Solidworks2000是一个新型的CAD软件，具有强大的实体外型功用和直观的用户界面，提供VB和VC的言语开发接口，支持网络技术，便于数据共享，更重要的是它具有共同的特征管理员历史树，而这种基于特征的数字化模型是产品的虚拟制造的前提和根底，因此可用来作为虚拟设计的主要支撑软件。
　　VB是一种面向对象的程序设计软件，能支持动态链接库、动态数据交流和对象链接与嵌入等技术，并且可以直接处置Solidworks为开发者提供的宏纪录，并进一步拓展。应用VB停止编程，调用Solidworks API中的库函数，能生成用户所需的各种零件，当要调用零件库中的零件时，运转建库时创立的可执行文件，输入恰当的参数，库中相应的零件就会作出相应的修正，因此选为开发言语。
6 A" e) p0 O+ L9 v$ s/ q4 {　　3.2 虚拟环境建模
　　由于在国内外曾经有了许多CAD三维外型软件，技术曾经根本成熟，在开发系统时，关于零件毛坯的外型技术不需求投入很大的精神，只采取对接技术，即开发出契合step标准的接口模块文件，来读取其他CAD三维外型软件产生的文件，停止数据处置，变成虚拟加工环境可承受的三维模型数据。
　　刀具处置模块主要包括刀具的选择、刀具编辑和管理、刀具轨迹规划等。树立一个相应的虚拟理想的三维变参数刀具库，完成刀具的编辑、查询、修正功用，根据零件毛坯和夹具的空间几何关系及刀具特征和参数，制定适宜的加工方法，优化加工刀具轨迹，预测加工过程可能的干预情况。
+ Q% H( B. R; Q  X  n6 I　　数据处置模块根据生成相应的刀位文件，转化成NC代码，应用NC程序翻译器来解释NC程序，获得刀位数据，最终输出给数控机床。
　　3.3 机械加工过程仿真
. T: L. a% G. ^　　铣削加工是目前应用最普遍的加工方法之一，虚拟铣削加工将对铣削加工可以完成的各种工作，如面铣削、外形铣削、挖槽、钻孔、全圆铣削等加工方式中的几何及物理要素的变化情况停止模拟与预测，在计算机上生成加工零件的硬件环境和软件环境，完成加工过程的演示。如今的产品大多由复杂曲面构成，数控编程效率低且容易出错，应用虚拟加工仿真技术可以较圆满的处理以上问题。在虚拟环境中放置一个毛坯，让刀具停止动态模拟铣削仿真，编程人员可以根据刀具的运转情况和毛坯切削外形后及时反应，调整加工工艺。
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5 S* F- ^' U) o& S  e　　图2 虚拟铣削加工构造图
　　虚拟铣削加工的构造图如图2所示。
　　Solidworks2000固然是一个功用强大的CAD软件，但是尚不具备CAM功用，我们需求经过标准数据接口，读取CAD数据，绘制出零件图形，再选择合理的工艺参数，自行编制CAM模块生成刀具轨迹。
　　4 结论与展望
+ z! G7 N& K" `; N/ a! T9 @　　综上所述，虚拟数控铣削技术具有以下优点:
　　首先，虚拟数控铣削将完好的数控铣削加工过程在一台微机上显现出来，不需求购置其他任何硬件设备，初始投资非常少，任何企业都能担负。
, V. Q1 I# @! U　　其次，由于铣削加工是在微机上停止，不触及到机床、刀具的磨损，加工原材料的耗费，也俭省了开资。同时，任何新型零件的加工都可以在虚拟环境下停止，可预先观察到理论加工中可能呈现情况，例如能否存在刀具工件的干预等，并预测加工结果，不用为经常的改装与调整设备花费不用要的人力财力。
1 M$ G+ b4 I- t9 Z  U　　最后，铣床的选择，铣刀的选择，加工轨迹道路的优化，加工过程的动画演示，CNC程序代码的输出，全部在微机上操作，友好的人机交互界面便当操作员的运用。应用受骗今盛行的专家系统，人工智能系统，将大大减轻编程的工作量。
# ?8 u" c6 d( [3 V2 H5 u8 I　　经过以上研讨，为了完成虚拟数控铣削技术，本研讨旨在开发一套具有初步功用的虚拟铣削加工系统，提供一个可将铣削加工方法集成在一同的虚拟环境，可以与CAD/CAM系统协作愈加默契，具有较强的灵敏性和开放性，使得该系统可以在设计的初始阶段就将对设计的评价反应给设计人员，从而设计出更合理的工艺过程。
) H$ V# W8 }2 g0 N% B4 z　　目前，在虚拟铣削加工系统的开发过程中，还存在一些问题:CAD/CAM中二次曲面求交交线的计算问题，刀具轨迹自动编成算法的完成，加工过程演示的真实性等等。可以置信，这些问题一旦处理，将进一步进步虚拟加工的适用性，扩展虚拟加工的应用范围。
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