虚拟数控车削物理仿真系统的研究与开发hdmx.docx

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1、虚拟数控控车削物物理仿真真系统的的研究与与开发 黄雪梅梅 赵赵明扬* 王王启义* 东北大学学机械学学院中科院沈沈阳自动动化研究究所*大连铁道道学院*摘要 虚拟加加工过程程仿真是是虚拟制制造的底底层关键键技术。本本文面向向数控车车削，开开发了一一套动态态车削物物理仿真真系统，提提出了仿仿真系统统的总体体框架，建建立了动动态物理理仿真模模型及相相关子模模型，分分析了动动态车削削过程的的影响因因素，阐阐述了系系统开发发过程中中有关模模型构成成及工件件数据描描述等技技术性问问题。关键词 虚拟制制造，虚虚拟加工工过程仿仿真，物物理仿真真中图分类类号： TH11661前言 虚拟加加工过程程仿真是是虚拟制制

2、造的底底层关键键技术，包包括几何何仿真和和物理仿仿真两大大部分。目目前几何何仿真方方面的研研究理论论比较全全面和深深入，出出现UGG、Prro/EENGIINEEER、MMastterCCAM等等成熟的的商业软软件。而而物理仿仿真由于于其切削削机理复复杂、建建模难度度大等客客观原因因，研究究还不够够深入。但但对切削削过程物物理方面面因素的的分析与与预测在在虚拟制制造研究究中具有有重要意意义，国国内外已已经对其其加以重重视并开开展了研研究工作作。美国国国家自自然科学学基金会会1资助伊伊利诺依依大学、西西北大学学、普渡渡大学联联合进行行机械加加工过程程模型的的研究，研研究内容容包括车车、铣、钻钻等

3、加工工型式，涉涉及到有有关切削削力、振振动、切切屑形成成、工件件表面质质量等诸诸多方面面。国内内也有研研究者23致致力于面面向加工工质量分分析与预预测的加加工过程程物理仿仿真单元元及系统统的研究究与开发发。本文文面向数数控车削削加工过过程，建建立了车车削加工工过程物物理仿真真系统，就就系统的的体系结结构、系系统开发发等技术术问题加加以研究究。2车削物物理仿真真模型的的体系结结构2.1 仿真系系统的构构成 车削加加工过程程是由机机床工件刀具构构成、涉涉及到多多种影响响因素的的综合系系统，在在加工过过程中还还会受到到各种随随机干扰扰，在建建模时综综合考虑虑了各种种因素，围围绕被切切削材料料的微观观

4、硬度变变化，将将其作为为物理仿仿真系统统的主干干扰因素素，建立立了工件件微观硬硬度瞬时切切削力相对振振动工件表表面粗糙糙度的虚虚拟数控控车削加加工物理理仿真主主干模型型，总体体结构如如图1：物理仿真模型动态切削力随机振动 切削负荷工件硬度变化工件表面粗糙度 刀具模型 图1 车削削加工物物理仿真真系统的的总体结结构_国家自然然科学基基金项目目（59977550777）和国国家8663/CCIMSS主题项项目（8863-5111-9443-0011）资资助2.2 切削力力模型在正常的的车削加加工过程程中，车车刀一直直未脱离离工件，此此时切削削力与瞬瞬间的切切削面积积成正比比，因此此能够引引起瞬时时

5、切削面面积变化化的因素素都将会会造成切切削力的的改变，这这些因素素包括被被切削材材料的物物理性能能即工件件的微观观硬度变变化、刀刀具与工工件之间间的相对对位移及及切削的的再生机机理等方方面。由由此瞬时时切削力力模型由由静态力力和各种种动态因因素造成成的切削削力波动动叠加而而成，即即由名义义切削力力Fnimm、工件件硬度不不均匀形形成的变变切削力力Frann、刀具具与工件件的相对对振动使使切削层层参数变变化时的的变切削削力Fvirr及再生生力Fregg构成。动动态切削削力Finss可表示示为：其中工件件微观硬硬度不均均形成的的瞬时切切削力模模型 FFrann为：KSH为为排除了了工件硬硬度因素素

6、的切削削力影响响系数，sj 是样本实际硬度，是实验硬度，此处为工件的平均硬度，m是工件硬度变化对力影响指数，A是切削层体积。2.3 工件粗粗糙度模模型在车削加加工过程程中影响响工件表表面形貌貌的主要要因素有有：刀具具几何形形状、工工件旋转转运动与与切削振振动等。对对于静态态切削过过程，刀刀具进给给量f与刀具具圆弧半半径rb是影响响表面粗粗糙度的的主要因因素。而而在实际际的切削削过程中中，由于于切削振振动使刀刀具与工工件发生生了相对对位移，工工件在微微观上形形成凸凹凹不平的的表面，从从而影响响到工件件的表面面形貌特特征，这这时工件件的表面面质量就就要在理理论粗糙糙度的基基础上再再进一步步考虑动动

7、态切削削的各项项特征与与相关因因素。3 工件件的微观观硬度 工件微微观硬度度差异对对动态切切削过程程有明显显影响，先先将工件件被加工工表面划划分出适适当的区区域作为为样本块块，然后后应用数数理统计计方法表表达出各各样本块块实际硬硬度与平平均硬度度的差异异，以此此来研究究对动态态切削过过程的影影响。3.1划划分工件件为样本本块将零件表表面划分分出独立立的区域域是研究究工件微微观硬度度的第一一步。综综合分析析切削过过程，切切削用量量对切削削过程中中的各物物理量的的变化有有直接影影响，因因此将工工件划分分成体积积相等的的与切削削用量相相关的几几何体。我我们以外外圆车削削为例，在在工件表表面取长长为进

8、给给量f的圆环环，圆环环的径向向长度为为切削深深度ap，而圆圆环的进进一步分分割则依依据切削削速度vv与系统统的振动动特性。这这样工件件被加工工表面就就被分割割成与切切削用量量有关的的体积相相等的样样本块。3.2样样本硬度度的确定定我们采用用理论分分析与实实验结合合的方法法来确定定样本的的硬度。理理论上，切切削材料料的微观观硬度差差异取决决于切削削材料种种类与热热处理情情况。根根据固体体混合物物中的样样本方差差理论，将将工件视视为由两两种或两两种以上上的硬度度不同的的微观组组织构成成。通过过分析这这些微观观组织的的性质和和它们在在样本块块中的比比例，由由数理统统计知识识确定各各样本块块的实际际

9、硬度。4 仿真真系统开开发4.1开开发环境境与开发发方法仿真系统统在Peetiuum PPro2233/64MMB RRAM的的微机上上开发完完成，采采用VCC+66.0作为为主开发发软件，由由MFCC微软基基础类库库创建了了系统的的基本框框架，采采用面向向对象方方法创建建了仿真真系统中中的工件件类、刀刀具类、工工艺系统统类等，对对象的各各数据成成员的有有关加工工参数由由Acccesss建立的的切削数数据库提提供，AAcceess与与VC+之间间采用OODBCC开放数数据库连连接完成成二者数数据交换换。4.2仿仿真模型型的层次次化结构构 车车削物理理仿真系系统中包包括机床床、工件件、刀具具、加

10、工工过程模模拟等多多方面因因素，涉涉及到多多个模型型，系统统采用模模块化开开发方法法，其模模型的层层次化结结构如图图2。 切 削 参 数 数 据 库库 刀 具具 材 料料 工件几何何 数据据 工件物理理 数据据 工艺系统统 参数数 切 削 用 量 刀具几何何 参数数 工件 模模 型 工艺系统统模型 刀具 模模 型 加 工工 过 程 模模 拟 瞬 时 切削力力 模 型 相对振动动 模 型 工件 表表 面形形成模 型 加工工结果数数据库 图2仿仿真系统统模型构构成及其其层次结结构 系系统运行行时根据据从Acccesss数据据库提取取的工件件、刀具具、切削削参数、切切削力系系数等数数据，根根据给定定

11、的切削削用量划划分工件件待加工工表面为为样本块块，然后后由建立立的仿真真模型虚虚拟加工工过程，输输出各采采样区域域的瞬时时切削力力、相对对位移、已已切削时时间等数数据存入入Acccesss数据库库，形成成虚图3车车削仿真真系统的的部分输输出结果果拟的已加加工工件件，工件件粗糙度度模型再再对其进进行分析析，确定定工件表表面粗糙糙度的数数值。图图3为仿仿真系统统的部分分输出结结果。4.3工工件的数数据层结结构 数控车车床主要要进行回回转体零零件的加加工，本本系统建建立了可可重构的的四层多多叉树回回转体工工件描述述方法，其其结构如如图4：M1进给层2NN211采样层 - - -12m1m1mn1n1

12、1样本硬度度层 - - d11F11F1nd1nFm1dm1Fmndmn结果层图4仿仿真系统统工件的的数据层层次结构构 工件数数据描述述为四层层数据结结构，即即进给层层、采样样层、样样本硬度度层和加加工结果果层。进进给层记记录轴向向方向即即刀具进进给方向向上的采采样点数数量，采采样层记记录圆周周上分得得的样本本数，决决定圆周周采样频频率。样样本硬度度层记录录各样本本块符合合正态分分布的随随机硬度度值，加加工结果果层记录录仿真输输出结果果，包括括瞬时切切削力、瞬瞬时切削削负荷及及刀具与与工件的的相对振振动等。该该数据结结构的优优点为：层次清清楚，包包含了物物理仿真真系统中中所需的的工件几几何与物

13、物理信息息。结构灵灵活，能能随切削削参数及及工艺系系统而变变化，正正确反映映切削过过程的瞬瞬时变化化。 便于于数据的的扩充与与重构，加加工结果果层可与与几何仿仿真进行行接口，有有助于建建立完整整的虚拟拟加工过过程仿真真系统。4.3本本车削物物理仿真真系统的的特点 本系系统采用用了面向向对象技技术和模模块化实实现方法法，具有有下列特特点： （1）综综合分析析加工过过程中的的特点，排排除次要要因素，建建立以工工件微观观硬度瞬时切切削力相对振振动工件表表面粗糙糙度为主主线的虚虚拟数控控车削加加工物理理仿真模模型； （2）面面向数控控车削加加工过程程，分析析被切削削材料的的微观金金属组织织构成对对车削

14、动动态的影影响，综综合考虑虑工艺系系统动态态及总结结金属切切削理论论，将切切削过程程进行微微观和宏宏观的结结合及金金属切削削理论应应用于生生产实践践； （3）应用面向对象技术开发仿真系统，实现模型的层次化结构，在主干模型开发完成的基础上，加入其它模型如刀具磨损、主轴的旋转误差等，使系统具有良好的开发性和可扩展性； （4）仿仿真系统统数据采采用层次次化结构构，并且且应用切切削数据据库进行行数据管管理，一一方面保保证数据据的顺畅畅流动，另另一方面面可保证证与整个个虚拟加加工环境境的接口口。5 结论论 虚拟制制造作为为面向二二十一世世纪的制制造技术术，必将将对未来来的人员员培训、产产品开发发、生产产

15、和销售售等制造造业的各各方面产产生深远远影响。虚虚拟加工工物理仿仿真是其其中的关关键问题题，本文文开发了了面向车车削的物物理仿真真实用系系统，涉涉及到有有关模型型的建立立、动态态干扰分分析、系系统数据据处理等等技术问问题。本本系统可可用于检检验工艺艺规程，辅辅助加工工过程中中的监测测与控制制，对加加工过程程进行优优化。REFEERENNCESS1. NSF/ARPPA MMachhinee toool agiile mannufaactuurinng rreseearcch, hhttpp:/mtaamrii.mee.uiiuc.eduu/teechnnicaal pproggrammes/p

16、roocesssmoodelljully955.httml2. 姚英学,李荣彬彬.面向向加工质质量预测测的虚拟拟加工检检测单元元的研制制.中国国机械工工程,2200,11(5):5200-52243. 孙宏伟,马玉林林. 基基于加工工质量预预测与分分析的数数控铣削削过程仿仿真系统统研究与与开发.制造业业自动化化,20000,22(6):25-284. G.M.Zhaang. Dyynammic Genneraatioon oof MMachhineed SSurffacees, Parrt 11: DDesccripptioon oof aa Raandoom EExciitattionn S

17、yysteem. ASMME JJourrnall off Ennginneerringg foor IInduustrry, Voll.1113,119911(5):1337-11445. H.E.Merrritt. TTheoory of Sellf excciteed MMachhinee Toool Chaatteer. ASMME JJourrnall off Ennginneerringg foorInndusstryy, VVol.1077, 119655(5):4447-44546. X.P.Li.Theeoreeticcal moddelllingg annd ssimuul

18、attionn off miilliing forrcess. JJ off Maaterriall prroceessiing Tecchnoologgy, 19999:2266-27227. H.Z.Li, X.P.LLi. Moddelllingg annd ssimuulattionn off chhattter in milllinng uusinng aa prrediictiive forrce moddel. I. J. off Maachiine Toools & MManuufaccturre, 20000,440:220477-200718. 黄雪梅,王启义义. 虚虚拟数

19、控控车削物物理仿真真模型及及实用系系统的开开发. 机电工工程20000(6):48-49Studdy aand Devveloopmeent of Virrtuaal NNC TTurnningg Phhysiicall Siimullatiion SysstemmHuanng XXuemmei,Zhaao MMinggyanng*, Waang Qiyyi*Norttheaasteern uniiverrsitty,SShennyanng,Liaaoniing,11000066Shenngyaang Insstittutee off Auutommatiion,ChiinesseAccade

20、emy of Sciiencces , 11100015*DaliianRRaillwayyColllegge,DDaliian.Liaaoniing,15000288*ABSTTRACCT VVirttuall maachiininng pproccesss siimullatiion is impporttantt inn Viirtuual Mannufaactuurinng. In thiis ppapeer, a vvirttuall NCC tuurniing phyysiccal simmulaatioon ssysttem is devveloopedd. CConsstruu

21、ctiion andd syysteem mmodeels aree sttudiied, innfluuenccingg faactoors of dynnamiic mmachhiniing aree annalyyzedd. TTechhnollogiicall deetaiils of moddel buiildiing andd woorkppiecce ddesccripptioon aare deppictted.Key Worrd vvirttuall maanuffactturiing, viirtuual macchinningg prroceess, phhysiicall siimullatiion