1 引言
虚拟加工过程仿真是虚拟制造的底层关键技术,包括几何仿真和物理仿真两部分。几何仿真是数控加工过程仿真的前提,通过刀具扫略体和工件模型连续的布尔运算可得切屑的去除加工过程仿真,它也提供了物理仿真评估切削力和加工误差所需的主要参数。物理仿真主要是力学仿真,它是虚拟数控加工过程仿真的核心部分,其内涵就是综合考虑实际切削中的各种因素,建立与实际切削拟合程度高的数学模型,从真正意义上实现虚拟加工与实际加工的“无缝连接”。通过物理仿真与几何仿真的集成,在进行数控加工过程几何仿真的同时,显示和预测加工过程中物理量的变化,可以节省数控程序的调试时间,减少数控加工的试切费用,提高机床的安全性,预测工件的加工质量和机床的加工效率。
2 仿真系统的构成
本系统以UG软件为平台,以UG/ISV模块为基础,利用UG二次开发技术,扩充软件功能,通过考虑切削过程的各个物理因素,通过建立各个物理模型,然后利用遗传算法优化得出优化的切削参数并优化NC程序,从而缩短准备时间,降低操作难度,优化铣削结果,构建具有实用意义的虚拟数控铣削几何及物理仿真系统。系统主要由几何仿真模块和物理仿真模块两部分组成。其中,几何仿真模块主要利用ISV模块完成虚拟模型建立,刀轨建立以及干涉校验实现数控机床虚拟加工仿真;物理仿真模块主要通过建立影响加工的各物理模型,进行铣削参数优化,然后通过UG二次开发技术把物理仿真模块无缝集成与UG软件内,操作人员只需通过UG平台就可以实现几何及物理仿真。虚拟数控铣削系统总体结构如图1所示:
图1 虚拟数控铣削系统总体结构
3 系统的实现
3.1 几何仿真模块的实现
几何仿真模块主要包括标准件库的建立,虚拟机床运动模型的建立,虚拟加工仿真校验模块三个部分。通过几何仿真模块可以描述刀具的真实运动轨迹,完成碰撞、干涉检验等功能。
3.1.1 虚拟机床运动模型的建立
在建立机床虚拟装配模型的基础上,定义装配模型中各移动部件间相互运动关系(即机床运动模型),指定机床各轴(如直线轴和旋转轴)的移动方向,行程及运动范围等。利用机床构建器(Machine Tool Builder)模块机床运动模型进行定义。运动模型是用来描述机床运动的,定义运动模型后,机床各组件的运动方式得以确定。
3.1.2 虚拟加工仿真
在完成机床加工工艺系统环境模型后,即可进入UG/ISV模块进行加工仿真。依据工艺文件各工序内容安排,合理选择加工对象,设定相关参数,生成刀轨。而后切换到程序视图,进入操作导航器,选择刀轨名称及模拟方式即可进行加工仿真,仿真过程如图2所示。
3.2 物理仿真模块的实现
物理仿真通过几何仿真预先获得加工过程中一些几何加工参数和物理过程变化量,并以此为依据建立综合目标优化模型,
在约束限定范围内通过遗传算法得出的最优加工参数,然后利用UG二次开发技术把物理仿真模块无缝集成与UG软件内。
图2 加工仿真过程图
3.2.1 铣削加工特征段的定义
在一个铣削加工中,切削深度、切削宽度、切削速度和每齿进给量从几何信息的角度对走刀步内的特征进行了描述,走刀步中产生的铣削力、产生的加工误差则构成了走刀步的物理信息。因此,将数控铣削加工过程中所包含有几何信息和物理信息的走刀步定义为铣削加工特征段,经这样构造的加工特征段既包括了数控铣削加工物理仿真关键技术研究,优化加工参数信息,又包括了优化目标约束信息。
通过数控铣削加工仿真系统中的几何仿真模块进行仿真,获得每一加工特征段对应的铣削深度和铣削宽度,以每次走刀步作为一个度量单位,获得刀步数和铣削深度与铣削宽度对应的关系曲线,在铣削宽度的最大和最小值之间划分宽度区间,在铣削深度的最大和最小值之间划分深度区间,寻找同一刀步对应的宽度区间和深度区间,组合相同的宽度区间和深度区间中的刀步数,构成一个铣削加工特征组合段如图3所示。
图3 加工组合段
3.2.2 综合目标优化模型的建立
在数控加工中,铣削速度V和每齿进给量fz对加工过程影响显著,本文以V及fz为变量,以效率和成本为目标进行优化。
1．效率目标函数 铣削加工中生产零件的时间由铣削时间,换刀时间和辅助时间组成若在工序中使用相同的设计参数,则单一刀具铣削操作中生产以个零件的时间可表达为:
其中:Ct—刀具成本 C1—单位时间劳动力成本及其余的开支
3.综合优化目标函数 由于实际加工情况复杂多变,为了能使在加工成本与加工时间综合条件下寻求加工资源的最佳组合和合理配置,建立一个综合的优化模型采用多目标线性加权求合法,综合函数如下式:
(6)
由于各个铣削加工特征组合段的设计参数铣削速度v和每齿进给量fz之间相互独立,又因为铣削加工特征组合段对应的铣削条件组合之间也相互独立,所以综合目标函数转化为:
3.3 几何及物理仿真模块的集成
首先基于UG平台,建立虚拟加工实验装配模型(包括机床、夹具、工件),确保虚拟加工与实际加工的一致性,完成几何仿真模型;然后利用利用UG二次开发技术以及VC++6.0实现物理仿真在UG软件上的集成。
通过UG/OPEN Menu Scrip以脚本的形式实现对UG主界面菜单的加载和修改。物理仿真模块在UG主菜单界面加载下拉式菜单的脚本文件如下:
VERSION 120
EDIT UG GATEWAY_MAIN_ MENUBAR
BEFORE _UG _WINDOW
CASCADE _BUTTON MENU_物理仿真
LABEL物理仿真
END_ OF_BEFORE
物理仿真模块集成到UG软件后如图4所示。
完成几何及物理仿真模块的集成后,对实验模型进行干涉检查,确认刀具与夹具和工件都没有干涉后,便可进行虚拟加工。
通过虚拟加工,对生成的NC代码分析得出加工特征组合段曲线,然后在UG平台上进入物理仿真模块,选择参数优化方式并输入相关参数即可实现物理仿真,相关实现界面如图5及图6所示.
利用优化后的加工参数,通过几何仿真获得优化的NC系统,再把改程序应用到仿真系统,使得铣削加工特征组合段内每一个刀步的切削参数得到优化,在保证加工质量的前提下,减少了加工时间和成本,实现了几何及物理仿真模型真实意义上的集成。
图4 物理仿真的集成
图5 物理仿真参数设置
图6 物理仿真优化结果
文以虚拟数控铣削仿真为研究重点,建立了虚拟铣削加工环境模型,通过优化切削参数,提高生产效率为主要目的,构建了基于UG的数控加工几何及物理仿真系统。本系统的应用减少生产准备时间,通过选择最优加工参数,保证了综合效益最大化。
参考文献：
[1] 刘冀伟,杨者青.数控车削加工仿真系统结构研究,航天制造技术,2005,2:79-81.
[2] 费广正,乔林.VC++6.0高级编程技术OpenGL篇,中国铁道出版社 2000.
[3] 张秀生.数控加工物理仿真技术研究,组合机床与自动化加工技术,2006,(4):31-35.