福建制造业信息化网 _ 虚拟制造中的车削过程仿真系统研究

虚拟制造中的车削过程仿真系统研究

1 引言

    自70年代以来，世界市场由过去传统的相对稳定逐步演变成动态多变的特征，为适应变化迅速的市场需求，现代制造也必须要以最快的上市速度(T-Time to market)、最好的质量(Q-Quality)、最低的成本(C-Cost)、以及最优的服务(S-Service)来满足发展的需求。实践证明，将信息技术应用于制造业，进行传统制造业的改造是现代制造业的必由之路。80年代初期，先进制造技术以信息集成为核心的计算集成制造系统(CIMS)开始实施，80年代末期，以过程集成为核心的并行工程(CE)技术进一步提高了制造水平，进入90年代后，先进制造技术向更高水平的虚拟制造技术发展。虚拟制造利用信息技术、仿真技术、计算机技术对现实制造活动及控制过程进行全面仿真，以发现制造过程中可能出现的问题，在产品实际生产之前就采取预防措施，从而达到产品一次性制造成功。由此看来，它可以降低成本，缩短产品开发周期，还可以对想象中的制造活动进行仿真，而不消耗现实的资源和能量。

    2 国内外虚拟制造相关技术发展状况

    由于虚拟制造技术具有诱人的应用前景，促使很多发达国家对其进行深入研究。在美国已形成了由政府、产业界、大学组成的多层次、多方位的综合研究开发力量。由政府支持的研究项目主要有：TEAM(Technologies Enabling Agile Manufacturing，Dept of Energy)、NAMT(National Advanced Manufac-turing Testbed)、SIMA(Advanced Manufacturing Systems and Networking Testbed)、NIIIP(National Initustri Infor-marion Infrastructure Protocols，NIST)、MAVE(the Metties for the Agile Virtual Enterprise，DARPA)、The JAST(Joint Advanced Strike Technology)、Fast Track Program。

    在欧洲，许多大学和研究机构通过相互间的合作并联合企业进行虚拟制造技术的研究工作，例如：由Bath大学进行的A virtual workshop for Design by Manufacturing研究、由Herriot-Watt大学进行的Virtual Manufacturing Group研究等。在日本，已经形成了以大阪大学为中心的研究开发力量，主要进行虚拟制造系统的建模和仿真技术的研究，并开发出了虚拟工厂的构造环境VirtualWorks。

    目前，虚拟制造技术已经在国外有所应用，典型的例子有波音777，其整机设计、部件测试、整机装配以及各种环境下的试飞均在计算机上完成，使其开发周期从过去8年时间缩短到5年。又如：Perot System Team利用Dench Robotics开发的QUEST及I-GRIP设计与实施一条生产线，在所有设备订货之前，对生产线的运动学、动力学、加工能力等各方面进行了分析与比较，使生产线的实施周期从传统的24个月缩短到9．5个月。Chrycler公司与IBM合作开发的虚拟带糙环境用于其新型车的研制，在样车生产前，发现其定位系统的控制及其他许多设计缺陷，缩短了研制周期。再如：美国Boneing公司设计的一架VS-X虚拟飞机，可用头盔显示器和数据手套进行观察与控制，使飞机设计人员身临其境地观察飞机设计的结果，并对其外观、内部结构及使用性能进行考察；日本Matsushita公司开发的虚拟厨房设备制造系统，允许消费者在购买商品前，在虚拟的厨房环境中体验不同设备的功能，按自己的喜好评价、选择和重组这些设备，他们的选择将被存储并通过网络送至生产部门进行生产；美国Coventry School of and Design开发的虚拟原型制作系统，设计者在设计的初始阶段能够在计算机中构造虚拟原型并对此原型进行评价。国内在此方面的研究刚刚起步，主要集中在以下三个方面：
    (1)产品虚拟设计技术

    主要包括虚拟产品开发平台、虚拟测试、虚拟装配以及机床、模具的虚拟设计实现等。其中清华大学利用美国国家仪器公司的Labview开发平台实现了锁相电路的虚拟，北京机械科学研究院采用C语言和OpenGL进行编程初步实现了立体停车库的虚拟现实下的参数化设计，可以直观地进行车库的布局、设计、分析和运动模拟。

    (2)产品虚拟制造技术

    主要包括材料热加工工艺模拟、加工过程仿真、板材成型模拟、模具制造仿真等。北航与一汽用OPTRIS开发的板料成型软件已经基本能够模拟类似车门的中等复杂程度的汽车覆盖件和其他冲压成型件的冲压成型过程；沈阳铸造研究所开发的电渣熔铸工艺模拟软件包ESRD3D已经应用于水轮发电机变曲面过流部件生产中，其产品在刘家峡、李家峡、天生桥、太平役等7个电站中使用；合肥工业大学研制的双刀架数控车床加工过程模拟软件已经在马鞍山钢铁股份有限公司车轮轮箍厂应用，使数控程序现场调试时间由几个班缩短到几小时，并保证一次试切成功；北京机床研究所、机械科学研究院、东北大学、上海交大和长沙铁道学院等单位也研制出一些这方面的仿真软件。

    (3)虚拟制造系统

    主要包括虚拟制造技术的体系结构、技术支持、开发策略等。其中提出了比较成熟的思想并可能实现的是由上海同济大学张曙教授提出的分散网络化生产系统和西安交通大学谢友柏院士组建的异地网络化研究中心。

    采用仿真加工来代替或减少实际中的试切工作，对切削加工有十分重要的意义。切削仿真加工在虚拟制造中占有重要地位，它通过对机床-工件-刀具构成的工艺系统中的各种加工信息的有效预测与优化，为实现加工过程的智能化创造了有利条件，同时它也是研究加工过程的重要手段。

    3虚拟切削加工系统的关键技术

    虚拟加工环境建模：采用面向对象的虚拟加工环境中的对象如机床设备、刀具、工件等进向建模，并对这些对象加以管理和调度使用。虚拟加工过程建模：它包括加工过程中的运动学建模、动力学建模及几何建模。建立该模型关键是建立描述加工过程的集成仿真模型，包括机床-工件-工件系统的加工过程几何模型、物理仿真模型及加工误差分析模型。

    虚拟产品建模：虚拟制造的最终输出为数字产品，因此建立描述产品的模型十分关键。虚拟产品模型包括具有特征制造造型和特征表示功能描述，制造产品的误差描述及产品表面特征描述。

    4基于C++Builder的车削过程仿真

    本文基于C++Builder软件进行了虚拟制造中的车削过程仿真系统研究。

    (1)刀具建模

    刀具主要包含有刀具种类、刀具材料、刀具的几何角度等信息。在车削过程当中，主要用到了外圆刀、切断刀、螺纹刀等几种刀具，刀具的材料主要有高速钢和硬质合金等，而刀具的角度则包含了主偏角、前角、刃倾角等众多角度。根据实际需要建立刀具的使用数据库，数据库中包含影响刀具使用性能和切削力大小的各种参数，在切削仿真加工以前根据实际需要可以进行预先设定，如图1所示。

    (2)仿真动画显示

    主要使用Timer控件对加工过程进行控制，为减少程序冗余，本软件共使用2个时钟。时钟1用来控制走刀过程的仿真以及在每道工序加工完毕后在该段轴径上绘制加工后的粗糙度符号及粗糙度值的大小，走刀仿真的实现是通过用窗体底色的覆盖与刀具的重新绘制来实现的，即时钟1每触发一次，刀具在窗体上移动一个进给量的长度上重新绘制，而原来的刀具用窗体的底色在原来图像上重画，这样就隐去了原来的刀具图形；并用底色在毛坯图形上重画刀具切削的图形，可以将绘制刀具与粗糙度的绘图命令定义为全局的函数，程序调用过程中只需要设置颜色与传递不同的坐标就可以实现上面所说的过程。时钟2用来在每道工序加工结束后暂停2秒钟后再进行下一工序的加工。
    5结语

    C++Builder提供了一个面向对象、可视化设计的快速应用程序开发环境，所开发的软件应用环境便于使用。本开发系统能够适应各种车削零件加工的二维图形模拟，仿真机床的实际加工过程，并得到零件加工结果，广泛应用于车削加工、教学试验等环节。