虚拟数控车削加工过程建模与仿真系统的研发

虚拟制造(VM)是网络化制造、敏捷制造(AM)和现代集成制造系统(CIMS)实现的关键技术，而虚拟数控加工过程的建模与仿真，尤其是物理仿真的研究是虚拟制造的基础核心技术单元。本文围绕虚拟数控加工过程建模与仿真进行了系统研究： 1．从切屑的生成机理入手，探讨了切屑的卷曲原因、折断条件，建立了切屑生成的厚度、宽度、卷曲半径和切屑长度的数学仿真模型，基于上述模型，建立了不同切屑类型的三维参数化实体模型；对其中一类切屑模型进行了有限元建模和仿真，分析了切屑内外表面的应力、应变以及剪切应力对切屑生成、卷曲和折断以及形状和截面参数的影响，得出了切屑内产生的弯曲和剪切应力是引起切屑卷曲和折断的主要原因。将有限元仿真结果和文献中的实验结果进行了比较，发现具有很好的一致性，证实了有限元仿真对切屑形成的预测能力，并进一步分析了加工参数对切屑形状尺寸和生成类型的影响。 2．在将工件误差抽象成工艺系统(几何)误差(如导轨加工精度、主轴回转精度等)和加工(物理)误差(如刀具磨损、热变形及切削力等)的基础上，提出了一种综合法误差模型，此模型通过坐标变换纳入了机床、夹具和刀具对工件加工精度的影响，为完整建立质量评价模型奠定了理论基础；用有限元方法仿真了车削力对轴类工件加工的质量影响，并用理论计算对有限元仿真结果进行了比较验证，二者的结果具有很好的相关性，从而得出了两种方法在分析切削力对加工误差影响时的适应范围。 3．以南京数控机床有限公司生产的N-084／22型数控车床为对象，实测了该机床各零部件的几何尺寸，用大型CAD／CAM三维软件Pro／Engineer建立了模块化的数控车床虚拟设备模型，包括数控车床、夹具(三爪卡盘和顶尖)、刀具及工件等，为下一步的加工过程全景仿真奠定了基础。 4．采用Pro／E中的二次开发模块Pro／TOOLKIT，以VC++6.0为平台，集成上面所建立数控车床的几何模型和切屑的数学模型，开发了虚拟数控车削过程的仿真系统。该系统具有可视化的用户界面、加工毛坯和加工参数交互式输入、刀具碰撞和干涉检验、切削过程的实时显示和切屑实时的生成、卷曲和折断过程的仿真、加工质量评价以及对机床操作人员和数控编程人员进行培训等功能。