仿真系統(tǒng)在數(shù)控加工中的應(yīng)用研究

朱磊

摘 要：隨著機(jī)械制造技術(shù)的飛速發(fā)展，機(jī)械零部件越來越復(fù)雜，為了提高機(jī)械數(shù)控加工的質(zhì)量和效率，本文設(shè)計一個仿真系統(tǒng)，為數(shù)控加工提供模擬仿真，該系統(tǒng)具有較高仿真效率和易用性，同時具有較強(qiáng)的擴(kuò)展性，具有較高的實(shí)用價值。

關(guān)鍵詞：數(shù)控加工；仿真；系統(tǒng)

中圖分類號：TG659 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）09-0023-01

1 引言

隨著數(shù)控加工技術(shù)的不斷發(fā)展，各種高精尖技術(shù)也逐漸應(yīng)用到數(shù)控加工領(lǐng)域，被加工零部件的體積越來越大，精度要求越來越高，對數(shù)控加工的效率和質(zhì)量控制要求非常高。特別對于現(xiàn)代化的航空制造業(yè)，各類復(fù)雜曲面的機(jī)械加工尤其多，傳統(tǒng)的數(shù)控加工技術(shù)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足這種復(fù)雜曲面的數(shù)控加工精度，這使得虛擬仿真變得更加復(fù)雜。近年來，計算機(jī)仿真技術(shù)發(fā)展日新月異，這使得計算機(jī)仿真技術(shù)應(yīng)用到數(shù)控加工中有了可能，數(shù)控加工中的仿真是在計算機(jī)上利用三維圖形技術(shù)來模擬仿真機(jī)械數(shù)控加工的全過程，以此來檢驗(yàn)數(shù)控加工程序參數(shù)的合理性，能夠有效降低成本和大幅提高工作效率。由于數(shù)控仿真技術(shù)不需要原材料，校驗(yàn)過程具有敏捷性、直觀性和柔性等特點(diǎn)，具有十分可觀的經(jīng)濟(jì)價值。

2 UG軟件介紹

UG（Unigraphics NX）軟件是Siemens PLM Software公司出品的一個集CAD、CAE、CAM于一體的計算機(jī)輔助機(jī)械設(shè)計產(chǎn)品工程解決方案，可以為用戶的產(chǎn)品設(shè)計及加工過程提供數(shù)字化造型和驗(yàn)證手段，它功能十分強(qiáng)大，能夠輕松地實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜實(shí)體和造型的建模，最初主要在計算機(jī)工作站上運(yùn)行，隨著個人計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，它在個人計算機(jī)上的應(yīng)用越來越多，目前，已經(jīng)成為機(jī)械工程師在磨具、機(jī)械產(chǎn)品三維圖形設(shè)計的重要工具。

一般情況下UG具有三個設(shè)計層次：結(jié)構(gòu)設(shè)計、子系統(tǒng)設(shè)計、組間設(shè)計。它給用戶提供了一個界面友好的圖形化操作窗口，使得用戶可以以圖形方式直觀地觀測刀具沿軌跡運(yùn)動方向，同時可以靈活對此進(jìn)行修改優(yōu)化，比如延伸縮短刀具的軌跡等。用戶可以靈活的定義標(biāo)準(zhǔn)化刀具庫、加工工藝參數(shù)樣板庫，把所有能夠標(biāo)準(zhǔn)化的初始加工、精加工等操作參數(shù)全部歸一化，提高優(yōu)化加工工藝的質(zhì)量和效率。

在航空制造業(yè)，UG軟件具有強(qiáng)大的功能，能夠解決航空制造復(fù)雜曲面機(jī)械零部件的建模設(shè)計優(yōu)化，能夠設(shè)計實(shí)體造型、曲面造型、虛擬裝配和輸出工程圖等，還能夠進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)建模運(yùn)算，能夠進(jìn)行有限元分析，機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析、動力學(xué)分析、仿真數(shù)學(xué)運(yùn)算等，使用該款設(shè)計軟件能夠大幅降低機(jī)械設(shè)計工程師的勞動強(qiáng)度，提高機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量和效率，大幅提高設(shè)計制造的機(jī)械零部件的產(chǎn)品競爭力。本文設(shè)計的仿真系統(tǒng)也是基于該軟件進(jìn)行二次開發(fā)。

3 仿真設(shè)計及驗(yàn)證

仿真設(shè)計一般首先需要進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，通過工具軟件建模一般是實(shí)時交互的建立模型的過程，通過旋轉(zhuǎn)、拉伸、掃掠等方法來逐步構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，尤其是對于較為復(fù)雜的模型，一般還會涉及到曲面建模問題。

機(jī)床建模最為關(guān)鍵的是刀具的建模，這直接決定了整個仿真過程的成敗，刀具模型形狀和結(jié)構(gòu)直接決定了數(shù)控機(jī)械加工過程的動態(tài)仿真全過程，是整個仿真系統(tǒng)刀具庫設(shè)計開發(fā)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，刀具建模其實(shí)就是刀具的各類參數(shù)的設(shè)計優(yōu)化，最為關(guān)鍵的是能夠提取出各類刀具的全部基礎(chǔ)參數(shù)，能夠控制刀具模型的幾何特征。隨著現(xiàn)代機(jī)械制造技術(shù)的發(fā)展，各種新型的數(shù)控機(jī)床層出不窮，與之帶來的是數(shù)控機(jī)床的刀具五花八門，種類繁多，形狀各異，所以有必要先對刀具進(jìn)行分門別類管理，刀具一般有七大類：端銑刀、車刀、槽刀、T型銑刀、桶狀銑刀、螺紋刀和鉆頭。不同的刀具具有不同的加工參數(shù)和幾何特征。這里，有必要建立每一類刀具的通用集合模型，在進(jìn)行實(shí)際仿真過程中，直接調(diào)用某一類刀具，通過修改刀具參數(shù)來進(jìn)行仿真。

本文設(shè)計的仿真系統(tǒng)主要基于UG軟件進(jìn)行二次開發(fā)。該仿真系統(tǒng)主要包括以下幾個模塊：數(shù)控加工建模模塊、數(shù)控加工模擬面板模塊、數(shù)控加工代碼解析模塊、仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)倉模塊、網(wǎng)絡(luò)通訊模塊和人機(jī)交互模塊。仿真系統(tǒng)必須具有較高的魯棒性和可靠性，同時對用戶來說要具有較強(qiáng)的易用性，可以讓用戶能夠通過直觀友好的人機(jī)交互接口很快的掌握基本仿真操作，同時仿真系統(tǒng)具有較高的優(yōu)化和仿真效率，較高的整體性能，同時仿真系統(tǒng)還要具有較高的復(fù)用性和可擴(kuò)展性，由于人工智能技術(shù)發(fā)展迅速，各種仿真算法迭代速度非常快，所以仿真系統(tǒng)必須能夠可復(fù)用和擴(kuò)展，為以后的功能升級預(yù)留充足的接口。

數(shù)控加工建模模塊是整個仿真系統(tǒng)設(shè)計的核心部分，是整個可視化仿真系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，通過本文設(shè)計的仿真系統(tǒng)，機(jī)械工件模型加工過程能夠以圖形化的方式直觀地顯示出來，整個數(shù)控加工的刀具走刀軌跡、機(jī)械工件的測量和數(shù)控加工中的可能存在碰撞都可以以圖形化的方式呈現(xiàn)，使用戶在仿真過程中直觀地模擬實(shí)際數(shù)控加工過程的各個方面。本文設(shè)計的仿真系統(tǒng)主要采用構(gòu)造實(shí)體幾何法的建模方法，將實(shí)體通過簡單的布爾運(yùn)算來搭建復(fù)雜的機(jī)械數(shù)控加工模型，該方法具有直觀、效率高的優(yōu)點(diǎn)。數(shù)控機(jī)床的建模是模擬實(shí)際的數(shù)控機(jī)床和模擬加工過程的幾何仿真，通過檢測實(shí)際數(shù)控機(jī)床的各種參數(shù)，來層層細(xì)分?jǐn)?shù)控機(jī)床的幾何結(jié)構(gòu)，按照相似性原則對種類繁多的零部件進(jìn)行歸一化處理，來逐步構(gòu)建數(shù)控機(jī)床的本體模型。核心思想就是利用簡單的形體建模組合來模擬出數(shù)控機(jī)床本體的復(fù)雜建模過程。

數(shù)控加工模擬面板模塊主要是直觀地顯示仿真系統(tǒng)中數(shù)控機(jī)床的各種狀態(tài)信息，可以方便地進(jìn)行數(shù)控加工代碼的編輯修改，以圖形化直觀的方式為用戶提供友好的操作界面。

數(shù)控加工代碼解析模塊主要是對數(shù)控加工仿真計算機(jī)程序的二進(jìn)制翻譯，轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)可以識別的語言進(jìn)行自動化仿真操作。

仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)倉模塊主要是為刀具庫各種參數(shù)數(shù)據(jù)提供存儲和仿真系統(tǒng)調(diào)用，為用戶方便的使用各類刀具進(jìn)行系統(tǒng)仿真提供便利。

網(wǎng)絡(luò)通訊模塊主要包含RS232串口通訊模塊和Internet網(wǎng)絡(luò)通訊模塊，RS232串口通訊主要是為了計算機(jī)和數(shù)控機(jī)床之間的數(shù)據(jù)傳輸提供服務(wù)，Internet網(wǎng)絡(luò)通訊主要是為了給機(jī)械工程師操作仿真系統(tǒng)時與Internet網(wǎng)絡(luò)交互提供數(shù)據(jù)傳輸使用，能夠更加方便機(jī)械工程師更好的利用Internet網(wǎng)絡(luò)資源，提高數(shù)控仿真的仿真質(zhì)量和工作效率。

人機(jī)交互模塊主要是為用戶便捷地操作數(shù)控仿真系統(tǒng)提供友好的操作界面，建立良好的人機(jī)交互，方便快捷的為用戶和仿真系統(tǒng)之間搭建各類信息、數(shù)據(jù)交換的平臺。

對本文設(shè)計的仿真系統(tǒng)進(jìn)行測試驗(yàn)證，本文設(shè)計的仿真系統(tǒng)具有較強(qiáng)的實(shí)時性和易用性，同時能夠?qū)⒎抡娴膬?nèi)容進(jìn)行三維圖形顯示，能夠科學(xué)地、直觀地驗(yàn)證仿真設(shè)計的合理性，能夠滿足絕大多數(shù)機(jī)械數(shù)控加工的仿真要求，具有較高的實(shí)用價值。

4 結(jié)語

數(shù)控加工技術(shù)的進(jìn)步使得數(shù)控加工的復(fù)雜度和難度不斷地加大，各種復(fù)雜曲面的機(jī)械零部件應(yīng)用越來越多，為了提高數(shù)控加工的效率，本文設(shè)計了一種仿真系統(tǒng)來模擬數(shù)控加工的全過程，通過實(shí)際測試驗(yàn)證，本仿真系統(tǒng)具有較高的直觀性和高效率。

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