2 虛擬機床加工系統(tǒng)研究的基本內(nèi)容和關(guān)鍵技術(shù)

1. 虛擬機床加工系統(tǒng)的基本要求
   虛擬機床加工系統(tǒng)是在計算機上建立的一套能夠描述真實加工過程和質(zhì)量檢驗過程阱缓，允許使用者測試和優(yōu)化加工工藝、預(yù)測加工質(zhì)量的軟件工具举农。它可以根據(jù)實際加工機床或加工中心進行初始化荆针，然后由數(shù)控代碼驅(qū)動虛擬的機床進行切削加工。它除可描述刀具真實運動軌跡外颁糟，還可根據(jù)刀具特征計算工件的形狀誤差航背、形位誤差、幾何尺寸誤差和表面粗糙度滚停，進而達到預(yù)測加工質(zhì)量的目的沃粗。虛擬機床加工系統(tǒng)所生產(chǎn)的產(chǎn)品是可視的虛擬產(chǎn)品，具有真實產(chǎn)品所必須具備的一切特征键畴，是一個數(shù)字化的產(chǎn)品最盅。
   虛擬機床加工系統(tǒng)的建模有以下兩點最基本的要求：

   1. 在功能上要與現(xiàn)實機床加工系統(tǒng)有一定的等價性；
   2. 在組成結(jié)構(gòu)上要與現(xiàn)實制造系統(tǒng)中的機床加工系統(tǒng)有一定的可比性起惕，要可系列化涡贱，具有可重用性與可重組性。
   此外牌骚，由于虛擬機床加工系統(tǒng)是一種估計和驗證新產(chǎn)品的可制造性的不可缺少的工具翎女。它所關(guān)注的是金屬切削加工的描述，它是以真實感為基礎(chǔ)的缘荧、是依賴于真實系統(tǒng)的酸飞。經(jīng)過虛擬實現(xiàn)的加工最終仍要在真實的環(huán)境中實現(xiàn)。因此蒿榄，虛擬機床加工系統(tǒng)要包含諸如：(1)機床型號央封；(2)機床的主要結(jié)構(gòu)尺寸、工作臺的大小夹昼、工作行程等徐渗；(3)機床的精度，包括加工時各工作部件的運動精度帘达、導(dǎo)軌精度店麻、定位精度等；(4)機床的使用情況，如故障率坐求、故障原因蚕泽、維修記錄、使用環(huán)境等瞻赶；(5)操作機床的人員狀況等的全部信息赛糟。
   虛擬機床加工系統(tǒng)就是要包含上述所有信息并能自如地與其他虛擬資源及真實系統(tǒng)互通信息的虛擬系統(tǒng)。
2. 虛擬機床系統(tǒng)研究的基本內(nèi)容
   附圖所示就是一個能夠達到上述目的和要求的虛擬機床加工系統(tǒng)的基本框架以及該系統(tǒng)與其他虛擬制造資源及真實資源的聯(lián)系砸逊。它清楚地展現(xiàn)了虛擬機床加工系統(tǒng)所要研究的基本內(nèi)容璧南。
   

   虛擬機床加工系統(tǒng)的基本框架和研究內(nèi)容

   圖中所示的各種聯(lián)系都是雙向的。整個虛擬生產(chǎn)系統(tǒng)的工作是以虛擬機床加工系統(tǒng)為中心的师逸。CAD/CAM系統(tǒng)為虛擬機床加工系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計數(shù)據(jù)司倚。根據(jù)這一設(shè)計數(shù)據(jù)，虛擬機床加工系統(tǒng)在對異地加工位置的實際機床系統(tǒng)進行選取使自身初始化后進行產(chǎn)品的加工生產(chǎn)篓像，并將加工后所得到的產(chǎn)品數(shù)據(jù)交付虛擬檢測系統(tǒng)和虛擬裝配系統(tǒng)檢驗產(chǎn)品的質(zhì)量和性能动知，同時對加工和設(shè)計提出修改建議。這一過程是反復(fù)進行的员辩，直至獲得合格的虛擬產(chǎn)品盒粮。而后，將所形成的加工數(shù)據(jù)反饋給最終所選定的加工地進行加工企电。通過上述過程一個新產(chǎn)品便被迅速地加工完成嘶在。在正式交付加工數(shù)據(jù)之前，虛擬的加工不僅不需要任何資源乃筐，而且可以隨時滿足客戶的特殊要求扎趋，實現(xiàn)敏捷的生產(chǎn)。
3. 虛擬機床加工系統(tǒng)研究的關(guān)鍵技術(shù)
   1. 建立一個在結(jié)構(gòu)上與現(xiàn)實機床加工系統(tǒng)具有一定的可比性玄饶、代表著一類機床加工系統(tǒng)的共同特性莲态、具有更高的柔性、可重構(gòu)性李腐、可重用性的虛擬機床加工系統(tǒng)拓撲模型秤凡；
   2. 針對上述模型建立虛擬機床加工系統(tǒng)的運動學(xué)模型，從而完成虛擬機床加工系統(tǒng)主軸的運動狀態(tài)描述以及刀具的運動軌跡描述憎苦；
   3. 建立虛擬機床加工系統(tǒng)的誤差模型丘登，將一類機床加工系統(tǒng)的誤差融入運動學(xué)模型中，使刀具的工作空間具有更高的真實性烛蘑；
   4. 真實地反映切削過程的切削模型的建立初之；
   5. 能夠真實反映工件全部信息的標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品數(shù)據(jù)表示法造过；
   6. 統(tǒng)一的各系統(tǒng)之間的接口定義及信息交換方式唱较；
   7. 對所加工的產(chǎn)品以及對數(shù)字零件的加工質(zhì)量的預(yù)報和監(jiān)測。

3 解決關(guān)鍵技術(shù)的一些基本方法

1. 建立機床加工系統(tǒng)拓撲模型
   利用拓撲等價關(guān)系可以形成一個拓撲意義上的機床召川，建立最一般的復(fù)映關(guān)系南缓。這種復(fù)映關(guān)系指的是虛擬機床加工系統(tǒng)與現(xiàn)實機床加工系統(tǒng)以及虛擬機床加工系統(tǒng)中所包含的影響加工質(zhì)量的各種關(guān)系胸遇。在拓撲模型的建立中，我們將現(xiàn)有機床劃分成適當(dāng)?shù)慕M成部分汉形，以便組成相應(yīng)的結(jié)構(gòu)纸镊。對于多軸機床來說，各部件組成的順序及運動方式的不同概疆，將使刀具軌跡和誤差的組成有明顯的區(qū)別逗威。特別是調(diào)整誤差與機床各組件的相對位置更是有很大的關(guān)系。利用一種成形運動的特征運動鏈可表示出機床的拓撲結(jié)構(gòu)岔冀，并方便誤差的融合凯旭。例如：多軸機床的成形函數(shù)可由下式表示為

   rW=Ai1Ai2…Aij…AinrT

   (1)

   式中　r_W——工件坐標(biāo)系中工件的位置向量
   r_T——刀具坐標(biāo)系中刀具的位置向量
   A^ij——工件至刀具的運動鏈組件標(biāo)架的齊次坐標(biāo)變換矩陣<
   在此，可用一定的代碼表示多軸機床使套。如罐呼，一臺五軸機床可表示為W/baxyz/T(Z)，則成形函數(shù)為

   rW=A(φ)5A(φ)4A(x)1A(y)2A(z)3rT

   (2)

   式中确确，x尺夺、y、z為X面啄、Y舒叨、Z軸的移動量，φ降乔、Φ為A踊眠、B軸的轉(zhuǎn)動量。
   這個成形函數(shù)便構(gòu)成了拓撲結(jié)構(gòu)的雛形讨楔。后續(xù)的一切工作都是以它為基礎(chǔ)的布缨。
2. 虛擬機床加工系統(tǒng)的初始化虛擬機床加工系統(tǒng)的初始化的主要作用是使虛擬機床加工系統(tǒng)能夠更加真實地按照現(xiàn)有機床進行虛擬加工，使得到的加工結(jié)果能夠迅速地在真實的加工現(xiàn)場得到應(yīng)用玻市。這實際上是工藝規(guī)劃中的機床選擇問題柜涛。盡管此時的選擇范圍變得相當(dāng)大。除此之外父独，還有所選機床的虛擬化的任務(wù)也要在此完成格缘。它需要大量的參數(shù)及很多的圖形操作。要完成這些任務(wù)酬屉，網(wǎng)絡(luò)通訊的支持是必不可少的半等。
3. 工件屬性模型的研究
   虛擬機床加工系統(tǒng)的最終目標(biāo)是要得到對工件屬性進行預(yù)測的能力。因此工件屬性模型的建立對虛擬機床加工系統(tǒng)的成功是非常重要的呐萨。這其中所涉及的領(lǐng)域包含工件表面數(shù)據(jù)的表示方法杀饵、刀具的模型化、單點刀具及多點刀具的性能、表面成形的模型化方法等切距。同時也著重注意機床系統(tǒng)誤差的影響朽缎。
   具有真實感的加工表面的數(shù)據(jù)組織形式以及對如粗糙度這樣的誤差的直接拾取的計算方法還在進一步進行研究。統(tǒng)一數(shù)據(jù)的描述格式是必要的谜悟。因為它將對虛擬機床加工系統(tǒng)的所有環(huán)節(jié)產(chǎn)生影響话肖。目前描述工件數(shù)據(jù)的方法主要有CSG、STEP法等葡幸。另外對圖形數(shù)據(jù)的處理過程以及加工表面微觀形貌特征的描述也可使用分形方法最筒。總之蔚叨，將現(xiàn)有方法與各種可能的因素綜合考慮是钥，總結(jié)出一種適當(dāng)?shù)姆桨甘悄壳暗闹饕ぷ鳌?b>
4. 運動、幾何誤差模型及動力學(xué)問題的考慮
   對于多軸機床運動學(xué)模型的建立渺因，目前大多數(shù)采用D—H方法或?qū)—H方法進行一定的修正幅类。在應(yīng)用其進行誤差分析時，又有使用四參數(shù)模型和五參數(shù)模型的方法妙裸。盡管D—H方法可將運動姨桩、變換和映射與矩陣運算聯(lián)系起來，但其對誤差標(biāo)定及速度睁去、力等問題的求解戚促，則不是十分方便。旋量方法能夠明顯簡化計算程序的編制殃宜，并可同時對自由矢量和線矢量進行處理睡誉。該方法的使用不僅可使此方面的研究難度降低，而且會更加清晰挟撑。
   除此之外伤很，由于機床加工系統(tǒng)是一個非常復(fù)雜的加工工藝系統(tǒng)，自從其問世以來對它的研究雖已有相當(dāng)長的歷史嫩坷，但其中仍有很多疑難問題并沒有得到很好的定量解釋肺樟，起主導(dǎo)作用的仍然是經(jīng)驗和實驗數(shù)據(jù)；同時它的各個組成部分逻淌，又具有非常強的聯(lián)系么伯，各種聯(lián)系因素錯綜復(fù)雜。這就給虛擬工作帶來了相當(dāng)大的難度卡儒。特別是動態(tài)誤差對加工質(zhì)量的影響是非常大的田柔。振動和加工溫度的變化在一定范圍內(nèi)將對粗糙度起著關(guān)鍵性的作用。采用一種簡化的方法骨望，將其分解為各個相對獨立的組成部分去研究硬爆，已經(jīng)成為普遍認可的研究策略窜骄。

4 結(jié)束語