關(guān)鍵詞：數(shù)控車床昭雌；虛擬制造環(huán)境复唤；全景仿真；切屑仿真烛卧；加工質(zhì)量仿真

目前CAD? CAM 集成化系統(tǒng)受軟件模型封閉性及剛性化限制佛纫，難于解決數(shù)控機床的高效、高功能與用戶使用的低效总放、低功能的矛盾呈宇，更不適應(yīng)虛擬制造系統(tǒng)高度擬實要求。主要表現(xiàn)為①幾何仿真的“仿”而難“真”——數(shù)控加工圖形仿真實體去除由布爾減運算實現(xiàn)侥嫂，由于運算量大忱痴，仿真環(huán)境只能對單個工件進(jìn)行操作，無法實現(xiàn)含整個工藝系統(tǒng)的數(shù)控加工全景仿真焙逝，因此不能正確斷定刀軌干涉與碰撞，更不能對用戶產(chǎn)生虛擬現(xiàn)實(VR )所需的沉浸感[ 1 ]话弹；②加工過程仿真的不“仿”不“真”——數(shù)控加工仿真忽略(或淡化) 了“過程”年笋，沒有考慮工藝系統(tǒng)中物體相互作用時各種幾何現(xiàn)象與物理現(xiàn)象(如切屑生成等) ，即對加工過程不進(jìn)行實質(zhì)性仿真[ 2 ]；③加工質(zhì)量仿真的“真”而難“仿”——幾何造型系統(tǒng)基本元素均由理想形狀幾何形體構(gòu)成雌她，不包含任何物理性質(zhì)透汞，不可能由工件切削機理出發(fā)獲得工件實際形狀，因此仿真結(jié)果失真政用。誤差對加工精度影響的研究工作尚處于定性薄肉、離散狀況，研究成果難以在實際生產(chǎn)中推廣應(yīng)用[ 3 ]倘灸。為解決上述問題某亩，我們選擇量大面廣的數(shù)控車床作為研究對象，圍繞虛擬制造基礎(chǔ)——數(shù)控加工過程仿真開展研究工作热某，使虛擬制造這一學(xué)科前沿研究與我國數(shù)控機床技術(shù)問題結(jié)合起來腻菇，為數(shù)控加工過程仿真開辟一條新途徑。

1 數(shù)控車削幾何仿真

1. 1 數(shù)控車削特征體參數(shù)化造型方法

目前數(shù)控加工仿真圖形一般由CSG (構(gòu)造實體圖形) 體素昔馋、B- rep (邊界表示) 及特征造型等方法表示筹吐。由于CSG 體素的形體邊界幾何元素(點、線秘遏、面) 隱含在體素中丘薛，故顯示與繪制體素需很長時間，而B- rep 表示法數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜邦危，需大量數(shù)據(jù)存儲空間洋侨，因此本文以特征造型表現(xiàn)3 維實體。為此基于車削性質(zhì)對回轉(zhuǎn)體構(gòu)型特征進(jìn)行幾何形狀細(xì)分铡俐，將其抽象為由4 個基本幾何體素——圓柱面凰兑、圓錐面、球面(含組成復(fù)雜回轉(zhuǎn)曲面的球冠)及螺紋面組成(無孔零件可視為孔類零件內(nèi)孔為零時的特例)审丘。為實現(xiàn)任意形狀數(shù)控車削加工幾何仿真吏够，提出特征體參數(shù)化造型方法，該方法核心內(nèi)容如下：將加工工件抽象成系列單件實體特征嵌鳖，參數(shù)化驅(qū)動實體特征尺寸以形成相關(guān)圖形特征织扰，仿真時對工件相關(guān)特征按加工序列依次組合，即可完成整個工件加工過程仿真及裂。圖1a 為圖1b 的單體特征(球冠) 率肉，改變尺寸L 并經(jīng)序列組合，即可生成圖1b 所示的回轉(zhuǎn)曲面嘀矢。

(a) 單體特征(b) 單體特征構(gòu)成實體
圖1實體參數(shù)化造型

1. 2數(shù)控車削全景仿真實現(xiàn)

特征體參數(shù)化造型技術(shù)顯著提高了數(shù)控車削仿真圖形生成速度剑三，使含整體數(shù)控車床(包括卡盤、轉(zhuǎn)塔刀盤昵例、導(dǎo)軌及床身等) 的全景仿真成為可能矩汪。本文以沈陽新陽機器制造公司數(shù)控車床為對象端皮，制作出虛擬數(shù)控車床，見圖2a拒凝。由于摒棄了傳統(tǒng)的菜單條控制(各種加工信息均可由圖2b 所示虛擬面板輸入腰凫，并獲得虛擬車床執(zhí)行機構(gòu)的相應(yīng)反應(yīng)) ，因此制作出的虛擬加工環(huán)境具有適度沉浸感牢裳。

(a) 虛擬數(shù)控車床(b) 控制面板
圖2數(shù)控車削全景仿真

圖3 為全景環(huán)境下基于特征體參數(shù)化造型技術(shù)所實現(xiàn)的任意零件車削加工仿真逢防。圖3a 為齒輪軸加工，主要仿真車削圓柱面蒲讯、錐面忘朝、端面、切槽伶椿、車螺紋和倒角等辜伟。圖3b 為手柄加工，主要仿真車削任意回轉(zhuǎn)曲面脊另。

(a) 齒輪軸加工仿真(b) 手柄加工仿真
圖3數(shù)控車削全景仿真實例

2 數(shù)控車削切屑仿真

2. 1切屑的形態(tài)

切削加工過程中导狡，切屑經(jīng)刀具卷屑槽卷曲變形后流出，形成一個等螺距螺旋體偎痛，其形態(tài)由螺旋外徑2ρ旱捧、螺距p、螺旋面與軸的夾角θ確定踩麦。設(shè)切屑上卷曲率為1/ρx枚赡，橫卷曲率為1/ρz，流出方向與切削刃法向夾角(即流屑角) 為η谓谦，則上述3 個參數(shù)可表示為[ 4 ]

由切屑流出后的受阻及折斷情況蛹拜，可將其分為如下4 種基本類型:

(1) 連續(xù)螺旋屑切屑沿刀具卷屑槽流出時，沒有碰到阻礙贺坝，形成不同形態(tài)連續(xù)螺旋屑慰颊，根據(jù)螺旋外徑及螺距的大小可將其分為松散螺旋屑和螺管屑。

(2) 發(fā)條屑流屑角η較小時俘噩，切屑上卷碰到工件辱折，由于工件旋轉(zhuǎn)使切屑向下彎曲，曲率半徑變小逾辕，隨著切屑的繼續(xù)流出财调，后續(xù)切屑包在外面，其直徑不斷加大煮沸，到一定程度使切屑折斷兔触，形成發(fā)條狀切屑。

(3)C 形屑或弧片屑流屑角G較大時腾枣，切屑卷曲后讓過工件并向下流動碰到后刀面审炬，繼續(xù)流出的切屑使其卷曲半徑加大籽榕，最終折斷形成C 形切屑或弧片形切屑。

(4) 墊圈形切屑切屑以橫向變形為主時甘桑，切屑流出后伸向工件待加工表面，由于工件旋轉(zhuǎn)將切屑頂端向下推動歹叮，使切屑扭轉(zhuǎn)變形跑杭，繼續(xù)流出的切屑又使前切屑進(jìn)一步向下移動，最終被扭斷咆耿，形成墊圈形切屑德谅。

上述切屑特征造型見圖4。

2. 2屑型判斷條件

切屑折斷應(yīng)變條件為

式中萨螺，ach 為切屑厚度窄做；Eb 為切屑斷裂應(yīng)變值；kmax 為切屑受阻變形后的半徑與其初始卷曲半徑之比慰技，一般kmax = 4椭盏。

用可轉(zhuǎn)位車刀切削加工時，形成的切屑若不滿足式(2) 吻商，切屑流出后受到阻礙將不能折斷掏颊，易變成纏亂屑；若滿足式(2) 址檀，則可被折斷锌褒，形成不同類型的短切屑。

圖5 為據(jù)切削機理所形成刀具與工件之間的空間位置關(guān)系绍堪。由圖5 可得

據(jù)式(3) 得屑型判斷過程勇湃，見圖6。圖6 中璃疫，s0 為切屑碰到工件切削表面變形時迅忙，其端部發(fā)生寬度方向位移。當(dāng)s0 較大時只忿，切屑在折斷之前便脫離了工件菜涯，經(jīng)對s0 進(jìn)行實驗分析(切削45 鋼及常用合金鋼) 得

s0 = 0. 08p + 0. 7ρsinθ

由圖6 及特征實體參數(shù)化造型法得圖7 所示各種切屑仿真實例。

3數(shù)控車削加工質(zhì)量仿真

3. 1“三瞬心”成形法

理想切削加工中禾膀，工件所在工藝基準(zhǔn)與主軸軸心線重合拣末，不存在主軸軸心與工藝基準(zhǔn)漂移，此時刀具也處于理想狀態(tài)驹柴，因此加工出的工件為理想形態(tài)饼瓮。實際加工過程中，主軸受運動誤差影響將發(fā)生漂移夹厌，在工件所在的任意橫截面上形成“主軸瞬心”豹爹；工藝基準(zhǔn)受工藝系統(tǒng)各種誤差影響也偏離理想位置裆悄，在工件橫截面上形成“工藝瞬心”；刀尖點受裝夾誤差臂聋、導(dǎo)軌誤差和刀具磨損的影響也偏離理想位置形成“刀尖瞬心”光稼。上述因素共同作用使工件形成各種形態(tài)加工誤差，因此可認(rèn)為工件任意時刻的廓形是刀尖瞬心孩等、工藝瞬心及主軸瞬心相互作用的結(jié)果艾君。設(shè)工藝瞬心為O1，主軸瞬心為O2肄方，刀尖瞬心為M 冰垄，由圖8 可得工件任意時刻廓形半徑

O1M = O1O2 + O2M (4)

由式(4) 知，工件任意時刻廓形半徑是工件工藝基準(zhǔn)和刀具切削點的相對位移权她。

圖8工件橫截面廓形實際形成過程

3. 2誤差集聚法

為推導(dǎo)出加工工件實際成形數(shù)學(xué)模型虹茶，應(yīng)對工藝尺寸鏈的每一環(huán)節(jié)建立坐標(biāo)系。由式(4) 知隅要，加工工件任意時刻實際尺寸是尺寸鏈的封閉環(huán)蝴罪，即刀尖點相對于工件工藝基準(zhǔn)的位移。

為此提出“誤差集聚法”颂睛，即對每項誤差按其成因建立坐標(biāo)系培车，以此將誤差分解，然后通過坐標(biāo)變換將刀尖點鏈入工藝坐標(biāo)系中车咕，求出刀尖點在工藝坐標(biāo)系下的位置坐標(biāo)割钧。圖9 為理想條件下各坐標(biāo)系的具體取向。圖10 為加工時淹郎，由誤差造成的坐標(biāo)系實際偏移衔侯。

圖9理想條件下各坐標(biāo)系取向

圖10實際坐標(biāo)系對理想坐標(biāo)系偏移

。為畫圖氛硬、計算方便迈枪，我們將加工誤差也集中起來，形成矢量otpc田蔑。圖中Σm i 為車床主軸理想位置坐標(biāo)系(本系統(tǒng)作為基系) 违酣；Σg 為
車床導(dǎo)軌坐標(biāo)系;Σti 為車刀刀尖理想位置坐標(biāo)系；Σtp 為存在安裝偏差時紫磷，刀尖所在位置坐標(biāo)系受啥，點c 為此坐標(biāo)系下由于工藝系統(tǒng)彈性變形、切削熱及刀具磨損等誤差因素的影響鸽心，刀尖所處的實際位置滚局；Σmp 表示主軸實際位置坐標(biāo)系；Σte 表示工藝坐標(biāo)系顽频。圖中虛線所示坐標(biāo)系表示各環(huán)節(jié)誤差的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系藤肢。

由圖10 顯見太闺，為獲得工件實際尺寸(含誤差) ，只需將Σtp 坐標(biāo)系下的矢量otpc (簡記為r tp )變換至Σte (簡記為r te) 坐標(biāo)系下嘁圈，即

式中省骂，aij ( i，j ∈ [1最住，4 ]) 為齊次坐標(biāo)變換矩陣中的元素冀宴。

圖11 為基于式(5) 所得動態(tài)車削加工圖形及計算結(jié)果顯示，表明所建模型可模擬加工工件的實際成形過程温学，可預(yù)測工件的直徑、圓度甚疟、直線度及表面粗糙度等仗岖。

圖11車削加工物理仿真圖形顯示

4結(jié)論

(1) 基于特征體參數(shù)化造型方法可模擬任意形狀的工件車削加工，顯著提高仿真圖形生成速度俗股。

(2) 切屑仿真可有效地解決切屑控制問題欲堪，是制造環(huán)境具有沉浸感的重要體現(xiàn)。

(3)“三瞬心”成形法及“誤差集聚法”所建數(shù)學(xué)模型可描述工件實際加工成形過程馁言，確定多誤差因素同工件加工精度之間的函數(shù)關(guān)系涯蜜，預(yù)測加工誤差趨勢，校正工藝過程群骂。

(4) 數(shù)控切削整體制造環(huán)境虛擬化對用戶具有沉浸感烙锉，是未來切削加工仿真趨勢。

(5) 集幾何仿真谱聂、加工過程仿真及加工質(zhì)量仿真為一體的虛擬數(shù)控車削加工環(huán)境孙鼎，可與現(xiàn)實加工環(huán)境相擬合，當(dāng)其創(chuàng)建的仿真模型被實踐證實后桐装，即可從本質(zhì)上形成一個真正意義的擬實制造系統(tǒng)升慕。

聲明：本網(wǎng)站所收集的部分公開資料來源于互聯(lián)網(wǎng)，轉(zhuǎn)載的目的在于傳遞更多信息及用于網(wǎng)絡(luò)分享害切，并不代表本站贊同其觀點和對其真實性負(fù)責(zé)旅急，也不構(gòu)成任何其他建議。本站部分作品是由網(wǎng)友自主投稿和發(fā)布牡整、編輯整理上傳藐吮，對此類作品本站僅提供交流平臺，不為其版權(quán)負(fù)責(zé)果正。如果您發(fā)現(xiàn)網(wǎng)站上所用視頻炎码、圖片、文字如涉及作品版權(quán)問題秋泳，請第一時間告知潦闲，我們將根據(jù)您提供的證明材料確認(rèn)版權(quán)并按國家標(biāo)準(zhǔn)支付稿酬或立即刪除內(nèi)容攒菠，以保證您的權(quán)益！聯(lián)系電話：010-58612588 或 Email:editor@mmsonline.com.cn歉闰。