基于openinventor的数控车削加工仿真建模关键技术研究

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1、第1章绪论1.1课题研究背景及相关技术的研究现状1.1.1数控仿真技术的出现及其发展JohnPrun先生是CGTechCorp.(Irvine,CA)公司的总裁，是VericutNC仿真和检验软件包的开发者。当他回答媒体记者对NC仿真和检验的重要性的问题时说：“对于制造商来说，CNC机床仿真和NC程序检验，比以往任何时候都更重要。这是因为制造业全球竞争形势迫使制造商提高过程效率。由于制造专门技术、现代化设备和廉价劳动力市场，产品质量的水准正在迅速提高，特别是在亚太地区。制造商提高自身竞争力的最有效方法是使用最新设备和加工技术

2、，以便提高生产效率和产品质量。为了新机床和生产过程的无缝实施，经常需要使用最新的NC仿真软件[1]。”仿真技术是以相似原理、系统技术、信息技术以及仿真应用领域的有关专业技术为基础，以计算机系统、与应用有关的物理效应设备及仿真器为工具，利用模型对系统(已有的或设想的)进行研究的一门多学科的综合性的技术[2]。1961年，G.W.Morgenthater首次对“仿真”进行了属性定义，即“仿真意指在实际系统尚不存在的情况下对于系统或活动本质的实现[3]”。另一个对“仿真”进行技术性定义的是Korn。他在1978年的著作《连续系统仿

3、真》中将仿真定义为“用能代表所研究的系统的模型做实验[4]”。1982年，Spriet进一步将仿真的内涵加以扩充，定义为“所有支持模型建立与模型分析的活动即为仿真活动”。1984年Oren在给出了仿真的基本概念框架“建模—试验—分析”的基础上，提出了“仿真是一种基于模型的活动”的定义，被认为是现代仿真技术的一个重要概念[5]。数控加工仿真是真实数控加工过程在虚拟制造中的数学模型，它是虚拟制造的重要组成部分。建立在虚拟现实技术和计算机仿真技术基础上的1万方数据数控加工仿真技术基本上不消耗现实资源和能量，也不生产实际产品，而是产

4、品的设计、开发与实现过程在计算机上实现，目前该技术已引起了广泛关注，并得到了突飞猛进的发展和应用，国内外都进行了相关的研究。数控加工仿真的发展趋势是聪明加工，其重要特征是系统动态优化，即将相关工艺过程和设备知识加以集成后进行建模，进行系统的动态性能优化。数控加工仿真是采用计算机建模与图形仿真技术，在计算机上建立虚拟加工环境，模拟数控加工的过程。在设计新的方案或更改方案过程中，可以在不消耗实际材料、不占用机床设备的情况下，进行机床的运动仿真、工件加工过程的模拟、碰撞干涉检查等各项工作，从而对工件装夹的合理性、所选加工工艺参数的

5、可行性和工件的可加工性做出评价，最终达到缩短产品开发周期、降低生产成本、提高产品质量和生产效率的目的[6-10]。现代仿真技术均在计算机支持下进行的，因此仿真也称为计算机仿真。计算机仿真有三个基本的活动，即系统建模、仿真建模和仿真实验，联系这三个活动的是系统仿真的三要素，即系统、模型、计算机。他们的关系可用图1-1表示：系统系统建模 仿真实验模型计算机 仿真建模图1-1计算机仿真模型Fig.1-1Thecomputersimulationmodel系统建模活动是通过对实际系统的观测或检测，在忽略次要因素及不可检测变量的基础上

6、，用物理或数学的方法进行描述，从而获得实际系统的简化近似模型。这里的模型同实际系统的功能与参数之间应具有相似性和对应性。仿真建模是对系统的数学模型(简化模型)进行一定的算法处理，使其2万方数据成为合适的形式(如将数值积分变为迭代运算模型)之后，成为能被计算机接受的“可计算模型”。仿真模型对实际系统来讲是一个二次简化的模型。仿真实验是指将系统的仿真模型在计算机上运行的过程。仿真是通过实验来研究实际系统的一种技术，通过仿真技术可以弄清系统内在结构变量和环境条件的影响[11]。从计算机模拟切削加工的模型特点来看，数控加工仿真可分为

7、几何仿真和物理仿真两个方面。几何仿真不考虑切削参数、切削力和其它物理因素的影响，只模拟工件刀具之间的相对运动，主要目的是检验刀位轨迹的正确性，减少或消除因刀位数据错误而导致的机床损坏、夹具或刀具折断、零件报废等问题，避免因此可能造成的严重损失，从而减少产品由设计到制造的时间，降低生产成本。物理仿真则通过切削过程的动力学模型实现切削力、刀具磨损、刀具破损的检测与监控，切削振动的预报以及切削参数的调整与控制。物理仿真为切削参数的调整和优化提供依据，从而达到优化切削过程的目的。物理仿真中的切削用量优化问题属于离线变参数优化[12]

8、。随着计算机技术的不断改善和计算机图形学的飞速发展，计算机仿真技术在制造业中得到了广泛的应用。这种利用计算机来检验数控代码的方法是国际上自20世纪80年代以来发展起来的方法，一般称为NCV(NCVerification)。该方法的一般做法是采用计算机建模和仿真技术来模拟实际的数控加工过程，