虛擬機(jī)床加工系統(tǒng)研究
| 1 概述 虛擬機(jī)床加工系統(tǒng)的研究工作最早是由美國(guó)提出的。美國(guó)伊利諾伊大學(xué)主持成立的虛擬機(jī)床研究機(jī)構(gòu)和美國(guó)NIST都投入了大量的人力、物力開展虛擬機(jī)床的研究與開發(fā)工作。前者的工作主要按機(jī)床行為建模和過程建模兩部分進(jìn)行。其中虛擬機(jī)床的行為建模包括以下六部分：(1)機(jī)床拓?fù)淠Ｐ停?2)機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)模型；(3)機(jī)床控制模型；(4)幾何誤差模型；(5)主軸動(dòng)態(tài)特性模型；(6)熱誤差模型。過程建模主要是建立系統(tǒng)響應(yīng)、工件屬性與加工過程之間的關(guān)系。包括：(1)切削過程模型；(2)工件屬性模型；(3)工裝夾具模型等三部分。而后者則以為虛擬制造提供支持工具，并為制定下一代基于信息的制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)奠定基礎(chǔ)為目標(biāo)。 我們?cè)诟檱?guó)外研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，完成了一個(gè)以車削加工為基礎(chǔ)的虛擬機(jī)床加工系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)。本文將對(duì)虛擬機(jī)床加工系統(tǒng)的部分研究?jī)?nèi)容進(jìn)行較深入的討論(本文研究?jī)?nèi)容得到國(guó)家“863計(jì)劃”資助)。 2 虛擬機(jī)床加工系統(tǒng)研究的基本內(nèi)容和關(guān)鍵技術(shù) 虛擬機(jī)床加工系統(tǒng)的基本要求 虛擬機(jī)床加工系統(tǒng)是在計(jì)算機(jī)上建立的一套能夠描述真實(shí)加工過程和質(zhì)量檢驗(yàn)過程，允許使用者測(cè)試和優(yōu)化加工工藝、預(yù)測(cè)加工質(zhì)量的軟件工具。它可以根據(jù)實(shí)際加工機(jī)床或加工中心進(jìn)行初始化，然后由數(shù)控代碼驅(qū)動(dòng)虛擬的機(jī)床進(jìn)行切削加工。它除可描述刀具真實(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡外，還可根據(jù)刀具特征計(jì)算工件的形狀誤差、形位誤差、幾何尺寸誤差和表面粗糙度，進(jìn)而達(dá)到預(yù)測(cè)加工質(zhì)量的目的。虛擬機(jī)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(shí)產(chǎn)品所必須具備的一切特征，是一個(gè)數(shù)字化的產(chǎn)品。 虛擬機(jī)床加工系統(tǒng)的建模有以下兩點(diǎn)最基本的要求： 在功能上要與現(xiàn)實(shí)機(jī)床加工系統(tǒng)有一定的等價(jià)性； 在組成結(jié)構(gòu)上要與現(xiàn)實(shí)制造系統(tǒng)中的機(jī)床加工系統(tǒng)有一定的可比性，要可系列化，具有可重用性與可重組性。 此外，由于虛擬機(jī)床加工系統(tǒng)是一種估計(jì)和驗(yàn)證新產(chǎn)品的可制造性的不可缺少的工具。它所關(guān)注的是金屬切削加工的描述，它是以真實(shí)感為基礎(chǔ)的、是依賴于真實(shí)系統(tǒng)的。經(jīng)過虛擬實(shí)現(xiàn)的加工最終仍要在真實(shí)的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)。因此，虛擬機(jī)床加工系統(tǒng)要包含諸如：(1)機(jī)床型號(hào)；(2)機(jī)床的主要結(jié)構(gòu)尺寸、工作臺(tái)的大小、工作行程等；(3)機(jī)床的精度，包括加工時(shí)各工作部件的運(yùn)動(dòng)精度、導(dǎo)軌精度、定位精度等；(4)機(jī)床的使用情況，如故障率、故障原因、維修記錄、使用環(huán)境等； (5)操作機(jī)床的人員狀況等的全部信息。 虛擬機(jī)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(shí)系統(tǒng)互通信息的虛擬系統(tǒng)。 虛擬機(jī)床系統(tǒng)研究的基本內(nèi)容 附圖所示就是一個(gè)能夠達(dá)到上述目的和要求的虛擬機(jī)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(shí)資源的聯(lián)系。它清楚地展現(xiàn)了虛擬機(jī)床加工系統(tǒng)所要研究的基本內(nèi)容。 圖中所示的各種聯(lián)系都是雙向的。整個(gè)虛擬生產(chǎn)系統(tǒng)的工作是以虛擬機(jī)床加工系統(tǒng)為中心的。CAD/CAM系統(tǒng)為虛擬機(jī)床加工系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。根據(jù)這一設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，虛擬機(jī)床加工系統(tǒng)在對(duì)異地加工位置的實(shí)際機(jī)床系統(tǒng)進(jìn)行選取使自身初始化后進(jìn)行產(chǎn)品的加工生產(chǎn)，并將加工后所得到的產(chǎn)品數(shù)據(jù)交付虛擬檢測(cè)系統(tǒng)和虛擬裝配系統(tǒng)檢驗(yàn)產(chǎn)品的質(zhì)量和性能，同時(shí)對(duì)加工和設(shè)計(jì)提出修改建議。這一過程是反復(fù)進(jìn)行的，直至獲得合格的虛擬產(chǎn)品。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(jìn)行加工。通過上述過程一個(gè)新產(chǎn)品便被迅速地加工完成。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，而且可以隨時(shí)滿足客戶的特殊要求，實(shí)現(xiàn)敏捷的生產(chǎn)。 虛擬機(jī)床加工系統(tǒng)研究的關(guān)鍵技術(shù) 建立一個(gè)在結(jié)構(gòu)上與現(xiàn)實(shí)機(jī)床加工系統(tǒng)具有一定的可比性、代表著一類機(jī)床加工系統(tǒng)的共同特性、具有更高的柔性、可重構(gòu)性、可重用性的虛擬機(jī)床加工系統(tǒng)拓?fù)淠Ｐ停? 針對(duì)上述模型建立虛擬機(jī)床加工系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，從而完成虛擬機(jī)床加工系統(tǒng)主軸的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)描述以及刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡描述； 建立虛擬機(jī)床加工系統(tǒng)的誤差模型，將一類機(jī)床加工系統(tǒng)的誤差融入運(yùn)動(dòng)學(xué)模型中，使刀具的工作空間具有更高的真實(shí)性； 真實(shí)地反映切削過程的切削模型的建立； 能夠真實(shí)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； 統(tǒng)一的各系統(tǒng)之間的接口定義及信息交換方式； 對(duì)所加工的產(chǎn)品以及對(duì)數(shù)字零件的加工質(zhì)量的預(yù)報(bào)和監(jiān)測(cè)。 3 解決關(guān)鍵技術(shù)的一些基本方法 建立機(jī)床加工系統(tǒng)拓?fù)淠Ｐ? 利用拓?fù)涞葍r(jià)關(guān)系可以形成一個(gè)拓?fù)湟饬x上的機(jī)床，建立最一般的復(fù)映關(guān)系。這種復(fù)映關(guān)系指的是虛擬機(jī)床加工系統(tǒng)與現(xiàn)實(shí)機(jī)床加工系統(tǒng)以及虛擬機(jī)床加工系統(tǒng)中所包含的影響加工質(zhì)量的各種關(guān)系。在拓?fù)淠Ｐ偷慕⒅?，我們將現(xiàn)有機(jī)床劃分成適當(dāng)?shù)慕M成部分，以便組成相應(yīng)的結(jié)構(gòu)。對(duì)于多軸機(jī)床來說，各部件組成的順序及運(yùn)動(dòng)方式的不同，將使刀具軌跡和誤差的組成有明顯的區(qū)別。特別是調(diào)整誤差與機(jī)床各組件的相對(duì)位置更是有很大的關(guān)系。利用一種成形運(yùn)動(dòng)的特征運(yùn)動(dòng)鏈可表示出機(jī)床的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并方便誤差的融合。例如：多軸機(jī)床的成形函數(shù)可由下式表示為 rW=Ai1Ai2…Aij…AinrT (1) 式中 rW——工件坐標(biāo)系中工件的位置向量 rT——刀具坐標(biāo)系中刀具的位置向量 Aij——工件至刀具的運(yùn)動(dòng)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(jī)床。如，一臺(tái)五軸機(jī)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，x、y、z為X、Y、Z軸的移動(dòng)量，φ、Φ為A、B軸的轉(zhuǎn)動(dòng)量。 這個(gè)成形函數(shù)便構(gòu)成了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的雛形。后續(xù)的一切工作都是以它為基礎(chǔ)的。 虛擬機(jī)床加工系統(tǒng)的初始化虛擬機(jī)床加工系統(tǒng)的初始化的主要作用是使虛擬機(jī)床加工系統(tǒng)能夠更加真實(shí)地按照現(xiàn)有機(jī)床進(jìn)行虛擬加工，使得到的加工結(jié)果能夠迅速地在真實(shí)的加工現(xiàn)場(chǎng)得到應(yīng)用。這實(shí)際上是工藝規(guī)劃中的機(jī)床選擇問題。盡管此時(shí)的選擇范圍變得相當(dāng)大。除此之外，還有所選機(jī)床的虛擬化的任務(wù)也要在此完成。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)，網(wǎng)絡(luò)通訊的支持是必不可少的。 工件屬性模型的研究 虛擬機(jī)床加工系統(tǒng)的最終目標(biāo)是要得到對(duì)工件屬性進(jìn)行預(yù)測(cè)的能力。因此工件屬性模型的建立對(duì)虛擬機(jī)床加工系統(tǒng)的成功是非常重要的。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、刀具的模型化、單點(diǎn)刀具及多點(diǎn)刀具的性能、表面成形的模型化方法等。同時(shí)也著重注意機(jī)床系統(tǒng)誤差的影響。 具有真實(shí)感的加工表面的數(shù)據(jù)組織形式以及對(duì)如粗糙度這樣的誤差的直接拾取的計(jì)算方法還在進(jìn)一步進(jìn)行研究。統(tǒng)一數(shù)據(jù)的描述格式是必要的。因?yàn)樗鼘?duì)虛擬機(jī)床加工系統(tǒng)的所有環(huán)節(jié)產(chǎn)生影響。目前描述工件數(shù)據(jù)的方法主要有CSG、STEP法等。另外對(duì)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?？傊?，將現(xiàn)有方法與各種可能的因素綜合考慮，總結(jié)出一種適當(dāng)?shù)姆桨甘悄壳暗闹饕ぷ鳌? 運(yùn)動(dòng)、幾何誤差模型及動(dòng)力學(xué)問題的考慮 對(duì)于多軸機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的建立，目前大多數(shù)采用D—H方法或?qū)—H方法進(jìn)行一定的修正。在應(yīng)用其進(jìn)行誤差分析時(shí)，又有使用四參數(shù)模型和五參數(shù)模型的方法。盡管D—H方法可將運(yùn)動(dòng)、變換和映射與矩陣運(yùn)算聯(lián)系起來，但其對(duì)誤差標(biāo)定及速度、力等問題的求解，則不是十分方便。旋量方法能夠明顯簡(jiǎn)化計(jì)算程序的編制，并可同時(shí)對(duì)自由矢量和線矢量進(jìn)行處理。該方法的使用不僅可使此方面的研究難度降低，而且會(huì)更加清晰。 除此之外，由于機(jī)床加工系統(tǒng)是一個(gè)非常復(fù)雜的加工工藝系統(tǒng)，自從其問世以來對(duì)它的研究雖已有相當(dāng)長(zhǎng)的歷史，但其中仍有很多疑難問題并沒有得到很好的定量解釋，起主導(dǎo)作用的仍然是經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；同時(shí)它的各個(gè)組成部分，又具有非常強(qiáng)的聯(lián)系，各種聯(lián)系因素錯(cuò)綜復(fù)雜。這就給虛擬工作帶來了相當(dāng)大的難度。特別是動(dòng)態(tài)誤差對(duì)加工質(zhì)量的影響是非常大的。振動(dòng)和加工溫度的變化在一定范圍內(nèi)將對(duì)粗糙度起著關(guān)鍵性的作用。采用一種簡(jiǎn)化的方法，將其分解為各個(gè)相對(duì)獨(dú)立的組成部分去研究，已經(jīng)成為普遍認(rèn)可的研究策略。 4 結(jié)束語(yǔ) 在國(guó)內(nèi)，虛擬制造技術(shù)研究開展得比較早，也取得了一定的成績(jī)。但對(duì)虛擬機(jī)床加工系統(tǒng)的研究尚未見報(bào)道。我們?cè)趯?duì)虛擬機(jī)床加工系統(tǒng)的部分關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)上，完成了一個(gè)以車削加工為基礎(chǔ)的虛擬機(jī)床加工系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)。該軟件系統(tǒng)具有完成NC代碼的轉(zhuǎn)換、虛擬加工以及加工質(zhì)量的監(jiān)測(cè)等功能，具有了一定的實(shí)際意義。目前正在進(jìn)行多軸機(jī)床的虛擬機(jī)床加工系統(tǒng)的研究。針對(duì)多軸機(jī)床的特點(diǎn)以及加工工件的特點(diǎn)，我們將工作重點(diǎn)放在工件屬性的描述、切削力的建模以及工件加工后的表面輪廓的描述和檢測(cè)以及Agent技術(shù)的研究上。 基于Agent的技術(shù)的研究，對(duì)虛擬機(jī)床加工系統(tǒng)這樣一個(gè)軟件工具的建立是非常有價(jià)值的。實(shí)踐表明，在虛擬制造及分布網(wǎng)絡(luò)化制造中，基于Agent的結(jié)構(gòu)將發(fā)揮巨大的作用。 |
