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3 虛擬加工系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

目前國(guó)際上已有不少較為成熟的商用虛擬加工軟件, 例如 VERICUT, MasterCAM, Deneb VNC等。這些軟件或?yàn)閷?zhuān)門(mén)的虛擬加工軟件, 或帶有加工仿真模塊, 在技術(shù)上比較成熟, 已有較多的應(yīng)用客戶(hù)。

VERICUT是由 CGTech 公司開(kāi)發(fā)的一個(gè)加工仿真軟件系統(tǒng), 結(jié)合該軟件所提供的資料[13], 其簡(jiǎn)化了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以用圖 3 表示。

如圖 3 所示, VERICUT 可以從 CAD/CAM中導(dǎo)入零件的加工模型和 NC代碼或刀位文件, 并可以在軟件內(nèi)部進(jìn)行加工設(shè)備建模和定義, 并將完整的加工模型和 NC代碼輸入到其核心的 VERICUT Verification (即

加工仿真/驗(yàn)證)模塊進(jìn)行加工過(guò)程仿真和驗(yàn)證, 同時(shí)進(jìn)行刀位優(yōu)化、過(guò)切檢查等輔助處理, 最后將仿真后的模型導(dǎo)出為常用的 IGES格式或 SLA格式的模型。

MasterCAM是由 CNC 軟件公司開(kāi)發(fā)的一套 CAD/CAM軟件系統(tǒng), 其核心功能便是虛擬加工過(guò)程仿真。該軟件系統(tǒng)的模塊結(jié)構(gòu)如圖 4 所示。

MasterCAM主要采用曲面建模技術(shù)來(lái)對(duì)加工零件和刀具進(jìn)行建模, 并有著優(yōu)秀的 NC刀位軌跡計(jì)算、編輯、驗(yàn)證和后置處理功能[14]。該系統(tǒng)由其任務(wù)管理器來(lái)控制軟件工作, 通過(guò)數(shù)據(jù)交換接口與其他的 CAD/CAM軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的導(dǎo)入和導(dǎo)出。其自帶的實(shí)體管理模塊,可以進(jìn)行實(shí)體模型的定義、編輯等操作; 數(shù)控編程模塊, 可以進(jìn)行 NC編程; 在任務(wù)管理器的控制下, 可將實(shí)體加工模型和 NC 代碼輸入到相應(yīng)的仿真模塊進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

結(jié)合國(guó)家 863 計(jì)劃的有關(guān)項(xiàng)目研究, 筆者提出了一個(gè)完整的虛擬加工系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)[ 15-16], 如圖 5 所示, 其包含如下功能模塊。

1) 幾何建模: 進(jìn)行加工中心設(shè)備的幾何建模, 包括簡(jiǎn)單體素定義和裝配, 以形成構(gòu)成加工中心設(shè)備的主軸(箱)、工作臺(tái)、換刀機(jī)械手、導(dǎo)軌及其他部分幾何模

型; 對(duì)簡(jiǎn)單零件和毛坯進(jìn)行幾何建模或從其他 CAD/CAPP/CAM系統(tǒng)轉(zhuǎn)換零件的幾何模型, 實(shí)現(xiàn)工件毛坯及夾具在拖盤(pán)上的裝夾定義。

2) 機(jī)床定義: 對(duì)機(jī)床幾何模型賦予加工軸、刀庫(kù)、主軸、工作臺(tái)等邏輯定義。

3) 刀庫(kù)定義: 對(duì)鏜、銑、鉆孔、車(chē)削等用的各類(lèi)刀具參數(shù)進(jìn)行定義和管理。

4) 加工任務(wù)設(shè)置: 與加工相關(guān)的一些設(shè)置, 包括刀庫(kù)定義、工件裝夾、零偏設(shè)置、 NC代碼加載等。

5) NC代碼翻譯轉(zhuǎn)換: 可支持多種控制器的 NC代碼解釋, 不僅可提取出驅(qū)動(dòng)加工中心設(shè)備模型運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù), 而且可提取各種加工狀態(tài)信息和工作步驟信息,以支持工件材料切除的計(jì)算。

6) 加工過(guò)程仿真: 用動(dòng)畫(huà)展現(xiàn)加工過(guò)程中材料切除的過(guò)程和設(shè)備的工作狀態(tài), 并支持 NC代碼窗口調(diào)試能力, 檢查刀具與夾具和工作臺(tái)的碰撞及過(guò)切、少切現(xiàn)象, 檢查無(wú)效的 NC代碼動(dòng)作、進(jìn)給和切削用量的合理性。

4 GMPS 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

GMPS 系統(tǒng)是由清華大學(xué)虛擬制造和仿真實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的一個(gè)虛擬加工仿真系統(tǒng), 全名為 General Ma-chine Processing Simulator, 即通用加工過(guò)程仿真器, 其結(jié)構(gòu)如圖 6 所示[1,17]。

GMPS 系統(tǒng)基本上采用了圖 5 所示的虛擬加工系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu), 并在各關(guān)鍵技術(shù)方面采用了合適的方法, 使其具備了完善的功能和良好的性能。GMPS是一個(gè)面向 NC程序員和操作員設(shè)計(jì)的系統(tǒng), 基于完整的加工中心設(shè)備定義和工件的裝夾模型進(jìn)行圖形仿真和檢驗(yàn), 因而更接近于實(shí)際的試切過(guò)程。其可以支持三軸至五軸的鏜銑類(lèi)數(shù)控加工, 支持的控制器類(lèi)型有 MAHO、FANUC系列。系統(tǒng)還提供了三軸立式加工中心和四軸臥式加工中心的樣板。

GMPS具有以下功能特點(diǎn):

1) 提供便利的建模手段實(shí)現(xiàn)加工中心設(shè)備的幾何建模, 包括體素定義和裝配, 以形成構(gòu)成加工中心設(shè)備的主軸(箱)、工作臺(tái)、換刀機(jī)械手及其它部分幾何模型;

2) 加工中心的邏輯定義, 包括機(jī)床坐標(biāo)系、各加工軸定義、刀庫(kù)、主軸及加工工作臺(tái)的邏輯定義等;

3) 控制器的配置, NC代碼的檢驗(yàn)及翻譯轉(zhuǎn)換成控制加工中心模型工作的數(shù)據(jù);

4) 工件及夾具在拖盤(pán)上的裝夾定義, 以及機(jī)床刀庫(kù)的定義, 其中工件及毛坯的幾何信息可以由本系統(tǒng)自行建立, 也可以和其它 CAD系統(tǒng)接口;

5) 加工過(guò)程中的各種破壞和危險(xiǎn)的檢驗(yàn), 主要指存在于刀具與工件、夾具和拖盤(pán)之間的碰撞、干涉現(xiàn)象和過(guò)切的檢驗(yàn);

6) 系統(tǒng)采用 OpenGL圖形接口、雙緩沖區(qū)繪圖方式進(jìn)行繪圖及顯示, 因此有著較好的圖形顯示性能, 可以任意改變空間視角, 也可以任意放大縮小畫(huà)面。GMPS系統(tǒng)在數(shù)控加工行業(yè)有著良好的推廣前景,曾成功地在多個(gè)企業(yè)實(shí)際應(yīng)用, 如山西經(jīng)緯紡織機(jī)械有限公司、航天集團(tuán)二院 283 廠等, 取得了良好的成效, 縮短了企業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)周期, 降低了制造成本, 增強(qiáng)了企業(yè)產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力, 直接促進(jìn)了企業(yè)效益的增長(zhǎng)。圖 7 是采用 GMPS進(jìn)行虛擬加工的一個(gè)實(shí)例: 虛擬機(jī)床在 NC代碼的驅(qū)動(dòng)下, 模擬對(duì)某零件的切削過(guò)程。該仿真包含了零件、夾具、機(jī)床和刀具, 能完整地用動(dòng)畫(huà)模擬加工過(guò)程中的進(jìn)刀、換刀、切削、托盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)等加工細(xì)節(jié), 并能以聲音報(bào)警和圖形高亮的方式提示碰撞干涉。