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虛擬數(shù)控機床模型與實現(xiàn)

2014年07月08日 14:12點擊:1751來源:溫嶺市大眾精密機械有限公司>>進入該公司展臺

  1、虛擬制造的產(chǎn)生背景
  
  自20世紀(jì)70年代以來,世界市場由局部競爭逐步演變成范圍內(nèi)的競爭,并具有動態(tài)多變的特征,同行業(yè)之間、跨行業(yè)之間的相互滲透、相互競爭日益激烈。為了適應(yīng)變化迅速的市場需求,不斷提高競爭力,現(xiàn)代制造企業(yè)必須解決TQCS難題,即以zui快的上市速度(T-TimetoMarket),的質(zhì)量(Q-Quality),zui低的成本(C-Cost),*的服務(wù)(S-Service)來滿足不同顧客的需求。
  
  與此同時,信息技術(shù)取得了迅速發(fā)展,特別是計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息處理技術(shù)等取得了人們意想不到的進步。二十多年來的實踐證明,將信息技術(shù)應(yīng)用于制造業(yè),對傳統(tǒng)制造業(yè)進行改造,是現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展的必由之路。進人20世紀(jì)90年代,*制造技術(shù)進一步發(fā)展,出現(xiàn)了虛擬制造(VM,VirtualManufacturing)、精益生產(chǎn)(LP,LeanProduction)、敏捷制造(AM,AgileManufacturing)、虛擬企業(yè)(VE,VirtualEnterprise)等新概念。在這些諸多新概念中,“虛擬制造”以其高度集成、支持敏捷制造和分工合作的特點引起了人們的廣泛關(guān)注,不僅在科技界,而且在企業(yè)界,成為研究的熱點之一。
  
  2、虛擬數(shù)控機床的用途
  
  由于數(shù)控加工過程隱含在數(shù)控程序中,而數(shù)控程序中的錯誤又不容易發(fā)現(xiàn),因此,在實際數(shù)控加工過程中,為了校驗數(shù)控代碼的正確性,需要進行反復(fù)試切,直至確認數(shù)控代碼能夠完成預(yù)定的加工任務(wù),同時數(shù)控加工參數(shù)也需要反復(fù)調(diào)試。上述操作不僅使效率降低,占用了機器資源,而且有可能引起刀具碰撞而造成經(jīng)濟損失。
  
  目前通常采用計算機圖形模擬刀具軌跡顯示法和機床試切法對數(shù)控程序進行檢驗。但計算機圖形模擬刀具軌跡顯示法缺少真實感,刀具與工件的干涉和過切難以發(fā)現(xiàn),而試切法成本高,周期長。
  
  采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)建立的虛擬數(shù)控機床,可以為產(chǎn)品設(shè)計過程中的可制造性分析提供關(guān)鍵數(shù)據(jù),降低成本并縮短開發(fā)周期。利用機床加工的全過程與用戶的交互功能,還可以對機床操作人員進行培訓(xùn),并幫助機床制造商向遠程客戶逼真地演示其產(chǎn)品。
  
  基于WTK的虛擬數(shù)控機床
  
  WTK(WorldToolKit)是由美國Sense8公司開發(fā)的虛擬現(xiàn)實軟件程序包。它內(nèi)含大量的虛擬現(xiàn)實硬件驅(qū)動程序,可以方便地連接多種虛擬現(xiàn)實輸人輸出設(shè)置。與設(shè)備無關(guān)的特性,使它可以廣泛應(yīng)用于普通計算機。強大的圖形處理功能,使它能夠逼真地模擬虛擬現(xiàn)實環(huán)境。因此,WTK在國內(nèi)正得到越來越廣泛的應(yīng)用。
  
  我們結(jié)合開放性控制系統(tǒng)的概念,參照當(dāng)今虛擬機床的研究現(xiàn)狀,采用VC++和WTK開發(fā)出可由用戶自由設(shè)定的、能夠進行三維切削并可以實時控制的虛擬數(shù)控機床。
  
  1、虛擬數(shù)控機床的體系結(jié)構(gòu)
  
  數(shù)控加工過程仿真主要包括兩個部分:數(shù)控機床建模和切削過程仿真。數(shù)控機床模型主要由機床的硬件(或物理)部分和軟件部分組成。硬件部分由機床部件、加工零件、刀具、夾具等構(gòu)成。軟件部分則由NC代碼編譯器、運動控制器等構(gòu)成。
  
  虛擬數(shù)控機床應(yīng)具備的特點有:良好的結(jié)構(gòu)、完善的圖形接口、*的符號數(shù)據(jù)接口、強大的網(wǎng)絡(luò)支持功能和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式。以上諸方面決定了虛擬數(shù)控機床需要具備合適的體系結(jié)構(gòu)。根據(jù)虛擬數(shù)控機床的特點,可以將系統(tǒng)的功能模塊做如下劃分:
  
  (1)NC編譯模塊。為了使虛擬數(shù)控機床能夠識別NC程序,開發(fā)了NC解釋模塊,它的功能是接受數(shù)控代碼并將其翻譯為機床部件、刀具等運動的信息。
  
  (2)運動控制模塊。運動控制模塊根據(jù)NC程序決定機床刀具和各個軸的運動狀態(tài),向各個運動部件發(fā)送運動指令并采集各軸的反饋信息。
  
  (3)操作面板模塊。操作面板模塊包括真實數(shù)控機床的操作面板按鈕功能和虛擬數(shù)控機床的菜單。
  
  (4)切削計算模塊。根據(jù)工件與刀具的相對位置,進行干涉判斷,對發(fā)生干涉的工件進行切削計算并重新生成工件模型。
  
  (5)機床場景模塊。建立虛擬機床的工作環(huán)境。
  
  2、虛擬數(shù)控機床功能模塊的實現(xiàn)
  
  (1)NC解釋模塊:本系統(tǒng)的G代碼按GB8870-88標(biāo)準(zhǔn)編寫,NC解釋步驟為:①由NC編譯器逐行讀取G代碼,建立對應(yīng)的機床狀態(tài)字,存入隊列。機床狀態(tài)字包含:坐標(biāo)增量方式、刀補狀態(tài)、插補方式等狀態(tài)信息和本行程序的刀心起點和終點坐標(biāo)、圓弧圓心坐標(biāo)、刀補半徑等數(shù)字信息。②讀取下一行G代碼建立機床狀態(tài)字,存人隊列。③計算兩行G代碼之間的拐點過渡,對增長型的過渡則生成新機床狀態(tài)字,插人兩個狀態(tài)字之間;對于縮短型的過渡則修改前后的機床狀態(tài)字。④重復(fù)①一③步直到程序結(jié)束。
  
  (2)運動控制模塊:為了擴大系統(tǒng)使用范圍,增強系統(tǒng)的通用性,本文是按速度矢量對虛擬機床進行運動控制的。運動控制模塊讀取機床和刀具位置,由機床狀態(tài)字可以方便地計算出刀具在任意位置的速度矢量,運動控制模塊將速度矢量輸出到機床場景模塊,對場景中的節(jié)點進行運動控制。
  
  (3)操作面板模塊:操作面板模塊采用VC的MFC界面編程技術(shù),實現(xiàn)真實機床操作面板相應(yīng)的功能。
  
  (4)切削計算模塊:本文采用表面網(wǎng)格模型建立工件模型,通過對工件和刀具的干涉檢驗,對切削點進行“塌陷”處理,重繪工件,完成對工件的切削。
  
  (5)機床場景模塊:采用WTK軟件的場景圖模型,每個機床部件都是場景圖中的節(jié)點,包含機床部件的幾何模型和材質(zhì)、紋理及光源等信息。節(jié)點可以接受速度矢量的驅(qū)動。將部件節(jié)點按傳動鏈連接,從而實現(xiàn)對運動控制模塊速度矢量的響應(yīng)。
  
  結(jié)論與展望
  
  1、結(jié)論
  
  對于解決制造業(yè)的TQCS問題,虛擬制造技術(shù)具有廣闊的市場前景,并已得到了國內(nèi)外科研機構(gòu)和企業(yè)的廣泛關(guān)注。作為實現(xiàn)虛擬制造的一個重要組成部分,虛擬數(shù)控機床技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用,有助于提高生產(chǎn)率、降低成本。本文在對虛擬制造的發(fā)展?fàn)顟B(tài)進行分析的基礎(chǔ)上,建立了虛擬數(shù)控機床的體系結(jié)構(gòu),采用VR技術(shù)在場景圖中實現(xiàn)虛擬機床子系統(tǒng),并由NC解釋模塊、運動控制模塊和操作面板模塊完成虛擬數(shù)控子系統(tǒng)的相應(yīng)功能;完成了NC程序編譯、刀具軌跡計算、虛擬數(shù)控機床的運動控制和對工件模型的切削計算。
  
  2、展望
  
  虛擬制造技術(shù)是一門新興技術(shù),它面向系統(tǒng)的全生命周期和全系統(tǒng),使研究、開發(fā)和使用者之間的更為有效,加速了新技術(shù)向產(chǎn)品轉(zhuǎn)化的開發(fā)、研制與使用過程,并通過全生命周期協(xié)同利用仿真技術(shù)來降低技術(shù)風(fēng)險、提高產(chǎn)品質(zhì)量、縮短研制周期、降低成本、增強企業(yè)競爭力。
  
  目前,我國對虛擬數(shù)控機床的研究還處在起步階段,對下列問題還需要深人研究與探討:
  
  (1)虛擬制造中人機協(xié)調(diào)的深人研究。對人和計算機在制造分析過程中的角色、相互作用方式和協(xié)同方法進行更深人的研究。
  
  (2)從制造分析的角度,研究如何更好地利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)來分析和解決可制造性問題。
  
  (3)對虛擬制造系統(tǒng)與其它分析設(shè)計系統(tǒng)之間的集成體制進行研究。

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